Социальная и биологическая организация систем

[АrefievPV]

И ещё.

Дело в том, что первичная жизнь возникла в местах пересечения круговоротов вещества и энергии, сформировавшихся к тому времени на нашей планете. Разумеется, не в любых местах любых пересечений, а только в местах с определённым набором пересекающихся круговоротов.

Такими местами пересечения, скорее всего, была глобальная гидрогеологическая система, состоявшая из множества локальных гидрогеологических систем, периодически соединявшихся в единую сеть (или в большие фрагменты такой сети). Туда, кстати, на берега прудов вполне могло занести (либо сами пруды дотянулись до этих мест) одну из предковых форм «гибридов» («папу» или «маму», смотря кого кем считать). И, да, наша жизнь, по своему происхождению, уже изначально «гибрид».

В местах пересечения эти круговороты взаимодействовали и между собой, и со средой в данном месте. В результате такого взаимодействия и сформировались уже другие круговороты – гиперциклы (те самые, внутренние «закольцовки»), которые и есть химическая основа живых систем нашего типа жизни.

А я вам говорю про то, что вы не задумываетесь о причинах такой модели (типа, почему принята такая модель с центральной догмой).

У меня нет проблемы над этим думать, потому как трансляция от белка к геному ставит крест на базовом эволюционном принципе - сохранности.

...
И хотя я тоже придерживаюсь догмы, но не думаю, что в этом случае (в случае возможности обратной трансляции) будет нарушаться сохранность (можно ведь и другими механизмами обеспечить сохранность, там много контуров работает на сохранение). Мало того, некоторые белки (как и многие другие вещества) запросто влияют на гены (на их регуляторную функцию, на экспрессию генов), и никакую сохранность это не нарушает.

Добавлю.

Многие контуры и на изменения, и на сохранение замыкаются через внешнюю среду. Ведь сама по себе жизнь, как таковая, и возникла на пересечении подобных контуров. А вот контуры для направленных изменений или для конкретных локальных сохранений обычно замыкаются внутри живой системы.

[АrefievPV]

Вирусы и эволюция
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437377/Virusy_i_evolyutsiya
Интервью Бориса Штерна с Евгением Куниным

Небольшая цитата из интервью:

Определение более твердое можно сформулировать примерно так: вирусы — это облигатные внутриклеточные паразиты, обладающие геномами, которые кодируют как минимум структурный белок вирусных частиц.

Далее нужно понимать два момента. В первую очередь следует обратить внимание на то, что вирусы абсолютно вездесущи. Я бы сказал, что они вездесущие не только, так сказать, эмпирически, по факту, но и теоретически, поскольку паразиты непременно возникают в каждой реплицирующейся системе. Это абсолютно неизбежно. И вообще, я бы сказал, что этo — исключительно общий закон, который не ограничен биологией и обосновывается в теории игр. То есть те акторы, которые называются cheaters — обманщики, жулики, шулеры, — возникают совершенно детерминистским образом в любой системе, где есть какой-то ресурс, который можно украсть. В случае репликаторов это система репликации, система синтеза нуклеиновой кислоты и белка. Поскольку всё это можно украсть*, то обязательно возникают паразиты, которые это дело и воруют, а не производят.

— Теперь вопрос: откуда они взялись? Это какой-то неожиданный продукт, который произвели клетки себе на беду, или всё это возникло раньше клеток, независимо от этих паразитов?

— Из сказанного выше следует совершенно непреложный вывод, который состоит в том, что генетические паразиты (заметьте, я сейчас не говорю о вирусах, я уточню это) — т. е. нуклеиновые кислоты, которые представляют собой геномы, но кодируют не всё, что нужно для их репликации, воруя часть из этого, возникли вместе с первыми репликаторами. А это, как говорится, лишь один, простой вопрос. Второй, уже трудный: где и как возникли первые репликаторы? Разумеется, это произошло до клеток в полном современном понимании. Вот это всё, что есть в современных клетках, — большие геномы, состоящие из двухцепочечной ДНК, тысячи белков, многочисленные рибосомы, всё такое — не могло возникнуть, так сказать, одним скачком и сначала было что-то существенно более простое. И, в общем, для нашей темы сейчас не принципиально, как это что-то существенно более простое было устроено.

Я сильно подозреваю, что липидные пузырьки с самого начала имели большое значение. Это были как бы протоклетки. В начале жизни совершенно необходима была компартментализация, как говорится, — пространственное ограничение. Как это происходило в точности, наверное, для нашей темы сейчас даже и не важно. Было, несомненно, что-то, что можно назвать в широком смысле протоклетками, и внутри** них возникли первые репликаторы. Как только возникли первые репликаторы, они разделились на два класса: автономные репликаторы, которые заботятся о своей репликации сами, и паразиты, которые о ней не заботятся, а воруют. Как говорится, опять-таки, в теории игр — cooperators and defectors, кто-то сотрудничает, а кто-то предает. Так что, несомненно, генетические паразиты возникли до современных клеток.

P.S. Несколько замечаний.

* – Паразиты (паразитические процессы, паразитические явления, наводки там всякие и пр.) возникают не из-за того, что что-то можно украсть, а потому, что это абсолютно естественные сопутствующие явления и процессы, возникающие как наведённые (вторичные, производные, индуктивные) вокруг/около основных явлений и процессов в практически любой среде. Кроме того, живая система (и её основа – внутренняя «закольцовка») и сама «паразитирует» на внешних «закольцовках» – на круговоротах вещества и энергии в среде её обитания. Но это вовсе не означает, что живая система что-то там украла – не очень корректно использовать социальную терминологию для естественных физико-химических явлений.

Мало того, живые системы изначально и возникали в местах пересечения (и, соответственно, взаимодействия) таковых круговоротов. И в то время живые системы своего практически ничего не имели, всё («привод» метаболизма, «машинерия» по синтезу и репликации и т.д. и т.п.) было чужим (взятым в аренду у среды, так сказать), а сами живые системы обладали крайне ограниченной автономностью и практически полностью зависели от малейшего «пука» среды. То есть, в те времена живые системы были наведёнными/зависимыми процессами, происходящими в среде.

** – Сомневаюсь, что первые репликаторы возникли именно в протоклетках – они возникли вне протоклеток, а потом были перемещены в «дырявые» пузырьки.

Конечно, компартментализация важна, но маловероятно, что репликаторы (и прочая внутриклеточная «машинерия») возникли именно в пузырьках с условно герметичной мембраной/оболочкой (да и обмен с внешней средой нужен, чему мембрана/оболочка липидных пузырьков сильно препятствует). Вероятность того, что в каком-то пузырьке случайно соберётся весь необходимый набор «машинерии» для репликации, очень мала. Вероятность собраться выше в большом массиве пузырьков, но для нормального функционирования пузырьки должны быть «дырявыми».

Гораздо выше вероятность, что такой набор (среди множества подобных) возникнет в пруду (там и мест для компартментализации хватает – трещины, капилляры в породах дна и стенок прудов), и первичных (ещё неорганических – поверхностей апатитов там всяких) матриц для синтеза реплик тоже достаточно. Замыкание «закольцовки» (гиперцикла сложных химических реакций, продукты реакций последнего этапа которого являются реагентами для первого этапа реакций) также более вероятно в условиях свободного обмена вещества и энергии – то есть, в жидком содержимом пруда.

Другое дело, что самые первые варианты «закольцовок» были «сырыми и кривыми» (ну, что «закольцевалось», то и получилось). И протоплазменная форма жизни тоже прошла свою порцию ЕО на устойчивость, универсальность, автономность, воспроизводимость/репликативность. Занос частей/этапов гиперциклов и элементов «машинерии» в массивы «дырявых» пузырьков происходил постоянно, но  внутренняя «закольцовка» в пенном массиве возникала не всегда. А вот когда «закольцовка» возникла, тогда и начался отсчёт в эволюции уже протоклеточной формы жизни.

Поэтому, скорее всего, возникла «машинерия» вне протоклеток, а в протоклетки она была занесена через «дыры» в мембранах/оболочках пузырьков.

Кроме того, важно то, что протоклеточная форма жизни изначально сформировалась в виде протоколонии. Почему? Потому, что:
– Во-первых, вероятность собраться полному набору «машинерии» в массиве «дырявых» пузырьков гораздо выше, нежели собраться в одном изолированном «дырявом» пузырьке.
– А, во-вторых, вся эта неоптимизированная «машинерия» попросту не влезет в один пузырёк.

И эволюционировала протоклеточная форма жизни тоже в виде протоколоний (в результате чего, например, «машинерия» была настолько оптимизирована, что смогла уместится в одной протоклетке, которую с этого момента следует называть уже клеткой).

[АrefievPV]

«‎Микромолнии» в каплях воды могли повлиять на возникновение земной жизни
https://naked-science.ru/article/chemistry/mikromolnii-v-kaplyah
Как именно возникла жизнь на нашей планете — вопрос, который волнует ученых не одно столетие. На этот счет выдвигают самые разные гипотезы: от креационизма до панспермии. Есть среди них и версии о биохимической эволюции: под воздействием электрического разряда возникли химические реакции, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Химики из Стэнфордского университета провели эксперимент и получили данные в поддержку этой версии.

В 1952 году химик Стэнли Миллер и физик Гарольд Юри из США провели классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли. Цель: проверить возможности химической эволюции, а именно узнать, могли ли органические вещества возникнуть из неорганических под действием электрического разряда.

По сути, это была проверка гипотезы, ранее высказанной советским биологом Александром Опариным и британским популяризатором науки Джоном Холдейном. Исследователи предполагали, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических.

Миллер и Юри создали замкнутую систему, состоящую из нескольких камер, соединенными между собой стеклянными трубками. Одну камеру заполнили водой (имитировала первичный океан), которая нагревалась, чтобы создать пар. Вторую наполнили газом, точнее смесью из метана (CH₄), аммиака (NH₃), водорода (H₂) и монооксида углерода (CO), предположительно, входившими в состав атмосферы ранней Земли. После чего в систему вводили электрические разряды (аналог молний). Эти разряды служили источником энергии для химических реакций между газом и паром.

Благодаря электрическим разрядам начинались химические реакции, во время которых из неорганических молекул стали образовываться органические. Эксперимент длился больше недели, в результате появились аминокислоты — строительные блоки жизни. Глицин оказался наиболее распространенным из всех аминокислот.

Исследователи пришли к выводу, что мощные удары молний в атмосфере ранней Земли могли запустить химические реакции, которые привели к синтезу органических молекул. 

Однако позже результат эксперимента Миллера—Юри подвергли критике. Предполагается, что молнии в период молодой Земли были слишком редким явлением, чтобы обеспечить массовое образование органики. Расчеты показали, что даже при активной грозовой деятельности за миллионы лет молнии не смогли бы создать достаточное количество органических соединений для запуска жизни.

Даже если электрические разряды генерировали органику, ее концентрация в океане была бы ничтожной. В те далекие времена океан занимал большую часть планеты, и молекулы, попавшие в воду, быстро рассеивались. Для образования сложных структур (вроде РНК или белков) нужна высокая локальная концентрация веществ, что невозможно в гигантском резервуаре.

Кроме того, вполне вероятно, что химические реакции замедлялись из-за разбавленности. В лаборатории Миллер и Юри использовали замкнутую систему, где происходило накопления продуктов. В реальном океане соединения могли разрушаться под действием ультрафиолета или окисляться.

Команда американских химиков и физиков из Стэнфордского университета под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) провела свой эксперимент и предложила альтернативный механизм — вместо гигантских молний достаточно крошечных искр, рождающихся внутри обычных водяных брызг.

Ученые обнаружили, что при взаимодействии мельчайших капель воды в камере с газом возникают микроскопические электрические разряды — «микромолнии». По мнению авторов научной работы, такие крошечные вспышки могли синтезировать ключевые органические молекулы без участия мощных электрических разрядов.

Заре и его коллеги распылили воду в камере с газовой смесью, предположительно, повторяющей состав атмосферы ранней Земли: азот, метан, углекислый газ и аммиак. Никаких внешних источников энергии — только взаимодействие капель между собой.

Оказалось, при распылении в камере капли воды приобрели разные заряды: крупные — положительные, мелкие — отрицательные. Когда такие капли сталкивались или сближались, между ними проскакивали миниатюрные электрические разряды. С помощью высокоскоростных камер исследователям удалось зафиксировать вспышки света длительностью в наносекунды.

Эксперимент показал: мощности таких «микромолний» достаточно, чтобы запустить химические реакции, приводящие к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями. Среди образовавшихся соединений были циановодород (предшественник аминокислот, HCN), простейшая аминокислота глицин (C₂H₅NO₂) и урацил (C₄H₄N₂O₂) — один из компонентов ДНК и РНК.

Открытие команды Заре позволяет по-новому взглянуть на процесс возникновения жизни. Вместо редких и мощных электрических разрядов ранняя Земля могла быть насыщена постоянными мелкими электрическими вспышками. Крошечные искры в водопадах, брызгах волн и струях пара могли стабильно синтезировать органические молекулы, создавая благоприятную среду для зарождения жизни.

Ученые отметили, что подобные процессы могут происходить при схожих условиях на других телах Солнечной системы. Например, на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна, где, предположительно, есть вода. Возможно, именно в брызгах криовулканов Энцелада или в водяных шлейфах Европы уже сейчас происходят те же реакции, что миллиарды лет назад могли повлиять на возникновения жизни на нашей планете.

Результаты научной работы представлены в журнале Science Advances.

P.S. На ранней Земле водопадов, скорее всего, ещё не было, а вот небольшие гейзеры и грязевые вулканчики уже были, и при извержении воду (водные растворы, пароводяную взвесь) вполне могли разбрызгивать.

[АrefievPV]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш
https://elementy.ru/novosti_nauki/434321/Polnogenomnaya_duplikatsiya_daet_nemedlennyy_adaptatsionnyy_vyigrysh

Американские ученые в ходе долговременного эксперимента на дрожжах изучили, как происходит полногеномная дупликация и какую роль в становлении многоклеточных колоний она играет. Выяснилось, что полногеномная дупликация является чрезвычайно эффективным механизмом для формировании крупных ансамблей клеток: она приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Несмотря на нестабильность нового удвоенного генома, эта геномная перестройка дает немедленное преимущество перед обычными диплоидами, и если новые жесткие требования среды будут сохраняться, то отладка и стабилизация лишней геномной копии может произойти потом.

Новая публикация в журнале Nature разбирает пользу и ограничения полногеномной дупликации, или полиплоидии, которая довольно часто происходит в ходе эволюционных трансформаций популяций.

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

[василий андреевич]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш

На мой взгляд, очень интересно. Ключевое "адаптационный выигрыш", т.е. если работа гена демонстрирует эффективность, то этот участок генома с большей вероятностью будет дуплицирован.
  В переводе к высшим, получаем половой отбор, зачастую, доводящий до гипертрофии органа.
  Однако вопрос трансляции мутации от соматики к половой клетке остается.

[АrefievPV]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш

На мой взгляд, очень интересно. Ключевое "адаптационный выигрыш", т.е. если работа гена демонстрирует эффективность, то этот участок генома с большей вероятностью будет дуплицирован.

Второе ключевое вы пропустили. Там два ключевых момента (я текст цветом выделил):

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

И выявление эффективности работы генома (а также повышение вероятности нужных для адаптации изменений (в том числе, и удвоений) в каком-то участке генома) происходит в процессе настройки и стабилизации генома, который будет идти, пока сохраняется давление отбора (сохраняются жёсткие требования среды). Если полногеномная дупликация произошла, но давление отбора быстро прекратилось, то нужные адаптации в геноме не успели закрепиться (они, возможно, даже не успели сформироваться на уровне генов).

[Питер]

Роль  полногеномных   дупликаций   была  видна     из  данных   секвенирования  геномов  -  а  тут  очень  изящный   прямой   эксперимент.  Причем  все    просто  -  не  надо  делить  клетку в  митозе. Оставляем  все  в  одном   ядре  и вуаля ...

[василий андреевич]

  Полиплоидия, как любая избыточность, была бы репарирована хоть на клеточном, хоть на популяционном уровне, кабы не давала адаптационного преимущества "здесь и сейчас" (что и требовалось доказать). Причинность явления в стрессе, когда клетка пропускает, допустим, SOS-репарацию.
  Печень, косный мозг, эпителий - это характерные органы с функционированием полиплоидных клеток, по-видимому, испытывавшие стресс еще на эмбриональной(?) стадии, и подобный стресс продолжается у взрослого организма.

  Как и какие полигеномные нарушения "полезные" для соматики, "отражаются при путешествии будущей половой клетки" - это практически вопрос эпигенетики.
  Половой отбор, как причинно-следственный фактор стресса!? Выбрать в партнеры самца, который ведет себя или окрашен вызывающим (нетрадиционным) образом, значит среагировать собственным стрессом на чужой стресс. И не может быть, что бы в этом процессе не принимали участия нейроны, нащупывающие тупиковые варианты адаптогенеза.
 

[АrefievPV]

Ученые обнаружили молекулярных «сборщиков» жизни
https://naked-science.ru/article/column/molekulyarnyh-sborshhikov
Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ Алан Герберт предложил новое объяснение одной из нерешенных загадок биологии — происхождения генетического кода. Согласно исследованию, современный генетический код мог возникнуть благодаря самоорганизующимся молекулярным комплексам — тинкерам. Новую гипотезу автор выдвинул на основе анализа вторичных структур ДНК с помощью нейросети AlphaFold3.

Генетический код — это «алфавит», лежащий в основе функционирования любой живой системы на Земле. Он определяет, что записано в «инструкции» к организму и как ее следует читать. Современный генетический код состоит из кодонов, в каждом из которых по три нуклеотида. Эти триплеты кодируют аминокислоты, которые потом участвуют в синтезе белков. Ученые изучают генетический код уже более 70 лет, однако один из важнейших вопросов — как именно он возник — так и не получил однозначного ответа.

Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ профессор Алан Герберт предложил новое объяснение происхождения кода. По его мнению, в ходе эволюции ключевую роль в формировании современного генетического кода играли флипоны — особые участки ДНК, способные образовывать вторичные структуры.

Классическая молекула ДНК, описанная в свое время Френсисом Криком и Джеймсом  Уотсоном, представляет собой двойную спираль, закрученную вправо. Но ученые обнаружили, что существуют и альтернативные структуры ДНК: Z-ДНК, закрученная влево; трехцепочечные и четырехцепочечные последовательности; а также ДНК с крестообразной структурой — i-мотивы. Эти необычные структуры возникают при определенных физиологических условиях, а их тип зависит от набора и порядка нуклеотидов в самом флипоне. Простейшие флипоны образуются из простых нуклеотидных повторов, поэтому предполагается, что их было достаточно в так называемом первичном бульоне.


Тинкеры и генетический код / © Herbert Alan 2025

С помощью нейросети AlphaFold3 от DeepMind Алан Герберт проанализировал характер связей между флипонами и аминокислотами. «Оказалось, что флипоны, образованные из двухбуквенных повторов, очень хорошо связываются с простенькими пептидами, состоящими из двухбуквенных аминокислотных повторов. И именно такое соответствие присутствует в современном генетическом коде», — комментирует Мария Попцова, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ.

Например, цитозин-гуаниновый повтор CGCGCG образует Z-ДНК. С такой последовательностью очень хорошо связывается пептид с аргинин-аланиновым повтором RARARA. В современном коде аргинину соответствует кодон CGC, а аланину — GCG. Если подробно рассмотреть структуру пространственных взаимодействий, то самая лучшая связь получается именно из непересекающихся триплетов: CGCGCG связывается с RA.

В публикации Алан Герберт рассматривает десятки примеров взаимодействия флипонов из коротких повторов с пептидами из аминокислотных повторов. Выяснилось, что при этом также могут происходить реакции, приводящие к взаимному удлинению цепей, особенно в присутствии магния и цинка. Эти металлы служат катализаторами таких реакций.

По мнению автора исследования, подобные комплексы когда-то сформировались благодаря особым компонентам — тинкерам, так называемым мастеровым природы, как их назвал Франсуа Жакоб. В работе профессора Герберта такими самовоспроизводящимися мастеровыми служат структуры, состоящие из флипонов и пептидов. Тинкеры использовали ДНК как матрицу для синтеза белков, а белки, в свою очередь, способствовали удлинению спирали ДНК. В итоге возник триплетный неперекрывающийся код: нечетное количество оснований позволяет кодировать последовательности из разных аминокислот, а характер связей между флипонами и аминокислотами требует, чтобы каждый кодон соответствовал только одной аминокислоте.

«Роль флипонов как тинкеров в первоначальной биологической эволюции — это кардинально новый взгляд на происхождение жизни. Без преувеличения можно сказать, что, если теория подтвердится экспериментально, наш коллега доктор Герберт заслуживает Нобелевской премии, — считает Мария Попцова. — Открытие взаимодействий флипонов с аминокислотами в соответствии с таблицей современного генетического кода доказывает, что возникновение генетического кода — не случайность, а естественный результат эволюции.

Природа ничего не изобретает с нуля, она придумывает новые механизмы из того, что доступно. Природа действует как нерадивый мастеровой, который, когда надо быстро сделать что-то работающее, необязательно надежное и прочное, хватает то, что подвернется под руку. Именно это свойство и стоит за понятием "тинкер"».

«В целом предлагаемая схема не требует ДНК, РНК или пептидного мира для объяснения происхождения жизни, — пишет Алан Герберт в своей статье. — Вместо этого описанные тинкеры являются агентами, которые способствуют этой возможности. Они возникают из простого соответствия между низкосложными нуклеотидами и простыми пептидными полимерами, используя металлы для катализа их первоначальной репликации. Снабжая пребиотический суп копиями самих себя, эти тинкеры вполне естественно развили неперекрывающийся, триплетный генетический код».

Помимо понимания происхождения жизни, изучение тинкеров может привести к созданию новых технологий, включая искусственные самоорганизующиеся системы и самовосстанавливающиеся материалы. Способность тинкеров объединять различные химические элементы может быть использована для направленной эволюции новых биомолекул.

Исследование опубликовано в журнале Biology Letters.

[АrefievPV]

Многоклеточность под давлением
https://www.nkj.ru/news/54294/
Некоторые археи способны переходить из одноклеточного состояния в многоклеточные кластеры – по крайней мере, когда на них в прямом смысле давят.

Одна из самых больших загадок в истории жизни на Земле – это появление многоклеточных организмов. Казалось бы, легко представить, как всё происходило: какой-то одноклеточный организм делился с образованием двух дочерних клеток, а потом оказалось, что дочерние клетки не разбегаются в стороны, потом и их потомки тоже остаются вместе и т. д. Но чтобы так произошло, клеткам должно быть выгодно не разбегаться. Должен быть какой-то фактор, из-за которого одиночные клетки плохо размножаются и быстро гибнут, а клеточные объединения, наоборот, процветают. Другой вопрос, как быстро одноклеточный организм может перейти к многоклеточности, сколько поколений должно пройти – сотни, тысячи, сотни тысяч? И насколько большим может стать первое многоклеточное? Кроме того, не стоит забывать, что не всё, что состоит из множества клеток, представляет собой истинно многоклеточный организм – это может быть просто колония.

Исследовать эволюцию многоклеточности можно не только теоретически, но и экспериментально, с помощью современных одноклеточных, которые при определённых условиях становятся «многоклеточными». Так, мы рассказывали про эксперимент с зелёными водорослями хламидомонадами, которые стали сбиваться в крупные конгломераты, чтобы их не ели хищники-коловратки. Склонность к колониальности поддерживалась возникающими мутациями, и чтобы научиться такой условной многоклеточности, у хламидомонад ушло всего 500 поколений и полгода времени. А эксперименты на дрожжах показали, что их колонии могут разрастаться до весьма крупных размеров – буквально с муху дрозофилу. Наконец, есть знаменитые амёбоподобные слизевики Dictyostelium discoideum, которые живут то отдельными клетками, то довольно крупными подвижными колониями.

Но и водоросли, и дрожжи, и слизевики относятся к эукариотам. Хотя, если подумать, то на ком ещё ставить такие эксперименты – всё-таки истинно многоклеточные формы появились только в домене эукариот. Ни у бактерий, ни у архей многоклеточности нет –  среди них есть колониальные формы, но это именно что колонии, то есть объединившиеся одинаковые клетки. Тем удивительнее выглядят результаты сотрудников Брандейского университета и Института биологии в Тюбингене Общества Макса Планка, вместе с коллегами из других научных центров добившиеся от археи Haloferax volcanii многоклеточноподобной формы, в которой клетки отличались друг от друга.

Археи, с одной стороны, схожи с бактериями и эукариотами, с другой, всё-таки сильно от тех и других отличаются (собственно, иначе бы их и не выделили в отдельный домен жизни). На бактерий они похожи, в частности, тем, что наружную мембрану у них прикрывает клеточная стенка. Но архейная клеточная стенка сделана иначе, чем у бактерий. У архей в ней нет характерных бактериальных молекул, которые сделали бы её очень жёсткой, но зато есть много белков, и поэтому их клеточная стенка довольно пластична. То есть археи должны быть более чувствительны к механическим воздействиям. Исследователи решили выяснить, как на повышенное внешнее давление будет реагировать вышеупомянутая H. volcanii. На её клетки надавили, и они сначала сплющились, а потом стали распухать вширь и в высоту, при этом избегая делиться. Достигнув определённого критического размера (его критичность определялась натяжением наружной мембраны), «мегаклетка» формировала внутри себя множество клеточных ячеек – в ней появлялись перегородки, разбивавшие большую клетку на много мелких, каждая со своей копией ДНК.

Эти мелкие клетки не разбегались, они оставались соединёнными вместе. И, что главное, они отличались друг от друга в зависимости от положения: периферические клетки отличались от тех, которые были в центре. Клетки пронизывают нити актина, одного из цитоскелетных белков, и расположение актиновых нитей определяет клеточную морфологию – иными словами, благодаря ориентации актиновых нитей у клетки есть один конец, и другой конец тоже. Направленность, полярность клеток вообще отражается на её молекулярном портрете: например, белки в одной части клетки будут модифицироваться иначе, чем в другой. Оказалось, что периферические и центральные клетки в составе архейного кластера отличаются по молекулярным признакам, которые определят клеточную полярность. Отличались они и по механическим свойствам, и в целом, как пишут авторы работы в своей статье в Science, свойства этих клеточных кластеров делали их отчасти похожими на настоящую ткань.

То есть нечто подобное многоклеточности может возникать не только у эукариот, но и у архей, причём возникать быстро и в достаточно простых условиях – на клетки нужно просто надавить. Может быть, сама способность быть многоклеточными пришла к эукариотам от архей – ведь считается, что эукариотические клетки образовались в результате симбиоза археи с бактерией (недавно даже обнаружились археи, которые очень похожи на вероятного предка эукариот). Но действительно ли это так, действительно ли эукариотическая многоклеточность родственна потенциальной «многоклеточности» архей, станет ясно только после дальнейших исследований.

[АrefievPV]

Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций
https://habr.com/ru/articles/543710/

Информация не новая (перевод статьи от 2020 года), но подход к определению жизни/живого любопытный. Накидаю чуток цитат.

Зачем нужно новое определение для жизни?

Мы утверждаем, что большинство стандартных определений жизни ограничены и могут помешать будущим астробиологическим исследованиям в задаче поиска новых форм жизни. На данный момент в NASA используется такое определение - "самоподдерживающаяся химическая система, способная к эволюции Дарвина". Несмотря на то, что это довольно точное описание жизни, которая присутствует в данный момент на планете Земля, поиск во Вселенной явлений, которые соответствуют этому определению, похож на игру в дартс игроком, который концентрируется только на центре мишени.
...
Следовательно, при поиске внеземной жизни мы должны учитывать, что:

Жизнь, очень точно подходящая под признаки той, с которой мы знакомы, может быть очень редкой во Вселенной, однако более общий класс жизнеподобных феноменов может быть куда более распространённым.

Могут существовать системы, которые только предстоит открыть или хотя бы представить, и они будут более успешно удовлетворять критериям жизни, даже по сравнению с земной.

Ослабив наши ограничения в определении жизни, мы откроем весь спектр параметров физических и химических взаимодействий, которые могут создавать жизнь.

Так же нас мотивируют жаркие споры в области происхождения жизни, которые разделили исследователей на множество лагерей, в каждом из которых спорщики ищут свой, "единственно истинный" сценарий появления жизни. Мы утверждаем, что большая часть споров произошла из-за различий в предположении о том, что есть жизнь и, соответственно, каким было её начало.

Характерные функции жизни

Многие теории происхождения жизни сосредоточены на объяснении возникновения "характерных функций" - специфических аспектов современной земной биологии, которые, как предполагается, присутствовали при ее возникновении. Часто также подразумевается, что они имеют более фундаментальное значение для жизни в том смысле, что после их естественного появления должны возникать и остальные признаки жизни.
...

Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.

Примерами характерных функций являются репликация РНК по шаблонам, циклы реакций, формирующие ранние виды метаболизма и изоляция систем липидными мембранами от окружающего мира (рис. 1). Это приводит к возникновению различных "первичных" теорий возникновения жизни.
...
Каждая теория, пытающаяся объяснить какую-то характерную функцию, присущую земной биологии, содержит неявное предположение о том, что эта самая характерная функция присутствовала при появлении жизни и что она является основополагающей.

Однако, учитывая изначальное отсутствие ископаемых или геологических свидетельств, нет почти никаких доказательств того, что какая-либо из этих функций действительно присутствовала в начале жизни.

Горизонт событий исследований происхождения жизни


Рисунок 2. Горизонт событий в исследованиях происхождения жизни.

Существует "горизонт событий", как подходящий по смыслу термин из астрофизики, в исследованиях происхождения жизни (рис. 2).

Подходы "сверху-вниз", такие как молекулярная филогенетика, используют подсказки из сохранившейся жизни, чтобы проследить историю жизни в направлении ее происхождения. Такой подход может привести нас только до LUCA.

Подходы "снизу-вверх", направленные на моделирование синтеза пребиотических молекул и/или наступление протоживых структур и функций, могут в один прекрасный день привести к созданию абиогенеза. Однако такое "пробное происхождение" не будет являться LUCA.


Рисунок 3. Невозможность различия сценариев происхождения жизни при подходе "сверху-вниз".

Кроме того, нисходящие подходы ограничены в своем понимании происхождения жизни, поскольку дерево жизни, которое мы видим сегодня, может быть достигнуто самыми разными теоретическими сценариями (рис. 3). Эти сценарии могут включать в себя множество никогда не сходящихся генов, в результате чего образуются совершенно разные геномные ветви, которые либо уже вымерли, либо все ещё присутствуют в качестве "теневой биосферы" [15].

Правдоподобные сценарии появления жизни могут включать горизонтальный перенос генов между различными геномами, которые, возможно, беспорядочно в протобиологическом рибофильме [16], так что LUCA на самом деле является смесью из целого множества жизненных форм - некая "последняя универсальная общая группа предков" (LUCAS) [17].

Если это так, то "дерево" жизни может быть даже более подходящей метафорой, чем мы могли первоначально подумать - в то же время как оно разветвляется вверх в разнообразие существ, населявших нашу планету после LUCA(S), оно также разветвляется и вниз в запутанную сеть ранних экспериментов жизни, о которых мы никогда не сможем получить сведений.

Исторический vs Синтетический vs Универсальный сценарии происхождения


Рисунок 4. Сценарии происхождения жизни (OoL).

Существует более глубокая проблема - исследователи происхождения жизни разных направлений, возможно, не ищут более общих объяснений. В работе [18] определены три различные категории описания происхождения: историческое, синтетическое и универсальное (рис. 4).

Исторические сценарии происхождения жизни целиком основаны земных наблюдениях и ограничены нашими знаниями об окружающей среде на ранних стадиях развития Земли и основаны на двух концепциях - LUCA и современное древо жизни. Все теории о "характерных функциях" являются историческими сценариями.

Синтетические сценарии описывают эксперименты, в которых исследователи совершают попытки создания новой жизни в лаборатории. Такие сценарии описывают возможные пути перехода от нежизни к жизни, а так же позволяют создавать новые формы жизни из ранее существовавших форм жизни, посредством направленной эволюции [20] или искусственно расширенный набор генетических оснований для кодирования генной информации [21].

Как обсуждалось ранее, эксперименты по искусственному абиогенезу могут быть настроены на аппроксимацию исторических сценариев, но в связи с "чистой лабораторной" природой синтетических экспериментов и огромной неопределенностью в отношении исторических пребиотических сред, необходимо проявлять осторожность при их интерпретации.

Универсальные сценарии описывают шаги, необходимые для абиогенеза в любых условиях. Они практически не ограничены условиями ранней Земли, траекторией развития биосферы на нашей планете или химической природой жизни в том виде, в котором мы ее знаем, - все это является лишь одним из множества возможных вариантов действия универсального сценария.

Пока нет уверенности в том, что универсальные сценарии существуют, но предпринимаются некоторые попытки объяснить функции жизни с абстрактной и фундаментальной физической точки зрения [22,23,24,25].

Следовательно, различные сценарии, разработанные исследователями, затрагивают не один, а множество научных вопросов. Одним из них обычно является происхождение жизни на Земле, которое распространяется и на генезис земноподобной жизни на других мирах.

Определение Y-жизни

Мы стремимся переопределить сам термин "жизнь" в более широком смысле, однако не собираемся смешивать это определение с тем конкретным видом жизни, который мы видим на Земле. Мы придумали новый термин - "Y-жизнь". Отныне мы будем называть земную жизнь (такую, какой мы её знаем) "жизнью", а термин "Y-жизнь" будет являться термином с наиболее общим смыслом. Эти два обозначения различаются следующим образом:

Жизнь олицетворяет жизнь в том виде, в каком мы ее знаем; она использует специфические неравновесия и классы компонентов земной жизни. Жизнь - это автокаталитическая сеть металлоорганических химикатов в водном растворе, которая записывает и обрабатывает информацию об окружающей её среде в молекулярном виде и достигает динамического порядка за счет рассеивания любого подмножества следующих неравновесий: окислительно-восстановительные градиенты, хемиосмотические градиенты, видимые/тепловые фотоны и др.

Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление во Вселенной, которое удовлетворяет фундаментальным принципам живого состояния, независимо от типов эксплуатируемых неравновесий либо компонентов. Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление, которое поддерживает своё низкоэнтропийное состояние путём диссипации и конверсии термодинамических неравновесий, использует цепи автокаталитических реакций для достижения нелинейного роста и распространения, использует гомеостатические регулирующие механизмы для обеспечения стабильности и смягчения внешних возмущений, а так же собирает и обрабатывает функциональную информацию об окружающей среде.

Понятие "жизнь, какой мы ее не знаем" не ново. Тем не менее, традиционные определения жизни не позволяют строго разграничить понятия "жизнь, какой мы ее знаем" и "жизнью, какой мы ее не знаем". Их расплывчатость не позволит нам вынести какой-то определённый вердикт, если разница между двумя категориями велика.

Например, согласно определению жизни, данному НАСА (см. введение), следует ли считать самоподдерживающуюся химическую систему, которая развивается не по Дарвину, "жизнью, какой мы её не знаем" или вообще не стоит её считать жизнью?

Чтобы исправить это, мы и разработали наши критерии Y-жизни на основе четырех фундаментальных процессов.
...
Это и есть 4 базовых принципа из заголовка статьи и их подробное описание выглядит так:

1.Диссипация - Y-жизнь не может существовать в равновесии. Второй закон термодинамики, при наличии механизмов передачи свободной энергии, позволяет соединять экзергонические реакции с эндергоническими, что необходимо для организации Y-жизни.

Используя массив наноразмерных молекулярных машин, жизнь рассеивает внешние химические неравновесия и/или преобразует низкоэнтропийные фотоны в высокоэнтропийное отработанное тепло, преобразуя одни неравновесия в другие (например, эндергонически зарождающиеся протонные градиенты и реакцию [АТФ]/[АДФ]). Для выполнения полезной работы жизнь преобразует АТФ→АДФ+H3PO4, который рассеивает неравновесие [АТФ]/[АДФ] [28,29].

2.Автокатализ - способность системы демонстрировать экспоненциальный рост репрезентативных показателей численности или популяции в идеальных условиях. Свойство автокатализа может проявляться в различных формах - включая самокатализ, кросс-катализ, сетевой автокатализ - до тех пор, пока эффект приводит к экспоненциальному росту подходящей метрики в идеальных условиях.

Культивированная система микроорганизмов демонстрирует автокаталитический рост популяции за счет репликации клеток в условиях изобилия ресурсов.

3.Гомеостаз - способность системы поддерживать ключевые внутренние переменные в рамках идеальных заданных значений. В динамическом мире возмущений и в сочетании с экспоненциальным ростом, описанным выше, Y-живая система должна иметь возможность ограничить изменения своих внутренних систем при изменении внешних условий.

Жизнь поддерживает гомеостаз при помощи сетей сенсоров, рецепторов и эффекторов. Вещество, регулируемое гомеостазом (например, ионы кальция), обычно связывается с рецепторами и способствует высвобождению каскада других веществ (например, гормонов). Эти цепочки соединений затем стимулируют соответствующий механизм реакции, чтобы вернуть уровень вещества в желаемое окно.

4.Обучение - способность системы записывать информацию о своем внешнем окружении и внутреннем состоянии, обрабатывать эту информацию и осуществлять действия, которые положительно влияют на её вероятность выживания/процветания.

Дарвиновская эволюция является одним из наиболее часто упоминаемых биологических процессов обучения (например, [30,31,32]) среди гораздо более широкого набора процессов обучения, выполняемых живыми системами.

Например, существуют широко изученные примеры биологического обучения из области нейронаук, обусловленные целым рядом нейронных и синаптических взаимодействий (например, [33,34,35]).

Кроме того, растет список безнейронных систем обучения, в том числе сетей генной регуляции [36,37,38], сетей белковых взаимодействий [39,40] и других эпигенетических механизмов (например, [41,42]).

Многие примеры относятся к общим принципам ассоциативного обучения, которое демонстрируют безнейронные организмы, такие как слизевики [43,44]. Дарвинизм смешивается с этими процессами обучения (и с другими, возможно, не открытыми), создавая невероятное разнообразие и сложность биосферы. Следовательно, "обучение" является зонтичным термином для этого большого и неполноценного множества процессов.

Хотя эти четыре принципа Y-жизни являются производными от наблюдений за жизнью в том виде, в котором мы ее знаем, новое определение намного более расширяемое. Эти четыре принципа представляют собой необходимые и достаточные требования к Y-живому состоянию, оставаясь при этом отделёнными от конкретных компонентов, составляющих систему.

Y-субжизнь


Рисунок 5. Диаграмма Венна для 4 принципов. Y-псевдожизнь отмечена зонами с 1 по 8.

Помимо предоставления простого "контрольного перечня" критериев для определения того, является ли динамическая система живой или нет, эти четыре принципа также позволяют нам рассмотреть Y-жизнь в контексте других явлений во Вселенной.

Мы определяем Y-жизнь как любую систему, которая выполняет все четыре столба, и Y-субжизнь как любую систему, которая выполняет некоторые, но не все эти функции (рис. 5).

1.Только диссипация - тепловая диффузия или любой термодинамически необратимый процесс.

2.Только гомеостаз - идеальный газ в равновесии. Изолированная система, подобная этой, всегда возвращается в состояние равновесия после внутренних или внешних колебаний.

3.Диссипация и автокатализ - огонь - часто обсуждаемый пример диссипации и автокатализа. Он демонстрирует гомеостаз определенных переменных (например, температура горения естественным образом не выходит за некоторые пределы), но его неспособность полностью регулировать свое состояние или учиться на опыте удерживает его в неживом мире. Другим значимым примером может служить экспоненциальный рост продуктов в нелинейных химических реакциях (например, в реакции Бутлерова).

4.Диссипация и гомеостаз - затухающий гармонический осциллятор преобразует кинетическую энергию в тепловую и всегда возвращается в положение равновесия.

5.Диссипация и обучение - искусственная нейронная сеть - это пример системы, которая диссипативна и может обучаться, но не обязательно демонстрирует автокаталитический рост или гомеостаз (например, она сама по себе не поддерживает температуру собственного аппаратного обеспечения). Можно утверждать, что полезность нейросетей заставляет нас плодить их с экспоненциальной скоростью, но это совсем другая дискуссия.

6.Рассеивание, автокатализ и обучение - живая система, которая попала в ловушку трагедии общин. Примерами могут служить привнесенные на остров инвазивные виды, которые уничтожают источники пищи настолько быстро, что источники пищи более не подлежат восстановлению.

В качестве другого примера можно также привести антропогенное изменение климата. Обратите внимание, что эти случаи в решающей степени зависят от того, где проводится граница системы (например, при включении или не включении человека).

В действительности, такая форма субжизни или Y-субжизни менее вероятна, потому что если система способна учиться, то в принципе она может научиться регулировать себя гомеостатически (если может учиться достаточно быстро).

7.Рассеивание, гомеостаз и обучение - "умный" домашний термостат, который следит за поведением жильцов с течением времени. Эта система не может воспроизводить себя, но потребляет свободную энергию, способна к примитивному обучению и может регулировать собственную локальную температуру.

8.Рассеивание, автокатализ и гомеостаз - например, реакция Белоусова-Жаботинского. Показано, что некоторые неравновесные химические реакции растут экспоненциально, а также способны регулировать собственную локальную температуру [52,53,54,55].

9.Все 4 - Y-жизнь (и жизнь, как её подмножество).

Y-жизнь и исследования происхождения жизни

Что касается сценариев происхождения жизни, Y-жизнь включает в себя любую систему, которая удовлетворяет четырем принципам, описанным выше, но может выполнять три классические характерные функции - репликацию, метаболизм и компартментализацию - используя компоненты, которые недоступны для земной жизни.

Идея о том, что эти три характерные функции определяют необходимые и достаточные условия жизни, была подробно теоретически исследована в области создания искусственной жизни и концепций аутопоэзис [67] и "Хемотон" [68].


Рисунок 6.

На рисунке 6 показан "куб", вершины которого представляют живые системы с различными комбинациями компонентов, выполняющих три характерные функции. На одной вершине жизнь выполняет эти характерные функции, используя механизмы РНК/ДНК, хемиосмоса и липидных мембран. Вы можете удалиться от земной жизни на 1, 2 или 3 шага по ребрам этого куба и получить самые различные комбинации.

P.S. В статье много примеров, можно прочитать по ссылке.