paleoforum.ru

Цитата: АrefievPV от февраля 02, 2022, 20:31:10
Цитата. Часть нейронов гиппокампа и расположенной рядом энторинальной коры известны тем, что функционируют как «клетки места». Это происходит потому, что каждая клетка  становится активной в определенном месте в среде.

Кто бы объяснил, за счет чего эти "клетки места" активируются?

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 220: кишечная нервная система контролирует жажду
http://neuronovosti.ru/nejronauki-v-science-i-nature-vypusk-220-kishechnaya-nervnaya-sistema-kontroliruet-zhazhdu/

ЦитироватьПри поглощении пищи и воды стимулируются сенсорные системы в ротоглоточной и желудочно-кишечной областях перед всасыванием. Эти сенсорные сигналы регулируют нейронные цепи, отвечающие за аппетит. Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что при приеме воды появляется осмотическое давление в кишечнике, поэтому нейроны, отвечающие за чувство жажды, быстро затормаживаются. Этому процессу посвящена подробная статья, опубликованная в журнале Nature.

Лаборатория биолога Калтеха Юки Ока изучала передачу сигналов осмоляльности, регулирующих жажду, от кишечника в мозг. И теперь его команда обнаружила основной сенсорный путь, который стал промежуточным звеном между этими двумя процессами. Ученые исследовали систему воротной вены, проходящей через кишечник. Она отвечает за «доставку» большинства питательных веществ из кишечника в печень.

Существуют два основных сенсорных пути от кишечника до мозга: спинальный (ганглии задних корешков спинного мозга) и вагусный пути (блуждающий нерв, 10-я пара черепно-мозговых нервов). В исследовании использовались оптическое и электрическое регистрирование в сочетании с генетическими подходами для визуализации ответов осмоляльности от сенсорных ганглиозных нейронов. Применили генетически модифицированных мышей для визуализации активации нейронов в этих двух путях. Затем систематически отслеживались нейроны ганглиев задних корешков спинного мозга и блуждающего нерва в ответ на попадание в кишечник воды, соли или сахара, которые имитируют нормальный прием питательных веществ.

В результате исследователи выявили, что вагусные нейроны сильно активируются при изменениях осмоляльности в кишечнике. По сути определенные разновидности нейронов активировались в ответ на различные жидкости.

Кроме того, ученые определили, что блуждающие нервы, иннервирующие систему воротной вены, несут сигналы осмоляльности. Если повредить  ветвь блуждающего нерва, то они не могли реагировать на изменения осмоляльности.

Команда также исследовала, ощущают ли блуждающие нервы напрямую или опосредованно изменения осмоляльности в кишечнике. Авторы работы установили, что в ответ на изменения осмоляльности в кишечнике в воротную вену секретируется вазоактивный кишечный пептид. Далее активируется блуждающий нерв в области системы воротной вены.

Все это объясняет, как кишечник преобразует физические изменения осмоляльности в гормональные сигналы, которые отвечают за изменения осмоляльности и за удовлетворение чувства жажды.

Молодой орангутан во время эксперимента воспользовался каменным отщепом
https://nplus1.ru/news/2022/02/17/orangutan

ЦитироватьБиологи решили провести эксперимент над пятью орангутанами из двух зоопарков и выяснить, смогут ли эти человекообразные обезьяны самостоятельно изготовить и применить по назначению каменные орудия. Один молодой самец однажды взял в зубы изготовленный человеком отщеп, чтобы добраться до награды, а также один раз сам сделал три скола с нуклеуса, но не стал их использовать. Кроме того, одна из молодых самок начала повторять за людьми удары молотком по нуклеусу, но изготовить отщепы у нее не получилось. О результатах эксперимента сообщается в статье, опубликованной в журнале PLoS ONE.

Около 2,6 миллиона лет назад началась самая продолжительная эпоха в истории человечества – палеолит, которая связана с началом изготовления гомининами примитивных каменных орудий. Древнейшие находки, относящиеся к олдувайской (олдованской) археологической культуре, были обнаружены в Восточной Африке. Так, в Эфиопии их нашли на памятниках Гона (2,7–2,5 миллиона лет назад), Омо (2,5–2,4 миллиона лет назад) и Хадар (2,5 миллиона лет назад), а также на некоторых стоянках в Кении, Танзании и Демократической Республике Конго. Кроме того, в Кении обнаружили еще более древние орудия, возраст которых достигает 3,3 миллиона лет, однако ряд исследователей критически относится к этому открытию.

Многие дикие животные также используют подручные предметы, чтобы добыть себе еду. Одно из самых интересных наблюдений сделано за южноамериканскими чернополосыми капуцинами (Sapajus libidinosus), которые часто пользуются камнями для раскалывания орехов и различных семян. Ученые обнаружили, что они способны и раскалывать молотком камни, положив и на наковальню, но в дальнейшем они не используют их в качестве орудий. Не были замечены в этом в дикой природе и ближайшие к человеку приматы – шимпанзе (Pan). Однако несколько экспериментов в неволе показали, что бонобо (P. paniscus) и орангутаны (Pongo) способны научиться у человека способам изготовления каменных отщепов и их применению для добычи пищи.

Альба Мотес-Родриго (Alba Motes-Rodrigo) из Тюбингенского университета совместно с учеными из Германии, Норвегии и ЮАР решила провести серию экспериментов над пятью калимантанскими орангутанами (P. pygmaeus), чтобы выяснить способность этих человекообразных обезьян использовать и изготавливать каменные орудия. Для исследования они выбрали двух самцов орангутанов из зоопарка в норвежском городе Кристиансанн и трех самок из британского зоопарка, расположенного в городе Атерстон. Ученые отметили, что эти особи ранее не обучались людьми и не имели доступа к камням в своих вольерах.

В ходе эксперимента в Норвегии биологи оставили приматам две коробки с приманкой, достать которую можно было лишь, использовав острые каменные орудия. Для этого в вольер они положили один бетонный молоток весом около 2,2 килограмма, а также заранее подготовленные нуклеусы весом от 0,8 до 1,5 килограмма. Во время проведения второго этапа эксперимента этим орангутанам также подложили кремневый отщеп размером 7,6×5×1,7 сантиметра, изготовленный человеком не на глазах у животных.

В начале эксперимента биологи не давали самцам никаких подсказок, чтобы проверить их способность спонтанно изготовить каменные орудия. После того, как приматы не стали делать каменные орудия, исследователи положили рядом с нуклеусом отщепы, два из которых приклеили к заготовке. Орангутанам из английского зоопарка ученые положили приманки, три бетонных молотка и нуклеусы, после чего они не менее 27 раз продемонстрировали животным, как нужно делать каменные орудия и как открыть коробку с едой.

В результате эксперимента орангутаны из первого зоопарка на начальном этапе не сделали того, что от них хотели ученые. Лишь один из самцов (Луи) вскрыл приманку, но использовал для этого собственную силу и принесенную с собой палку. Когда биологи подложили уже изготовленный собственными силами отщеп, этот же орангутан в одной из попыток прорезал на приманке отверстие, держа инструмент зубами. После чего он расширил его руками и достал награду. Затем ученые мотивировали животных брать отщепы в руки и обменивали их на виноград. Во время одного из испытаний Луи вытащил нуклеус из закрепленной платформы и начал его бить об пол и стены, держа одной рукой. Ему удалось отколоть от заготовки три острых отщепа, которые он в дальнейшем никак не использовал.

Биологи отметили, что среди трех самок из английского зоопарка больше всех взаимодействовала с подложенными предметами самая молодая особь (Молли). Так, она разбила один из молотков на шесть отдельных кусков бетона, после чего облизала их и обнюхала, но не стала никак использовать, хотя два из этих осколков обладали острыми краями. Молли трижды использовала молоток для ударов по нуклеусу, как ей показывали экспериментаторы, но у нее не получилось сделать отщепы.

В результате серии экспериментов ученые заключили, что в исходных условиях ни один из орангутанов не начал изготавливать острые орудия. Однако оба самца из норвежского зоопарка брали в руки молоток. Лишь однажды семилетний самец использовал изготовленный человеком острый отщеп в качестве режущего инструмента, а также один раз самостоятельно сделал с нуклеуса три острых скола. Кроме того, они отметили обучаемость одной из самок, которая начала повторять некоторые действия за демонстраторами.

Исследователи полагают, что случайное изготовление острых каменных орудий и их использование в качестве режущих инструментов, возможно, наблюдалось у некоторых видов вымерших приматов. Они предположили, что последний общий предок Pongo и Homo мог обладать необходимыми когнитивными и физическими способностями для подобного поведения.

Узнать подробнее о других сторонах жизни крупнейших на Земле древесных животных можно в нашем материале «Лесные люди».

P.S. Возможно, наши предки в первую очередь отличались от других современных им приматов именно повышенной имитативностью (повышенной подражательной поведенческой активностью) и, непосредственно связанными с этим, восприимчивостью и внушаемостью. То есть, не когнитивные способности сыграли ведущую роль, а именно способность и необходимость подражать. Ведь для таких приматов достаточно одной умной особи в большой стае, а остальные скопируют/сымитируют, и в итоге, придуманный умной особью приём/навык/способ, с достаточно высокой вероятностью распространится по популяции и будет воспроизводится от поколения к поколению.

Биологи описали самую крупную бактерию. Она может достигать двух сантиметров в длину
https://nplus1.ru/news/2022/02/25/largest-bacterium

ЦитироватьАмериканские и французские биологи описали новый вид бактерий, который они нашли в мангровых лесах. Бактерия, которую назвали Thiomargarita magnifica, может достигать двух сантиметров в длину и обладает геномом в 11 миллионов пар нуклеотидов.

Кроме этого, она не вписывается в строгое определение прокариот — ее ДНК отделено от остального содержимого клетки мембраной. Препринт с описанием нового вида бактерий доступен на bioRxiv.

Бактерии как представители прокариот обладают ДНК, которая свободно плавает в цитоплазме, а у эукариот генетический материал изолирован от остального содержимого клетки. Эта одна из основных характеристик, которая отличает прокариот от эукариот. Но биологи из США и Франции описали бактерию, которая не попадает под строгое определение прокариот.

Группа исследователей под руководством Шайлеша Дате (Shailesh V Date) из Лаборатории изучения сложных систем нашла в мангровых лесах на территории Гваделупы, которая находится в Карибском море, ранее не описанную бактерию. Ученые не сразу поняли, что это бактерия, так как она имела форму нитей, видимых невооруженным глазом. Сначала ученые подумали, что эти нити представляют собой конгломераты клеток, но после внимательного изучения поняли, что перед ними одна длинная клетка.

Бактерия оказалась не только необычно большого размера (в среднем сантиметр, но может достигать двух), но и имела нехарактерное для прокариот строение: клетка была разделена на два мешочка. В одном содержалась ДНК и рибосомы, а второй был наполнен водой. Именно этот водный мешочек, скорее всего, и позволяет бактериям вырастать до таких больших размеров. Кроме этого, у описанной бактерии оказался очень длинный геном — 11 миллионов пар нуклеотидов с 11000 генов. Обычно геном бактерий не превышает 4 миллиона пар нуклеотидов и 4000 генов.


Слева фотография Thiomargarita magnifica под световым микроскопом, справа предложенная исследователями модель строения бактериальной клетки

Описанную бактерию назвали Thiomargarita magnifica и включили в тот же род, что и обнаруженную в конце 90-х годов Thiomargarita namibiensis. Последняя может вырастать в длину почти до 1 сантиметра, и большая часть ее клетки также заполнена гигантской вакуолью, содержащей воду и нитраты.

Авторы препринта считают, что T. magnifica может заставить ученых пересмотреть характеристики, которые разделяют прокариот и эукариот. По их словам, описанная бактерия разрушает представления о прокариотах как о «мельчайших, простых и неразвитых формах жизни — мешочках с белками внутри».

Год назад мы рассказывали, как биологи привезли с борта Международной космической станции ранее неизвестные виды бактерий. Они находились в образцах, взятых с обеденного стола космонавтов, стеллажа, на котором проводились эксперименты по материаловедению, и из модуля, из которого наблюдали за действиями за бортом МКС.

P.S. Ссылка в дополнение:

С Международной космической станции привезли новую бактерию
https://nplus1.ru/news/2021/03/17/new-bacteria-from-ISS

Искусственный нейрон впервые успешно «встроили» в биологическую систему
http://neuronovosti.ru/iskusstvennyj-nejron-vpervye-uspeshno-vstroili-v-biologicheskuyu-sistemu/

ЦитироватьШведские исследователи создали искусственный нейрон, состоящий из электрохимических транзисторов, который способен не только обучаться так же, как живой, но и встраиваться в органические системы. Его работу испытали на венериной мухоловке, которая по сигналу, поступившему от нейрона, захлопнула ловчий аппарат без добычи. Этот может стать первым шагом к интерфейсам мозг-компьютер нового поколения. О своих успехах ученые рассказали в журнале Nature Communications.


Биологический нейрон и его аналог. Илл. из обсуждаемой статьи

Попытки создать искусственную нервную систему не прекращаются с 80-90х годов, но пока что успехи в этой области нельзя назвать значительными. Нейронные сети хоть и построены по принципу работы настоящих нейронов, все-таки не могут повторить их, да и вообще представляют собой принципиально иной продукт. Тем не менее их активно используют в том числе для корректной расшифровки сигналов мозга.

Некоторых любопытных результатов достигли в 2020, передав нервный импульс через Всемирную сеть из Цюриха (Швейцария), где находились искусственные кремниевые нейроны, в Падую (Италия) на культуру живых нервных клеток через мемристоры в Саутгемптоне (Великобритания). Однако, с интеграцией в живую систему подобных кремниевых нейронных аналогов есть ряд трудностей: они жесткие и обладают низкой биосовместимостью, а значит долго работать беспроблемно не смогут. А вот продукт шведских исследователей эти сложности позволяет минимизировать.

Синтетические нейроны представляют  собой органические полупроводники – напечатанные на подложке биосовместимые электрохимические транзисторы. Находящиеся в их составе полимеры p-типа и n-типа способны переносить как положительные, так и отрицательные заряды. Исследователи объединили несколько транзисторов в одну схему и получили искусственные аналоги нейрона и синапса, где один нейрон контактирует с другим.

Система способна функционировать при крайне низком напряжении ниже 0,6 В – гораздо меньшем, чем удавалось создать до этого в других аналогах. Ее функции проверили на венериной мухоловке, которая захлопнулась при отсутствии добычи, стоило нейрону подать сигнал. Интересно, что этот нейрон также способен к обучению, а потенциально – к синаптической пластичности.

В дальнейшем авторы планируют проверить работоспособность изобретения на беспозвоночных и позвоночных животных. А в будущем, по их мнению, при успехе тестирования можно думать о носимых устройствах и нейроинтерфейсах нового поколения.

Дрозофилы думают по-звериному
https://www.nkj.ru/news/43498/

ЦитироватьМушиный мозг образует ассоциативные связи с помощью кратковременной памяти.

Мозг насекомых устроен иначе, чем мозг зверей, да и размерами он слишком мал, чтобы мы могли допустить, что он способен на те же трюки, что и мозг млекопитающих. Какие-то базовые процедуры вроде управления сном, голодом, жаждой и пр., очевидно, они выполняют схожим образом. Но если говорит о высших когнитивных функциях вроде памяти и способности манипулировать информацией, то тут от мозга насекомых и мозга зверей никакого сходства не ждёшь.

Сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего изучали поведение дрозофил с помощью довольно хитроумного устройства: они создали панорамный дисплей, с помощью которого мухе казалось, что она летит, тогда как она на самом деле оставалась на месте. Изображение на дисплее двигалось в зависимости от того, как муха махала крыльями — соответственно, менялось направление «полёта», угол обзора и т. д.; фактически, это было что-то вроде виртуальной реальности. В какой-то момент дрозофиле показывали некую картинку, а спустя какое-то время к картинке добавлялось повышение температуры. Дрозофила реагировала на нагрев и меняла курс; спустя какое-то время она меняла курс, просто увидев ту самую картинку.

В первом варианте опыта «температурное» изображение и собственно нагрев перекрывались: температура повышалась до того, как исчезала картинка. Во втором варианте опыта картинка сначала исчезала, а спустя 5–20 секунд начинала повышаться температура. Чтобы связать одно с другим, нужно было обратить внимание на картинку, запомнить её и удержать в памяти как минимум на эти 5–20 секунд. Подобную процедуру легко выполняет мозг зверей и птиц — и, как оказалось, мозг дрозофил. Исследователи следили за потоками ионов кальция в нейронах мозга мух: их специально модифицировали, чтобы потоки ионов было видно по светимости флуоресцентных молекул. Движение кальция указывает на активность нервных клеток, так что можно было в реальном времени наблюдать, как работает кратковременная мушиная память.

В статье в Nature говорится, что на уровне зон мозга и нейронных цепей работу кратковременной памяти у дрозофил можно сравнить с работой кратковременной памяти у зверей. В мозге дрозофил удалось определить зону, которая за неё отвечает — это эллипсоидное тело в так называемом центральном комплексе, который обычно сравнивают по значимости и по функциям с корой полушарий звериного мозга. Запоминание и обучение у мух зависело от дофамина: выброс дофамина предшествовал повышению температуры, то есть с его помощью муха понимала, чего нужно ждать в ближайшее время.

Если в перерыве между картинкой и нагревом на дрозофил действовали какие-то другие стимулы, например, она внезапно чувствовала неожиданное дуновение воздуха, то связь между картинкой и температурой запоминалась хуже. Муха просто отвлекалась и забывала, что было перед нею только что; впрочем, то же самое происходит и с птицами, и со зверями.

Кажется, что запомнить что-нибудь на несколько секунд не так уж трудно, но, повторим, это нам не трудно, и на самом деле кратковременная память устроена весьма и весьма непросто, как с психологической, так и с нейробиологической точки зрения. Насчёт насекомых вообще и мух в частности до сих пор не было уверенности, что они могут формировать ассоциации между разными стимулами, один из которых к тому же перестал действовать — то есть он должен был остаться в уме. Поскольку дрозофилы оказались к этому способны, их можно использовать, чтобы изучать общие нейробиологические закономерности, которые лежат в основе подобных когнитивных навыков.

Иглистые мыши способны восстанавливать поврежденный спинной мозг
https://elementy.ru/novosti_nauki/433943/Iglistye_myshi_sposobny_vosstanavlivat_povrezhdennyy_spinnoy_mozg

Цитировать
Рис. 1. Как показано в обсуждаемой работе, иглистые мыши, в частности каирская мышь (Acomys cahirinus), способны к регенерации поврежденного спинного мозга. При его разрыве в районе восьмого грудного позвонка (lesion site at T8) происходит ремоделирование внеклеточного матрикса (ECM remodelling), увеличение количества кератансульфатированных протеогликанов (KSPG, keratansulphate proteoglicans), а также повышается уровень фермента b-1,3-N-ацетилглюкозаминтрансферазы 7, который контролирует образование этих молекул. В районе повреждения не накапливаются фибробласты (fibrosis, фиброз) и астроциты (astroglyosis, астроглиоз). Домовые мыши (Mus musculus) не способны к регенерации подобных повреждений. У них в месте повреждения спинного мозга накапливаются фибробласты и астроциты. Фибробласты (fibroblasts) обозначены оранжевым цветом, астроциты (astrocytes) — зеленым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Developmental Cell

ЦитироватьРегенерация органов и тканей — задача «со звездочкой» для взрослых особей большинства видов млекопитающих, включая человека. Их организмы способны самостоятельно зарастить не слишком большую рану, но с возрастом даже простые царапины оставляют шрамы. Более серьезные и хронические повреждения приводят к фиброзу — разрастанию нефункциональной соединительной ткани. Но у некоторых млекопитающих есть весьма незаурядные способности к регенерации. Один из примеров — каирские мыши (Acomys cahirinus), относящиеся к иглистым мышам. Они способны не только заживлять кожу, но и полностью восстанавливать поврежденные органы, включая спинной мозг. В недавнем исследовании показано, что это, вероятно, происходит за счет особой организации внеклеточного матрикса, который одновременно препятствует образованию фиброзного шрама и способствует восстановлению функциональных клеток, в частности нейронов.

Тут о бокиле трехлистной немного подробнее, см., пожалуйста, https://batrachospermum.ru/2019/04/boquila-mimicry/, https://zen.yandex.ru/media/knigarasteniy/bokila-trehlistnaia-liana-kotoraia-strannym-obrazom-prinimaet-formu-liubogo-rasteniia-6102b5ae5d683c28c53f7264.

Мозг чувствует кишечных бактерий напрямую
https://www.nkj.ru/news/43761/

ЦитироватьНейроны гипоталамуса непосредственно чувствуют молекулы, из которых состоят клеточные стенки бактерий.

Есть масса данных в пользу того, что кишечная микрофлора и мозг взаимодействуют друг с другом, причём это взаимодействие может по-разному влиять на сам мозг. С одной стороны, бактерии подавляют симптомы аутизма и вообще помогают мозгу лучше соображать, с другой стороны, депрессия сопровождается характерными изменениями в составе микрофлоры, и микрофлора же в некоторых случаях ускоряет болезнь Паркинсона.

Однако пока что мало известно о том, как именно бактерии общаются с мозгом. Скорее всего, они посылают от себя какие-то молекулы, которые добираются до мозга и взаимодействуют там с определёнными рецепторами на определённых клетках. Но что это за молекулы, что это за клетки и что это за рецепторы? Сотрудники Пастеровского института пишут в Science, что от бактерий в мозг попадают так называемые муропептиды, а чувствуют их там нейроны гипоталамуса. Муропептиды – это фрагменты клеточной стенки бактерий, которая окружает их клеточную мембрану, добавляя бактериям прочности и защищая их от разных внешних неблагоприятностей. Клеточная стенка состоит из пептидогликана, или муреина, который представляет собой специальные модифицированные углеводы, перешитые короткими аминокислотными цепочками, то есть пептидами.

Муреиновая клеточная стенка свойственна только бактериям, и неудивительно, что наши иммунные клетки умеют чувствовать муропептиды – для этого у них есть специальные NOD2-рецепторы (аббревиатура NOD2 скрывает в себе некоторые особенности их строения и функционирования). Но также известно, что гены, кодирующие NOD2-рецепторы, имеют какое-то отношение к психоневрологическим расстройствам и болезням пищеварительного тракта. И вот сейчас исследователи подробно проанализировали, где в мозге работают NOD2-рецепторы, и оказалось, что они особенно активно присутствуют в гипоталамусе – небольшом участке мозга который, однако, играет огромную роль в регуляции обмена веществ, голода, аппетита, жажды, управляет половым поведением, влияет на память и эмоции и т. д.

И вот нейроны гипоталамуса, как мы только что сказали, пользуются NOD2-рецепторами, причём когда они чувствовали муропептиды, электрическая активность их падала – обломки бактерий как бы успокаивали гипоталамические нервные клетки. Когда муропептидов становится много, это обычно указывает на то, что бактерии интенсивно размножаются; иными словами, нейроны гипоталамуса становятся менее активны, когда микрофлора идёт в рост. Исследователи особенно подчёркивают, что нейроны чувствуют бактериальные молекулы сами, без посредников в виде иммунных клеток или кого-нибудь ещё.

Что будет, если NOD2-рецепторы отключить? Такие эксперименты поставили на мышах, и оказалось, что мыши с неработающими NOD2-рецепторами в гипоталамусе начинают больше есть, у них нарушается терморегуляция, появляется лишний вес и повышается вероятность диабета второго типа, особенно у пожилых самок.

Управляя микрофлорой, можно так подействовать на NOD2-рецепторы в гипоталамусе, чтобы ослабить себе аппетит и вообще нормализовать обмен веществ. Может быть, бактериальными муропептидами можно влиять и на другие функции мозга, вплоть до высших когнитивных – не будем забывать, что гипоталамус на что только не влияет. Впрочем, тут ещё надо проверить, как этот канал связи между микрофлорой и мозгом работает у человека.

P.S. Ссылки в дополнение:

Кишечные бактерии ускоряют болезнь Паркинсона
https://www.nkj.ru/news/30134/
Кишечная микрофлора, действуя через иммунную систему мозга, ускоряет в нём нейродегенеративные процессы.

Бактерии против аутизма
https://www.nkj.ru/news/34148/
Симптомы аутизма у детей и подростков можно ослабить с помощью правильных микробов.

Кишечная микрофлора меняется при депрессии
https://www.nkj.ru/news/35538/
В кишечнике больных депрессией не хватает некоторых бактерий.

Кишечные бактерии омолаживают мозг
https://www.nkj.ru/news/41936/
Кишечная микрофлора молодых мышей заставила старых лучше соображать.

Лягушки получили змеиную ДНК благодаря паразитам
https://nplus1.ru/news/2022/05/05/snake-frog-gene-jump

ЦитироватьБиологи обнаружили горизонтальный перенос генов между рептилиями и амфибиями. По их оценкам, Bovine-B переходил от змей к лягушкам как минимум 54 раза в период между 85 и 1,3 миллионами лет назад. Исследование опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution.

Синтез пептида прошел на двух цепях РНК без участия рибосомы
https://nplus1.ru/news/2022/05/12/prebiotic-biosynthesis

Цитировать
Схема биосинтеза белка на рибосоме

Химики из Германии показали, как мог проходить синтез пептидов до возникновения жизни на Земле. Они выяснили, что на фрагментах транспортных РНК с неканоническими азотистыми основаниями, содержащими остатки аминокислот, могут получаться пептиды без участия рибосом. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Молекулы РНК — хранители генетической информации в живых организмах. Они состоят из нуклеотидов, которые содержат азотистые основания — аденин (A), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (C). На основе генетического кода, который хранят молекулы РНК, происходит биосинтез белков. При этом для биосинтеза необходима рибосома, именно с ее помощью образуются пептидные связи между аминокислотами, а в результате получается белок.

Так как за счет считывания информации с РНК происходит биосинтез белка, многие биологи считают, что молекулы РНК существовали до появления белков и катализировали синтез сложных органических молекул в пребиотических условиях (гипотеза мира РНК). Но как именно молекулы РНК могли ускорять синтез белков и пептидов, ученым до сих пор неизвестно.

Химики под руководством Томаса Карелла (Thomas Carell) из Мюнхенского университета Людвига и Максимилиана нашли один из возможных механизмов этого процесса. Им было известно, что в состав молекул транспортных РНК, помимо четырех основных азотистых оснований, могут входить несколько неканонических оснований. Причем некоторые из них содержат остатки аминокислот. Поэтому ученые предположили, что из этих аминокислотных остатков в пребиотических условиях могли получаться пептиды.


Синтез полипептида на комплементарных цепях РНК без участия рибосомы. Цепи содержат неканонические нуклеотиды

Чтобы проверить свою гипотезу, химики синтезировали два комплементарных набора цепей тРНК, содержащих неканонические азотистые основания. В одном из наборов неканонические нуклеотиды содержали фрагменты аминокислот со свободной карбоксильной группой, а в другом — свободную аминогруппу. Когда ученые смешали две комплементарные цепи тРНК из двух наборов в водном растворе, между ними образовались водородные связи, а фрагменты аминокислот стали ближе друг к другу.

Затем химики добавили в смесь карбодиимид — активатор карбоксильной группы — и между двумя аминокислотными фрагментами образовалась пептидная связь. В результате дальнейшего нагревания раствора при температуре 90 градусов Цельсия произошел гидролиз, а фрагмент аминокислоты оказался на комплементарной цепи тРНК. Таким образом ученые выяснили, что комплементарные РНК с неканоническими основаниями могут передавать друг другу аминокислотные фрагменты с образованием пептидов.


Образование пептидной связи и последующий гидролиз с переносом фрагмента аминокислоты на комплементарную цепь РНК

Когда химики попробовали провести эту же цепочку превращений несколько раз, им удалось получить полипептид. Но реакция работала не всегда, а только в случае, если исходные РНК содержали как минимум три нуклеотида и были комплементарны. Интересно, что в обычном биосинтезе белков на рибосомах каждую аминокислоту также кодируют три нуклеотида РНК.

В результате химики показали, что полипептидные цепочки могут образовываться при участии тРНК без рибосом. При этом синтез контролируется комплементарностью молекул тРНК, как и в случае обычного биосинтеза на рибосоме. Реакции образования пептидной связи протекали с выходом около 50 процентов, а выход реакции гидролиза в большинстве случаев не превышал 10 процентов: при нагревании до 90 градусов часть цепей тРНК разрушалась.


Химики синтезировали пептиды длиной в 6 аминокислот

Ранее мы уже рассказывали о том, как молекулы РНК могли катализировать другие химические реакции до возникновения жизни на Земле.

P.S. Ссылка в дополнение:

Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
https://nplus1.ru/news/2021/03/25/clamp-your-rna

Жизнь как многоуровневое обучение
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436306/Zhizn_kak_mnogourovnevoe_obuchenie

ЦитироватьВ феврале 2022 года в PNAS вышли две концептуальные статьи о теории эволюции «К теории эволюции как многоуровнему обучению» (Toward a theory of evolution as multilevel learning) и «Термодинамика эволюции и происхождение жизни» (Thermodynamics of evolution and the origin of life) [1, 2]. Их авторы — физики Виталий Ванчурин и Михаил Кацнельсон, а также биологи Юрий Вольф и Евгений Кунин. В ближайших номерах мы планируем опубликовать рассказ о том, как шли поиски общего языка между физиками и биологами, какие сложности были в междисциплинарных исследованиях и какие возможности предоставляет изучение эволюции COVID-19 для проверки гипотез. В этом номере читайте беседу Наталии Деминой с вед. науч. сотр. Института здравоохранения США, членом Национальной академии наук США, членом Американской академии искусств и наук, иностранным членом РАН Евгением Куниным.

Цитировать— Евгений, расскажите, пожалуйста, о ваших двух последних статьях, посвященных теории эволюции.

— Это своеобразная мини-серия из двух статей. Две основные идеи этих работ: первая (старая, но важная) — мы говорим о глубокой связи термодинамики и процессов эволюции популяций. В общей форме эта идея восходит чуть ли не к Больцману (Ludwig Boltzmann), а в более конкретной — к Роналду Фишеру (Ronald Fisher) и его исследованиям 1930-х годов. В нашей статье это взаимодействие изучается подробнее, устанавливаются соответствия между основными понятиями термодинамики и эволюционных процессов, в частности, между температурой и эффективным размером популяции, a также между свободной энергией в термодинамике и приспособленностью в эволюционной биологии.

Вторая идея более новая, мы говорим о не менее глубоком единстве теории обучения и биологической эволюции. Мы с соавторами попытались объединить первую и вторую идеи и разработать некую общую теорию эволюции. Заметьте, я говорю не только о биологической эволюции, но и о эволюции в целом — эволюции каких угодно относительно сложных систем.

P.S. Более развёрнутое сообщение размещу в своей теме... 

К сообщению (немного иная подача материала, на мой взгляд лучше):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,2220.msg259331.html#msg259331

Молекулы РНК умеют синтезировать пептиды при помощи реликтовых нестандартных нуклеотидов
https://elementy.ru/novosti_nauki/433970/Molekuly_RNK_umeyut_sintezirovat_peptidy_pri_pomoshchi_reliktovykh_nestandartnykh_nukleotidov

Цитировать
Рис. 1. Схема молекулы транспортной РНК (тРНК) с двумя неканоническими нуклеозидами в антикодонной петле. Эти нуклеозиды считаются реликтами РНК-мира. В позиции 34 (первая позиция антикодона, соответствующая третьей позиции кодона в матричной РНК) находится 5-метиламинометил-уридин (mnm⁵U). В позиции 37, сразу после антикодона, находится N6-карбамоил-6-аминоацил-аденозин m⁶aa⁶A, то есть карбамоил-аденозин с присоединенной аминокислотой (aa). У современных организмов для синтеза белка используются аминокислоты, присоединенные к другой части тРНК, далеко от антикодона — к аденозину на 3'-конце молекулы (CCA-хвост в правом верхнем углу рисунка), причем аминокислота присоединяется не к основанию (аденину), а к рибозе. В обсуждаемой статье показано, что короткие молекулы РНК, содержащие mnm⁵U и m⁶aa⁶A, способны синтезировать короткие пептиды, которые остаются ковалентно связанными с mnm⁵U. В результате может получиться молекула РНК, «обросшая» разнообразными пептидами. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

ЦитироватьВопрос о происхождении контролируемого синтеза белков (аппарата трансляции) — один из главных нерешенных вопросов теории РНК-мира. Появление этого механизма ознаменовало переход от мира РНК к миру РНК и белков. У современных организмов аппарат трансляции устроен чрезвычайно сложно. Логично предположить, что он постепенно эволюционировал из каких-то гораздо более простых механизмов синтеза пептидов. Химики из Германии обнаружили такой механизм, показав, что короткие молекулы РНК в «пребиотически правдоподобных» условиях способны последовательно присоединять аминокислоты, выращивая прямо на себе разнообразные пептидные цепочки. Ключевую роль в этом играют нестандартные нуклеотиды, встречающиеся в транспортных РНК и считающиеся реликтами РНК-мира.

Открытие показало, что миру РНК и белков мог предшествовать «РНК-пептидный мир», в котором многие функции выполнялись молекулами РНК, ковалентно соединенными с короткими пептидами. Такие молекулы должны обладать более широким репертуаром возможностей, чем обычные рибозимы. Не исключено, что обнаруженный примитивный механизм синтеза пептидов был эволюционным предшественником современного аппарата трансляции.

ЦитироватьВ обнаруженном способе синтеза пептидов пока не просматривается возможности сколько-нибудь строгого контроля аминокислотной последовательности. Механизм присоединения аминокислот к модифицированному аденозину m⁶A донора тоже по большей части остался за кадром. В принципе можно вообразить некий набор простых рибозимов — прообразов аминоацил-тРНК-синтетаз, обеспечивающий присоединение к донорам с определенной нуклеотидной последовательностью («протоантикодонам») только какой-то определенной аминокислоты. Тогда на акцепторах рядом с модифицированными уридинами mnm⁵U будут отрастать пептиды — гомополимеры той аминокислоты, которая определяется «протокодоном» — последовательностью, прилегающей к mnm⁵U. Это уже лучше, чем полностью бесконтрольный синтез.

  Гипотеза РНК-мира основана на на установлении того, что раньше молекулы РНК были ответственны за ряд процессов, к выполнению которых потом подключились белки (например, в основе синтеза белка современными клетками сидит РНК).
  А в выше процитированной стать, возможно, коснулись того, как этот синтез белка зарождался.
  Но меня очень удивляет то, что сторонники РНК-мира упорно продолжают открывающиеся факты рассматривать как свидетельства существования мира, кода не было белков: ведь сейчас экспериментально установлено (в какой-то теме приводил много ссылок), что "кучки" пептидов в виде амилоидов вполне себе способно сами сея реплицировать (причём, на основе матричного принципа) и что куда проще и примитивнее, чем создание пептидов молекулами РНК. Т.к. пептиды - гораздо менее энергозатратны в своём "изготовлении", чем молекулы РНК (молекулы РНК ведь сначала должны быть созданы, прежде, чем начнут создавать молекулы пептидов).
  А по пор мере усложнения кода, естественно, должна была возникнуть потребность переноса когда на более стабильный РНК-носитель. Что, с эволюционной точки зрения, выглядело бы, что у РНК появилась функция создания белков/петидов.
  Но это, само по себе, не значит, что они до этого ничем не создавались: амилоидами. Меня изумляет, что сторонники первичности мира РНК по отношению у белковому не видят или не хотят видеть такой возможности: все аргументы такой первичности касаются лишь достаточно крупных белков, что совсем не противоречит первичности более примитивного, пептидного мира по отношению к РНК. Что решает ту большую странность, в рамках гипотезы мира РНК, что белки - куда более "ловкие" катализаторы и странно, что эволюция бы не заметила бы этого сразу, и, поначалу, пошла по гораздо менее эффективному пути с РНК-миром.

Цитата: Alexeyy от мая 23, 2022, 10:27:05Что, с эволюционной точки зрения, выглядело бы, что у РНК появилась функция создания белков/петидов.

Модель. Вода с рассеянными пептидами и молекула полипептида. Легко доказать, что вода будет выталкивать пептиды к поверхности полипептида, но только до лимитируемого тепловыми флуктуациями объема. Для повышения лимитируемого параметра необходима простейшая сигнальная система в пограничном слое вода-полипептид, что бы из систему в среду отводить энергию, высвобождаемую после пептидного синтеза. При этом внутренних температурных флуктуаций в системе вполне достаточно, что бы сталкивать пептид с полипептидом.