*3785. Происхождение жизни и человека

[Андрей Журавлев]

http://postnauka.ru/video/49866
Палеонтолог об известковых и фосфатных скелетах, арагонитовых кристаллах и эволюции хищников
18.07.2015

Почему состав скелета живых организмов зависит от их образа жизни? Чем известковые скелеты отличаются от фосфатных? Что способствовало появлению и развитию скелетов? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Андрей Журавлев.

Если спросить кого-нибудь, что такое скелет, то человек прежде всего представит наш собственный скелет с ребрами, костями — большими, берцовыми, лучевыми, локтевыми и так далее. Некоторые, наверное, задумаются: а череп — это часть скелета или нет, зубы — это часть скелета или нет? Если сказать, что не только зубы и череп, но даже камни в почках или камни в мочевом пузыре — это тоже часть скелета, то все начнут ехидничать — как это может быть. Но на самом деле любые минеральные отложения, которые у нас появляются при жизни, — это все части нашего скелета. Часть из них мы можем использовать с пользой для себя, часть из них, увы, накапливается без пользы для нас. Хотя, кто знает, может, и из них со временем мы научимся извлекать какой-то смысл.

У нас есть скелетные залежи, которые, наверное, наши предки использовали, а мы уже не умеем. В каждом грамме коры нашего головного мозга находится несколько миллионов кристаллов магнетита, такие своеобразные залежи металлолома — не совсем металлолома, конечно, поскольку это все-таки окись железа, а не чистое железо, — и многие организмы умеют этими магнитными микрокристаллами пользоваться. С их помощью киты, пчелы, лососи ориентируются в пространстве.

Скажем, тот же лосось — рыба, что называется, проходная: часть жизни проводит в реке, он там появляется, потом уходит в море, живет несколько лет и всегда возвращается в ту самую реку, откуда он когда-то мальком спустился. Более того, в этой реке, несмотря на ее гигантскую разветвленную сеть, он находит тот самый маленький ручеек, где он когда-то вылупился из икринки на свет, и все это благодаря магнитной карте памяти.

Так же ориентируются черепахи, которые совершают не кругосветные, а «кругоатлантические» движения, — скажем, зеленые черепахи. В свое время стад этих зеленых черепах действительно было огромное количество. Наверное, потрясающее зрелище — видеть всю поверхность океана, на несколько километров покрытую панцирями плывучих черепах. Колумб это еще застал, застали другие испанские конкистадоры, которые по движению черепах как раз и открыли движение Гольфстрим, позволявшее им довольно быстро из Америки возвращаться в Испанию, и они долго хранили это втайне от остальных, благодаря чему Испанская империя процветала. А подсказали черепахи благодаря своим магнитным кристаллам. Мы, увы, их использовать не умеем, проверяли — действительно не умеем.

Скелет — это не только то, что находится в нас, позвоночных. Раковина улитки — это скелет, панцирь рака, панцирь морского ежа — это тоже скелет. Но, что самое удивительное, все это разнообразие скелетов появилось практически одновременно. В начале кембрийского периода произошло событие, которое палеонтологи называют кембрийским взрывом, когда в течение 20–30 миллионов лет — а это по геологическим меркам очень короткий срок — появились все современные типы организмов: и моллюски, и членистоногие, и позвоночные, и иглокожие, и многие другие — все как раз с минеральным скелетом, причем он мог быть различного состава. У нас, позвоночных, это фосфат кальция в чистом виде. У многих беспозвоночных, тех же морских ежей или моллюсков, это кальцит, немного разный по составу — там может быть побольше магния или побольше стронция, в зависимости от этого, соответственно, меняется крепость скелета. Из арагонитового скелета…

Арагонит мы, кстати, очень хорошо знаем, хотя сами его не производим, но очень любим им пользоваться. Потому что арагонитовые кристаллы, благодаря матрице, на которой растет скелет, который создают, скажем, моллюски, получаются в виде таких тонких таблеточек. Эти таблеточки выстраиваются слойка́ми, которые очень хорошо и много раз отражают лучи света. И получается очень красивая блестящая матовая поверхность, которую мы называем перламутром.

Перламутр — это очень крепкий арагонитовый скелет, потому что арагонитовые пластинки выдерживают давление в несколько атмосфер.

Если такую маленькую пластиночку взять и попытаться на нее нажать, то ее непросто сломать, она всего максимум в несколько десятков микрон толщиной, а то и в несколько микрон. Причем, если взять целый скелет, который состоит из многих таких пластинок, окажется, что его тоже очень сложно раздавить. Раковина кажется тоненькой, но на самом деле, чтобы ее сломать, надо прилагать очень мощные усилия. Почему? Потому что каждая такая пластинка на самом деле не является отдельным кристаллом, а она является целой системой мелких кристаллов, кристаллитов, которые проложены очень тонкими органическими слойка́ми.

Все эти кристаллиты тоже состоят из наногранул, которые проложены органическими слойка́ми. И когда на раковину оказывается давление — это не мы делаем, как правило, это делают раки, которые охотятся на двустворок, ломают их клешнями, или какие-нибудь рыбы типа скатов, которые тех же двустворок выкапывают и пытаются их сдавить своими плоскими зубами, — то это оказывается не так просто. Потому что эти кристаллиты начинают свободно разъезжаться, наногранулы в них тоже начинают разъезжаться, и оказывается, что раковина, которая кажется куском камня, на самом деле очень пластична, поэтому не ломается и выдерживает давление в несколько атмосфер, а то и несколько десятков атмосфер. Для того чтобы раздавить известковую раковину, нужны более крепкие фосфатные зубы, как у тех же скатов, или у нас, или у наших предшественников, рыбоподобных, которые выдерживают давление уже не в несколько десятков, а в несколько сотен атмосфер. То есть, чтобы раздавить один зуб, нужно уронить на него танк с пятого этажа, и только тогда он превратится в порошок, если это, конечно, нормальный крепкий зуб, а не поврежденный кариесом.

Почему одновременно появились известковые и фосфатные скелеты? Одни — для того чтобы защищаться, а другие — чтобы давить. А почему те, кто защищается, в основном известковые, а те, кто давит, в основном фосфатные? Я уже сказал, что эти выдерживают больше давления, эти выдерживают меньше давления. На самом деле это только полуправда. А правда в том, что если организм очень быстро двигается, то у него внутри вырабатывается достаточно большое количество молочной кислоты, соответственно, среда подкисляется, а если среда подкисляется, то известковый скелет начинает быстро растворяться. Фосфатный эту повышенную кислотность выдерживает. Это незначительное, конечно, повышение кислотности, на 1–2 знака, но тем не менее для организма это очень много. То есть известковый скелет растворится, фосфатный скелет не растворится.

На самом деле это проверяли, еще в 60-е годы американские ихтиологи брали лосося и вживляли такие известковые пластинки, после чего пускали обратно поплавать. И эти известковые пластинки очень быстро, в течение нескольких дней, полностью исчезали, оставалась дыра в скелете. А если вживить чужую фосфатную пластинку на ее место — фосфатная выдерживала. То же самое происходит у раков, некоторые из них довольно быстро двигаются — например, раки-богомолы, которые убивают свою добычу, либо протыкая ее своими ногочелюстями, либо убивая ее ударом кувалды — все это происходит за считанные доли миллисекунды. Чтобы развить такую скорость, понятно, что у него тоже выделяется молочная кислота и, притом что у него бо́льшая часть панциря известковая, эти ударные механизмы тоже фосфатные.

Если мы вернемся к истокам скелетной жизни и посмотрим, что происходило, то мы действительно увидим, что часть организмов, которая предпочитала пассивный образ жизни, могли быть фильтраторами, слабоподвижными растительноядными организмами, малоподвижными донными хищниками, и им, соответственно, хватало известкового скелета: он менее затратный по отношению к фосфатному. А те, кто быстро двигался, — крупные хищные, членистоногие и наши предшественники, первые позвоночные, — сразу начали строить фосфатный скелет. А дальше получилось, что у членистоногих он внешний, то есть ты можешь, конечно, расти, но до определенного предела, потому что все время надо самому, чтобы вырасти, этот скелет то растворять, то откладывать, то растворять, то откладывать, а когда ты его растворил, тебя очень быстро могут съесть, чем очень многие, скажем, те же рыбы, пользуются. Они знают, примерно вычисляют периоды, когда раки, живущие в той части водоема, где они сами живут, должны линять, — как правило, это происходит сразу, у многих раков практически синхронно. И тут-то начинается пир горой, когда можно их вытащить и съесть, и они ничего сделать не смогут, потому что челюсти у них неминерализованные и очень слабенькие.

Позвоночные, которые начали строить фосфатный скелет внутри, приобрели возможность не только хищничать, как им хочется, но еще и расти в довольно больших размерах.

Потому что самые крупные позвоночные хищники — сейчас таких нет, а, скажем, в мезозойское время были — это гигантские ихтиозавры, плезиозавры, мозазавры, они достигали размеров где-то 12–14 метров. В недавнем прошлом такого же размера достигали акулы, есть такой знаменитый мегалодон — одна из страшилок, о которых любят снимать фильмы, тоже где-то 12–14 метров. Но, когда его изображают 20–30-метровым, это неправда: не мог он до такого размера дорасти, можно посчитать по размерам зубов, которые прекрасно остаются в ископаемой летописи, опять же благодаря тому, что они именно фосфатные — фосфатные зубы прекрасно сохраняются.

То есть этот мир стал скелетным примерно 540–520 миллионов лет назад именно за счет того, что в природе появился хищник — он и стал двигателем прогресса. И если мы посмотрим, что потом происходит вообще в ископаемой летописи, то идет палеозойская эра, потом мезозойская эра, затем кайнозойская эра — и что в это время происходит? Появляется новая, все более подвижная, более быстрая группа хищников и стимулирует — во всяком случае, это происходит в океане — прогресс всего, что в этом океане живет. Поэтому организмы вынуждены лучше защищаться, то есть отращивать себе шипы, бугорки на раковинках, устраивать более сложные замки, которые не пускают никого в эту раковину, а хищники, соответственно, отращивают все более и более мощные зубы. И с каждой эрой, соответственно, становится все меньше малоподвижных организмов, все больше становится самых разнообразных хищников, потому что из хищников можно выстроить очень длинную цепочку, где каждый более крупный хищник ест более мелкого. Это в свое время очень хорошо изобразил на одной из своих картин Питер Брейгель Старший, у него еще приписка на этой картине: «Дивись, сын мой, как более крупные рыбы едят более мелких», а над всеми этими рыбами показан человек с огромным ножом, который, соответственно, суперхищник, и сейчас это действительно так.

доктор биологических наук, профессор кафедры биологической эволюции биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

[Александр Еникеев]

https://lenta.ru/articles/2016/05/10...on_simulation/
00:00, 10 мая 2016

Тайна зарождения и развития жизни раскрыта благодаря компьютерным моделям

Фрагмент картины Микеланджело «Сотворение Адама»

Эволюция происходит очень медленно, поэтому лабораторные наблюдения или эксперименты тут почти невозможны. Эволюционисты из Мичиганского университета решили обойти эту проблему и выяснить причины наблюдаемой сложности внешнего вида и форм живых существ, воспользовавшись симулятором эволюции. «Лента.ру» рассказывает об этом исследовании.

Эволюционные биологи до сих пор задаются вопросом о сложности биологических организмов и какую роль в этом играют различные эволюционные механизмы. Один из таких механизмов — естественный отбор, благодаря которому распространяются новые варианты (аллели) генов, способствующие выживанию особей-носителей. Этим может объясняться сложность живых организмов, хотя и не всегда. Порой естественный отбор препятствует изменениям, сохраняя то, что у животного уже есть. В этом случае говорят о стабилизирующем естественном отборе.

Экспериментально доказано, что естественный отбор — действительно одна из основных причин эволюционных изменений, включая распространение новых адаптивных признаков в популяции. Так, американский биолог Ричард Ленски поставил долговременный эксперимент по эволюции кишечной палочки Escherichia coli. Эксперимент начался в 1988 году и продолжается по сей день. Ученые проследили за сменой 60 тысяч поколений E.coli и обнаружили, что бактерии, ранее не способные питаться цитратом натрия, приобрели эту способность из-за мутаций в нескольких генах. Это обеспечило им эволюционное преимущество среди бактерий, что росли на богатых цитратом питательных средах.

Другой эволюционный фактор — размер популяции. Чем меньше популяция, тем сильнее сказываются случайные процессы. Например, стихийное бедствие может привести к гибели всех особей с новыми аллелями, и естественный отбор уже не сможет работать с ними. Это называется дрейфом генов, и при каждом уменьшении численности животных (менее 104 особей) в популяции дрейф усиливается, ослабляя воздействие отбора.

В молекулярной эволюции, изучающей эволюционные механизмы на уровне генов и их аллелей, роль генетического автостопа и дрейфа хорошо известна. Множество мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей генов, остаются нейтральными. То есть новый признак либо не возникает, и животное внешне не меняется, либо новый признак никак не влияет на приспособленность особи. Распространение гена с нейтральной мутацией, а значит, и признака носит случайный характер (дрейф генов). Возможен и другой вариант. Неадаптивные механизмы способствуют накоплению нейтральных мутаций в популяции, которые позднее могут привести к возникновению адаптивных черт.

Иллюстрация дрейфа генов: каждый раз из банки в банку переносится случайное количество красных и синих шаров, в итоге «побеждают» шары одного цвета
Изображение: Wikipedia

Размер популяции животных, в которой распространяются новые аллели, очень важен для развития сложности. От этого зависит, насколько сильно влияет естественный отбор или дрейф генов. Сложность может развиваться из-за того, что в большой популяции возникает ряд полезных мутаций, которым благоволит естественный отбор. Чем больше популяция, тем больше таких мутацией. Или в больших популяциях формируется множество накапливающихся нейтральных мутаций, лишь некоторые из которых отвечают за какие-то внешние черты. Эти признаки в сумме и обеспечивают сложность организма.

Порой эволюция заходит в своеобразный тупик. Как ни парадоксально, но иногда требуются отрицательные мутации. Представим существо, лучше всего приспособленное к окружающей среде. Допустим, это морское животное с обтекаемым телом и плавниками оптимального размера. Любое изменение грозит нарушить баланс, и организм утратит совершенство. Например, увеличение плавников станет обузой, животное будет проигрывать своим собратьям, и естественный отбор не даст такому изменению зеленый свет. Однако если произойдет страшный шторм и большая часть «совершенных» особей погибнет, то в игру вступит дрейф генов. Он позволит не только закрепиться ущербным генам больших плавников, но и откроет простор для дальнейшей эволюции. Особи могут либо со временем вернуть оптимальные плавники, либо компенсировать их потерю какими-то другими полезными свойствами.

Популяция, которая взбирается на «холм» эволюционного ландшафта, становится более адаптированной, при этом вершина холма соответствует эволюционному «тупику»
Изображение: Randy Olson / Wikipedia

Чтобы наблюдать все это, необходимы очень большие промежутки времени. Биологические эксперименты, подтверждающие эволюционные теории, чрезвычайно сложны в реализации. Даже эксперимент Ленски с E.coli, отличающейся быстрой сменой поколений и небольшим размером генома, занял почти 30 лет. Чтобы преодолеть это ограничение, эволюционисты в своем исследовании, опубликованном в виде пресс-релиза на сайте Arxiv.org, использовали симулятор искусственной жизни Avida. Целью было изучить, как размер популяции влияет на размер генома и совокупность всех черт (фенотип) особи. Для простоты биологи взяли популяцию бесполых организмов и понаблюдали за «эволюцией в действии».

Avida — симулятор искусственной жизни, применяемый для исследований в области эволюционной биологии. Он создает эволюционирующую систему из самореплицирующихся (размножающихся) компьютерных программ, способных мутировать и развиваться. Эти цифровые организмы имеют аналог генома — цикл инструкций, позволяющих выполнять им какие-либо действия, включая размножение. После выполнения определенных инструкций программа может скопировать себя. Организмы конкурируют друг с другом за ограниченный ресурс: процессорное время компьютера.

Среда, в которой живут и размножаются цифровые организмы, располагает ограниченным числом клеток для размещения программ. Когда программы занимают все пространство, новые поколения вытесняют со случайных клеток старые программы вне зависимости от их конкурентоспособности. Таким образом достигается цифровой аналог дрейфа генов. Кроме того, цифровые организмы умирают, если им не удается успешно размножиться после определенного числа выполненных циклов инструкций.

Изображение мира Avida с цифровыми организмами, каждый из которых представляет собой самовоспроизводящуюся программу
Изображение: Elizabeth Ostrowsky / Ostrowsky laboratory

Чтобы программа могла выполнять инструкции, ей требуются ресурсы. Таким ресурсом в Avide выступает SIP-единица (single instruction processing unit), позволяющая выполнить только одну инструкцию. Всего на каждый организм может приходиться равное число SIP-единиц, однако в каждом цикле ресурс распределяется среди программ неравномерно — в зависимости от качеств (аналог фенотипа) цифровых организмов. Если какой-то организм обладает лучшими качествами, чем другой, то он получает больше SIP-единиц и за один цикл успевает выполнить больше инструкций, чем его менее удачливый собрат. Соответственно, и размножается он быстрее.

Фенотип цифрового организма состоит из черт его «цифрового метаболизма», которые дают (или не дают) ему возможность выполнять определенные логические вычисления. Эти черты обязаны своим существованиям «генам», обеспечивающим правильную последовательность инструкций. Avida проверяет, насколько правильно организм выполняет операции, и дает ему ресурсы в соответствии с объемом кода, который понадобился для выполнения инструкций. Однако при копировании кода могут произойти ошибки — вставка лишних фрагментов или удаление (делеция) существующих. Эти мутации изменяют способность вычислений в лучшую или худшую сторону, при этом вставки увеличивают геном, а делеции сокращают.

Цифровые популяции — удобный объект исследований. Конечно, проверить гипотезы, связанные с влиянием на эволюцию генов, эпигенетических и других молекулярных и биохимических факторов, с их помощью не удастся. Однако они хорошо моделируют естественный отбор, дрейф и распространение мутаций.

Исследователи наблюдали за эволюцией цифровых популяций различных размеров, от 10 до 10 тысяч особей, пропустив каждую примерно через 250 тысяч поколений. Далеко не все популяции выжили в течение эксперимента, большинство групп из 10 особей вымерло. Поэтому ученые симулировали эволюцию дополнительных маленьких популяций численностью 12-90 особей, чтобы выяснить, как вероятность исчезновения связана с развитием сложности. Вымирание, как оказалось, происходило по причине того, что популяции малого размера накапливали вредные мутации, приводившие к появлению нежизнеспособного потомства.

Ученые посмотрели, как размер генома изменялся с течением эксперимента. В начале «жизни» каждой популяции геном был сравнительно небольшим, включая в себя 50 различных инструкций. Самые маленькие и самые большие группы «организмов» обзавелись к концу опыта самыми крупными геномами, тогда как популяции среднего размера уменьшили свой геном.

В целом результаты показали, что очень маленькие популяции склонны к вымиранию. Причиной тому может служить «храповик Мёллера» — процесс необратимого накопления вредных мутаций в популяциях организмов, неспособных к половому размножению. Популяции чуть большего размера неожиданно получают возможность увеличивать размер геномов благодаря легким негативным мутациям, которые «откатывают» организмы от оптимальных адаптаций. Увеличение размера геномов, в свою очередь, приводило к возникновению новых фенотипических черт и усложнению «внешнего вида» цифрового организма.

Популяции большого размера также увеличивают размер геномов и фенотипическую сложность, однако происходит это за счет редких выгодных мутаций. В этом случае действует естественный отбор, способствующий распространению таких изменений. Также есть и другой путь усложнения: через двойные мутации, одна из которых нейтральна и не дает никаких преимуществ, а вторая обеспечивают первую функциональностью. Популяции среднего размера, чтобы развить сложность, должны увеличить размер геномов, однако в нем полезные мутации не так часты, в то же время сильный отбор убирает большинство адаптивных изменений в генах, а дрейф остается слишком слабым. В результате такие популяции отстают от популяций маленького и большого размера.

Эволюционный симулятор предлагает идеальную модель популяции и не описывает в полной мере то, что происходит в реальности. Для более полного понимания роли адаптивных и неадаптивных механизмов в развитии сложности у живых организмов необходимы дальнейшие исследования.

[Александр Еникеев]

https://lenta.ru/articles/2016/04/19/rna/
00:03, 19 апреля 2016

Биологи раскрыли тайну происхождения жизни и отсутствие бога

Большой призматический источник характерен условиями, похожими на существовавшие при зарождении жизни
Фото: Max Waugh / Solent News / East News

Уже много десятилетий биологи, химики и даже математики работают над проблемой зарождения жизни. И хотя уже существуют научно обоснованные и подкрепленные гипотезы химической эволюции до появления первой клетки, работы в этом направлении продолжаются. «Лента.ру» рассказывает о новом исследовании, посвященном проблеме РНК-мира, результаты которого опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые из Портлендского государственного университета, проводя эксперименты над рибозимами, выяснили, что способность этих молекул катализировать собственную сборку зависит от их взаимодействия с другими подобными молекулами. Исследование косвенно подкрепляет гипотезу РНК-мира, которая гласит, что первой органической молекулой, ставшей основой для первых клеток, была РНК. Эти молекулы РНК были способны самосинтезироваться, конкурировать друг с другом и участвовать в пребиотической эволюции, когда наиболее успешные соединения становились базой для более сложных химических комплексов.

Многим известно, что в живых клетках имеются свои специальные катализаторы: ферменты, представляющие собой сложно свернутые белковые молекулы, осуществляющие жизненно важные реакции. Однако ферментами могут быть не только белки, но и цепочки РНК. Напомним, РНК — это нуклеиновая кислота, очень похожая на ДНК, но отличается от нее тем, что в ее состав входит сахар рибоза (а не дезоксирибоза), а одно из азотистых оснований — тимин — заменен на урацил. По мнению ученых, РНК появилась раньше ДНК, поскольку она гораздо стабильнее и может осуществлять каталитические реакции без помощи белков. Молекулы РНК, являющиеся ферментами, называются рибозимами. Как правило, рибозимы катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК.

Одним из самых хорошо изученных рибозимов является Azo — фермент, который изготавливается учеными из самовырезающихся интронов группы I, содержащихся в ДНК бактерии Azoarcus. Интроны — это участки генов, которые не содержат информации о последовательности белка или нуклеиновой кислоты, и вырезаются во время созревания информационной РНК (иРНК). Все интроны группы I катализируют свое собственное вырезание из последовательности РНК. Интересующий ученых интрон-рибозим Azo находится в гене, который кодирует транспортную РНК (тРНК), несущую аминокислоту изолейцин. Внутри клетки Azo, как и другие рибозимы, осуществляет свое собственное вырезание из тРНК, однако в лабораторных условиях он смог научиться осуществлять обратный сплайсинг: рибозим разрезает в определенном месте субстрат — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, кусочки которого остаются прикрепленными к Azo.

Структура рибозима бактерии Azoarcus. Красным обозначен фрагмент IGS
Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

Azo состоит примерно из 200 нуклеотидов и может распадаться на два, три или четыре фрагмента, которые спонтанно собираются вместе при температуре 42 градуса Цельсия в присутствии раствора MgCl2. Процесс самосборки начинается со взаимодействия между двумя тройками нуклеотидов (триплетами), принадлежащими разным фрагментам РНК. Когда между триплетами образуются водородные связи по принципу комплементарности, части рибозима меняют свою пространственную структуру и воссоединяются друг с другом. Ученые сфокусировались на реакции самосборки двух фрагментов, которые условно назвали WXY и Z, где W, X, Y и Z представляют собой отдельный участки рибозима длиной примерно в 50 нуклеотидов (Рис.1). На участке W, на переднем конце молекулы РНК, располагается один из триплетов, который участвует в инициации самосборки и называется «внутренней гидирующей последовательностью» (internal guide sequence — IGS). На конце WXY находится триплет tag, который, взаимодействуя с IGS, образует прочную ковалентную связь с фрагментом Z.

Исследователи создали различные варианты (генотипы) фрагментов WXY, меняя нуклеотиды, находящиеся в серединке триплетов IGS и tag (нуклеотиды M и N соответственно). Так как молекулы РНК обычно образованы всего четырьмя типами нуклеотидов, таких вариантов оказалось 16. Например, одним из генотипов может быть 5'-GGG-WXY-CAU-3', а другим 5'-GСG-WXY-CUU-3'. Все эти варианты молекул могут конкурировать друг с другом, формируя различные метаболические сети, в которых общий ресурс — молекула Z — требуется для восстановления целого рибозима.

Реакция между различными фрагментами рибозима Azo с образованием целой молекулы
Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

В своих экспериментах ученые сначала проверили способность каждого генотипа к самосборке в отдельности. Когда M и N формируют пары Уотсона-Крика (то есть по принципу комплементарности, А — U, C — G), скорость самосборки рибозима становится выше, чем для других типов пар. Затем исследователи смоделировали условия теплого «маленького пруда», в котором различные пребиотические молекулы, взаимодействуя между собой, приобретают выгоды друг от друга и ускоряют процессы самоорганизации. Биохимики проследили за поведением генотипов в паре друг с другом, всего ученые изучили 120 пар, состоящих из двух непохожих вариантов WXY. Они измерили скорость каждой реакции, проходившей между молекулами двух генотипов WXY и фрагментами Z внутри отдельных пробирок в течение 30 минут.

Взаимодействие между последовательностями различных фрагментов рибозима с помощью водородных связей
Изображение: Jessica A. M. Yeates et al. Department of Chemistry, Portland State University.

Совместив результаты обоих этапов эксперимента и получив скорости самосборки при взаимодействии двух различных генотипов, исследователи поставили эволюционный эксперимент. Пары генотипов были смешаны в одинаковой пропорции, снабжены Z-фрагментами и реагировали друг с другом в течение пяти минут. В течение этого времени ученые отбирали 10 процентов раствора в новую пробирку, в которой присутствовало большее количество непрореагировавших WXY каждого генотипа и Z-фрагменты. Ученые отслеживали соотношения каждого WXYZ-генотипа в течение восьми таких переносов. Это позволило оценить химический эквивалент эволюционной успешности рибозимов в течение поколений, которая наблюдалась как «взрыв» — то есть сильное увеличение скорости самосборки РНК. В эволюционном эксперименте биологи изучали взаимодействие семи пар рибозимов.

На основе всех лабораторных экспериментов ученые вывели математическую модель дифференциальных уравнений, учитывающих скорость самосборки генотипов в присутствие других генотипов или без них. Эта модель стала основой для новой эволюционной теории игр, где определяются несколько поведений молекул РНК. В одном случае, называемом «Доминирование», один из генотипов всегда встречается чаще, чем другой, при том что его скорость самосборки всегда превышает скорость конкурента. В другом случае — «Кооперация» — оба генотипа, что взаимодействуют друг с другом, получают от «сотрудничества» выгоду, и скорость их самосборки превышает ту, что была бы у них в отдельности друг от друга. «Эгоистичный сценарий» — прямая противоположность «Кооперации» — означает, что каждый рибозим в отдельности получает больше, чем при взаимодействии с кем-то еще. И, наконец, в «Контрдоминировании» генотип с низкой скоростью самосборки неожиданно начинает встречаться чаще, чем его конкурент.

Это исследование не направлено на прямое доказательство гипотезы РНК-мира, однако оно представляет собой еще один элемент в мозаике научных представлений о пребиотической эволюции. Впервые показано, что энзиматические свойства отдельных молекул могут улучшаться в присутствии других молекул, которые отличаются всего лишь одним-двумя нуклеотидами. В гигантском растворе, которым были земные океаны на заре существования жизни, эти молекулы конкурировали друг с другом за субстраты, сотрудничали и усиливали свое действие. На основе этого уже можно предполагать, почему сложные органические соединения стремились объединяться в системы, представляющие собой прообразы первых клеток.

[Александр Марков]