И снова, снова о зарождении жизни...

вот и элементы подтянулись.

Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК

Синтез рибонуклеотида цитидина (Ц) из простейших органических веществ. Синими стрелками показан путь, которым химики пытались идти раньше. Одна из реакций на этом пути оказалась невыполнимой в тех условиях, которые могли существовать на ранней Земле. Эта реакция — соединение рибозы (4) с азотистым основанием цитозином (3) — перечеркнута красным крестиком. Зелеными стрелками показан путь, найденный британскими химиками. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
...

Открытый авторами путь абиогенного синтеза цитидина поражает своим изяществом. Особенно впечатляет неоднократное использование побочных продуктов, получающихся на предыдущих этапах пути, в качестве необходимых помощников на следующих этапах.

Но это еще не всё. Вместе с «правильным» нуклеотидом Ц в ходе последней реакции получается и ряд других, «неправильных» нуклеозидов и нуклеотидов, которые мешают дальнейшему синтезу «правильных» молекул РНК. Авторы стали искать способ избавиться от этих побочных продуктов. Кроме того, они надеялись получить из цитидина еще и второй пиримидиновый нуклеотид — уридин (У).

То, что они в итоге обнаружили, слегка похоже на чудо. Оказалось, что обе цели достигаются одной простой мерой — ультрафиолетовым облучением, которого, конечно, на древней Земле было вдоволь, поскольку озоновый слой отсутствовал. Под воздействием ультрафиолета все «лишние» нуклеотиды постепенно разрушаются, а цитидин остается, и часть его превращается в уридин. В отличие от всех остальных пиримидиновых нуклеотидов, Ц и У оказались устойчивы к ультрафиолету. Не правда ли, это очень похоже на четкий и простой ответ на вопрос о том, почему из всех возможных пиримидиновых нуклеотидов в состав РНК вошли именно Ц и У?

Есть ряд дополнительных химических нюансов, делающих открытие британских химиков еще более замечательным. Например, ключевое промежуточное соединение 2-амино-оксазол (11) способно к «самоочищению» и накоплению в высоких концентрациях благодаря своей повышенной летучести. Днем, под жаркими лучами солнца, оно могло испаряться из водоемов, а ночью или где-нибудь в горах — конденсироваться, выпадая в виде «органического снега». Так могли создаваться большие запасы этого вещества, готовые к дальнейшим этапам превращения в РНК.
...

данные моделирования указывают на то, что, если жизнь зародилась на планете до бомбардировки, то она могла пережить это катастрофическое событие под землей. Метеориты также были способны создавать гидротермальные источники, которые могли служить местами потенциального появления жизни. В настоящее время в окрестностях подобных источников обитают бактерии, которые способны переносить ядовитую среду и высокие температуры.

Поздней тяжелой бомбардировкой называют интенсивную бомбардировку метеоритами тел Солнечной системы, которая происходила примерно 3,9 миллиарда лет назад. Ранее предполагалось, что тепло, выделявшееся при падении на поверхность нашей планеты космических объектов, должно было привести к полной стерилизации Земли.

Не о зарождении, но об эволюции - гипотеза достаточно безумная, но не лишённая интереса:

---

Карл Вёзе — крупнейший в мире специалист по таксономии микроорганизмов, то есть по эволюции микробов. Он изучал происхождение микробов, выявляя черты сходства и различия их геномов. Им были открыты основы общей структуры древа жизни — происхождение всего живого от трех первичных ветвей. В июньском номере журнала Microbiology Review за 2004 год он опубликовал статью, смелую и многое объясняющую, которая называлась «Новая биология для нового века». Его главная идея состоит в том, что редукционизм, который практиковался в биологии в последние сто лет, должен уйти в прошлое, и на смену редукционистской биологии должна прийти новая, синтетическая биология, в основе которой будут лежать сообщества и экосистемы, а не гены и молекулы. Помимо этой, главной идеи, он также задается еще одним принципиальным вопросом: когда именно началась дарвиновская эволюция? Под дарвиновской эволюцией он подразумевает эволюцию, как ее понимал Дарвин, основанную на конкурентной борьбе за выживание нескрещивающихся друг с другом видов. Он приводит доказательства того, что дарвиновская эволюция началась не с самого момента возникновения жизни. Сравнение геномов древних групп живых организмов убедительно свидетельствует о том, что между ними происходил массивный перенос генетической информации. В древнейшие времена преобладал процесс, который он называет горизонтальным переносом генов. Причем чем дальше в прошлое, тем это преобладание сильнее.

К любым идеям, которые высказывает Карл Вёзе, даже чисто гипотетическим, нужно относиться серьезно. В своей статье о «новой биологии» он высказывает предположение о золотом веке до-дарвиновской жизни, когда горизонтальный перенос генов был всеобщим явлением, и отдельные виды еще не существовали. Жизнь в то время представляла собой сообщество клеток разного типа, которые делились друг с другом генетической информацией посредством вирусов, так что хитрые химические реакции и каталитические процессы, выработанные одним организмом, могли в итоге наследоваться всеми. Эволюция был тогда общим делом, и всё сообщество шло по пути совершенствования эффективности обмена веществ и размножения, за счет того, что наиболее эффективные клетки делились своими генами с другими. Такая эволюция могла идти очень быстро, потому что новые химические уловки могли эволюционировать одновременно в клетках разного типа, работая параллельно, а затем объединяться в одной клетке за счет горизонтального переноса генов. Но затем, в один черный день, некая клетка вроде примитивной бактерии оказалась на один прыжок впереди остальных. Эта клетка, предвосхищая то, что через три миллиарда лет сделал Билл Гейтс, отделилась от сообщества и отказалась делиться генами. Ее потомство стало первым видом, закрепив за собой интеллектуальную собственность для своего частного использования. Обладая большей, чем у других, эффективностью, оно продолжало плодиться и эволюционировать отдельно, в то время как клетки остального сообщества жили по-прежнему, делясь друг с другом. Через несколько миллионов лет от сообщества отделилась еще одна клетка, которая образовала второй вид. И это продолжалось до тех пор, пока от сообщества ничего не осталось, за исключением, быть может, только вирусов, и всё живое оказалось разделенным на виды. Так началась дарвиновская интерлюдия.

---

О происхождении и эволюции рибосом.

Проводится сравнение трехмерной структуры рибосом бактерий, архей и эукариотов, и делаются выводы относительно происхождения разных частей рибосомы.

В этой статье подробно изучаются функциональные свойства разных частей рибосомы и делается интересный вывод о том, что большая субъединица — эволюционно более старая, а малая — это более поздняя добавка к ней.

 

http://www.inauka.ru/analysis/article92653

Этой ссылки вроде не давал еще.



Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики
Д.С. Чернавский
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Российская Федерация

При попытках физического описания возникновения живых существ из неживой материи возникают трудности, связанные с оценками маловероятных событий. Показано, что эти трудности — результат предвзятого понимания слова «кодирует». Они снимаются, если принять, что в первичных организмах (гиперциклах) полинуклеотид не «кодировал», а катализировал образование белка. Рассмотрен реалистический сценарий такого процесса, включая возникновение единого кода. Обсуждается проблема мышления и образование соответствующего аппарата в эволюции. Для этой цели приведен анализ понятий: информация, ценная информация и генерация информации. Показано, что мышление в значительной мере сводится к распознаванию образа. Рассмотрен возможный молекулярный механизм процесса распознавания. Показано, что возникновение подобного механизма в эволюции вполне вероятно.

http://ufn.ru/ufn00/ufn00_2/Russian/r002c.pdf

интересная химическая новость

а тут интересная статья

Вообще, тот факт, что синтез белка в каждой клетке выполняет фактически РНК, а белки в этом процессе выполняют лишь вспомогательную роль, это весомый аргумент в поддержку РНК-мира. Но есть другие.

Вот вы упоминали такие белки, аминоацил-тРНК-синтетазы, которые присоединяют определенные аминокислоты к определенным транспортным РНК. Другими словами, они обеспечивают работу генетического кода, само кодирование. Эти белки - общие для любого живого организма. Но если на секунду углубиться в детали, то там есть два базовых неродственных семейства, одно из которых отвечает за одни десять аминокислот, а другое за другие. Все они уже, насколько мы знаем, присутствовали в этом самом LUCA.

Теперь, если мы построим некое эволюционное дерево для центральных доменов этих ферментов, мы увидим, что специализации этих самых аминоацил-тРНК-синтетаз предшествовала длительная эволюция самих белков. То есть сначала прошла очень серьезная эволюция этих белков, и только потом они стали, собственно, основой генетического кода. Это говорит о том, что эволюция белков происходила еще до того, как система их синтеза стала такой, какой мы ее знаем сейчас. И основана она была на РНК.

Теперь самое интересное - как от этого перейти, собственно, к возникновению генетического кода? Многие, и мы в том числе, пытались строить некие схемы того, как это могло произойти. Они подразумевают существование некого большого РНК-фермента, который в какой-то момент переключается на синтез белка, а некоторые другие РНК становятся матричными РНК.

Ни одна из этих моделей не кажется мне убедительной. Мы знаем, что синтез белка как-то возник, но убедительной последовательности этапов у нас нет.

В связи с этим, конечно, возникают идеи, к которым я, например, вынужден относиться серьезно. Идеи о том, что достаточно сложные системы (разумеется, не все элементы сразу) могли возникнуть сугубо случайно.

Произошло это, заметьте, лишь однажды - вся клеточная жизнь имеет именно единое происхождение, и в особенности генетический код и система трансляций. Когда мы знаем, что нечто имеет единое происхождение, то, естественно, открывается окно для большой роли случайности. Возникло и возникло. Победителей не судят.

 

Исследователи из Манчестера и Эдинбурга создали примитивный искусственный аналог рибосомы — ротаксановую наномашину, способную синтезировать пептиды заданного состава.

 

Т.е. это можно рассматривать как одну из версий пред-рибосом.

Исследования вопроса о происхождении жизни сейчас смещается в основном в область ведения одной новопоявившейся научной дисциплины - пребиотической химии.

Читать можно:

И особенно:

---

По многочисленным просьбам выкладываю в сеть конспект своего курса для Летней Экологической Школы.

Там дофига весьма свежей информации, из статей последних 2-5 лет, большей части которой на русском языке просто нигде нет. Написано сложнее, чем "Рождение сложности" Маркова, но информации гораздо больше - "цинковый мир" и "железный мир", рибосомы без мРНК и мембраны без глицерола, четыре простых способа разделения оптических изомеров и многое другое!

Ахтунг! Для понимания многих мест желательно знать химию!

Оглавление (будет обновляться здесь по мере выкладывания):
1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ДОСТУПНЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
2. ИСТОРИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЖИЗНИ
3. СОВРЕМЕННАЯ ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ПРОБЛЕМА ХИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ
4. ФОТОХИМИЯ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ И РНК
5. ВОССТАНОВЛЕНИЕ СО2 И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДБИОГЕННЫХ СИНТЕЗОВ. «ЖЕЛЕЗНЫЙ МИР» И «ЦИНКОВЫЙ МИР».
6. ПРОИСХОЖДЕНИЕ БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА И ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
7. МИР ВИРУСОВ, ПОСЛЕДНИЙ ВСЕОБЩИЙ ПРЕДОК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ДНК
8. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАН И МЕМБРАННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
9. ЗАКАТ «ЦИНКОВОГО МИРА», ПРОКАРИОТНАЯ БИОСФЕРА И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА
10.1 ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЭУКАРИОТ
10.2 ВИРУСНОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЯДРА

---

Подумалось: даже странно, что сейчас религиозные креационисты имеют что-то против теории зарождения жизни из неживой материи.
Ведь на протяжении многих столетий, в самые-распросамые религиозные времена все - включая отцов церкви - вполне верили в то, что не то что какие-то там протобактерии, а аж мухи и даже целые мыши могут самозарождаться из неживой материи (того же грязного белья, гнилое мясо еще можно отвергнуть как не являющееся чистым экспериментом). И ничего, как-то не переживали на тему противоречий с библией.

А теперь эвона как - раньше цельные мышки не мешали, а теперь бактерия в первичном бульоне поперёк горла...
Может, не в религии дело?

Американские ученые еще на шаг приблизились к созданию саморазмножающихся комплексов молекул РНК, подобных тем, с которых могла начаться земная жизнь. Методом искусственной эволюции получены рибозимы, катализирующие матричный синтез молекул РНК противоположной хиральности: «правые» РНК катализируют репликацию «левых» и наоборот. Новые рибозимы умеют синтезировать в том числе и собственные зеркальные копии, которые, в свою очередь, катализируют репликацию исходных рибозимов. Исследование показало возможный путь решения двух проблем, стоящих перед теорией мира РНК: проблемы хирального ингибирования (в отличие от полученных ранее рибозимов — РНК-полимераз, работа новых рибозимов не тормозится в присутствии нуклеотидов противоположной хиральности) и проблемы зависимости от матрицы. Левые и правые нити РНК не образуют друг с другом уотсон-криковских связей, поэтому эффективность работы новых рибозимов практически не зависит от последовательности нуклеотидов в реплицируемой матрице.

 

До сих пор в подобных исследованиях и сам рибозим, катализирующий размножение РНК, и размножаемая им молекула имели одну и ту же хиральность: они состояли только из «правых» нуклеотидов (в состав которых входит «правый» энантиомер рибозы). Именно из правых нуклеотидов сделаны все молекулы РНК и ДНК в живых клетках.

Джонатан Щепански (Jonathan T. Sczepanski) и Джеральд Джойс (Gerald F. Joyce) из Научно-исследовательского института имени Эллен Скриппс предположили, что на заре жизни этой асимметрии не было, а правые и левые молекулы РНК могли кооперироваться, чтобы размножать друг друга (рис. 1). Такое предположение интересно тем, что оно помогает решить сразу несколько трудных проблем.

Во-первых, в реакциях абиогенного синтеза нуклеотидов (см.: Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009) обычно получается смесь правых и левых нуклеотидов. Чтобы предполагать изначальное господство правых энантиомеров, нужно понять, как могла установиться такая асимметрия. Некоторые подходы к решению этой проблемы уже найдены (J. E. Hein et al., 2011. A route to enantiopure RNA precursors from nearly racemic starting materials). Но теория будет более экономной, если удастся показать возможность появления саморазмножающихся молекулярных комплексов на основе рацемической смеси левых и правых энантиомеров. В этом случае дарвиновская эволюция стартует до того, как установится асимметрия, которая тогда может оказаться следствием эволюционного развития, а не его предпосылкой.

 

Современная жизнь основана исключительно на правых молекулах РНК и ДНК, но было ли так с самого начала? Результаты Щепански и Джойса позволяют предположить, что нет. Но если кросс-хиральные РНК-полимеразы действительно сыграли какую-то роль на ранних этапах становления жизни, то возникает естественный вопрос, как эти рибозимы появились. Очевидно, до их появления должна была существовать какая-то более примитивная система синтеза «чисто левых» и «чисто правых» молекул РНК. Она могла быть основана либо на каком-то другом полимере, у которого не было энантиомеров и который мог катализировать полимеризацию нуклеотидов одинаковой хиральности, производя как левые, так и правые молекулы РНК, либо на неферментативной репликации РНК (см. Синтез РНК в «протоклетках» все-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013), в ходе которой каким-то образом происходил отбор «чистых» левых или правых полимеров. В дальнейшем такие молекулы РНК приобрели способность катализировать репликацию молекул противоположной хиральности, что позволило сформироваться сообществам размножающих друг друга левых и правых молекул. Причем эти молекулы не обязаны были быть зеркальными отражениями друг друга, как в описанном эксперименте: они могли быть разными.

Переход от этого исходного, симметричного содружества левых и правых РНК к нынешнему абсолютному преобладанию правых молекул мог произойти в результате какого-то важного эволюционного «изобретения», которое было сделано, по чистой случайности, именно правыми рибозимами. Таким изобретением мог быть, например, контролируемый синтез пептидов. Пептиды вскоре взяли на себя функцию репликации правых РНК. После этого левые РНК стали избыточными и исчезли: по образному выражению авторов, «левая сторона зеркала потемнела». Но всё это, конечно, пока лишь грубые наброски.