Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Колония ностока
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1447/Koloniya_nostoka

Песок на заброшенном карьере в Московской области постепенно затягивается растительностью. Среди мхов, молодых сосен и березок, единичных злаков и бобовых то и дело попадаются странные лохмотья коричнево-зеленого цвета, упругие и слегка липкие на ощупь. В сухую погоду они высохнут и станут темно-зелеными корочками, но оживут после дождя. Это колонии ностока, скорее всего ностока обыкновенного (Nostoc commune) — широко распространенного вида цианобактерий, его можно найти даже в Антарктиде. Несмотря на то что эти колонии прокариотические, они могут достигать внушительных размеров — до нескольких десятков сантиметров в длину и в ширину!

Под микроскопом колония ностока выглядит как связки бусин, погруженные в слизь. Каждая бусинка — клетка, а нити — трихомы. Трихомы способны к необычному скользящему движению, о котором можно подробно прочитать в новости Зачем цианобактерии вьют из себя веревки («Элементы», 19.11.2009). Раньше считалось, что это движение обеспечено направленным выделением слизи через внешнюю мембрану цианобактерий. Сейчас появились данные, уточняющие, почему слизь движется направленно: по-видимому, в скольжении цианобактерий участвуют белковые филаменты (нити), заякоренные в этой слизи и способные удлиняться и сокращаться.

Иногда из трихом образуются более короткие и более быстро скользящие (до 10–11 мкм в секунду) нити — гормогонии, с помощью которых носток расселяется, а симбиотические виды ностока, по-видимому, находят себе подходящих симбионтов: носток встречается в лишайниках и изредка даже в высших растениях (растениям может быть выгодна способность ностока к азотфиксации).

Большинство клеток ностока фотосинтезирует, их можно отличить по зеленой окраске. Естественно, у них нет никаких хлоропластов — они их «двоюродные братья»: хлоропласты в глубокой древности произошли от цианобактерий (см. статью Пластиды: от растений до морских слизней и мозговых паразитов). Но в малоподвижной прокариотической цитоплазме, тем не менее, расположены тилакоиды — мешочки из мембраны, в которую встроены необходимые для световой фазы фотосинтеза белки.

Более крупные бесцветные «бусины» — это гетероцисты, клетки, которые изолируются от кислорода и специализируются на фиксации азота. Способность фиксировать азот — огромное преимущество, если доступных форм азота в субстрате нет или очень мало. Голые скалы, пески или глина — именно такой очень скудный субстрат, поэтому носток часто встречается на ранних стадиях первичной сукцессии — заселения пространств, на которых еще нет почвы.

P.S. В дополнение ссылки (с цитатами):

Зачем цианобактерии вьют из себя веревки
https://elementy.ru/novosti_nauki/431195/Zachem_tsianobakterii_vyut_iz_sebya_verevki

Нитчатые цианобактерии способны к скользящему движению. Движение каждой нити подчиняется простым правилам, следование которым может приводить к самосборке сложных структур из множества нитей, в том числе туго скрученных, прочных «веревок». Анализ распространения цианобактерий, вьющих такие веревки, и свойств субстратов, на которых они обитают, показал, что данная способность, по-видимому, помогает микробам обживать сыпучие, неустойчивые грунты.

Нитчатые цианобактерии — одни из самых «высокоорганизованных», то есть сложно устроенных, прокариот. Нить, или трихом, формируется в результате не доведенных до конца клеточных делений и состоит из множества расположенных в один ряд клеток. У некоторых видов наблюдается разделение функций между клетками трихома: одни клетки специализируются на фотосинтезе, другие — на фиксации азота (эти процессы трудно совместить в одной клетке, хотя недавно выяснилось, что некоторым цианобактериям это удается, см.: Цианобактерии совмещают в одной клетке фотосинтез и фиксацию атмосферного азота, «Элементы», 01.02.2006).

Нитчатые цианобактерии со специализацией клеток — одна из наиболее далеко зашедших «попыток» эволюции создать многоклеточный организм на прокариотной основе. Впрочем, усложнение таких нитчатых «многоклеточных организмов» так и не продвинулось дальше самых первых шагов. Однако некоторые нитчатые цианобактерии перешли к следующему уровню интеграции — формированию упорядоченных структур из множества трихомов. Это достигается благодаря способности трихомов к медленному скользящему движению.

Ползая друг по другу, трихомы могут сплетаться в плотные «коврики», покрывающие поверхность субстрата. Наблюдение за поведением цианобактерий — увлекательное занятие.

Например, если такой коврик разорвать, из краев разрыва вскоре высовываются отдельные трихомы, которые, постепенно выползая всё дальше, начинают совершать круговые «ищущие» движения. Наткнувшись на ползущего навстречу (из противоположного края разрыва) товарища, трихом прилипает к нему, и они начинают ползти друг по другу в противоположные стороны. Поскольку каждый трихом, по-видимому, прочно «заякорен» в своей половине коврика, это создает усилие, стремящееся соединить разъединенные половинки. Многочисленные пары ползущих друг по другу трихомов действуют подобно сокращающимся мышечным волокнам. В конце концов половинки коврика приходят в движение, края разрыва сближаются, и трихомы быстро «заплетают» разрыв.

Такое сложное и «осмысленное» коллективное поведение наводит некоторых авторов на раздумья, а нельзя ли организованное сообщество нитчатых цианобактерий считать настоящим целостным организмом? По-моему, это слишком громко сказано, и таких терминов, как «коллективное поведение» и «организованное сообщество» здесь вполне достаточно (см.: «Чувство кворума»: принятие коллективных решений в макро- и микромире, «Элементы», 02.04.2009). Однако какой-то специальный термин для обозначения сложных структур, образованных множеством многоклеточных трихомов, все-таки нужен. Некоторые авторы называют такие структуры «супраклеточными».

То, что «веревочные» цианобактерии обычно являются пионерами — то есть поселяются на необжитых участках, скрепляют грунт, а затем уступают место другим микробам, — хорошо согласуется с тем упомянутым выше обстоятельством, что жизнь в виде веревок снижает эффективность обмена веществ (фотосинтеза, извлечения веществ из окружающей среды и удаления отходов). Пока «веревочные» формы живут на голом песке в одиночестве, без всякой конкуренции, всё это можно перетерпеть. Но как только на субстрате появляются более эффективные конкуренты, «веревки» начинают проигрывать соревнование и вскоре оказываются вытеснены с обжитого места, которое они сами же и сделали пригодным для жизни.

Цианобактерии совмещают в одной клетке фотосинтез и фиксацию атмосферного азота
https://elementy.ru/novosti_nauki/430086

Цианобактерии — изобретатели оксигенного фотосинтеза и создатели кислородной атмосферы Земли — оказались еще более универсальными «биохимическими фабриками», чем ранее считалось. Выяснилось, что они могут совмещать в одной и той же клетке фотосинтез и фиксацию атмосферного азота — процессы, ранее считавшиеся несовместимыми.

До недавнего времени считалось, что совместить фотосинтез и азотфиксацию в одной и той же клетке невозможно. Однако 30 января Артур Гроссман и его коллеги из Института Карнеги (Вашингтон, США) сообщили о важном открытии, показывающем, что ученые до сих пор сильно недооценивали метаболические способности цианобактерий. Оказалось, что живущие в горячих источниках цианобактерии рода Synechococcus (к этому роду относятся примитивные, древние, чрезвычайно широко распространенные одноклеточные цианобактерии) ухитряются совмещать в своей единственной клетке оба процесса, разделяя их во времени. Днем они фотосинтезируют, а ночью, когда концентрация кислорода в микробном сообществе (циано-бактериальном мате) резко падает, переключаются на азотфиксацию.

И последняя цитата (ссылку и цитату продублирую в тему "Гидрогеологическая система - колыбель жизни?"
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.0.html) из:
Происхождение жизни
http://www.evolbiol.ru/paleobac.htm

В начале было сообщество

Многие биологи полагают, что все разнообразие жизни на нашей планете происходит от единственного исходного вида – "универсального предка". Другие, в том числе крупнейший микробиолог академик Г.А.Заварзин, несогласны с этим. Устойчивое существование биосферы возможно только при условии относительной замкнутости биогеохимических циклов. В противном случае живые существа очень быстро израсходуют все ресурсы или отравят себя продуктами собственной жизнедеятельности.

Замкнутость циклов может быть обеспечена только сообществом из нескольких разных видов микроорганизмов, разделивших между собой биогеохимические функции (примером такого сообщества являются циано-бактериальные маты). Заварзин считает, что организм, способный в одиночку замкнуть круговорот, столь же невозможен, как и вечный двигатель.

Для этапа химической преджизни это еще более очевидно. Никакая отдельно взятая органическая молекула не сможет устойчиво самовоспроизводиться и поддерживать гомеостаз в окружающей среде. На это способны только комплексы из довольно большого числа разных молекул, поделивших между собой функции.

Скорее всего, общим предком всего живого был не один вид, а полиморфное сообщество, в котором происходил активный обмен наследственным материалом между организмами. Разнообразие, симбиоз, разделение функций, информационный обмен – изначальные свойства земной жизни.

Народ так и не сделал последнего шага в рассуждениях...

А чего проще-то – задать себе вопрос: как и каким образом обеспечивалась замкнутость циклов до клеточных организмов? И чем, в таком случае, сие образование следует считать? На мой взгляд, сие образование следует считать протоплазменной формой жизни. Но, это "на мой взгляд", а не на "их взгляд"...

[ArefievPV]

Иммунный опыт может переходить по наследству
https://www.nkj.ru/news/42311/

Болезни родителей стимулируют иммунитет у потомства.

Мы знаем, что иммунный ответ на бактерию, вирус, паразитическую амёбу и т. д. может быть общим и специфическим. Специфический ответ — это когда иммунитет начинает бороться против конкретного патогена, против конкретного вируса (например, против коронавируса SARS-CoV-2, а не против вируса гриппа); такой ответ даёт система адаптивного, или приобретённого, иммунитета. Неспецифический, общий иммунный ответ — это реакция на какую-то неясную опасность, которая появилась в организме. То есть иммунная система понимает, что дела идут как-то не так, но конкретная причина пока неясна. Это называется врождённым иммунитетом — он борется против бактерий или против вирусов вообще.

Но сила неспецифической иммунной реакции может быть разной: воспаление может быть сильнее или слабее, иммунные клетки, которые бродят по тканям и поедают всё потенциально опасное, могут быть более активны или менее активны. Сотрудники Боннского университета и их коллеги из Университета Неймегена, Афинского университета и других научных центров пишут в Nature Immunology, что один из факторов, который влияет на силу иммунной реакции, это болезни, перенесённые старшим поколением в семье. Эксперименты ставили с мышами: самцов заражали патогенной формой дрожжей Candida albicans, вызывающих кандидоз. После того, как самцы выздоравливали от грибковой инфекции, они спаривались со здоровыми самками. Получившееся потомство заражали патогенными бактериями из группы кишечных палочек. Оказалось, что потомство самцов, переболевших грибковой инфекцией, справляется с бактериальной инфекцией лучше, чем потомство самцов, которые грибком не болели.

Одни из первых на инфекцию реагируют клетки моноциты: они в прямом смысле поглощают всё, что представляет опасность, в том числе и бактерий, и одновременно выделяют воспалительные сигналы, стимулирующие иммунные клетки. Исследователи обнаружили, что у потомства мышей-самцов, переболевших грибком, в клетках-предшественниках моноцитов воспалительные гены работают активнее. То же самое касалось некоторых других генов, связанных с распознаванием чужеродных молекул.

То, что гены были более активны, означало, что с них было проще считать генетическую информацию. Доступность информации для считывания зависит от эпигенетических механизмов, которые либо закрывают определённые участки ДНК от считывающих ферментов, либо открывают. Эпигенетических механизмов есть несколько разных видов; в данном случае речь идёт о метильных химических группах, которые присоединяются к ДНК. Метилирование или деметилирование ДНК сильно сказывается на активности генов. У клеток-предшественников моноцитов узор метилирования на ДНК был такой, что они быстрее превращались в зрелые моноциты и легче включали некоторые иммунные гены.

Механизмы эпигенетической регуляции чувствуют, что происходит с организмом, и надолго меняют активность генов. Более того, эпигенетические изменения переходят по наследству, то есть дети получают от родителей не только генетический текст, но и рекомендации, как этот текст нужно читать. Как именно происходит эпигенетическое наследование, во многом остаётся загадкой, но совершенно очевидно, что тут многое завязано на половых клетках. В случае с иммунным опытом оказалось, что у сперматозоидов самцов, перенёсших грибок, узор метилирования на ДНК выглядит иначе, чем у самцов, которые грибком не болели. То есть после грибковой инфекции состояние иммунных генов изменилось — на них появилась эпигенетическая печать, и появилась она не только на ДНК иммунных клеток, но и на ДНК сперматозоидов, а потом, после оплодотворения, эпигенетические рекомендации каким-то образом пришли к иммунным клеткам взрослого потомства.

На всякий случай ещё раз уточним, что от самцов к их потомству передаётся не конкретная иммунная память, а общие впечатления иммунитета о том, что родителям приходилось бороться с какими-то неприятностями, поэтому лучше, чтобы иммунная система срабатывала быстрее. Происходит ли нечто похожее у людей, покажут дальнейшие исследования. Но вообще эпигенетические механизмы считаются универсальными, и среди людей есть примеры наследования, которое можно объяснить только с их помощью.

P.S. Ссылка в дополнение:

Может ли стресс передаваться по наследству
https://www.nkj.ru/news/27202/
Регуляторные молекулы, появляющиеся в сперматозоидах из-за стресса, влияют на активность генов у эмбриона.

[ArefievPV]

Молочко дискуса
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1450/Molochko_diskusa

На фото — пара рыб из рода дискусов (Symphysodon). Присмотритесь внимательнее к одной из них — возле плавника заметны мальки. Находятся они так близко к рыбе не случайно. Дело в том, что они питаются слизью, которая выделяется на коже родителя, совсем как детеныши млекопитающих питаются молоком матери. Кстати, эту слизь так и называют — «молочко дискуса» (discus milk). Некоторые ученые даже считают, что по своему родительскому поведению рыбы-дискусы больше похожи на птиц или млекопитающих, чем на рыб.

Дискусы относятся к семейству цихлид и обитают в бассейне Амазонки, также это популярные аквариумные рыбы. В роде выделяют три вида: обыкновенный дискус (Symphysodon discus), равнополосый дискус (Symphysodon aequifasciatus), зеленый дискус (Symphysodon tarzoo).

Цихлиды славятся своей заботой о потомстве, они охраняют кладку: строят гнезда либо носят икринки во рту. А дискусы пошли дальше и стали выкармливать мальков своей слизью. Кроме них так же поступают, по одной версии, цихлиды рода Uaru, в котором всего два вида, по другой — до 30 видов цихлид. В любом случае, кормление слизью присуще только цихлидам. Самка дискуса мечет икру на различные поверхности вроде камней и водорослей, оба родителя охраняют кладку. Вылупившиеся мальки первое время остаются прикрепленными и питаются за счет желточного мешка, а на четвертый день начинают плавать. Тогда-то и наступает пора кормиться родительской слизью.

Кормят потомство оба родителя, но первую неделю мальки находятся возле самки, потому что она достаточно агрессивно реагирует на самца. Но затем она подпускает его к потомству, и забота становится примерно равноправной, а передают рыбы-родители друг другу мальков, близко подплывая друг к другу и своеобразным движением тела стряхивая их. У мальков к четвертому дню развития формируются толстые губы, которые помогают эффективно захватывать слизь, они буквально откусывают ее с поверхности тела родителя и продолжают так питаться в течение месяца.

Начиная с третьей недели родители уже начинают оставлять мальков одних, приучая их искать пищу самим и отвыкать от питания слизью. По всей видимости, рыбки переходят с питания «молочком» на питание уже привычным для взрослых рыб перифитоном, зоопланктоном, насекомыми, когда у них полностью формируются плавники. Соответственно, они могут сами питаться, гнаться за добычей и при необходимости спасаться от хищников.

Слизь секретируется клетками эпидермиса под влиянием гормона пролактина, того же, что у млекопитающих отвечает за секрецию молока, а у голубей и фламинго — за выработку «птичьего молочка» (см. картинку дня «Кровь» с молоком). В экспериментах было замечено, что мальки, которые кормятся слизью, растут быстрее, чем те, у которых она в рационе отсутствует. Когда рыбы начинают кормить свое потомство, состав их слизи меняется (напомним, что кожа рыб всегда покрыта слизью, которая защищает рыб от патогенов). В ней становится больше белков, аминокислот, пролактина, гормона роста, тироксина и, возможно, кортизола (но только у аквариумных рыб, а не диких), а также антител (конкретно — иммуноглобулинов M). Ученые даже проводят аналогию: млекопитающие получают иммунитет через молоко матери, а мальки дискусов получают его через слизь. Кроме этого, по всей видимости, слизь снабжает мальков ионами натрия, калия, кальция, хлора, которые важны для осморегуляции. И наконец, из родительской слизи мальки получают полезных бактерий-симбионтов, которые заселяют их кишечник и помогают переваривать пищу во взрослой жизни. Ну правда же, всё как у млекопитающих!

P.S. Зачастую живая природа в своей эволюции приходит к схожим решениям.

Ссылка в дополнение:

«Кровь» с молоком
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1228/Krov_s_molokom

[ArefievPV]

Дышите на здоровье!
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436065/Dyshite_na_zdorove

P.S. В одной статье собрано много фактов (известных и не очень) о воздействии на человека кислорода и углекислого газа — по отдельности и вместе. Удобно, информативно, популярно.

[ArefievPV]

У губок найдены вероятные эволюционные предшественники нейронов и миоцитов
https://elementy.ru/novosti_nauki/433891/U_gubok_naydeny_veroyatnye_evolyutsionnye_predshestvenniki_neyronov_i_miotsitov

Губки — одни из самых просто устроенных животных. У них нет ни тканей, ни органов, а есть лишь несколько типов клеток, различающихся по строению и функциям. Секвенирование РНК из тысяч индивидуальных клеток пресноводной губки-бадяги (Spongilla lacustris) с последующим сравнением профилей экспрессии (наборов работающих генов) позволило выделить 18 типов клеток, пять из которых описаны впервые. Разнообразие клеток имеет выраженную древовидную структуру: все типы клеток группируются в четыре семейства, что, возможно, отражает их эволюционную историю (можно допустить, что каждое семейство произошло путем последовательной дифференциации от одного исходного типа клеток). Некоторые типы клеток губки по своему строению, набору экспрессирующихся генов и функциям напоминают мышечные и нервные клетки более сложных животных (Eumetazoa). Их дальнейшее изучение должно пролить свет на происхождение нервной системы и мышц эуметазоев.

В ближайшем будущем, возможно, мы узнаем и о результатах аналогичного исследования пластинчатых: по слухам, авторы обсуждаемой статьи уже работают над этим. У трихоплакса тоже нет нервной системы, но у него, в отличие от губок, есть довольно сложное поведение, на которое можно влиять, добавляя в воду нейротрансмиттеры высших животных. По-видимому, скоро мы узнаем новые факты, проливающие свет на происхождение нервной системы.

P.S. Всю статью сюда тащить не стал (только процитировал начало и конец).

[ArefievPV]

Бокал русалки
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1437/Bokal_rusalki

На этом фото вы видите колонию одноклеточных водорослей ацетабулярий Acetabularia jalakanyakae, найденных у Андаманских островов в Индийском океане и недавно описанных индийскими учеными. Клетки этой водоросли вы можете рассмотреть в деталях: каждый зеленый зонтик с ножкой — это отдельная клетка. Cвое родовое название ацетабулярия получила за вогнутую форму зонтика, напоминающую чашу: acetabulum — это чаша с уксусом, в которую древние греки и римляне макали еду. Именно поэтому ацетабулярию также называют «бокал русалки». А слово jalakanyaka, от которого происходит видовое название новооткрытой водоросли, на языке малаялам (водоросль была найдена представителем индийского народа малаяли) как раз и означает русалку или богиню океанов.

Ацетабулярии были описаны еще в XVI веке, а Карл Линней включил один из самых распространенных видов — A. acetabulum — под названием Madrepora acetabulum в тип стрекающих (см. картинку дня Абсолютное оружие). На самом деле ацетабулярии — никакие не животные, а зеленые водоросли, они обитают на мелководье в тропических морях. Впрочем, недавние находки ацетабулярий на Багамах показали, что они могут встречаться и в прудах с соленой водой, где они образуют огромные заросли.

Единственная клетка ацетабулярии достигает 3–5, а иногда и 12–18 см в зависимости от вида. Это одна из самых больших известных клеток одноклеточных организмов. Чемпионом, скорее всего, являются клетки зеленых водорослей рода каулерпа (Caulerpa), которые могут достигать десятков сантиметров. Однако, в отличие от каулерпы, клетки которой многоядерные, у ацетабулярий всего одно ядро, которое находится в ризоиде (ножке) водоросли. От ядра отходит длинный стебелек, который у зрелых особей заканчивается фотосинтезирующей шляпкой диаметром около сантиметра (у некоторых видов даже больше). Кроме того, на стебельке могут оставаться волоски, образующие мутовку.


Различные формы и строение клетки ацетабулярии. Слева — ювенильная форма; в центре — взрослая форма; справа — взрослая водоросль, готовая к размножению. Водоросли прикреплены к субстрату ризоидом (rhizoid), в котором находится диплоидное ядро (nucleus (2n)). Стебель (stalk) покрыт мутовками волосков (whorl of hairs), которые у зрелых водорослей могут отпадать, оставляя следы (whorl scar). Взрослая форма, готовая к размножению, отличается наличием зонтика (cap), который вырастает из апикального конца стебля (stalk apex) и представляет собой сросшиеся волоски. Рисунок из статьи I. M. Henry et al., 2004. Comparison of ESTs from juvenile and adult phases of the giant unicellular green alga Acetabularia acetabulum

Структура шляпки различается у различных видов ацетабулярий. Так, у A. acetabulum шляпка представляет собой практически сплошной ровный круг с множеством сросшихся лучей, а у  A. crenulata лучи остаются большей частью отдельными.

Первые микроскопические исследования, проведенные в 1880-х годах на ацетабулярии, привели ученых к выводу, что у нее много ядер. Впоследствии этот вывод оказался неверным: выяснилось, что были изучены те растения, которые уже были готовы к образованию гамет. Перед этим ядро ацетабулярии делится много раз: сначала путем мейоза, а потом путем митоза, образуя множество ядер, которые мигрируют в сегменты шляпки. Эти ядра образуют цисты, а затем гаметы, которые распространяются в воде после того, как шляпка водоросли разрушается. Полный цикл развития ацетабулярии замечательно снят в видео Life history of Acetabularia (Dasycladales).

То, что ацетабулярия — это одноклеточная водоросль, показал спустя 50 лет, в 1931 году, немецкий исследователь Иоахим Геммерлинг (Joachim Hämmerling), который разработал метод выращивания этих водорослей в лаборатории. Он же провел несколько опытов, ставших классикой молекулярной и клеточной биологии (см. задачу «Опыты Геммерлинга с ацетабулярией»).

Основой для его экспериментов послужила способность ацетабулярии к регенерации: она живет на мелководье и часто повреждается прибоем. Поэтому водоросль способна отрастить заново любую часть клетки, кроме ядра. В этот процесс вовлечено большое количество механизмов, в частности образование градиентов различных веществ: мРНК, ионов кальция, гормоноподобных и др.

Чтобы увидеть ацетабулярию, не обязательно ехать на море. В процессе своего развития эти водоросли способны накапливать кристаллы карбоната кальция, поэтому окаменелые остатки можно встретить там, где моря уже давно нет. Так, исследователи описали новый, вымерший вид ацетабулярии, анализируя известняки востока Румынии.

[ArefievPV]

В архее корни континентов росли за счет двусторонней субдукции
https://elementy.ru/novosti_nauki/433895/V_arkhee_korni_kontinentov_rosli_za_schet_dvustoronney_subduktsii

Результаты петролого-термомеханического моделирования, выполненного на трех суперкомпьютерах в России и Швейцарии, показали, как менялись свойства подстилающей литосферу верхней мантии на протяжении четырех с половиной миллиардов лет — от архея до наших дней. Результаты исследования, первая часть которого была опубликована в прошлом году, а вторая — совсем недавно, позволили ответить сразу на несколько основополагающих вопросов геологии: в каком виде работала тектоника плит на ранних этапах развития нашей планеты, как образовались первые кратоны — зародыши континентов, почему их корни уходят так глубоко в мантию и почему к этим корням приурочены практические все алмазы на Земле. Ключевой вывод из построенной модели заключается в том, что в архее литосферные плиты были более пластичными, чем сейчас, поэтому при их столкновении одна из погружающихся в мантию плит увлекала за собой вторую, — то есть субдукция была двусторонней. Этот механизм обеспечивал доставку в мантию веществ, необходимых для формирования гранитной магмы, ставшей впоследствии «фундаментом» континентальных плит.

Фрагменты древнейшей коры сегодня сохранились только на континентальных платформах, да и то, в их наиболее древних частях — кратонах, представляющих собой ядра протоматериков. Мощность литосферы — внешней твердой оболочки Земли, состоящей из земной коры и связанной с ней верхней части мантии — под кратонами достигает 150–200 км (а кое-где — и 350 км), в то время как в среднем для континентальной литосферы она составляет около 80 км. Эти самые глубокие области литосферы — так называемые корни континентов. На протяжении длительного геологического времени они обеспечивали тектоническую стабильность древних континентальных блоков и их гидростатическое равновесие с подстилающей мантией, поэтому их еще называют «кили кратонов» (cratonic keels).

Долгие годы перед геологами стоял неразрешимый вопрос: каким образом образовались эти древние корни и как они связаны с континентами. Интерес к этим структурам был связан еще и с тем, что мантийные части кратонов — это кладовая алмазов нашей планеты. Практически все алмазы, приуроченные к корням континентов, имеют возраст около 3 млрд лет, а в современных условиях не образуются.

P.S. Дополнительное свидетельство того, что нельзя слепо переносить сегодняшние условия и сегодняшние закономерности (в геологических, в геофизических и в геохимических процессах Земли) на прошлое. В прошлом были не только другие условия, но и другие закономерности работали. Это замечание к вопросу о возникновении жизни на нашей планете, касательно тогдашних условий и тогдашних закономерностей.

[ArefievPV]

У бактерий и архей нашли альтернативные версии генетического кода
https://www.nkj.ru/news/42471/

У нескольких видов микроорганизмов некоторые «слова» генетического кода изменили значение с одного на другое.

Генетический код — это соответствие между аминокислотами, из которых состоят белки, и азотистыми основаниями в нуклеиновых кислотах, ДНК или РНК. Азотистых оснований у нас четыре — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С) (в РНК вместо тимина стоит урацил — U); их обычно называют генетическими буквами и обозначают буквами. Аминокислоты закодированы тройками букв, эти тройки называются триплетами, или кодонами; можно сказать, что азотистые основания складываются в трёхбуквенные «слова». Некоторым аминокислотам соответствует только по одному триплету, есть аминокислоты, кодируемые двумя, тремя, четырьмя и даже шестью триплетами. Последовательность триплетов в гене соответствует последовательности аминокислот в белке, и когда белок-синтезирующая машина считывает код белка, она считывает его по тройкам. При синтезе белка нужно знать, где начинать и где заканчивать, поэтому, кроме кодонов, кодирующих аминокислоты, есть ещё старт- и стоп-кодоны. Понятно, что старт-кодоны дают сигнал начать синтез белка, одновременно они обозначают аминокислоту метионин. Стоп-кодоны дают сигнал закончить синтез белка и никаких аминокислот не обозначают.

Какое-то время код считался универсальным в том смысле, что у всех живых организмов аминокислоты кодируются одними и теми же кодонами. Но потом выяснилось, что в генетическом коде есть вариации. У бактерий и архей могут быть альтернативные старт-кодоны; у некоторых простейших стоп-кодон прочитывается как аминокислота. У клеточных органелл митохондрий, которые дают клетке энергию, есть своя ДНК, и генетический код митохондрий в некоторых позициях отличается от стандартного кода, причём митохондрии разных организмов могут быть в этом смысле со своими особенностями. Вообще говоря, если не брать в расчёт митохондрии, то обычные отклонения от стандартного кода состоят в том, что какой-то аминокислотный кодон превращается в стоп-кодон, либо стоп-кодон прочитывается как кодирующий аминокислоту.

В статье, опубликованной недавно в журнале eLife, говорится о том, что среди живых существ есть более значительные отклонения от стандартного генетического кода. Сотрудники Гарвардского университета проверили более 250 тысяч геномов бактерий и архей на предмет альтернативности кодирования. Проверяли их, конечно, не вручную, а с помощью специальной программы, которая сопоставляла последовательность ДНК того или иного микроорганизма с последовательностью его белков (конечно, если последовательность ДНК и белков известна и хранится в общедоступной базе данных). Если при таком сравнении у алгоритма появлялось подозрение, что последовательность азотистых оснований в ДНК как-то не очень соответствует последовательности аминокислот в белках, то бактерия или архея становились кандидатами в «альтернативщики». И дальше их изучали на предмет альтернативного кода более подробно.

В итоге удалось найти пять новых видов микроорганизмов с серьёзными отклонениями от обычного кода, и ещё для семи видов подтвердились прежние подозрения, что их код не совсем такой, как у всех остальных. Что значит серьёзные отклонения? Как было сказано выше, обычно альтернативные версии кода касаются стоп-кодонов. А вот у этих двенадцати альтернативные значения были у кодонов, которые в стандартном коде кодируют аминокислоты. Причём альтернативные коды были очень похожи между собой: например, во всех двенадцати случаях изменения в значении касались триплетов AGG, CGA, и CGG, которые в стандартном коде означают аминокислоту аргинин (у некоторых микроорганизмов-«альтернативщиков» аргининовые кодоны отошли к триптофану).

Изменение одного аминокислотного кодона на другой — это намного более впечатляющая встряска для белок-синтезирующего аппарата и для всех белков. Если стоп-кодон принимает аминокислотное значение, он просто добавляется к уже существующему словарю — как если бы мы просто узнали новое слово, если же изменения касаются аминокислотных триплетов, то это всё равно, как для нас слово «кошка» вдруг стало бы обозначать девятиэтажный дом. Тем не менее, бактериям и археям как-то удалось изменить стандартный генетический код, хотя как именно это происходило в эволюции, понять довольно трудно. Может быть, альтернативные версии генетического кода на самом деле какое-то время развивались вместе со стандартной версией, может быть, они возникли как модификация стандарта.

Причины опять же могут быть разные: например, весной мы писали об альтернативном генетическом алфавите у некоторых бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии. Благодаря альтернативному алфавиту они обманывают защитные противовирусные системы бактерий. То есть вирусы-бактериофаги в принципе могут изменять у себя и генетический алфавит, и генетический словарь. Одна из бактерий, описанная в новом исследовании, страдает от бактериофага, который пользуется тем же альтернативным кодом, что и сама бактерия. Возможно, что сначала бактерия столкнулась с «альтернативным» вирусом, а потом сама изменила свой код, чтобы лучше отбиваться от паразита.

P.S. Ссылка в дополнение:

Вирусная «буква»
https://www.nkj.ru/news/41326/
Многие бактериальные вирусы используют альтернативный генетический алфавит, тем самым обманывая защитные противовирусные системы бактерий.

[ArefievPV]

Общая стратегия поисков жизни на Марсе и экспедиция в кратер Езеро
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436122/Obshchaya_strategiya_poiskov_zhizni_na_Marse_i_ekspeditsiya_v_krater_Ezero

Рис. 1. Сопоставление геохронологических шкал и основных событий палеонтологической истории Земли и геологической истории Марса.

В заключение еще раз перечислим фундаментальные вопросы, решению которых может поспособствовать изучение кратера Езеро. Во-первых, это причины и области действия химического выветривания на раннем Марсе. Сформировались ли глины Марса при преобразовании базальтов на поверхности в теплой и влажной атмосфере (как почвы на Земле) или они образовались гидротермальным путем глубоко под поверхностью? Изучение карбонатов в Езеро перекликается с решением так называемого карбонатного парадокса. Если Марс имел плотную и влажную атмосферу с углекислым газом, это должно было привести к обильному формированию карбонатов, но их обнаружено сравнительно мало, что плохо сочетается с моделью теплого и влажного Марса.

Во-вторых, тщательное изучение материала дельты позволит пролить свет на динамику ее формирования и, следовательно, на гидрологическую историю родительского русла. Такие данные чрезвычайно важны, чтобы оценить правдоподобие моделей формирования малых русел на Марсе, а значит, и его климат в далеком прошлом.

И наконец, самые интригующие вопросы связаны с прямыми поисками потенциальных обитателей озера. Содержат ли глины захороненную органику и есть ли в карбонатах текстурно-морфологические признаки жизни?

P.S. Большая обзорная статья.

Кстати, авторы не рассматривают (даже не упоминают о такой возможности) гипотезу формамидной жизни. Возможно, в доминирующих научных представлениях, вода для жизни – это всегда только благо (и в момент зарождения, и для дальнейшего существования). На мой взгляд, в вопросе возникновения жизни (хоть на Марсе, хоть на Земле) необходимо учитывать вариант, что изначально вода являлась ядом для возникающей жизни.

В качестве пояснений несколько ссылок:

https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg250332.html#msg250332
Здесь лекция Армена Мулкиджаняна «Первое глобальное потепление и происхождение жизни» и навигатор по лекции.

https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg256540.html#msg256540
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg256541.html#msg256541
Здесь мои размышлизмы по вопросу возникновения жизни (замечания и базовые сценарии).

[ArefievPV]

Создана первая искусственная геномная ДНК
https://ria.ru/20211119/dnk-1759882833.html

Японские биологи создали первую искусственную геномную ДНК, которая может воспроизводиться и развиваться вне клетки. Ученые смогли запустить процесс экспрессии генов и внеклеточную репликацию в ДНК, созданной в бесклеточной системе из нуклеиновых кислот и белков. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Synthetic Biology.

Способность к размножению и развитию — одна из определяющих характеристик живых организмов. До сих пор не удалось создать искусственные материалы с такими характеристиками. Чтобы заработала искусственная молекулярная система, которая может размножаться и развиваться, генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть переведена в РНК, запущена экспрессия белков, а цикл репликации ДНК с этими белками должен поддерживаться в системе в течение длительного времени. Основная трудность заключается в том, что гены, необходимые для репликации ДНК, одновременно должны выполнять свои функции экспрессии.

Чтобы обойти эту проблему, ученые из Токийского университета во главе с профессором Норикадзу Ичихаши (Norikazu Ichihashi) вместо сложного механизма репликации ДНК, используемого живыми организмами, который требует большого количества генов, создали искусственную систему репликации всего с двумя генами — фермента репликации ДНК Phi29 и Cre-рекомбиназы. Авторы предположили, что эти два белка будут хорошо функционировать при низких концентрациях и смогут экспрессироваться в достаточных количествах даже в существующих бесклеточных системах трансляции.

Они создали такую бесклеточную систему транскрипции-трансляции, в которой им удалось транслировать гены в белки и реплицировать исходную кольцевую ДНК с помощью кольцевой ДНК, несущей два гена, необходимых для репликации. Более того, они успешно улучшили исходную ДНК, увеличив эффективность ее репликации в десять раз. Запущенный учеными цикл репликации ДНК продолжался в течение 60 дней.

Исследователи отмечают, что, добавляя гены, необходимые для транскрипции и трансляции, к разработанной ими искусственной ДНК, можно создавать искусственные клетки, которые могут расти автономно, питаясь низкомолекулярными соединениями, такими как аминокислоты и нуклеотиды.

В будущем такие клетки можно будет использовать для производства лекарств и продуктов питания. Сейчас для этой цели в технологии включают живые микроорганизмы. Если их заменить на искусственные программируемые клетки, процессы станут более стабильными и управляемыми, считают авторы.

[ArefievPV]

Ключевую роль в образовании каменного угля играли микроорганизмы
https://elementy.ru/novosti_nauki/433901/Klyuchevuyu_rol_v_obrazovanii_kamennogo_uglya_igrali_mikroorganizmy

Каменный уголь сложен материалом первично растительного происхождения, перемещенным на глубину и преобразованным там под воздействием высоких температур и давления. Традиционно считают, что природный газ, присутствующий в угольных пластах, образуется при химических взаимодействиях, сопровождающих процесс углефикации. Однако американские геологи выяснили, что при превращении растительных остатков в каменный уголь ведущую роль, скорее всего, играют микробы, а возникающий при этом метан — продукт биогеохимических реакций. Этот результат позволит точнее оценивать запасы угленосных месторождений и оптимизировать их разработку.

Уголь образуется из торфа — рыхлой болотной породы, сложенной гниющим растительным материалом, который в стоячей воде, бедной кислородом, накапливается быстрее, чем происходит его разложение. За миллионы лет захороненный торф в условиях высоких температуры и давления прессуется и теряет воду, углекислый газ и метан, а в составе породы увеличивается доля углерода. Этот процесс называется углефикацией (рис. 1).

По мере повышения давления и температуры (при этом главным фактором является температура), а также с течением времени торф переходит в бурый уголь, а затем — в каменный. При этом в составе породы увеличивается количество битумов, поэтому на Западе уголь делят на суббитуминозный и битуминозный. При достижении температуры выше примерно 235°C битумы разрушаются (процесс дебитумизации), и уголь созревает до высшей степени углефикации — антрацита.

На каждой стадии процесса в породе увеличивается содержание углерода: в суббитуминозном угле его 35–50%, в битуминозном — 50–80%, в антраците — 80–100%. Цифры эти весьма условные — разные страны, а порой и разные компании пользуются своими шкалами. Для примера, в России чаще всего используют такие значения: бурый уголь — 60–75%, каменный уголь — 75–90%, антрацит — 90–100%. Но суть от этого не меняется. Главное, что в процессе углефикации в созревающем угле нарастает концентрация углерода, уменьшается содержание водорода и летучих веществ, повышается теплотворная способность.

P.S. Статья большая, много любопытных фактов. Рекомендую.

Про торф (небольшое замечание):
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE%D1%80%D1%84

Торф (устар. турф[1]) — осадочная рыхлая болотная порода, находящая применение как горючее полезное ископаемое. Торф образуется в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточного увлажнения и затруднённого доступа воздуха. Здесь они разлагаются не полностью, как в почве, а только частично, их остатки из года в год накапливаются. Интенсивность накопления избыточной влаги и развитие торфообразовательного процесса зависят от климатических, геологических, гидрогеологических и геоморфологических условий.

В умеренных, северных и субарктических регионах, где отрицательные температуры в течение длительного периода зимой уменьшают скорость разложения, торф образуется из мхов, трав, кустарников и небольших деревьев.

Во влажных тропиках он образуется из деревьев тропических лесов (листья, ветви, стволы и корни) при почти постоянно высоких температурах.

[ArefievPV]

Как яйцеклетка избавляется от лишней ДНК
https://www.nkj.ru/news/42597/

Оплодотворённая яйцеклетка держит хромосомы сперматозоида подальше от своих собственных, что позволяет ей легко избавиться от лишнего набора хромосом.

О какой лишней ДНК в яйцеклетке тут идёт речь? Мы знаем, что до оплодотворения в яйцеклетке есть непарный (гаплоидный) набор хромосом от матери, а после оплодотворения к ним добавляются такие же непарные отцовские хромосомы из сперматозоида — вместе они образуют двойной (диплоидный) хромосомный набор, необходимый для развития эмбриона.

Тем не менее, в оплодотворённой яйцеклетке есть лишняя ДНК в виде дополнительного набора материнских хромосом. Чтобы понять, откуда она берётся, нужно повнимательнее присмотреться к тому, как созревает яйцеклетка. Там есть много этапов, и самый последний — деление клетки-предшественницы мейозом, когда в результате получаются четыре дочерние клетки с одинарным набором хромосом. Четыре — потому что мейоз состоит из двух делений подряд. При этом клетка-предшественница (или ооцит первого порядка) оба раза делится асимметрично, так что почти вся цитоплазма достаётся только одной из дочерних клеток. Она и окажется зрелой яйцеклеткой, а три оставшиеся очень мелкие клетки, так называемые полярные тельца, исчезают.

И вот тут есть одна особенность: после первого деления получается большая клетка (ооцит второго порядка) и маленькая — первое полярное тельце. При обычном мейозе обе клетки должны тут же поделиться ещё раз, но ооцит второго порядка замирает на полпути. Он определённым образом меняется, готовясь к оплодотворению, но при этом в нём остаётся по две материнские копии каждой хромосомы. При оплодотворении в яйцеклетке оказывается тройной набор хромосом. Но тут она завершает деление: лишний хромосомный набор уходит в ещё одно полярное тельце, и в оплодотворённой яйцеклетке оказывается нормальный двойной набор хромосом. То есть, окончательное созревание яйцеклетки, как ни странно, происходит после оплодотворения.

Как при этом последнем делении яйцеклетка не путается в хромосомах? Как у неё получается завершить созревание, сохранив у себя только что приобретённые хромосомы от сперматозоида и избавившись только от лишних материнских хромосом? Сотрудникам японского Института физико-химических исследований (RIKEN) удалось отчасти разгадать эту загадку. Когда сперматозоид стыкуется с яйцеклеткой, его должны встретить специальные белки, которые помогают мембране сперматозоида слиться с мембраной яйцеклетки и высвободить его хромосомы в её цитоплазму. Оказалось, что белок яйцеклетки под названием RanGTP перегоняет мембранные белки стыковки подальше от того места, где находятся хромосомы самой яйцеклетки. И даже если сперматозоид соприкоснулся с яйцеклеткой в неправильном месте, его перетащат туда, где должно произойти слияние.

А после слияния уже другой белок, F-актин, удерживает хромосомы сперматозоида подальше от хромосом яйцеклетки. Она может спокойно отщепить от себя небольшой кусочек цитоплазмы с лишним набором хромосом (то есть полярное тельце), пока сперматозоидные хромосомы болтаются на её противоположном конце.

Эксперименты, которые позволили всё это увидеть, ставили на мышиных яйцеклетках и сперматозоидах; скорее всего, то же самое происходит и у человека, хотя проверить всё равно нужно. Возможно, некоторые формы бесплодия и неудачи в искусственном оплодотворении связаны с тем, что механизм временного разделения яйцеклеточных и сперматозоидных хромосом работает с аномалиями, или что сперматозоид вводят — при искусственном оплодотворении — настолько не туда, что яйцеклетка не может отделить одни хромосомы от других.

Результаты исследований опубликованы в Journal of Cell Biology.

[ArefievPV]

К сообщению:
http://my-army-flot.ru/index.php?topic=13.msg1008#msg1008

Та же самая новость в подаче другого ресурса.

Искусственный геном из двух генов успешно самовоспроизводится и эволюционирует
https://elementy.ru/novosti_nauki/433906/Iskusstvennyy_genom_iz_dvukh_genov_uspeshno_samovosproizvoditsya_i_evolyutsioniruet

Японским ученым удалось создать предельно простую систему, воспроизводящую некоторые базовые свойства клеточной жизни — способность к самовоспроизводству и эволюции на основе дарвиновского механизма отбора. В этой системе присутствует искусственный «геном» (кольцевая ДНК), который размножается посредством репликации и рекомбинации. «Геном» содержит гены, которые кодируют ферменты, обеспечивающие эти два процесса (ДНК полимеразу фага phi29 и рекомбиназу Cre).

Транскрипция и трансляция этих генов осуществляется готовым коктейлем ферментов и низкомолекулярных соединений, добавляемым в систему в каждом раунде репликации. Реакции протекают в искусственно формируемых микрокомпартментах — капельках водно-масляной эмульсии, что обеспечивает необходимое условие для конкуренции и адаптивной эволюции «генома». Мутации, накопившиеся в кодирующих и некодирующих участках «генома» за 30 раундов (поколений) самовоспроизводства, повысили эффективность репликации в системе за счет нескольких установленных в ходе исследования механизмов.

От одного гена к двум, а там будет видно…

Ну что же — все работает. Но что, если сделать еще один шаг в сторону повышения автономности системы: не добавлять рекомбиназу в виде очищенного белка, а включить ген этого фермента в сам реплицируемый геном? Ответ на этот вопрос как раз и стал основой для обсуждаемой статьи.

Конечно же, эта система еще сильно не дотягивает до того, чтобы представлять собой действительно некоторую форму «жизни». Помимо того, что для ее автономной работы не хватает большого количества необходимых белков, которые синтезировались бы внутри системы, здесь нет и намека на способность самостоятельно расти и делиться (формировать новые компартменты), осуществлять полноценный метаболизм (подразумевающий, в частности, активное введение определенных веществ внутрь клеток-компартментов и выведение других во внешнюю среду против градиента концентрации) и саморегуляцию. Но каждое из обозначенных выше свойств живого ученые постепенно учатся воссоздавать в искусственных биохимических системах, — эти работы ведутся многими лабораториями в разных странах. И все более реалистичным представляется, в свете последних достижений, сценарий появления в один прекрасный день новой «жизни из пробирки», эволюционно не связанной с LUCA — общим клеточным предком всех нынешних обитателей Земли.

P.S. О повышении автономности живых систем упоминал здесь (там целый гипотетический сценарий представил): 
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg218092.html#msg218092

Степень автономности системы коррелирует со степенью «живости» (и даже, со степенью разумности) этой системы. Следует заметить, что автономность системы рассматривается по отношению к среде обитания (ближайшей и текущей). То есть, система более автономна именно к ближайшей/текущей среде обитания, а не вообще к среде обитания (живая система включена в среду обитания). По проявляемой степени автономности системы от среды мы разграничиваем живое и косное.

[ArefievPV]

Зеленый «интернет»: растения могут общаться друг с другом втайне от человека
https://www.popmech.ru/science/351732-taynaya-zhizn-rasteniy-on-slyshat-obshchayutsya-i-krichat/

Листья «кричат», цветы «слышат», а деревья в лесу общаются через собственный «интернет» – надо только знать, как заглянуть в их тайную жизнь.

Все мы слишком шовинисты. Считая себя вершиной эволюции, мы распределяем все живое в иерархию по степени близости к себе. Растения так на нас непохожи, что кажутся существами будто не совсем живыми. Библейскому Ною не выдавалось никаких инструкций насчет их спасения на борту ковчега. Современные веганы не считают зазорным лишать их жизни, а борцы с эксплуатацией животных не интересуются «правами растений». В самом деле, у них нет нервной системы, глаз и ушей, они не могут ударить или убежать. Все это делает растения другими, — но никак не неполноценными. Они не ведут пассивное существование «овоща», но чувствуют окружающий мир и реагируют на происходящее вокруг. Говоря словами профессора Джека Шульца, «растения — это просто очень медленные животные».

Они слышат

«Тайная жизнь растений» стала достоянием общественности во многом благодаря книге Питера Томпкинса, вышедшей в начале 1970-х, на пике популярности движения «Нью-Эйдж». К сожалению, она оказалась несвободна от множества характерных для того времени заблуждений и породила множество мифов, самым известным из которых стала «любовь» растений к классической музыке и презрение к современной. «Тыквы, вынужденные слушать рок, отклонялись от динамиков и даже пытались вскарабкаться по скользкой стеклянной стене камеры», — описывал Томпкинс эксперименты, поставленные Дороти Реталлак.

Надо сказать, что миссис Реталлак была не ученой, а певицей (меццо-сопрано). Ее опыты, воспроизведенные ботаниками-профессионалами, не показали никакой особой реакции растений на музыку любых стилей. Но это еще не значит, что они ничего не слышат вовсе. Эксперименты раз за разом демонстрируют, что растения могут воспринимать акустические волны и реагировать на них — например, корни молодой кукурузы растут в направлении источника колебаний частотой 200−300 Гц (примерно от соль малой октавы до ре первой). Почему, пока неизвестно.

Вообще, трудно сказать, зачем растениям нужен «слух», хотя во многих случаях способность реагировать на звуки может быть очень полезной. Хейди Аппель и Рекс Кокрофт показали, что резуховидка Таля прекрасно «слышит» вибрации, которые создает тля, пожирающая ее листья. Этот малоприметный родственник капусты легко отличает такие звуки от обычных шумов вроде ветра, брачной песни кузнечика или вибраций, вызванных безвредной мухой, севшей на лист.

Хелен Стейнер при поддержке Microsoft работает над художественным проектом Florence – системой для «общения» с комнатными растениями. По замыслу, передавать растению сигналы можно с помощью света и цвета, а ответ узнавать по составу выделяемых летучих веществ и по общему состоянию растения. Компьютерный алгоритм «переводит» эти сигналы в слова обычной человеческой речи.

Они кричат

В основе этой чувствительности лежит работа механорецепторов, которые обнаруживаются в клетках всех частей растений. В отличие от ушей, они не локализованы, а распределены по организму, как наши осязательные рецепторы, — потому и понять их роль удалось далеко не сразу. Заметив нападение, резуховидка деятельно реагирует на него, меняя активность множества генов, готовясь к заживлению повреждений и выделяя глюкозинолаты, естественные инсектициды. Возможно, по характеру колебаний растения даже различают насекомых: разные виды тли или гусениц вызывают совершенно разный ответ со стороны генома. Другие растения при атаке выделяют сладкий нектар, который привлекает хищных насекомых, таких как осы — злейшие враги тлей. И все они обязательно предупреждают соседей: еще в 1983 году Джек Шульц и Йен Болдуин показали, что здоровые листья клена реагируют на присутствие поврежденных, включая механизмы защиты. Происходят их коммуникации на «химическом языке» летучих веществ.

Они общаются

Эта предупредительность не ограничивается родственниками, и даже отдаленные виды способны «понимать» сигналы опасности друг друга: дать отпор незваным гостям легче сообща. Скажем, экспериментально показано, что у табака развивается защитная реакция при повреждении растущей рядом полыни. Растения словно кричат от боли, предупреждая соседей, и, чтобы услышать этот крик, надо лишь хорошенько «принюхаться». Правда, можно ли считать это намеренной коммуникацией, еще неясно. Возможно, таким способом растение само передает летучий сигнал от одних своих частей другим, а соседи лишь считывают его химическое «эхо». Настоящую коммуникацию им обеспечивает... «грибной интернет».

Корневые системы высших растений образуют тесные симбиотические ассоциации с мицелиями почвенных грибов. Они постоянно обмениваются органикой и минеральными солями. Но поток веществ — видимо, не единственный, который движется по этой сети. Растения, чья микориза изолирована от соседей, медленнее развиваются и хуже переносят испытания. Это позволяет предположить, что микориза служит и для передачи химических сигналов — при посредничестве, а возможно, даже и «цензуре» со стороны грибных симбионтов. Эту систему сравнивают с социальной сетью и нередко называют просто Wood Wide Web — «Вселесная паутина».

Швейцарский стартап Vivent предлагает любителям растений приобрести уже готовое устройство  PhytlSigns.  Считывая слабые электрические сигналы со стебля или листьев, оно преобразует его в подобие музыки, которая, как уверяют производители, позволяет оценивать состояние и даже «настроение» растения.

Они двигаются

Все эти «чувства» и «коммуникации» помогают растениям находить воду, питательные вещества и свет, защищаться от паразитов и травоядных, атаковать самим. Они позволяют перестраивать метаболизм, расти и переориентировать положение листьев — двигаться. Поведение венериной мухоловки может показаться чем-то невероятным: мало того, что это растение ест животных, оно еще и охотится на них. Но насекомоядная хищница не исключение среди прочей флоры. Всего лишь ускорив видеозапись недели из жизни подсолнуха, мы увидим, как он поворачивается за солнцем и как «засыпает» по ночам, закрывая листья и цветки. В ускоренной съемке растущий кончик корня выглядит совершенно как червяк или гусеница, ползущая к цели.

Мышц у растений нет, и движение обеспечивается ростом клеток и тургорным давлением, «плотностью» их наполнения водой. Клетки действуют как сложно скоординированная гидравлическая система. Задолго до видеозаписей и техники таймлапс на это обратил внимание Дарвин, который изучил медленные, но явные реакции растущего корешка на окружающую обстановку. Его книга «Движение растений» завершается знаменитым: «Едва ли будет преувеличением сказать, что кончик корешка, наделенный способностью направлять движения соседних частей, действует подобно мозгу одного из низших животных... воспринимающему впечатления от органов чувств и дающему направление различным движениям».

Некоторые ученые восприняли слова Дарвина как очередное прозрение. Биолог из Флорентийского университета Стефано Манкузо обратил внимание на особую группу клеток на растущих кончиках стебля и корней, которая находится на границе между делящимися клетками апикальной меристемы и продолжающими рост, но не деление, клетками зоны растяжения. Еще в конце 1990-х Манкузо обнаружил, что активность этой «переходной зоны» направляет увеличение клеток зоны растяжения, а тем самым — движение всего корня. Происходит это за счет перераспределения ауксинов, которые служат основными гормонами роста растений.

Они думают?

Как и в многих других тканях, в самих клетках переходной зоны ученые замечают весьма знакомые изменения поляризации мембраны. Заряды внутри и снаружи их колеблются, подобно потенциалам на мембранах нейронов. Разумеется, производительности настоящего мозга такой крошечной группе никогда не добиться: в каждой переходной зоне не больше нескольких сотен клеток. Но даже у небольшого травянистого растения корневая система может включать миллионы таких развивающихся кончиков. В сумме они дают уже вполне внушительное количество «нейронов». Структура этой мыслящей сети напоминает децентрализованную, распределенную сеть интернета, а ее сложность вполне сравнима с настоящим мозгом какого-нибудь млекопитающего.

Трудно сказать, насколько этот «мозг» способен мыслить, но вот израильский ботаник Алекс Касельник и его коллеги обнаружили, что во многих случаях растения действительно ведут себя почти как мы. Обыкновенный посевной горох ученые поставили в условия, при которых он мог наращивать корни в горшок со стабильным содержанием питательных веществ либо в соседний, где оно постоянно менялось. Оказалось, что если в первом горшке пищи достаточно, горох предпочтет его, но если ее слишком мало, то начнет «рисковать», и больше корней вырастет во втором горшке.

Не все специалисты оказались готовы принять мысль о возможности мышления у растений. По видимости, больше других она потрясла самого Стефано Манкузо: сегодня ученый является основателем и главой уникальной «Международной лаборатории нейробиологии растений» и призывает заняться разработкой «растительноподобных» роботов. В этом призыве есть своя логика. Ведь если задачей такого робота будет не работа на космической станции, а исследование водного режима или мониторинг среды, то не стоит ли ориентироваться на растения, которые столь замечательно к этому приспособлены? А когда придет время заняться терраформированием Марса, то кто лучше растений «подскажет», как вернуть жизнь пустыне?.. Осталось узнать, что думают об освоении космоса сами растения.

Координация

Растения обладают замечательным чувством положения собственного «тела» в пространстве. Положенное набок растение сориентируется и продолжит рост в новом направлении, прекрасно различая, где верх, а где низ. Находясь на вращающейся платформе, оно будет расти по направлению центробежной силы. И то и другое связано с работой статоцитов, клеток, которые содержат тяжелые сферы-статолиты, оседающие под силой тяжести. Их положение и позволяет растению верно «чувствовать» вертикаль.

[ArefievPV]

Стимулом для появления многоклеточной жизни на Земле мог стать дефицит биодоступного железа
https://elementy.ru/novosti_nauki/433920/Stimulom_dlya_poyavleniya_mnogokletochnoy_zhizni_na_Zemle_mog_stat_defitsit_biodostupnogo_zheleza

Значение кислорода в зарождении и развитии сложной жизни на Земле общеизвестно. Кроме кислорода к «элементам жизни» относят водород, азот, углерод и фосфор. Но есть еще один химический элемент, тесно связанный в геохимическом плане с кислородом, роль которого в биологической эволюции ничуть не меньше. Это железо.

Начать хотя бы с того, что свободный кислород в атмосфере Земли появился только после того, как большая часть железа, растворенного в морской воде, окислилась и перешла в нерастворимую форму. Ученые из Великобритании и Франции выдвинули гипотезу, согласно которой образовавшийся при этом дефицит железа стал важным фактором движущей силы эволюции и способствовал появлению и развитию многоклеточных организмов.

По сравнению с современными эукариотами или многоклеточными организмами, более старые формы одноклеточной жизни, такие как бактерии и археи, для выживания больше нуждались в железе. Даже сегодня археи в геотермальных источниках Йеллоустона существуют только на матах из оксида железа, в то время как эукариоты могут жить вне этих минеральных источников.

Исследователи считают, что конкуренция за железо заставила бактерий и архей выработать новые виды поведения, позволяющие перерабатывать железо из мертвых клеток, красть железо из живых клеток или жить в другой клетке, используя для жизнедеятельности захваченное ею железо.

Так появились механизмы инфекции, фагоцитоза и эндосимбиоза, переключающие фокус получения железа с минеральных источников на другие формы жизни. Развитие этих механизмов, по мнению ученых, в конечном итоге привело к появлению сначала симбиотических союзов, а затем и полноценных многоклеточных организмов, использующих железо значительно более эффективно, чем древние одноклеточные.

Но в конце протерозоя (800–600 млн лет назад) произошел новый резкий скачок содержания кислорода в морской воде, известный как событие неопротерозойской оксигенации (L. M. Och, G. A. Shields-Zhou, 2012. The Neoproterozoic oxygenation event: Environmental perturbations and biogeochemical cycling), когда кислородом насытились все морские воды до глубин, на которые проникает солнечный свет, что привело к массовой гибели анаэробных цианобактерий и замене их аэробными, а содержание кислорода в атмосфере приблизилось к современным значениям (рис. 2).


Рис. 2. Изменение концентрации двух- и трехвалентного железа и парциального давления кислорода (fO₂) в приповерхностных водах в течение геологической истории по отношению к современным значениям. Два резких скачка fO₂ и падения уровня Fe²⁺ соответствуют Великому кислородному событию и событию неопротерозойской оксигенации. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Это привело в конце протерозоя к перестройке всех биосистем и появлению многоклеточных организмов. Авторы считают, что предпосылкой для этого стала концентрация обладающих сидерофорами одноклеточных возле богатых железом геологических источников, что привело к «усложнению межклеточных взаимодействий».

На смену простого воровства железа — стратегии, которая присутствует до сих пор у некоторых бактерий, способных эффективно поглощать железо своих хозяев, — появилась новая более сложная стратегия симбиотического сотрудничества с использованием общих ресурсов. Характерный пример — богатые железом генерирующие энергию митохондрии, которые первоначально были бактериями, но затем вошли в состав эукариотических клеток.

Клетки, которые не могли сами использовать кислород для генерации энергии, имели серьезные ограничения в возможностях развития. Бактерии же, обладающие сидерофорами, могли это делать. Заключив внутрь себя такие бактерии, клетки получали собственный источник энергии. Одна клетка могла захватить сразу несколько бактерий (так, в специализированных клетках мозга, сердца и мышц современных животных содержатся сотни и даже тысячи митохондрий). Еще большее преимущество в плане использования питательных веществ и выработки энергии, по мнению исследователей, получили агрегаты клеток, собирающиеся вместе и действующие как единые сложные организмы (рис. 3).


Рис. 3. Варианты адаптации одноклеточных к низкой доступности железа. А (простые механизмы) — конкурентное (competition), обманное (cheating) и кооперативное (co-operation) поведение. Секреция сидерофоров позволяет получать железо из минерализованных источников, но также приводит к сложным взаимодействиям между бактериальными клетками и видами, что может способствовать генетической изменчивости. В (сложные механизмы) — эндосимбиоз и появление клеток с митохондриями (endosymbiosis), фагоцитоз или хищничество (phagocytosis), инфекция (infection), многоклеточность, обеспечивающая запуск рециклинга железа (multicellularity). Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Увеличение содержания кислорода в морской воде и атмосфере само по себе никак не способствовало развитию многоклеточности. Объединение клеток в многоклеточные агрегаты, действующие как единый организм, нужно было прежде всего для более эффективного использования дефицитных питательных веществ, таких как железо, сера или фосфор (о проблеме биодоступного фосфора на ранней Земле см. новости Жизнь на Земле могла возникнуть в щелочных озерах с высоким содержанием фосфора, «Элементы», 13.01.2020 и Накоплению биодоступного фосфора на ранней Земле способствовали удары молний, «Элементы», 31.03.2021). Внутри многоклеточных агрегатов эти вещества могли использоваться многократно, переходя от умирающих клеток к вновь образующимся. Такой механизм рециклинга давал многоклеточным организмам существенные преимущества перед одноклеточными.