Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Геохимики нашли все азотистые основания молекулы ДНК в углеродистых метеоритах
https://nplus1.ru/news/2022/04/28/purin-meteorite

Геохимики нашли все четыре вида азотистых оснований, составляющих молекулу ДНК, а также другие пиримидиновые и пуриновые основания и их изомеры в образцах четырех углеродистых метеоритов. Это означает, что бомбардировка подобными телами молодой Земли могла сыграть огромную роль в зарождении жизни на ней путем доставки разнообразных органических соединений. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Особый интерес к астероидам С и В-типов, грунт которых в настоящее время доставляется на Землю при помощи межпланетных станций «Хаябуса-2» и OSIRIS-Rex, возникает из-за того, что эти богатые углеродом объекты могут быть родительскими телами метеоритов типа углистых хондритов, в которых обнаруживались различные органические молекулы, представляющие интерес для астрохимиков — например, там встречаются аминокислоты и сахара. Таким образом, исследование состава вещества подобных астероидов и метеоритов позволяет разобраться в происхождении внеземных органических молекул и их возможной роли в появлении жизни на нашей планете. В частности, углеродистые метеориты могли доставлять воду на Землю в далеком прошлом.

Азотистые основания, являющиеся компонентами нуклеиновых кислот, также обнаруживались в углеродистых хондритах. В ДНК и РНК присутствуют два типа азотистых оснований: пиримидиновые (такие как цитозин, урацил и тимин) и пуриновые (такие как аденин и гуанин). Разнообразный набор экзогенных органических веществ, включая азотистые основания, мог быть доставлен на Землю в период поздней тяжелой бомбардировки (около 3,8–4 миллиарда лет назад), что могло сыграть особую роль в начальной стадии зарождения жизни на планете.

Группа геохимиков во главе с Ясухиро Оба (Yasuhiro Oba) из Университета Хоккайдо опубликовала результаты поиска азотистых оснований в двух образцах Мурчисонского метеорита и образцах метеоритов озер Мюррей и Тагиш при помощи жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения с ионизацией электрораспылением. Общая масса исследованных образцов составила 5,4 грамма.

Ученые обнаружили в образцах пиримидиновые азотистые основания, такие как цитозин, урацил и тимин, и их структурные изомеры, такие как изоцитозин, имидазол-4-карбоновая кислота и 6-метилурацил. Кроме того, были найдены и пуриновые основания, гуанин оказался наиболее распространенным среди них. За ним следуют аденин, ксантин и гипоксантин, а также изогуанин и 2,6-диаминопурин. Общая концентрация пуриновых молекул составила 152 и 11 частей на миллиард в водных экстрактах двух образцов Мурчисонского метеорита, а средняя концентрация урацила в них составила 7 частей на миллиард. Стоит отметить, что анализ почвы в области падения Мурчисонского метеорита выявил более высокую концентрацию азотистых оснований, чем в самом метеорите, что подтверждает экзогенную природу веществ, найденных в образцах.

В случае двух других метеоритов гуанин оказался наиболее распространенным пуриновым основанием в метеорите озера Мюррея (25 частей на миллиард), а аденин — наиболее распространенным в метеорите озера Тагиш (6 частей на миллиард). Возможно пиримидиновые и пуриновые основания способны образовываться в межзвездной среде за счет фотохимических реакций в смеси льдов, содержащих воду, монооксид углерода, метанол и аммиак, не исключаются и другие механизмы. Ученые предполагают, что различные виды азотистых оснований и их аналогов, в конечном итоге, будут обнаружены в образцах астероидов Рюгу и Бенну.

Ранее мы рассказывали о том, как метеорит из Сахары оказался фрагментом коры протопланеты.

P.S. Ссылка в дополнение:

Метеорит из Сахары оказался фрагментом коры протопланеты
https://nplus1.ru/news/2021/03/12/meteorite-protoplanet

[ArefievPV]

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

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

[ArefievPV]

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

Схема биосинтеза белка на рибосоме

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

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

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

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


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

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

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


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

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

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


Химики синтезировали пептиды длиной в 6 аминокислот

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

P.S. Ссылка в дополнение:

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

[ArefievPV]

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

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

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

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

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

Первая и более общая из двух статей называется «Эволюция как многоуровневое обучение», и, соответственно, тут добавляется совершенно принципиальная идея, заключающаяся в том, что для возникновения сложных систем эволюция должна протекать более, чем на одном уровне. Есть так называемые обучаемые переменные (trainable variables — те, которые меняются в ответ на изменения свободных, характеризующих окружающую среду переменных), присутствующие в любой обучающейся системе.

Для того, чтобы происходило эффективное обучение и формирование этих сложных систем, необходимо, чтобы было более одного уровня обучения (в реальности — более двух), и они бы взаимодействовали друг с другом, при этом соответствующие переменные менялись бы с разной скоростью. Более того, мы показываем, что эти уровни обучения и эволюции должны быть дискретными — между ними должны быть большие промежутки для того, чтобы система оставалась стабильной во времени, могла эволюционировать в течение длительных периодов и сохраняла бы долговременную память.

Всё это тесно связано с фундаментальным понятием в физике, которое называется перенормировкой (renormalization). Суть его состоит в том, что процессы, протекающие на разных уровнях организаций, описываются одной и той же математикой. Это принципиальный момент, относящийся ко всем обучающимся и эволюционирующим системам.

Во второй работе мы рассматриваем всё это с точки зрения термодинамики и, в частности, описываем процесс основных переходов в эволюции (The Major Transitions in Evolution) — возникновение жизни, многоклеточных организмов и др. — как фазовые переходы в строгом смысле этого слова. И такие переходы, естественно, описываются в рамках термодинамической теории.

Кроме этого, стоило бы сказать, что в рамках теории многоуровневого обучения мы выводим то, что называется центральной догмой молекулярной биологии. В явном виде она была сформулирована 50 лет назад Фрэнсисом Криком (Francis Crick, 1970): информация передается от генома к фенотипу, от нуклеиновых кислот к белкам, а обратное движение происходит другими путями (за счет случайной изменчивости и селекции) и не является обращением процесса передачи информации от генома к фенотипу. Мы же выводим центральную догму как общий принцип обучающихся эволюционирующих систем.

— В одной из статей вы говорите, что жизнь — это многоуровневое обучение, а в другой, что жизнь — редкая вещь, но она в принципе не уникальна...

— То, что жизнь возможна, в доказательстве не нуждается, а вот то, что она возникает в какой-то степени закономерно... Да, здесь мы делаем такое предположение, и нужно сказать с совершенной откровенностью, что для меня это, простите, дурно пахнущее выражение, смена мировоззрения. Я всегда считал жизнь невероятной вещью, возникнувшей случайно на бесконечных просторах пространства и времени. Эти наши теоретические построения заставляют нас думать, что жизнь — это все-таки закономерный процесс, непростой и хрупкий, возникающий в ходе эволюции сложных систем.

— Вы даже говорите, что Вселенная самонастроена (self-tuned) на возникновение жизни...

— В некотором смысле... Конечно, с такими афоризмами нужно быть осторожными, и они требуют правильного понимания. Это высказывание совсем не подразумевает, что Вселенная обладает свободной волей или как-то сама себя настраивает, но в то же время оно осмысленно и, как мне представляется, в каком-то смысле верно. Вселенная эволюционирует с образованием разных уровней обучения и эволюции с самого начала, с момента Большого взрыва. Существующие во Вселенной структуры самоорганизуются с возрастающей локальной сложностью. Разумеется, в целом энтропия Вселенной возрастает — согласно второму закону термодинамики иначе быть не может, — но в огромном числе локальных окружений происходит существенное снижение энтропии в процессе обучения (learning).

В принципе, это не противоречит тому, что Илья Пригожин в рамках своей версии неравновесной термодинамики называл диссипативными структурами, но, как мне представляется, та форма теорий, которую мы пытаемся развить, идет гораздо дальше и более последовательно, представляя эволюцию путем обучения как общую основу существования Вселенной. В этом смысле процесс самоорганизации может рассматриваться как некоторая, если хотите, настройка, ведущая к происхождению столь сложных феноменов, как наша жизнь.

Важная вещь, вытекающая из этих теоретических построений: эффективное обучение непременно ведет к возникновению класса медленных переменных, функция которых состоит в том, чтобы помнить, что происходило с системой раньше и предоставлять эту информацию более быстро меняющимся переменным. Иными словами, достаточно глубокая система обучения должна иметь нечто вроде генома. Необходимость такого кодирования и хранения информации не ограничена биологией, то же самое относится, например, к архитектуре компьютеров фон Неймана. Для того, чтобы какая бы то ни было система работала эффективно, нужна выделенная память — это важный постулат.

Таким образом, разумнее всего представляется проводить эту черту на уровне возникновения клеток, которые имеют геномы, кодирующие информацию о компонентах этих клеток. Я нарочно подчеркиваю, что речь идет именно о возникновении клеток, обладающих такими фундаментальными свойствами.

До этой стадии существовала некая предклеточная жизнь, когда клетки не имели геномов, а просто представляли собой некоторые везикулы, в которых уже присутствовали сети автокаталитических реакций. Такие протоклетки могли делиться не путем сложных механизмов деления, которые мы сейчас наблюдаем в любых клетках, а просто под действием сил поверхностного натяжения. Такая система обеспечивает возможность селекции, более эффективного обучения и, как следствие, более успешного «размножения».

Где-то на этом пути возникает ключевое расслоение на фенотип и генотип. Возможно, здесь я немного фантазирую, но первые нуклеиновые кислоты возникли как паразиты предклеточных систем. Те из них, которые выжили в ходе эволюции, превратились в симбионты, а затем и в мутуалисты, т. е. в нечто, совершенно необходимое для размножения всей системы и кодирующeе информацию о ее компонентах. Данное представление довольно общее, но я считаю его важным.

— А можно ли сказать на основе ваших статей, что «учится — значит, живет» или «живет — значит, учится»? Одно ли это и то же?

— С моей точки зрения и с точки зрения наших работ, это не совсем симметрично. «Живет — значит, учится» — это, безусловно, так, иначе и быть не может. А вот «учится — значит, живет» — нет, не обязательно, потому что в любой эволюционирующей сложной системе — в планетных системах, в галактиках, в атомах, в чем угодно — протекает некоторая форма обучения и, соответственно, селекции, пусть и более простой, чем в биологических системах.

У Виталия Ванчурина есть замечательная работа, опубликованная пару лет назад под провокационным названием «Мир как нейронная сеть» [3], где впервые выдвигается мысль о том, что вся Вселенная может рассматриваться как обучающаяся система. При первом взгляде это кажется шуткой, провокацией или бредом. Но на самом деле, если рассмотреть этот вопрос достаточно подробно, представление обо всем мире и о Вселенной как об эволюционирующей, обучающейся, самонастраивающейся системе становится простым и совершенно естественным.

— Еще раз: любую сложную систему можно рассматривать как обучающуюся.

P.S. Весьма интересный подход...

[ArefievPV]

Жизнь из космоса. В метеоритах нашли все компоненты ДНК
https://ria.ru/20220514/meteority-1788267657.html

Ученые из Японии и США, изучив три богатых углеродом метеорита, обнаружили полный набор азотистых соединений, необходимых для ДНК и РНК. Это весомый аргумент в пользу гипотезы о том, что жизнь на Землю попала из космоса.

Древнее Солнца

Наша планета образовалась 4,5 миллиарда лет назад. Условия для жизни сформировались через семьсот миллионов лет, после завершения поздней тяжелой бомбардировки, когда на Землю, представлявшую собой сплошной океан магмы, обрушился мощный метеоритный поток.

Уже в древнейших породах, которые образовались сразу после этого, геологи находят признаки примитивной жизни. Как появились первые организмы, остается загадкой. Не исключено, что сложные органические молекулы прибыли из космоса.

С точки зрения биологии ключевой момент зарождения жизни — возникновение ДНК и РНК. Структурная основа этих макромолекул, обеспечивающих хранение и передачу генетической информации для развития и функционирования живых организмов, — свернутые в спираль сахаро-фосфатные нити, к которым крепятся азотистые, или нуклеотидные основания. Всего их известно пять: четыре входят в ДНК, четыре — в РНК. В двойной цепи ДНК они соединяются попарно, образуя "ступени" спиралевидной "лестницы", обеспечивающие прочность молекулы. Последовательность нуклеотидов определяет генетический код организма.

Азотистые основания из группы пуринов — аденин и гуанин — обнаружили в метеоритах из группы углистых хондритов еще в 1960-х. Тогда же теоретически обосновали возможность образования в межзвездной среде и остальных трех соединений — тимина, цитозина и урацила из группы пиримидинов. Но выявить их не удалось.


Азотистые основания РНК и ДНК

Современные технологии позволяют определять азотистые основания в органических экстрактах из минеральных образцов на уровне десятимиллионных долей процента. Поэтому исследователи из Японии и США под руководством профессора Хироши Нараоки из Университета Кюсю заново проанализировали три богатых углеродом метеорита: Мурчисон, Мюррей и Тагиш-Лейк, упавших соответственно в Австралии в 1969-м, в штате Кентукки в 1950-м и на юго-западе Канады в 2000-м. В каждом увидели полный набор азотистых оснований, слагающих ДНК и РНК.

По мнению ученых, эти сложные органические соединения не могли синтезироваться внутри метеоритов, так как для этого нужна вода. Скорее всего, они результат фотохимических реакций на поверхности межзвездной ледяной пыли, которая затем попала в метеориты. Жизнь на Земле могла возникнуть из таких же сложных молекул, попавших на нашу планету во время поздней тяжелой бомбардировки.

"Мы считаем, что эти классы органических соединений повсеместно присутствуют во внеземной среде как внутри, так и за пределами Солнечной системы, а приток такой органики из космоса сыграл важную роль в химической эволюции первичной Земли", — указывают авторы статьи.

В таком случае у сложных органических соединений типа азотистых оснований времени для образования было более чем достаточно — метеориты сформировались на самых ранних этапах истории Солнечной системы, до планет. А захваченная ими межзвездная пыль — еще древнее.

Рекордсмен по органике

То, что космическая пыль в мурчисонском метеорите гораздо старше Солнечной системы, доказали в 2020-м. В этом космическом камне — рекордное разнообразие органических соединений, включая моносахариды арабинозу, ксилозу, ликсозу, несколько гексоз и рибозу, которая входит в молекулы РНК, а также множество аминокислот и даже короткие пептиды — фрагменты белков.

Российские ученые из Сколтеха, МГУ и ГЕОХИ РАН вместе с коллегами из Германии в 2021-м с помощью массспектрометрии сверхвысокого разрешения выявили в мурчисонском метеорите несколько тысяч соединений — почти весь спектр органических молекул, известных на Земле, в том числе нуклеиновые кислоты.

"В отличие от коллег из Японии и США, мы не задавались целью найти конкретные соединения, а изучали полный экстракт органики метеорита, сосредоточившись прежде всего на соединениях серы, потому что по ним можно восстановить историю химических процессов", — рассказывает ведущий автор исследования старший научный сотрудник Сколтеха кандидат химических наук Александр Жеребкер.

Изучив еще один крупный углистый метеорит — Альенде, упавший в Мексике в 1969-м, ученые обнаружили в нем те же серосодержащие соединения, но в других пропорциях. По мнению Жеребкера, это свидетельствует о том, что органика синтезировалась не только в межзвездном пространстве, но и внутри материнских тел — планет или астероидов, от которых откололись метеориты.

"Учитывая близкий возраст метеоритов и Земли, можно с уверенностью утверждать, что органическое вещество углистых хондритов могло выступать источником химических соединений — строительных блоков для возникновения биологических молекул и жизни на планете", — отмечает ученый.


Мурчисонский метеорит

Космические радикалы

Недавно исследователи из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) вместе с коллегами из США установили, что в космосе при экстремально низких температурах могут образовываться полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — еще один вид молекул, участвующих в формировании живых организмов.

"Космос считали безжизненным, думали, что там только атомы и простые молекулы: вода, углекислый газ, кремниевая или углеродная пыль. Казалось, что в условиях жуткого холода и губительного излучения для сложных органических молекул нет шансов, а жизнь может зародиться только в “тихой гавани”, в узкой зоне обитаемости, куда попала Земля, — говорит один из авторов этой работы доктор физико-математических наук Валерий Азязов, замруководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН. — Однако теперь мы знаем, что во Вселенной множество сложных органических соединений — первых органических “кирпичиков”, способных дать старт развитию жизни там, где возникают подходящие условия".

На Земле ароматические углеводороды образуются при высокой температуре, например в двигателях внутреннего сгорания или во время пожаров. Однако этих веществ много и в космосе: считается, что до 20 процентов углерода во Вселенной находится в ПАУ.

Ученые ФИАН посредством квантово-механического моделирования продемонстрировали, что в глубоком космосе такие соединения могут образовываться в результате столкновения свободных радикалов, появляющихся при разрыве химических связей молекул под воздействием галактических космических лучей. Лабораторные эксперименты подтвердили это.


Свободные радикалы, которые могли участвовать в космических реакциях с образованием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ)

Гипотезу панспермии — о том, что жизнь попала на Землю из космоса, — выдвинули в XIX веке. Многие десятилетия это предположение считали антинаучным, но сейчас в его пользу все больше аргументов.

Тысячелетиями люди думали, что Земля — уникальное, возможно, единственное место во Вселенной, где зародилась жизнь. На самом деле космос наполнен "кирпичиками" жизни. Сложные органические молекулы летают в межзвездном пространстве. Для запуска эволюции нужно только, чтобы на их пути попалась планета с подходящими условиями.

[ArefievPV]

К сообщению (немного иная подача материала, на мой взгляд лучше):
http://my-army-flot.ru/index.php?topic=13.msg1238#msg1238

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

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

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

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

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

[ArefievPV]

Ископаемые биомолекулы указали на теплокровность тираннозавра
https://nplus1.ru/news/2022/05/27/fossil-biomolecules

Ученые при помощи спектроскопии проанализировали химический состав окаменелостей вымерших животных и пришли к выводу, что общий предок динозавров был эндотермом (теплокровным), так как эндотермия была обнаружена у ящеротазовых (в том числе у тираннозавра и зауропод) и у части птицетазовых динозавров. Однако в процессе эволюции некоторые птицетазовые (например, трицератопс) стали эктотермными, то есть холоднокровными. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Эндотермами называют животных, которые могут сами поддерживать постоянную температуру тела, в то время как у эктотермов температура тела зависит от условий окружающей среды. Среди современных животных эндотермия характерна для млекопитающих и птиц, причем возникла она у них независимо. Кроме того, эндотермия всего тела обнаружена и у рыбы Lampris guttatus, хотя в ее случае источник тепла не метаболические реакции, а работа грудных плавников.

Палеонтологов давно занимает вопрос, когда именно возникла эндотермия в линии, ведущей к птицам. В последние годы все больше данных указывает на то, что нептичьи динозавры были эндотермами: это и довольно высокая скорость роста (ее определяют при помощи палеогистологических методов), и перьевой покров у многих динозавров, и находки их окаменелостей в полярных широтах. В одном из последних исследований палеонтологи при помощи анализа стабильных изотопов в скорлупе яиц выяснили, что эндотермия была характерна для всех основных групп динозавров, даже для зауропод, которых многие считали гигантотермами (так называют животных, которые поддерживают постоянную температуру тела за счет своих размеров).

Палеонтологи и химики из Испании и США во главе с Ясминой Виманн (Jasmina Wiemann) из Йельского университета решили выяснить уровень метаболизма вымерших животных при помощи анализа ископаемых биомолекул. Ученые сосредоточились на конечных продуктах перекисного окисления липидов (advanced lipoxidation end-products, ALE), которое вызывается активными формами кислорода. Последние, в свою очередь, образуются в результате биохимических процессов, генерирующих тепло, — поэтому количество ALE в ископаемых костях может говорить об уровне метаболизма. Кроме того, эти биомолекулы достаточно стабильны, поэтому хорошо сохраняются на протяжении миллионов лет.

Исследователи проанализировали химический состав костей, зубов и скорлупы яиц динозавров, птерозавров и других вымерших животных, а также — для сравнения — современных млекопитающих, птиц и рептилий. Для этого ученые воспользовались методами рамановской микроспектроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Исследователи действительно обнаружили следы ALE в образцах, но лучше всего они сохранились в ископаемых костях, поэтому исследователи сосредоточились на них. На основе полученных данных специалисты рассчитали скорость метаболизма животных — и затем использовали результаты при построении филогенетического дерева и реконструкции предковых состояний.

Эндотермами оказались большинство динозавров: тероподы (в том числе тираннозавр), зауропод из семейства диплодоцид и некоторые птицетазовые (орнитопод дриозавр, пахицефалозавр и панцирный динозавр нодозавр). Но другие птицетазовые — стегозавр, трицератопс и гадрозавр — оказались эктотермами. При этом изначально для динозавров все же была характерна эндотермия — то есть эти птицетазовые вторично утратили ее. Более того, высокий уровень метаболизма был характерен и для общего предка динозавров и птерозавров.

Эндотермию обнаружили и у морских рептилий плезиозавров, а также у варановых (включая ископаемый вид Saniwa ensidens). Вараны обычно считаются эктотермами, но авторы считают, что их можно назвать факультативными эндотермами, и отмечают, что это неудивительно, так как для варанов характерен довольно высокий метаболизм.


Филогенетическое дерево амниот с указанием типов терморегуляции

От редактора

К результатам исследований ископаемых биомолекул всегда нужно относиться с определенной долей скептицизма. Цератопсы и гадрозавры обитали и в высоких широтах (причем круглый год), если они были эктотермами, то не очень понятно, как это им удавалось.

Не так давно ученые обнаружили, что ящерицы тегу Salvator merianae в сезон размножения становятся эндотермными.

P.S. Ссылка в дополнение:

Ящерицы тегу смогли повышать температуру тела в брачный сезон
https://nplus1.ru/news/2016/01/27/Tegu-reproductive-endothermy

[ArefievPV]

Три ссылки на любопытный материал. Это три интервью (по порядку) Бориса Штерна с Михаилом Гельфандом, с Александром Марковым и с Михаилом Никитиным.

Происхождение жизни. От РНК‑мира к белкам
http://trv-science.ru/2022/05/proisxozhdenie-zhizni-ot-rnk-mira-k-belkam/
 
Александр Марков: «Я считаю вполне реальным, что в одной галактике есть несколько обитаемых планет»
http://trv-science.ru/2022/05/markov-abiogenesis/

Происхождение жизни. Следующие миллиарды лет
http://trv-science.ru/2022/05/nikitin-abiogenesis/

P.S. Цитаты не стал пока сюда тащить. Возможно, потом (и возможно, в другой теме) самое любопытное размещу.

[ArefievPV]

Колония морской травы длиной 180 километров оказалась крупнейшим растением на Земле
https://nplus1.ru/news/2022/06/03/australian-seagrass

Биологи обнаружили у берегов Австралии самое большое растение на Земле — колонию морской травы посидонии (Posidonia australis). Ее длина составляет не менее 180 километров, а возраст оценивается в 4500 лет. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Растения могут размножаться не только половым способом, но и за счет вегетативного размножения — то есть клонируя себя. Иногда клональные колонии могут достигать огромных размеров. Один из самых известных примеров — колония тополя осинообразного (Populus tremuloides) по имени Пандо, которая занимает площадь примерно в 43 гектара. Достаточно крупные колонии есть и у водных растений, например у морских трав посидоний (Posidonia). Колонии посидоний разрастаются за счет удлинения корневища, хотя эти цветковые растения, разумеется, могут размножаться и половым путем с образованием семян.

Самую большую клональную колонию на Земле обнаружили австралийские биологи во главе с Джейн Эджлоу (Jane M. Edgeloe) из Университета Западной Австралии. Ученые взяли образцы посидонии P. australis из десяти подводных лугов в заливе Шарк, а затем секвенировали ДНК образцов. Оказалось, что девять лугов состояли из одного клона, который простирался более чем на 180 километров. На основе данных о скорости роста P. australis исследователи выяснили, что максимальный возраст этой колонии составляет 4500 лет (но в этом нет ничего удивительного: к примеру, возраст большой колонии P. oceanica в Средиземном море ученые оценили в 7900 лет).

Минусы вегетативного размножения — низкое генетическое разнообразие и накопление вредных мутаций. Но колония из залива Шарк оказалась полиплоидной — то есть у нее два набора хромосом. Дупликация генома, по мнению ученых, скорее всего, произошла в результате гибридизации P. australis и какого-то неизвестного вида посидонии.

Биологи отмечают, что залив Шарк — северная граница ареала P. australis. Для этого залива характерны широкие колебания температуры (от 17 до 30 градусов Цельсия зимой и летом соответственно) и гиперсоленость. Но высокое генетическое разнообразие позволило гибридной колонии адаптироваться к экстремальным условиям.

Ранее мы писали о том, как колонии тополей Пандо угрожают олени и коровы.

[ArefievPV]

Появление жизни связали с реакциями на вулканическом стекле
https://naked-science.ru/article/biology/poyavlenie-zhizni-svyazali-s-reaktsiyami?nowprocket=1

Американские химики обнаружили удивительно простой механизм, который мог привести к образованию на Земле цепочек РНК – молекул, эволюция которых увенчалась появлением первых живых клеток.

Современные организмы кодируют и передают наследственную информацию в виде ДНК, а реализуют ее – с помощью белков. Однако считается, что жизнь началась с РНК, молекулы которой могут выполнять и информационную функцию (как ДНК), и каталитическую (как белки). Предполагается, что появлению первых полноценных клеток предшествовал долгий период «РНК-мира» и химической эволюции РНК. Но тогда встает вопрос о том, как на ранней Земле появилось множество таких молекул? Их отдельные компоненты просты и легко образуются в ходе абиогенных процессов. Но вот объединить их в полимеры нуклеиновых кислот оказывается не так легко.

Химики давно пытаются найти условия и реакции, в которых мог развиваться абиогенный синтез цепочек РНК. Как правило, это требует крайне сложной последовательности событий, вызывая сомнения в том, что подобное могло происходить само по себе и в больших масштабах. Однако новая работа американских ученых предлагает новый и весьма простой вариант – полимеризацию РНК на вулканическом стекле, которого на ранней Земле было в изобилии. Об этом они пишут в статье, опубликованной в журнале Astrobiology.

Элиза Бьонди (Elisa Biondi) и ее коллеги из Фонда прикладной молекулярной эволюции провели лабораторные эксперименты, показав, что сравнительно длинные – до 100-200 звеньев – цепочки РНК спонтанно образуются при перколяции (просачивании) смеси нуклеотидов сквозь вулканическое стекло. Такие минералы образуются при быстром застывании базальтовой магмы, которой было исключительно много на поверхности молодой Земли.

В период, о котором идет речь, на планете продолжался крайне активный вулканизм. Кроме того, незадолго до этого Земля столкнулась с массивным небесным телом, и удар выбросил огромные количества породы, часть из которых сформировала Луну, а часть – опала обратно, дополнительно раскаляя поверхность планеты. Созданная этими процессами лава могла покрывать ее едва ли не целиком, а испарение воды из-за высокой температуры могло создать небольшие изолированные водоемы, подходящие для первых реакций прото-жизни.

Те же метеориты, падающие обратно на Землю, содержали большие количества железа и никеля, и в полете могли восстанавливать атмосферу. Ученые показали, что в такой среде способны проходить реакциями между азотистыми основаниями и фосфатом рибозы, приводя к образованию нуклеотидов – отдельных звеньев РНК. Оказавшись в смеси на поверхности вулканического стекла, такие нуклеотиды образовывали полимеры – реакцию катализирует тот же никель.

Таким образом, химикам удалось найти довольно простой путь превращений, начиная от элементарных органических молекул, которые обнаруживаются и в космосе, и заканчивая достаточно длинными цепочками нуклеиновых кислот, которые способны к дарвиновской эволюции, – прародителей протожизни. «Красота этой модели – в ее простоте, – прокомментировал их работу Ян Шпачек (Jan Špaček), эксперт из Firebird Biomolecular Sciences. – Все это способны проделать и старшеклассники в своем классе химии. Смешайте исходные ингредиенты, подождите пару дней – и ищите РНК».

Любопытно, что подтверждение новой гипотезе может найтись… на Марсе. Молодая Красная планета переживала сходный активный вулканизм, однако впоследствии «замерла». В отличие от Земли, где тектоника плит уничтожила почти все следы древнейшего вулканического стекла, на Марсе такие образцы сохранились до нашего времени. «Если жизнь на Земле появилась этим простым путем, она вполне могла появиться и на Марсе, – считает Элиза Бьонди. – Так что важно провести поиски на Марсе как можно скорее».

[ArefievPV]

К сообщению:

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

Вся наша жизнь — задачи по оптимизации
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436336/Vsya_nasha_zhizn_zadachi_po_optimizatsii

Разговор о новой теории, объединяющей теорию эволюции, теорию обучения и статистическую термодинамику, мы продолжаем с Михаилом Кацнельсоном, лауреатом премии Спинозы и Гамбургской премии по теоретической физике, профессором теории конденсированного состояния Университета Радбода (Неймеген, Нидерланды), членом Королевской академии наук и искусств Нидерландов и Европейской академии. Беседовала Наталия Демина.

Однако и у нас, и у других людей были попытки подойти к проблемам на более фундаментальном уровне: что такое биологическая сложность, что такое эволюция в целом, потому что вопрос, насколько теоретическая физика применима к биологии, стоит давно.

С одной стороны, мы все — физические системы, живые организмы, состоящие из атомов, атомы — из электронов и ядер, ядра — из кварков и глюонов... Я не думаю, что кто-то из серьезных людей искренне верит, что в биологических объектах появляется какая-то новая физика в смысле новых фундаментальных взаимодействий. Периодически начинаются разговоры о биополе, которое не сводится к электромагнетизму. Но, мягко говоря, это не мейнстрим: в современную научную картину мира такие взгляды не встраиваются.

А с другой стороны, очевидно, что биологические законы не сводятся к физике, ну и роль эволюции в биологии, конечно, вещь фундаментальная. Женя Кунин в этой связи очень любит цитировать Феодосия Добржанского: «Всё в биологии имеет смысл только в свете теории эволюции». В этом смысле дарвиновский естественный отбор и т. д. — совершенно фундаментальные биологические явления.

Есть формальное определение жизни NASA, которое, видимо, они придумали, чтобы определять живые или неживые организмы на других планетах: живые системы — системы химические, подверженные дарвиновской эволюции. Химические — потому что, скажем, компьютерные программы тоже в какой-то степени подвержены дарвиновской эволюции, но живыми мы их считать пока не готовы. То есть дарвиновский отбор — совершенно фундаментальная вещь, плохо встраивающаяся в физику, потому что это не произвольный перебор, не случайные процессы, и это — те самые вопросы, по которым между физиками и биологами есть абсолютно фундаментальное непонимание.

Ведь если, например, полагать, что всё многообразие живых организмов возникло в результате случайных процессов, то становится совершенно очевидно, что жизни, чтобы возникнуть и развиться до текущего состояния путем более-менее случайного перебора, на много порядков не хватит времени (в конце концов, мы знаем возраст Вселенной и Земли). В то же время фундаментальные законы не предполагают никаких других механизмов возникновения новизны, кроме случайного перебора. Кто-то верит, кто-то не верит в intelligent design, в разумное устройство, но очевидно, что в современную научную картину мира это не вписывается. Мы хотим оставаться в ее рамках и наблюдать, что получится.

Возникла идея, что машинное обучение схоже с дарвиновским отбором, ведь и в том и в другом случае возникает сложное, целесообразное поведение и решаются оптимизационные задачи на основе случайных процессов.

Так начались попытки применить не абстрактные теорфизические методы, а конкретно теорию машинного обучения (особенно в той форме, в которой ее начал развивать Виталий) к теории биологической эволюции. Мы хотели понять, насколько можно формально описать сходство дарвиновского отбора и машинного обучения (которое на интуитивном уровне кажется очень естественным и даже, может, тривиальным) и как далеко можно продвинуться в исследовании этой аналогии.

Момент, когда мне стало интересно, когда я сам стал чувствовать, что что-то получается, не имеет прямого отношения к биологии, но есть большая проблема фундаментальной физики (ну, может, кто-то и не считает это проблемой). Это процедура перенормировки в квантовой теории поля, которая дала (не без помощи Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера, Фримена Дайсона и других великих людей) возможность построить квантовую электродинамику.

Проблема заключается в том, что делать со всякими бесконечностями, расходимостями, которые возникают при наивных расчетах. Собственно, идея перенормировок состоит в том, что все эти расходимости, все математические неприятности при работе в квантовой теории поля происходят на очень маленьких расстояниях и очень маленьких промежутках времени и, соответственно, на очень больших энергиях. Перенормируемые теории поля — это такие, где в каком-то смысле можно бесконечности «заметать под ковер»: засунуть все эти расходящиеся величины в конечное число параметров, определяемых из эксперимента, после чего с ними можно нормально работать. Процедура очень необычная.

Такой великий физик, как Поль Дирак — собственно, отец квантовой электродинамики и теории излучения, — первым начал разбирать эти задачи. Он всю жизнь считал процедуру перенормировок отвратительной, но, тем не менее, на практике это работает. Впоследствии Герард "т Хоофт (Gerardus "t Hooft) и Мартинус Велтман (Martinus Veltman) доказали перенормируемость теории электрослабого взаимодействия Вайнберга — Салама, и стало понятно, насколько все-таки перенормируемость важна.

Возникал и вопрос, который не имел никакого отношения к биологии: почему мы живем во Вселенной, в которой все фундаментальные взаимодействия перенормируемы, и откуда это условие перенормируемости берется? В наших с коллегами разговорах это внезапно всплыло. С точки зрения теории обучения это оказался довольно нетривиальный извод антропного принципа.

Вдруг нам как-то стало очевидно, что во Вселенной, в которой существенную роль играли бы неперенормируемые взаимодействия, жизнь была бы невозможна — выживание по Дарвину было бы невозможно. Что значит неперенормируемость? Это значит, что какая-то очень существенная, жизненно важная для процессов нашего масштаба информация сидит на самых маленьких временах и длинах, на планковских масштабах и, грубо говоря, всё, что происходит на планковских масштабах, важно в мире вокруг нас.

Практически это означает, что даже когда не то что мы, а волк и зайчик решают свои биологические проблемы (зайчик — как убежать от волка, волк же — как схватить зайчика и съесть), эти проблемы не решаются без знания квантовой гравитации, теории струн и так далее.

А на самом деле все эти задачи можно решить, не закапываясь на такие уровни. То есть наше описание природы — да и не только наше, а описания, которыми руководствуются волки, зайчики, черви, бактерии и вирусы, — оно иерархично. Можно познать мир на достаточном для выживания уровне, не закапываясь в глубины. А это возможно только в мире, где все фундаментальные взаимодействия перенормируемы.

Например, в одной из наших статей в PNAS [5] мы утверждали, что решающий фактор при возникновении биологической сложности — фрустрации, конкурирующие взаимодействия. Это очень естественно встроилось в нейросетевую идеологию.

Еще у нас была статья с математиком Юрой Бахтиным [6], в которой обсуждалось следствие того факта, что биологические системы, с которыми мы имеем дело, — результат миллиардолетней эволюции и они уже очень хорошо оптимизированы. Речь идет об оптимизации уже почти оптимизированных систем.

есть альтернативная формулировка: вместо того чтобы описывать процесс шаг за шагом, как предполагается в дифференциальных уравнениях, можно делать утверждение об оптимальности какого-то функционала, который есть действие (принцип наименьшего действия).

Но мир таков. На самом деле вариационные принципы пронизывают физику и, как мы думаем, всю науку сверху донизу. Вариационный принцип лежит также в основе эволюционной биологии (оптимизация fitness — приспособленности); fitness является вполне конкретной математической величиной, тем, что называется мальтузианской приспособленностью (Malthusian fitness — скорость репликации минус средняя скорость репликации).

Эволюция идет таким образом, чтобы максимально оптимизировать эту приспособленность.

— В статье вы делаете вывод, что жизнь — многоуровневое обучение. Осознаете ли вы самого себя многоуровневой обучающейся системой?

— Конечно, да. В одной из наших с Юрой и Женей предыдущих работ [5] мы подчеркивали решающую роль фрустраций, конкурирующих взаимодействий, появления биологической сложности. Мы существуем на разных уровнях — состоим из клеток, клетки объединяются в ткани, которые объединяются в целый организм; более того, мы — часть социальных систем и т. д. Оптимизационные требования на разных уровнях разные, и иногда возникают противоречия. Простейший и довольно грустный пример — то, к чему стремится индивидуальная клетка: чтобы всё было лучше для нее, она стремится быть бессмертной, неограниченно делиться, тем самым решая свою оптимизационную задачу.

Если мы предоставим отдельным клеткам возможность так себя вести, решая только их собственные оптимизационные задачи, то это кончится раком, который убьет организм. Поэтому в рамках объединения клеток в организме, в рамках тканевой дифференциации возникают всякие механизмы. Перед тем как дать клетке поделиться, той нужно пройти некую проверку. Как я узнал от Жени, рак сейчас рассматривается как поломка этого самого контроля, кому давать делиться, а кому — отказывать.

Но у нашего организма тоже есть свои задачи. С точки зрения биологии мы прежде всего должны размножиться, оставить плодовитое потомство — ей вообще больше ничего от нас не надо. А поскольку мы встроены в социальные системы, то мы спрашиваем себя, есть ли польза от членов общества, невероятной плодовитостью не отличающихся. У Чингисхана счет потомкам идет, говорят, на десятки или сотни миллионов — что же в это время делали остальные мужчины? Они, в частности, создавали условия, при которых он мог так лихо размножаться. Так, естественно, возникают противоречия между нашими потребностями как организма и как члена общества.

Все эти оптимизационные задачи противоречат друг другу. Вся эта цветущая сложность — и биологическая, и социальная — возникает именно из-за конкурирующих взаимодействий, из-за того, что становится невозможно решать оптимизационные задачи одним махом на всех масштабах.

Да, это важно и в биологии. Есть еще один грустный сюжет: неизбежность клеточной смерти. Типичная вещь, но с точки зрения ее собственной судьбы, собственных оптимизационных задач — зачем клетке умирать, ведь надо жить вечно? Но даже до появления многоклеточности существовали вирусы, болезни клеток. С точки зрения интересов популяции следует умереть и не распространять заразу дальше, если не можешь бороться. Звучит грустно, но без этого жизнь была бы невозможна.

Все эти самоликвидаторы у нас настроены на всех уровнях — это многоуровневая оптимизация. Она имеет один противоречивый извод: групповой отбор. В биологии, как я правильно понимаю, это очень скандальная тема (осуществляется ли отбор только на уровне индивидуальных организмов или на уровне целых групп организмов). Не хочу туда лезть: я не биолог и не чувствую себя достаточно компетентным в этой теме.

Но вот если чуть-чуть сменить терминологию и говорить не о групповом отборе конкретно, а об отборе многоуровневом, то я бы сказал, что это — концепция совершенно правильная и нужная.

Когда мы оптимизируем сложную систему, то неизбежно сталкиваемся с противоречиями между локальными и глобальными оптимизационными задачами. Другая очень важная мысль: противоречивая оптимизация связана не только с разными пространственными масштабами организации, но и с разными временными масштабами. Грубо говоря, задача краткосрочной оптимизации входит в противоречие с задачами оптимизации долгосрочной.

Это становится совершенно очевидным, когда пытаешься применить это к обществу, потому что разные общественные структуры решают свои краткосрочные задачи. Кому-то хочется просидеть лишние десять лет у власти, кому-то — переизбраться на выборах через два года, кому-то — получить очередную звездочку на погоны. Но есть и задачи выживания общества на масштабе столетий, и задачи выживания человечества на масштабе тысячелетий. И все мы, мягко говоря, из нашего шкурного опыта знаем, что очень часто решения этих задач входят в противоречие друг с другом.

Люди, пытаясь сделать как лучше немедленно, здесь и сейчас, для ближайшего своего окружения, буквально пилят сук, на котором сидят, разрушая основу и для своего собственного, и для всеобщего благосостояния. Это всё воспроизводится в обществе; в биологии происходит то же самое. Мы хотим сказать, что это — общее характерное свойство нейросетей. В них неизбежно, постоянно будет возникать конфликт между оптимизацией этой loss function для небольшой группы нейронов и для нейросети в целом.

— Прочитала в вашей статье, что чем больше система обучается, тем она оптимальнее, успешнее. Ожидаете ли вы в будущем кибернетизированных людей, тех, кто будет вживлять в организм нейроустройства, чтобы быть более успешными? Пойдет ли человечество по этому пути?

— Не знаю, по какому пути человечество пойдет, но главное то, что сказано в нашей статье о многоуровневой оптимизации и противоречивых требованиях, вытекающих из оптимизации на разных уровнях. Если ты превратишь себя в киборга, то, наверное, какие-то из своих функций ты улучшишь, а что-то и потеряешь — так всегда бывает.

Например, сейчас идешь в супермаркет, покупаешь еду, готовишь ее и ешь. Это оптимизационные задачи, на которые не тратишь много сил, не подвергаешь себя такому риску, какому подвергался первобытный человек, которому надо было пойти в лес, завалить зверя, разделать его и съесть. В этом смысле какую-то оптимизационную задачу мы решили — наша жизнь стала более безопасной, более устроенной.

Но с другой стороны, подозреваю, что процедура, когда ты своими руками кого-то ловишь, готовишь и ешь, может, тупо и вкуснее, ведь ты испытываешь кучу всяких положительных эмоций, которых нет в нашей жизни: ты крутой, сильный, смог догнать дичь...

Думаю, если мы полностью кибернизируем себя, то какие-то функции будут выполняться лучше, а какие-то — снова утратятся. Можно и тут подчеркнуть сказанное в нашей статье: оптимизационных задач, которые нужно решать, много, они противоречат друг другу, нет единого четко выраженного глобального минимума, который ты должен достичь.

Существует огромное количество субоптимальных решений, которые ты принимаешь, двигаясь от одного к другому, что-то приобретая, что-то теряя. Это неизбежно: ни в каких сложных системах — ни в биологии, ни в обществе — не будет состояния сплошных плюсов и отсутствия минусов. Согласно нашим выводам, это бы противоречило законам природы.

[ArefievPV]

Искателям аминокислот на Марсе придётся потрудиться
https://www.nkj.ru/news/44769/

Из-за пагубного действия космического излучения аминокислоты в марсианском грунте могут сохраниться только на глубинах больше двух метров.

Наверное, каждый астробиолог хотел бы найти жизнь на Марсе. Или хотя бы достоверные следы, что она там когда-то была. Предпосылки к этому есть: пару миллиардов лет назад на Марсе была жидкая вода, там была атмосфера, да и в целом планеты была намного более «био-дружелюбная», чем сейчас. Учитывая, что на Земле жизнь существовала уже 4 миллиарда лет назад, то если бы она зародилась в то же время и на нашем соседе по Солнечной системе, то у неё было бы по крайней мере пара миллиардов лет относительно спокойной эволюции, до того, как Марс превратился в холодную безжизненную пустыню. И если на Земле учёные находят окаменелые следы микроорганизмов, живших и два, и три, и даже больше миллиардов лет назад, то их можно было бы найти и на Марсе. Поэтому все существующие и планирующиеся исследовательские миссии на Красную планету главной целью преследуют именно поиск следов марсианской жизни.

Один из таких следов или био-маркеров – аминокислоты, основа всех белковых молекул. Конечно, само по себе наличие аминокислот ещё не доказательства их биологического происхождения – они могут образовывать и в результате самых разных химических процессов, никак не связанных с жизнью. Например, молекулы некоторых аминокислот могут синтезироваться из простых веществ даже в открытом космосе. Однако разные пути синтеза оставляют разные химические «отпечатки»: каких молекул больше, а каких меньше, как распределены в них изотопы химических элементов, есть ли у молекул определённая симметрия и т.д. Анализ всех этих факторов в комплексе даёт намного более определённый ответ, относятся ли какие-нибудь окаменелости к «био» или «не био». Однако здесь работу астробиологов может существенно осложнить один неприятный фактор – радиация.

Марс, в отличие от Земли, лишён защиты от радиоактивных космических частиц и излучения, поэтому они почти беспрепятственно достигают поверхности. И даже для мёртвых и окаменелых форм живой материи эта радиация может оказаться губительной. Дело в том, что радиация инициирует химические реакции, которые в её отсутствии не шли бы вовсе или протекали намного медленнее. Как пишут исследователи в Astrobiology, если на Марсе когда-то была жизнь и она «наследила» аминокислотами в осадочных породах, то эти следы можно найти только на глубине свыше 2 метров. В слоях, находящихся выше, всякая аминокислота за прошедшие миллиард с лишним лет уже давно бы развалилась на более простые молекулы. Почему же это не учитывали создатели марсоходов, которые бурили марсианские камни и исследовали их химический состав?

Как оказалось, скорость разложения аминокислот под действием радиации существенно отличается, если взять просто аминокислоту и если к этой же аминокислоте добавить смесь веществ, аналогичных по составу марсианскому грунту. Силикатные породы, а также присутствие перхлоратов ускоряют разложение аминокислот в 10-15 раз. Исходя из этого, в верхних 10 сантиметров марсианского грунта под действием радиации не останется ни одной целой аминокислоты "всего лишь" за 20 миллионов лет. Что уж говорить о времени в 200 миллионов лет или 2 миллиарда лет. Возможно, что из-за этого на Марсе так до сих пор и не обнаружены аминокислоты, несмотря на чувствительные химические анализаторы, установленные на марсоходах.

Видимо, для того чтобы искать жизнь под поверхностью, будущим исследователям Марса придётся обзавестись более серьёзным бурильным оборудованием, чем есть у текущих аппаратов.

[ArefievPV]

Жидкая вода продержалась миллиарды лет симуляций на твердых планетах с водород-гелиевыми атмосферами
https://nplus1.ru/news/2022/07/04/h-he-habitability

Физики промоделировали эволюцию условий на твердых планетах около- и сверхземной массы с водород-гелиевыми атмосферами и проследили за тем, как долго на их поверхности может существовать жидкая вода. Оказалось, что на расстояниях свыше двух астрономических единиц от звезды типа Солнца и при массе газовой оболочки в 10–1000 атмосфер Земли эта продолжительность может превышать пять миллиардов лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Один из общепринятых пунктов проверки экзопланет на пригодность для жизни — условия, при которых на их поверхности может находиться жидкая вода. Для этого планетам не обязательно иметь атмосферу, подобную земной, в которой парниковый эффект поддерживается углеродо- и кислородосодержащими газами. При достаточно высоких давлениях (то есть в массивной атмосфере) планета может нагреваться и за счет первичной водород-гелиевой атмосферы, захваченной из протопланетного диска. В роли парникового газа выступает молекулярный водород. Его молекулы при высоком давлении часто сталкиваются друг с другом, из-за чего получают дипольный момент и хорошо поглощают инфракрасное излучение с поверхности планеты, не давая последней остывать.

Недавние исследования показали, что диапазон пригодных для жидкой воды температур (а значит и зона обитаемости) для массивных планет (порядка 1–10 масс Земли) с такими атмосферами заметно шире, чем для планет, похожих на Землю. Это делает такие массивные экзопланеты интересными в контексте поиска внеземной жизни.

Тем не менее, для потенциальной обитаемости важен не только факт условий, подходящих для жидкой воды. Важную роль играет слабо изученная на сегодняшний день продолжительность таких условий во времени. На Земле от зарождения жизни до появления цивилизации прошло около четырех миллиардов лет — если комфортные условия будут прерываться на гораздо меньшем масштабе времени, это может всякий раз приводить к гибели возникающей жизни.

Физики из Швейцарии под руководством Марит Мол Лус (Marit Mol Lous) из Бернского университета промоделировали эволюцию условий на массивных твердых планетах без льда с водород-гелиевыми атмосферами в зависимости от массы планет и их атмосфер, а также величины больших полуосей орбит вокруг звезды типа Солнца. В ходе восьми миллиардов лет внутреннего времени симуляции ученые отслеживали максимальную длительность, в течение которой на планете непрерывно сохранялись условия (давление и температура), при которых вода на поверхности остается жидкой.

Для фиксированной массы планеты (1–10 масс Земли) исследователи варьировали массу атмосфер в диапазоне 10^–6—10^–1.8 масс Земли (нижняя граница примерно соответствует массе земной атмосферы), а величину большой полуоси орбиты — в диапазоне 1–100 астрономических единиц (расстояний от Земли до Солнца). Водород-гелиевые оболочки авторы принимали сферически симметричными, газ в них — находящимся в гидростатическом равновесии. Кроме того, физики моделировали эффект фотоиспарения (ионизации и рассеивания) атмосферы под действием излучения звезды.

Помимо нагрева со стороны звезды, ученые учитывали собственную активность планеты с помощью более ранних симуляций планетообразования (интерполируя зависимость от массы твердого вещества и атмосферы) и данных о радиоактивности в недрах Земли (умножая земное энерговыделение на отношение массы планеты к массе Земли). 


Продолжительность условий существования жидкой воды на поверхности планеты в зависимости от расстояния до звезды (по горизонтали) и массы атмосферы (по вертикали). Продолжительность показана цветом, где синий — наиболее короткий период (10–50 миллионов лет), желтый — наиболее длительный (свыше 5 миллиардов лет). Масса планеты равна 1,5 земным массам.


Продолжительность условий существования жидкой воды на поверхности планеты в зависимости от расстояния до звезды (по горизонтали) и массы атмосферы (по вертикали). Продолжительность показана цветом, где синий — наиболее короткий период (10–50 миллионов лет), желтый — наиболее длительный (свыше 5 миллиардов лет). Масса планеты равна 3 земным массам.


Продолжительность условий существования жидкой воды на поверхности планеты в зависимости от расстояния до звезды (по горизонтали) и массы атмосферы (по вертикали). Продолжительность показана цветом, где синий — наиболее короткий период (10–50 миллионов лет), желтый — наиболее длительный (свыше 5 миллиардов лет). Масса планеты равна 8 земным массам.


Продолжительность условий существования жидкой воды в диапазоне температур 270–400 градусов Кельвина на поверхности планеты в зависимости от расстояния до звезды (по горизонтали) и массы атмосферы (по вертикали). Продолжительность показана цветом, где синий — наиболее короткий период (10–50 миллионов лет), желтый — наиболее длительный (свыше 5 миллиардов лет). Масса планеты равна 3 земным массам.

Оказалось, что в такой модели жидкая вода может миллиарды лет оставаться на планетах, которые расположены на расстояниях свыше двух астрономических единиц от звезды — при условии, что атмосфера будет достаточно массивной — хотя бы на порядок массивнее земной. Атмосферное давление на поверхности смоделированных планет достигает 100–1000 бар (как на дне земного океана) — это пригодно для земной жизни, формы которой могут существовать по меньшей мере при давлении порядка 500 бар. При этом планетам с меньшими массами газовых оболочек требуется сравнительно меньше времени, чтобы достичь пригодных для жидкой воды условий.

Авторы сообщают, что жесткое ограничение на минимальное расстояние до звезды связано именно с фотоиспарением — первичная водород-гелиевая атмосфера планеты быстро рассеивается при сближении со звездой.

Помимо этого, исследователи отмечают, что допустимая область параметров планет в разы сужается (но не исчезает), если дополнительно потребовать температуру в диапазоне 270–400 градусов Кельвина (приближенный коридор, в котором могут существовать известные формы жизни на Земле).

Физики подчеркивают, что для более прозрачных выводов требуется детализация модели и включение в нее новых эффектов, а также большее количество наблюдательных данных.

Ранее мы писали о том, как выяснилось, что обитаемая зона двойных звезд способна растягиваться, и о том, как астрономы составили список потенциально обитаемых экзолун.

P.S. Есть гипотезы, что изначально у Земли была именно водородная атмосфера (с огромным давлением). У таких гипотез имеется целая куча подвариантов эволюции атмосферы (с разными этапами: столкновение с Тейей, тяжёлая метеоритная бомбардировка и т.д.), не буду засорять этим сообщение.

[ArefievPV]

Панцири и яды способствуют эволюции долголетия у амфибий и рептилий
https://elementy.ru/novosti_nauki/433985/Pantsiri_i_yady_sposobstvuyut_evolyutsii_dolgoletiya_u_amfibiy_i_reptiliy

Рис. 1. Эволюционное дерево изученных видов амфибий и рептилий и показатели долголетия: продолжительность жизни (время в годах от начала размножения до гибели 95% особей) и скорость старения (оцененная по модели Гомперца, согласно которой вероятность умереть в текущем году увеличивается в e^β1 раз с каждым прожитым годом). Горизонтальными серыми и белыми полосами выделены отряды: хвостатые амфибии, бесхвостые амфибии, крокодилы, черепахи, чешуйчатые (ящерицы и змеи), клювоголовые (гаттерия). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Данные по 77 видам амфибий и рептилий из 107 природных популяций, собранные в ходе многолетних полевых исследований, внесли ясность в малоизученный вопрос о закономерностях эволюции продолжительности жизни и скорости старения у эктотермных (холоднокровных) четвероногих. Как выяснилось, амфибии и рептилии более разнообразны по этим показателям, чем млекопитающие и птицы. В каждом отряде холоднокровных есть нестареющие виды, у которых вероятность смерти практически не растет с возрастом (среди теплокровных известен только один такой вид — голый землекоп). Виды, имеющие хорошую физическую или химическую защиту (прочная чешуя, костяной панцирь, ядовитые железы), как правило, живут дольше и стареют медленнее, чем незащищенные. Это подтверждает классическую эволюционную гипотезу, согласно которой высокая базовая (независящая от возраста) смертность способствует эволюции быстрого старения и недолгой жизни.

Подтвердилась и гипотеза об «эволюционном компромиссе» между ранним размножением и долголетием: виды, рано достигающие половой зрелости и производящие каждый год многочисленное потомство, живут меньше и стареют быстрее. Две другие популярные гипотезы не получили подтверждения: о том, что теплокровные из-за более активного метаболизма должны стареть быстрее, чем холоднокровные, и о том, что холоднокровные, обитающие в районах с теплым климатом, должны стареть быстрее обитателей прохладных мест. По-видимому, это значит, что интенсивность метаболизма, ведущая к ускоренному накоплению молекулярных повреждений, — менее значимый фактор эволюции старения, чем отбор на способность с этими повреждениями справляться.

Таким образом, исследование показало, что уровень внешней смертности, определяющий давление отбора на вредные мутации с поздним эффектом, и компромисс между быстрой и долгой жизнью, — два фактора, предсказываемые эволюционной теорией старения, — судя по всему, сильнее влияют на эволюцию долголетия у наземных позвоночных, чем интенсивность метаболизма.

По-видимому, нужно признать, что уровень метаболизма не является решающим фактором в эволюции старения. Молекулярные повреждения любой природы (будь то производство свободных радикалов, утрата теломер, производство цитокинов стареющими клетками или повреждения ДНК) должны накапливаться быстрее при интенсивном метаболизме. Но эволюционная судьба вида, то есть то, с какой скоростью он в итоге будет стареть, по-видимому, определяется не столько темпом накопления повреждений, сколько силой отбора на способность с этими повреждениями бороться. В этом смысле эволюция сильнее биохимии.

[ArefievPV]

Органическое прошлое кометы Чурюмова — Герасименко
https://www.nkj.ru/news/44843/

Анализ данных, полученных с аппарата «Розетта», указывает на то, что кометная органика сформировалась ещё до образования Солнечной системы.

Кометы, прилетающие к нам с окраин Солнечной системы – вовсе не такие простые объекты для исследований. Если упавшие на Землю метеориты можно отыскать и изучить в лаборатории, то с кометами такой фокус не пройдёт – состоящие из рыхлой пыли и льда они, в большинстве случае разрушатся ещё в атмосфере, окружающей нашу планету. Поэтому, чтобы исследовать вещество кометы в её первоначальном виде астрономам нужно не ждать, когда комета прилетит к ним в гости, а самим отправиться на встречу с космической странницей. В 1986 году, когда жители Земли в очередной раз наблюдали на небе комету Галлея, целая армада космических аппаратов устремилась ей вдогонку, надеясь «поймать» комету за хвост. С помощью химических анализаторов – масс-спектрометров – тогда удалось определить приблизительный химический состав кометного хвоста, но их чувствительности не хватило, чтобы определить, что это конкретно были за вещества. Однако стало ясно, что на кометах есть органика.

Органикой химики называют такие химические вещества, молекулы которых содержат атомы углерода, связанные с другими химическими элементами. Это могут быть как небольшие молекулы вроде простейших углеводородов или спиртов, так и намного более сложные. И самое главное, «органика» совсем не обязательно имеет биологическое происхождение: органические молекулы могут образовываться из неорганических веществ и реагировать друг с другом без какого-то бы ни было участия жизни.

Так что органика в космосе не такая уж и редкость. На необъятных просторах нашей Галактики астрономы с помощью спектроскопии уже обнаружили более 260 органических молекул, включая аминокислоты – кирпичики, из которых строятся белки. На упавших на Землю метеоритах находили нуклеиновые кислоты – генетические «буквы», из которых состоят «настоящие» биомолекулы РНК и ДНК. Кометы в этом плане – ещё более интересные объекты для поиска органики. Они, как своего рода космические холодильники, могут хранить в себе химический «снимок» межзвёздного вещества, каким оно было на заре формирования Солнечной системы и даже раньше. Поэтому большие ожидания учёные возлагали на космический зонд «Розетта», который в 2014 году добрался до кометы 67P/Чурюмова — Герасименко. И собранные зондом за два года пребывания рядом с кометой данные не перестают радовать учёных даже спустя годы.

Как пишут исследователи в недавно опубликованной статье в Nature Communications, им удалось на основе анализа данных, полученных с масс-спектрометра «Розетты» определить целую группу органических молекул, ранее в кометах не встречавшихся.

Но даже это не самое интересное. Учёных больше интересовало, как это органическое молекулярное разнообразие оказалось на комете. Согласно одной гипотезе регистрируемое в кометных хвостах многообразие органических молекул образуется вследствие химических реакций, которые протекают непосредственно на самой комете. Приближаясь к Солнцу, вещество на поверхности кометы нагревается, облучается светом и потоком солнечного ветра, что благоприятствует протеканию сложных химических реакций. По другой гипотезе – большая часть наблюдаемого химического «коктейля» уже была на комете с момента её образования, и во время недолгой «хвостатой» фазы вблизи Солнца комета по большей части только «достаёт из морозильника» свои органические запасы.

Масс-спектрометрические данные, полученные при изучении кометы Галлея, не позволили ответить на этот вопрос, однако более точные результаты анализа состава хвоста кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, похоже, указывают на второй вариант.

Химический и элементный состав кометной органики оказался практически идентичным той органике, которая есть на изученных метеоритах или, например, в составе колец Сатурна. Другими словами, органические вещества на разных объектах Солнечной системы: кометах, метеоритах или планетах – вероятнее всего, попали туда из одного и того же источника и были в космическом пространстве ещё до образования Солнца и планет. А значит, «органическое прошлое» Солнечной системы намного разнообразнее, чем мы себе представляли ранее, и кометы могут рассказать нам, каким оно в действительности было.

P.S. В общем, в космосе органики много. Наверное, на планетах (в приповерхностных условиях) реакции начинают идти быстро (концентрация органических веществ увеличивается + вещества-катализаторы + более концентрированный приток энергии).

Планеты вообще чем-то похожи на эдакие гигантские космические накопительные резервуары-концентраторы (или даже сразу на биореакторы похожи).