Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Моделирование мира РНК: Сравнение двух взаимодополняющих подходов
https://www.mdpi.com/1099-4300/24/4/536

Абстракт

Происхождение жизни остается одним из главных научных вопросов в современной биологии. Среди многих гипотез, направленных на объяснение того, как зародилась жизнь на Земле, мир РНК, вероятно, наиболее широко изучен. Это предполагает, что в самом начале молекулы РНК служили как ферментами, так и носителями генетической информации.

Однако, даже если это правда, есть много вопросов, на которые все еще необходимо ответить — например, может ли популяция таких молекул достичь стабильности и сохранять генетическую информацию в течение многих поколений, что необходимо для того, чтобы началась эволюция.

В этой статье мы пытаемся ответить на этот вопрос, основываясь на модели паразит–репликаза (RP model), которая разделяет молекулы РНК на ферменты (РНК-репликазы), способные катализировать репликацию, и паразитов, которые не обладают репликазной активностью, но могут реплицироваться РНК-репликазами.

Мы описываем вышеупомянутую систему с использованием уравнений в частных производных и, основываясь на анализе моделирования, предполагаем общие правила, управляющие ее эволюцией. Мы также сравниваем этот подход с тем, при котором система RP моделируется и реализуется с использованием метода многоагентного моделирования. Мы показываем, что подход к описанию и анализу системы RP с разных точек зрения (микроскопической, представленной MAS, и макроскопической, изображенной PDE) дает согласованные результаты. Следовательно, применение MAS не приводит к ошибочным результатам и позволяет нам изучать более сложные ситуации, когда речь идет о многих случаях, что было бы невозможно с помощью модели PDE.

P.S. Пока совсем кратко (использовал Яндекс-Переводчик). Думаю, если работа стоящая, то её перевод (и пересказ в сжатой форме) разместят на русскоязычных ресурсах.

[ArefievPV]

У дрозофил нашли рецепторы щелочного вкуса
https://nplus1.ru/news/2023/03/27/alka-gen
Это хлоридные каналы в рецепторных вкусовых нейронах, кодируемые геном alka

Ученые из Китая и США обнаружили у дрозофилы ген, отвечающий за восприятие щелочного вкуса. Авторы назвали ген alka и выяснили, что он кодирует хлоридный ионный канал в рецепторных нейронах на хоботке мух. Этот рецептор заставляет мух избегать щелочной пищи, а отключение гена нарушает это избегание. Исследование опубликовано в Nature Metabolism.

Люди и многие животные распознают пять базовых вкусов — сладкий, соленый, горький, кислый и умами — вкус белка. Восприятие вкуса помогает понять, насколько пища питательна и безопасна. За это восприятие отвечают определенные рецепторы (для каждого вкуса свои) — обычно это мембранные белки в чувствительных клетках на языке или какой-то другой части ротового аппарата.

На распознавание вкусов сильно влияет образ жизни: хищные млекопитающие разучились воспринимать сладкий вкус (нужные гены перестали работать), а у травоядных и насекомоядных позвоночных больше генов, кодирующих рецепторы горького вкуса, — чтобы различать токсины растений и насекомых. А панды, которые перешли от хищничества к растительноядности, потеряли способность ощущать вкус умами, но стали лучше чувствовать горький вкус.

Изучать физиологию восприятия вкуса удобно на плодовых мушках дрозофилах: они могут различать почти все основные вкусы. Кислый вкус, например, дрозофилы распознают благодаря ионному каналу, реагирующему на низкий pH, который открывается при высокой концентрации ионов водорода H⁺.

Вообще, кислотность и щелочность пищи и окружающей среды — важный показатель, игнорировать который может быть опасно. Но не понятно, могут ли мухи и вообще животные распознавать щелочной вкус — то есть высокий pH — при котором увеличивается количество гидроксид-ионов OH⁻. Предыдущие исследования на животных и людях указывают на то, что щелочи как-то распознаются вкусовыми рецепторами: кончик нашего языка воспринимает NaOH, вкусовые нейроны кошек реагируют на высокий pH, а насекомые стараются избегать высокощелочной среды. Но каков механизм — неясно.

Тинвэй Ми (Tingwei Mi) из Центра химических ощущений Монелла и его коллеги решили выяснить, ощущают ли дрозофилы щелочной вкус и как именно. Исследователи предложили мухам дикого типа выбрать между нейтральным раствором глюкозы (pH = 7) и таким же раствором, но щелочным: в него добавили NaOH (pH = 13). Мухи предпочитали нейтральную, а не щелочную пищу. Тогда авторы предположили, что щелочь дрозофилы распознают с помощью специфических вкусовых детекторов — это могут быть трансмембранные рецепторы или ионные каналы.

Тогда они создали много мутантных мух, у которых была нарушена экспрессия конкретных рецепторов или ионных каналов. Функция некоторых была известна ученым, а зачем нужны другие рецепторы и каналы авторы не знали. Большинство мутантов так же отказывались от щелочной пищи, но один мутант — CG12344^MI11416 — не избегал щелочи. Исследователи выяснили, что белок CG12344, экспрессия которого была нарушена у этого мутанта, принадлежит к семейству лиганд-зависимых хлоридных каналов LGCC дрозофил и отдаленно связан с глициновыми рецепторами GlyR.

У дрозофил есть 12 генов таких каналов, и ученые проверили их все на чувствительность к щелочи — создали новых мутантов. Но только мутанты с нокдауном CG12344 не избегали щелочной пищи. Исследователи назвали этот ген alka или alkaliphile (от alkaline — щелочь).

Далее они создали мутантных дрозофил alka¹, у которых этот ионный канал не работал. Мутанты alka¹ не избегали щелочной пищи, а если концентрация NaOH была невысокой (10 мМ) — даже предпочитали ее. Но исследователи предположили, что это из-за натрия и рецепторов, воспринимающих соленый вкус (натриевых каналов). Чтобы убедиться в этом, исследователи предложили мухам выбрать между щелочным раствором с NaOH (pH = 13) и нейтральным раствором с NaCl (pH = 7). Мутантные мухи не выражали никаких предпочтений в этом случае. И когда ученые заблокировали каналы натрия у этих дрозофил, мухи больше не предпочитали щелочные растворы.

Затем исследователи выяснили, какие из вкусовых сенсилл дрозофил реагируют на pH. Всего таких сенсилл три типа — большие (L), промежуточные (I) и малые (S). На них расположены рецепторы — чувствительные нейроны, в мембраны которых и встроены различные ионные каналы и другие детекторы. Электрофизиологическое исследование показало, что только малые сенсиллы S-типа восприимчивы к pH. Чем выше была концентрация NaOH, тем интенсивнее была нейронная активность, но только у дрозофил дикого типа — рецепторы мутантов alka¹ на pH почти не реагировали.

Еще авторы выяснили, что потеря alka не влияет на восприятие других вкусов — сладкого, горького, кислого и соленого. Мутанты alka¹ реагировали на сахарозу, кофеин, соль и кислоту так же, как и дрозофилы дикого типа.

Дополнительно ученые посмотрели, как рецептор реагирует на слабое основание Na₂CO₃ (карбонат натрия) по сравнению с сильным NaOH. Карбонат натрия широко распространен в естественной среде обитания многих животных, в том числе мух, и нередко встречается в пище. Выяснилось, что мутантные дрозофилы не избегают пищи с Na₂CO₃, ровно как и с NaOH, а вот мухи дикого типа — избегают.

Авторы проанализировали экспрессию гена alka, присоединив к нему ген зеленого флуоресцентного белка. Выяснилось, что alka экспрессируется не только в рецепторных нейронах GRN на сенсиллах хоботка (эти нейроны отвечают за восприятие вкуса), но и в хемосенсорных нейронах на ногах мух и в обонятельных органах — антеннах и максиллярных щупиках. В мозге alka не экспрессировался.

Также авторы убедились, что Alka представляет собой канал для ионов хлора при высоком pH, и описали механизм его работы. Для этого они исследовали работу каналов в клетках HEK293, которые экспрессировали alka. Эти клетки активировались, когда их обрабатывали щелочными растворами (pH = 12). В то же время контрольные клетки без экспрессии alka в ответ на щелочные растворы генерировали намного меньше токов. Ученые стали менять ионы внутри и снаружи клеток, чтобы выяснить, за счет транспорта каких ионов работает канал Alka. Оказалось, что избыток гидроксид ионов OH⁻ в щелочном растворе заставляет канал открыться — в итоге ионы хлора Cl⁻ (которых внутри клетки больше, чем снаружи) выходят из клетки, деполяризуя ее. Когда исследователи добавляли больше ионов хлора внутрь клеток, такие клетки активировались сильнее.

С помощью оптогенетики исследователи отключали щелочные GRN  дрозофил дикого типа — и те переставали избегать щелочной пищи так же, как и мутанты. А активация нейронов, реагирующих на щелочь, приводила к тому, что мухи отказывались даже от раствора сахарозы (предполагая, что там щелочь). Так авторы заключили, что гена alka и экспрессирующих его клеток GRN достаточно для избегания мухами высокощелочной пищи.

Ранее мы рассказывали о том, как ученые создали «карту вкусов» в мозге человека. Они разметили участки островковой коры и крышечки головного мозга, которые отвечают за разные вкусы. Для этого участникам исследования нужно было есть сладкую, соленую, горькую и кислую еду.

P.S. Ссылка в дополнение (там упоминаются и неосновные вкусы и привкусы):

Вкус
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BA%D1%83%D1%81

[ArefievPV]

Холод помогает клеткам убирать мусор
https://www.nkj.ru/news/47921/
Понижение температуры стимулирует внутриклеточное расщепление ненужных токсичных белков и продлевает жизнь как отдельным клеткам, так и организму в целом.

Холод продлевает жизнь — это можно увидеть в экспериментах как с холоднокровными червями, насекомыми и рыбами, так и с теплокровными мышами. Речь, конечно, не о сильном переохлаждении, от которого можно просто замёрзнуть. Речь о том, чтобы понизить температуру тела на полградуса или на градус. Например, продолжительность жизни мышей, у которых температура тела на 0,5°С ниже обычной, заметно увеличивается: в среднем на 12% у самцов, на 20% у самок. У холоднокровных животных и у теплокровных обмен веществ работает по-разному, тем удивительнее, что польза от небольшого понижения температуры есть для тех и для других. Очевидно, тут работают какие-то общие механизмы — например, те, что описаны в недавней статье в Nature Aging.

Сотрудники Кёльнского университета экспериментировали с круглыми червями и с человеческими клетками. У червей и у человеческих клеток были мутации, провоцирующие разные нейродегенеративные заболевания. Считается, что нейродегенративные заболевания связаны с накоплением в нервных клетках токсичных белков. Обычно клетка своевременно избавляется от них, но иногда случается так, что токсичный молекулярный мусор накапливается и вызывает гибель нейронов.

У клеток есть разные мусороуборочные системы. Одна из самых известных — это протеасомная система. Протеасомами называют большие комплексы белков, которые расщепляют другие белки, пришедшие в негодность или просто ставшие ненужными (обычно белки, которые нужно расщепить протеасомой, клетка ещё особым образом метит). Разумеется, у протеасом есть регуляторы, которые усиливают или подавляют их активность. Оказалось, что холод действует на активатор протеасомы — он её стимулирует, так что протеасома начинает активнее расщеплять мусорные белки. Этот активатор у червей и у человеческих клеток похож, так что понижение температуры действует на них одинаково, только само понижение разное: у червей протеасомную уборку мусора стимулировали падением на пять градусов (с 20°С до 15°С), в человеческих клетках — на один, с 37°С до 36°С.

Активнее избавляясь от белкового мусора, черви и человеческие клетки дольше жили. Мутации, провоцирующие нейродегенеративное накопление токсичных белковых комплексов, начинают портить жизнь с возрастом, но ни у нематод, ни у человеческих клеток с течением времени пресловутых токсичных комплексов не появлялось, либо же их появлялось совсем мало. Своевременная уборка мусора вообще важна для здоровья клеток, и, очевидно, холод способен продлевать жизнь, стимулируя один из мусороуборочных механизмов.

Но есть и другие варианты. Например, в прошлом году мы писали, что если заставлять себя регулярно мёрзнуть, то это пойдёт на пользу обмену веществ и сердцу с сосудами — эффект, скорее всего, связан с активацией бурого жира и усиленным сжиганием липидов. А ещё раньше мы рассказывали, что холод тормозит рассеянный склероз (правда, те опыты ставили на мышах). Здесь, вероятно, всё дело в том, что при понижении температуры организм тратит калории на обогрев самого себя, так что на аутоиммунное воспаление калорий просто не остаётся. Кстати, в последнее время часто пишут, что люди становятся холоднее в прямом, а не в переносном смысле. Возможно, увеличение продолжительности жизни у современного человека связано как раз с небольшим уменьшением температуры тела.

[ArefievPV]

Голова без слизня
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1717/Golova_bez_sliznya

Перед вами — голова, гуляющая сама по себе. Она оставила тело и ушла налегке. Фотографию эту сделала Саяка Мито (Sayaka Mitoh), эколог из Японии. Возможно, она на мгновение даже почувствовала себя Алисой, впервые встретившей улыбку без кота. Только в данном случае вместо кота был морской слизень Elysia marginata. Мито и ее коллеги изучали в лаборатории жизненный цикл этих моллюсков и в один прекрасный день обнаружили обезглавленное тело слизня и его голову, ушедшую по своим делам на другой конец контейнера. Естественно, ученые решили, что животное погибнет. Тело действительно умерло, хотя и не сразу. А вот голова прекрасно себя чувствовала без сердца, пищеварительной, выделительной и репродуктивной систем. Она мирно паслась, а потом отрастила себе новое тело.


Автотомия (A) и регенерация слизня Elysia marginata на 7-й день (B), 14-й (C), 22-й (D). Черной стрелкой отмечен перикард с сердцем, белым пунктиром — бороздка на шее целого слизня, по которой, как предполагается, идет отрыв тела от головы.

Многие животные (например, ящерицы, членистоногие, моллюски) способны отбрасывать тела или органы и выращивать их заново (см. картинку дня Автотомия у ящериц). Элизия же избавляется от всего тела сразу. Ученые были поражены и приступили к изучению этого феномена. Они беспокоили, раздражали, перетягивали нитками, разрывали и мучили разными другими способами элизий двух видов — E. marginata и E. atroviridis. На их «шеях» даже есть специальные бороздки — предположительные места отрыва. Выяснилось, что отращивать новое тело могут молодые здоровые животные. Молодыми считаются особи в возрасте 226–336 дней после вылупления, а старыми — в возрасте 480–520 дней.

Раны от разрыва на отделившихся головах затягиваются уже через сутки, а есть они (головы) могут уже через несколько часов после отделения туловища. Регенерацию сердца свободноживущие головы начинают через 7 дней, а отращивание тела — через 20 дней. Головы старых особей умирали примерно через 10 дней.

Как же голове удается выживать без тела? Скорее всего, за счет фотосинтеза. Элизии питаются водорослями, которые соскабливают с твердых поверхностей. Съеденные хлоропласты остаются в пищеварительной системе, которая у этих моллюсков сильно разветвленная и заходит также в голову. Изнутри она выстлана клетками, поддерживающими хлоропласты, они продолжают фотосинтезировать, за счет чего животное получает питательные вещества и энергию для регенерации тела. Это уникальное свойство мешкоязычных моллюсков (Sacoglossa), к которым и относятся элизии (см. картинки дня Фотосинтезирующий моллюск-листик и «Морская овечка»).

Но если голова отращивала тело, то обратного не происходило. Тела жили от нескольких дней до месяца, а потом бледнели и разлагались. Биение сердца просматривалось вплоть до начала разложения. Скорее всего, жизнь в телах, лишенных головы, поддерживалась за счет всё тех же хлоропластов, съеденных еще целым моллюском. С отмиранием же хлоропластов погибало и тело.

Итак, за счет чего выживают головы, вроде понятно. Остается главный вопрос: зачем? Сначала ученые предположили, что это способ спастись от врага. По аналогии с ящерицей, отбрасывающей хвост. Однако ящерица отбрасывает хвост за считаные секунды и быстро убегает, а вот процесс отделения головы слизня от туловища занимает несколько часов. Да и голова потом не убегает в клубах донной мути, а медленно отползает. За это время слизня можно успеть съесть. И не один раз. Исследователи пытались пугать и всячески раздражать своих подопытных, но ни один из них в ответ на раздражение не «вышел из себя».

Потом ученые нашли причину, и она похожа на правду. Они заметили, что элизии E. atroviridis, отбрасывающие тело, кишели паразитами — самками веслоногих рачков, или копепод. Копеподы больше похожи на офиур, чем на ракообразных (в отличие от свободноживущих самцов), и заполняют тело моллюска, не давая ему не только нормально жить, но и размножаться, блокируя репродуктивную систему. Единственный способ избавиться от всех копепод одним махом — это бросить зараженное тело и вырастить новое. В лабораторных условиях от тела избавлялись только зараженные слизни. Моллюски, свободные от паразитов, не теряли головы.

Лабораторные слизни E. marginata, по-видимому, не имели паразитов, но в природе у них также встречаются паразитические веслоногие. Предположительно, моллюски могут отбрасывать тело и в случаях накопления в нем токсичных веществ или если животное запутается в водорослях и не сможет выбраться. Эти предположения экспериментальным путем пока не подтверждены.

[ArefievPV]

Бактериальный белок подарил позвоночным чувствительное зрение
https://nplus1.ru/news/2023/04/11/i-see-men-as-trees-walking
Он был приобретен путем горизонтального переноса генов более 500 миллионов лет назад

Американские исследователи выяснили, что один из ключевых белков, обеспечивающих зрение позвоночных, был приобретен в процессе эволюции от бактерий. Публикация об этом появилась в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Глаз позвоночных представляет собой сложную оптическую структуру из множества анатомических и молекулярных элементов, обеспечивающих высокую резкость, цветопередачу и фокусировку. Со времен Чарлза Дарвина последовательное объяснение всех стадий его эволюции представляло крайне сложную задачу. Одной из стадий перехода от глаза беспозвоночных к глазу позвоночных стало разделение специализаций фоторецепторных клеток (ФР), воспринимающих свет путем изомеризации соединенного с родопсином 11-цис-ретиналя в транс-ретиналь, и клеток пигментного эпителия сетчатки (ПЭ), ферментативно проводящими обратную реакцию. Такое разделение повысило эффективность световосприятия и, предположительно, обеспечило возможность видеть при слабом освещении.

На молекулярном уровне разделение ФР и ПЭ обеспечивает растворимый межфоторецепторный ретинол-связывающий белок (IRBP; так же известен как ретинол-связывающий белок 3, RBP3). Он находится в межклеточном матриксе сетчатки и переносит ретиноиды между ФР и ПЭ, его мутации приводят к таким тяжелым заболеваниям как пигментный ретинит и дистрофия сетчатки. Аминокислотная последовательность этого белка и его структура из четырех повторных доменов высококонсервативны среди позвоночных и используются для изучения их эволюции. При этом у всех остальных эукариот никакого очевидного гомолога IRBP нет, и его появление в процессе эволюции оставалось неясным.

Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Мэттью Догерти (Matthew Daugherty) провели поиск аналогов последовательности человеческого IRBP по базе данных RefSeq. Большинство его четырехдоменных гомологов ожидаемо обнаружились среди позвоночных. Следующими по схожести оказались бактериальные пептидазы S41. Аминокислотная последовательность и структура этих однодоменных белков и каждого из доменов IRBP во многом совпадают. Среди беспозвоночных эукариот однодоменные гомологи удалось выявить лишь в девяти из 685 запрошенных геномов.

Филогенетическая реконструкция методом максимального правдоподобия показала, что IRBP позвоночных входят в одну монофилетическую кладу, которая на 100 процентов берет начало из более обширного древа бактериальных белков. При этом гомологи IRBP других эукариот — например, клещевины (Ricinus communis) — филогенетически от них весьма далеки. Зато у бесчелюстного позвоночного морской миноги (Petromyzon marinus) этот белок имеет то же происхождение, что и у челюстных, которые отделились 500 с лишним миллионов лет назад. Таким образом, он на заре появления позвоночных перешел к ним от бактерий в результате горизонтального переноса генов между доменами (надцарствами) живого мира, что подтвердили разными подходами к реконструкции.

У морских миног IRBP, как и у большинства позвоночных, включая человека, состоит из четырех доменов с тремя консервативными интронами в последнем из них; расположение его гена по отношению к другим также схоже. Значимое исключение представляют костные рыбы, которые помимо четырехдоменного IRBP экспрессируют двух-, трех- и пятидоменные его разновидности, однако все они укладываются в одну филогенетическую ветвь с остальными позвоночными. Исследователи показали, что в процессе неофункционализации бактериальная пептидаза S41 прошла два раунда дупликации гена/домена и утратила протеолитическую активность из-за замены серина в активном центре на другие аминокислоты.

В ходе анализа и реконструкции исследователи обнаружили у эукариот несколько гомологов IRBP, отличающихся от этих белков у позвоночных. Их изучение показало, что в некоторых случаях — например, у клещевины и бокоплава Hyalella azteca — нахождение их в геноме с наибольшей вероятностью связано с загрязнением образцов бактериальным генетическим материалом. Однако другие организмы — в частности, грибы (Fungi) и ланцетники (Amphioxus) — действительно имеют гомологи IRBP, полученные в отдельных событиях горизонтального переноса генов. При этом у грибов эти белки сохранили протеолитическую активность, а у ланцетников (хордовых, но не позвоночных) утратили. Их функции пока не уточнены.

Таким образом, гомологи IRBP попадали к эукариотам в процессе эволюции по меньшей мере три независимых раза. Причем один из них стал ключевым толчком к развитию зрения позвоночных, что подчеркивает значительный вклад приобретенных бактериальных генов в их эволюционном развитии.

В феврале 2023 года американские микробиологи сообщили об открытии нового класса мобильных генетических элементов (фрагментов ДНК, способных передаваться от одной бактерии к другой), названных тихепозонами. Горизонтальный перенос генов, его значение и распространенность в природе подробно разобраны в статье «Поверх барьеров». О том, как устроено зрение и как функционирует глаз, можно почитать в материале «Зрение как оно есть».

[ArefievPV]

Жизненно важные гены эволюционируют быстрее, если их белки сотрудничают с другими белками
https://elementy.ru/novosti_nauki/434089/Zhiznenno_vazhnye_geny_evolyutsioniruyut_bystree_esli_ikh_belki_sotrudnichayut_s_drugimi_belkami

Критически важные гены (КВГ) выполняют самые древние и фундаментальные функции в клетке и абсолютно необходимы для ее жизнедеятельности. Как правило, КВГ эволюционируют очень медленно. Некоторые КВГ настолько статичны, что их версии (ортологи) в геномах разных организмов остаются взаимозаменимыми спустя сотни миллионов лет после расхождения этих организмов.

Например, некоторые КВГ дрожжей можно заменить их человеческими версиями, и такие химерные клетки будут жизнеспособными. При этом другие КВГ быстро утрачивают совместимость. Чтобы понять, от чего это зависит, тайваньские биологи заменяли КВГ пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisae ортологами, взятыми у четырех других видов дрожжей, различающихся по времени отделения от предков S. cerevisae. Это позволило оценить темпы эволюции 86 генов. Оказалось, что быстрее всего эволюционируют КВГ, белковые продукты которых входят в состав сложных белковых комплексов.

Результаты подтверждают идею, что способность КВГ меняться, утрачивая совместимость с чужими геномными контекстами, но сохраняя при этом свою функцию, связана с межмолекулярными взаимодействиями. Если белковый продукт КВГ тесно сотрудничает с другими белками, то случайные изменения его аминокислотной последовательности могут быть скомпенсированы изменениями белков-партнеров. Это дает белкам, работающим в команде, чуть больше эволюционной свободы по сравнению с белками, делающими свою работу в одиночку.

Критически важными (essential) называют гены, абсолютно необходимые для жизни клетки в нормальных условиях. Например, у пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae из 6000 имеющихся в геноме белок-кодирующих генов лишь около 1000 являются критически важными (см.: Зачем нужны «ненужные» гены, «Элементы», 22.04.2008). Если хотя бы один КВГ вывести из строя, дрожжи становятся нежизнеспособными на богатой лабораторной питательной среде.

Как правило, КВГ выполняют эволюционно древние функции, связанные с самыми фундаментальными клеточными процессами. Неудивительно, что КВГ находятся под строгим контролем очищающего отбора. Мутации в КВГ с большой вероятностью оказываются вредными и отбраковываются. Поэтому эволюция КВГ в целом идет очень медленно.

Чтобы комплекс нормально работал, он должен быть стабильным. Для этого его компоненты должны хорошо подходить друг к другу, как детальки трехмерного паззла. При этом комплекс большой и сложный, а его стабильность поддерживается не одним-двумя, а множеством межбелковых взаимодействий. Тем самым обеспечивается некоторый запас прочности. Благодаря этому запасу комплекс не обязательно выходит из строя, если слегка меняется (и начнет чуть хуже прилегать к соседу) один из компонентов (например, Apc2).

В дальнейшем у белка-соседа (например, у Apc11) могут закрепиться изменения, улучшающие контакт с изменившимся Apc2. На этом этапе несовместимости с исходным геномным контекстом еще нет. Но если теперь на другом конце молекулы Apc2 произойдут другие изменения, чуть нарушающие контакт с каким-то третьим белком, и у этого третьего белка тоже закрепятся какие-то компенсаторные изменения, то теперь уже новая версия Apc2 может оказаться несовместимой с исходным контекстом. Запаса прочности у белкового комплекса хватает, чтобы выдержать одну-две «шероховатости» в межбелковых взаимодействиях. Это дает компонентам некоторую эволюционную свободу. Но при нарастании числа таких шероховатостей комплекс в какой-то момент просто разваливается или теряет работоспособность.

К слову, именно такой («выпуклый») характер зависимости приспособленности от числа молекулярных погрешностей — сначала всё вроде бы нормально, но потом происходит резкий обвал, — помогает объяснить, почему не вымирают виды с очень быстрым мутагенезом, как рассказано в новости Вредные мутации в геноме усиливают влияние друг друга («Элементы», 24.05.2017).

Согласованная эволюция компонентов белкового комплекса может приводить к развитию у расходящихся видов генетической несовместимости — той самой, о которой рассказано в новости Генетическая несовместимость нарастает по параболе («Элементы», 26.09.2010). Замечательно, что при этом и функция белкового комплекса, и все его рабочие качества остаются практически неизменными. То есть фенотип остается прежним, а его генетический и белковый базис неуклонно меняется. По похожей схеме может происходить и реорганизация регуляторных генных сетей при сохранении их рабочих свойств (C. Dalal, A. D. Johnson, 2017. How transcription circuits explore alternative architectures while maintaining overall circuit output), и перестройка системы детерминации пола — при неизменном присутствии в популяции всё тех же самцов и самок (см. Переход от хромосомного определения пола к температурному может произойти за одно поколение, «Элементы», 06.07.2015) — и другие эволюционные процессы.

P.S. На мой взгляд, очень важные моменты озвучены.

[ArefievPV]

Три теории магниторецепции: как животные и птицы ощущают магнитное поле?
https://vk.com/@neurocampus-tri-teorii-magnitorecepcii-kak-zhivotnye-i-pticy-oschuschaut
Ученые не могут окончательно определиться с молекулярной основой магниторецепции животных и птиц. В тексте мы расскажем о трех существующих непротиворечащих друг другу научных теориях механизмов работы такой необычной рецепторной системы.

Панорамный вид на Франкфурт-на-Майне, Германия. На изображении показана перспектива ландшафта, снятая с высоты птичьего полета 200 м. Поле зрения птицы изменяется с помощью функции магнитного фильтра. Для иллюстрации показан паттерн, опосредованный магнитным полем, только в оттенках серого. Узоры показаны для птицы, смотрящей в восьми направлениях по сторонам света (N, NE, E, SE, S, SW, W и NW). Угол наклона геомагнитного поля составляет 66°, что является характерным значением для данного региона. Источник

Сколько органов чувств у человека? Аристотель описывал пять: зрение, слух, осязание, вкус и обоняние. Но сейчас мы знаем, что помимо них есть другие сенсорные каналы восприятия, такие как чувство равновесия, тепла и холода, боли, а также восприятие внутренних раздражителей, например, проприоцепция. Эти виды сенсорного восприятия знакомы каждому человеку, но среди других живых существ эволюция создала и недоступные нам способы ощущать окружающий мир.

Например, осьминоги отлично различают (поляризацию света) и ощущают его интенсивность щупальцами, а обыкновенный сом имеет вкусовые рецепторы по всей поверхности тела. Летучие мыши ориентируются в темноте с помощью эхолокации, а дельфины помимо эхолокации под водой еще «научились» ощущать электрические поля.

Одним из наименее изученных примеров сенсорного восприятия считается магниторецепция. Так как магнитные поля пронизывают всю атмосферу Земли, простираясь дальше на сотни километров в космос, некоторые организмы, например птицы и черепахи, адаптировались ощущать воздействие магнитного поля и использовать его для ориентации в пространстве. Так известно, что собаки часто ориентируются вдоль оси магнитного поля Земли с севера на юг, когда испражняются.

Стимулом для такой сенсорной системы является магнитное поле Земли, которое возникает в результате движения ее проводящего жидкого ядра, богатого железом.

Магнитное поле земли. Источник.

Это векторная величина, которую можно разделить на 3 компонента: наклон, направленность и интенсивность. Линии магнитного поля исходят от планеты, образуя угол по отношению к поверхности Земли, который меняется в зависимости от широты. Этот угол называется наклоном поля. Например, вектор направлен вертикально к небу на южном полюсе (-90°), проходит параллельно поверхности на магнитном экваторе (0°) и входит в Землю на широте Парижа.

Направленность измеряют как угл линий магнитного поля по отношению к истинному географическому северу, на который указывает стрелка компаса. Напряженность поля представляет собой плотность линий магнитного поля и и равна примерно 30-60 наноТесла. На напряженность влияет распределение ферромагнитных материалов в земной коре, и поэтому его можно отобразить в виде топографической карты магнитных напряжений.

Топографическая карта напряженности геомагнитного поля. Источник

Теория магниторецепции на основе магнетита

Впервые способность животных ощущать магнитные поля была показана в 60-х годах прошлого века пионерами поведенческой биологии Фридрихом Меркелем и Вольфгангом Вильчко. Ученые продемонстрировали поведение, зависящее от магнитного поля, у перелетной птицы, европейской малиновки Erithacus rubecula. Используя небольшие круглые арены с искусственными магнитными полями, исследователи изменили предпочтительное направление ориентации птиц во время миграционного беспокойства в период сезонных миграций.

За последние 20 лет исследований к числу видов, способных ощущать магнитные поля также были причислены рыбы, черепахи, млекопитающие, птицы, насекомые и даже бактерии.

Однако до сих пор не понятно, как магниторецепция работает на уровне клеток и молекул, потому что механизмы, опосредующие сенсорную трансдукцию, остаются не до конца изученными. Существует 3 основные теоретические концепции, которые пытаются объяснить этот вопрос.

Согласно первой, магнитные поля обнаруживаются с помощью чувствительных магниторецепторов на основе магнетита или его аналогов — минералов с сильнейшими магнитными свойствами, частицы которого ученые находят у многих магниточувствительных животных. Во многих сенсорных системах участвующие в передаче сигнала рецепторные белки после влияния поступающего стимула подвергаются структурным перестройкам. Например известно, что механочувствительный канал Piezo1 непосредственно воспринимает силы на плазматической мембране, что приводит к притоку катионов в ответ на давление.

Именно за открытие механизма работы этих механочувствительных рецепторов вместе с аналогичным механизмом для терморецепторов вручили Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 2021 году.

Итак, если мембранный белок должен претерпеть изменение конформации в магнитном поле Земли, «молекулярный детектор» должен быть крайне чувствительным. На эту роль подходит ферромагнитный минерал магнетит Fe₃O₄. Ученые уже находили, что ряд видов способны образовывать биогенный магнетит. Лучшим примером являются магнитотаксические бактерии, которые генерируют цепочку внутриклеточных кристаллов магнетита. Они используют эту внутреннюю стрелку компаса, чтобы направлять свое движение вдоль наклона вектора магнитного поля к более глубоким водам. Но несмотря на множество поставленных экспериментов ученым до сих пор не удалось обнаружить магниторецептор на основе магнетита.

Магниточувствительные бактерии с биогенным магнетитом. Источник.

Теория магниторецепции на основе криптохрома

Альтернативой гипотезе рецептора с магнетитом является предположение, что геомагнитное поле может влиять на биохимические реакции внутри рецепторной клетки сетчатки, аналогичные тем, которые приводят к обнаружению света зрительными пигментами. Так, родопсин, наиболее охарактеризованный фоторецепторный белок, детектирует свет с помощью хромофора 11-цис-ретиналя, который претерпевает структурные изменения при поглощении фотона. Это меняет биохимические свойства опсина, приводя к активации G-белков и нижестоящих сигнальных каскадов и, соответственно, к развитию рецепторного потенциала в колбочке или палочке.

Есть предпосылки для существования подобного магниточувствительного пигмента: ряд поведенческих исследований у позвоночных показал, что широкополосные электромагнитные поля низкой интенсивности (а именно такие поля могут влиять на спиновый магнитный момент и, таким образом, детектироваться) нарушают магнитную ориентацию у животных. Уже найдены кандидаты в такой магниточувствительный пигмент – это пигменты Криптохромы Crys. Crys — светочувствительные белки, которые имеют консервативный домен фотолиазы, связывающий кофактор флавин, и позволяют некоторым растениям и животным воспринимать синий и ультрафиолет. Известно, что криптохромы экспрессируются во многих органах позвоночных и до сих пор их основной выявленной функцией являлось регуляция циркадных ритмов. Теоретически криптохромы обладают молекулярными свойствами для функционирования в качестве магнитосенсора. Несмотря на это, до сих пор не ясно, как криптохромы специфичны в отношении магнитной информации, и, как ее отличить от информации о циркадных ритмах. В связи с этим и данная гипотеза пока не была подтверждена.

Изображение птичьего глаза и его важных компонентов. Сетчатка (а) преобразует изображения из оптической системы глаза в электрические сигналы, посылаемые по ганглиозным клеткам, образующим зрительный нерв, в мозг. (b) Увеличенный сегмент сетчатки. (c) Сетчатка состоит из нескольких клеточных слоев. Первичные сигналы, возникающие во внешних сегментах палочки и колбочки, передаются горизонтальным, биполярным, амакринным и ганглиозным клеткам. (d) Первичный сигнал фототрансдукции генерируется в рецепторном белке родопсине, схематически показанном при значительно уменьшенной плотности. Предположительно магниточуствительный криптохром может быть локализован между дисками внешнего сегмента фоторецепторной ячейки, как схематично показано в (d), или криптохромы (e) могут быть прикреплены к ориентированной квазицилиндрической мембране внутреннего сегмента фоторецепторной ячейки (f). Источник.

Теория магниторецепции на основе кутикулосом

Третья теория предполагает, что магнитные поля могут детектироваться в специализированных вспомогательных структурах внутреннего уха, которые преобразуют магнитное поле в другой стимул.

Например, наземные позвоночные не обнаруживают гравитацию напрямую, а скорее полагаются на слой отолитов карбоната кальция, которые оказывают механическое воздействие на популяции сенсорных волосковых клеток. Аналогичным образом, слуховая система использует сложный набор вспомогательных структур, которые преобразуют волны звукового давления в воздухе в натяжение молекулярной пружины на механочувствительных ионных каналах в волосковых клетках.

Поскольку магнетизм и электричество неразделимы, возможно, что подобная структура может преобразовывать информацию о магнитном поле Земли в электрический стимул. В отношении электрорецепторов некоторых водных животных, например, дельфинов, известно, что они способны детектировать электрические потенциалы всего в 5 нВ/см. Электромагнитная индукция также может возникать в эндолимфе полукружных каналов птиц, при этом волосковые клетки на периферии купулы тогда будут функционировать как электрорецепторы.

Объясним на примере: если ворона повернет голову вокруг оси в плоскости полукружного канала внутреннего уха, то смещения эндолимфы не произойдет, но может возникнуть электромагнитная индукция, рассказывающая о напряженности геомагнитного поля. И наоборот, вращение головы вороны вокруг оси, перпендикулярной плоскости полукружного канала, может вызвать смещение жидкости эндолимфы и предоставить нервной системе информацию об угловом моменте, но без информации об электромагнитной индукции.

Кандидат на такую органеллу во внутреннем ухе уже предложен – это кутикулосома в волосковых клетках птиц, которая состоит, в основном, из наночастиц ферритина. Эта структура молекулярно связана с везикулярным движением, что позволяет предположить, что она может регулировать концентрацию железа во внутренних отделах уха, и быть задействована в магниторецепции.



Открытие богатой железом структуры в волосковых клетках голубей. Подробнее в первоисточнике

Все три теории активно развиваются разными группами ученых и не являются противоречащими. Возможно, правильный ответ не один. Кроме того, существуют вводящие в заблуждение данные, подтверждающие, что изменение направления и напряженности магнитного поля сказываются на альфа-ритмах на ЭЭГ человека.

Это косвенно подтверждает, что магнитное поле воздействует на электрическую активность мозга, но не то, что мы имеем рецепторы к нему. В данный момент ученые сфокусированы на изучении того, как магниторецепция работает у других живых существ.

[ArefievPV]

Восстановлю пропавшее сообщение (от 17.04.2023г.):

У архей обнаружены ядрышки
https://elementy.ru/novosti_nauki/434091/U_arkhey_obnaruzheny_yadryshki

Могут ли в клетке без ядра быть ядрышки? Недавно было выяснено, что такое возможно у прокариот: несмотря на отсутствие оформленного ядра, места сборки рибосом у них сходны с ядрышками эукариот. У археи Sulfolobus solfataricus они имеют характерный вид под электронным микроскопом, дают такую же цитохимическую реакцию и даже включают в себя эволюционно родственные белки. Это означает, что ядрышки сформировались еще до появления клеточного ядра и были «унаследованы» нами от архейного предка.

Если взять геномы всех видов на Земле и построить по ним эволюционное дерево, то все, что определяет уникальный внешний облик живого мира нашей планеты, — от вековых деревьев до людей, от китов до слизевиков — окажется лишь группой странных многоклеточных архей с сильно разросшимися и усложнившимися клетками, под завязку набитыми альфа-протеобактериальными симбионтами (митохондриями).

В интерфазе (то есть когда клетка не занята делением) вся наша ДНК распределена по объему ядра, и ее тонкие нити образуют вязкий гель. Каждая хромосома занимает определенную часть объема ядра, которая называется ее хромосомной территорией. Но в ядре есть области и помимо хромосомных территорий — окрашивание ядра мечеными антителами позволяет увидеть в нем тельца, в которых пространственно сосредоточены молекулярные процессы. Так, сплайсинг ДНК («вырезание» интронов) сконцентрирован в тельцах Кахаля (рис. 3, слева) и точкообразных тельцах (спеклах). А транскрипция рибосомальной РНК и сборка рибосом сосредоточены в похожем «комочке», который называется ядрышком (рис. 3, справа). Это единственный отдел ядра, который виден в световой микроскоп — обилие белков и РНК придает ему высокую оптическую плотность.

Помимо сборки рибосом, в ядрышке осуществляется транскрипция и сплайсинг транспортных РНК — тех самых, которые будут «подтаскивать» аминокислоты к рибосомам и составлять их вместе в соответствии с кодонами матричной РНК. В общем, ядрышко — это клеточный «станкостроительный завод», где собираются будущие «машины» биосинтеза белка. В этот процесс вовлечено большое количество белков, которые кроме ядрышка не встречаются больше нигде. И, что интересно, гомологи этих белков были ранее обнаружены у архей. Ядра у архей нет, но что насчет ядрышек?

Обсуждаемое исследование показало, что ядрышки вполне привычного для нас типа встречаются у архей, и, скорее всего, были у нашего последнего безъядерного предка, от которого мы их и унаследовали. В общем контексте генетического сходства клеток эукариот и архей это кажется не очень удивительным, однако это первый случай, когда эволюцию клеточной структуры эукариот удалось проследить до архей. Напомним, что эукариоты не унаследовали от архей даже их мембран, так что сохранение ядрышек на протяжении таких больших промежутков времени и эпических преобразований структуры клетки выглядит наиболее впечатляющим.

[ArefievPV]

Молекулы, организмы и естественный отбор
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436712/Molekuly_organizmy_i_estestvennyy_otbor

P.S. Популярная статья, рекомендую.

В качестве комментария одно замечание:

Репликатором называется молекула, способная в подходящей среде создавать копии самой себя. Иногда понятие репликатора расширяют, охватывая не только молекулы, но и куда более сложные структуры. Но принцип всегда один: репликатор — это объект, так или иначе содействующий созданию собственных копий. Попросту говоря, репликатор «умеет» размножаться.

Есть и другая точка зрения – среда реплицирует подходящий оригинал. Хотя, на мой взгляд, более корректно было бы использовать вместо слова подходящий слово соответствующий.

Тогда и принцип будет звучать так: репликатор – это среда, создающая копии (реплики) с объекта-оригинала. Или, по аналогии, репликатор – это принтер со всеми расходниками (бумага, электроэнергия, краска), который создаёт копии (реплики) с текста-оригинала.

То есть, это именно среда «умеет» размножать соответствующие объекты, а не сам объект «умеет» размножаться. Иначе говоря, это принтер (со всеми расходниками, включая электроэнергию, краску, листы бумаги) размножает текст, а не сам текст размножается в принтере.

Некоторые виды/типов объектов-оригиналов соответствуют не какой-то определённой среде, а целому спектру сред (и даже могут соответствовать целому спектру видов/типов сред). Эдакие универсальные объекты-оригиналы, которые могут реплицироваться многими средами…

[ArefievPV]

У желтых сумасшедших муравьев самцы — химеры
https://elementy.ru/novosti_nauki/434094/U_zheltykh_sumasshedshikh_muravev_samtsy_khimery

У желтого сумасшедшего муравья (Anoplolepis gracilipes) не только поведение «сумасшедшее», но и генетика выходит за рамки нормы. Пол у A. gracilipes, как и у всех других муравьев, определяется генетически: самки — и рабочие, и королевы — имеют диплоидный набор хромосом, а самцы — гаплоидный. Самцы, таким образом, развиваются из неоплодотворенных яиц. Но самцы у A. gracilipes оказались химерными. Их тело (в том числе и сперматозоиды) построено из двух типов клеток: одни — с отцовским геномом, другие — с материнским. Такой крайне необычный вариант полового размножения — имитация самцовой диплоидности — им понадобился для генетической детерминации каст рабочих и королев. Другого подобного примера генетического предопределения каст у перепончатокрылых не известно, равно как и обязательного химеризма в жизненном цикле эукариот вообще.

Вариант объяснения этого феномена, который предложили ученые, поначалу кажется диким: все самцы этого вида являются генетическими химерами. Каждая клетка гаплоидна и несет либо гаплотип W, либо гаплотип R. Тогда при оплодотворении яйцеклетки, несущей гаплотип R, сперматозоидом W получаются рабочие, а при оплодотворении такой яйцеклетки сперматозоидом R получаются королевы. При этом в выборку при генотипировании каждого самца попадают клетки с обоими гаплотипами, создавая видимость гетерозиготности. Сколь невероятным ни кажется такое объяснение, его легко проверить. Для этого нужно выяснить, какой набор маркеров будет в разных клетках каждого самца.

Гипотеза генетических химер однозначно подтвердилась. У каждого самца клетки тела несут гаплоидный набор хромосом, но эти наборы разные: одни — строго с маркерами R, другие — строго с маркерами W. Причем сперма, как показало генотипирование тканей тела, состоит в основном из клеток W (рис. 3). При этом 43% самцов несут только сперму W, и 26% — только сперму R.

Таким образом, после оплодотворения яйцеклетки возможны три варианта. Первый — с яйцеклеткой сливается сперматозоид W; в этом случае из яйцеклетки развивается рабочая особь. Второй вариант: яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом R. В этом случае вырастает королева. В третьем варианте сперматозоид проникает в клетку, но материнское и отцовское ядра в яйцеклетке не сливаются. Каждое делится своим чередом, формируя два типа гаплоидных клеток — отцовских и материнских. Из таких яиц вырастают самцы.

В химеризме самцов ученые видят оригинальный способ справиться с конфликтными требованиями отбора. То, что хорошо для королев, может плохо отражаться на рабочих и совсем не годится для самцов. В результате отбор должен действовать в разных направлениях, при этом сохраняя единство генома. Решение нашлось: образовались химерные самцы, несущие в одном случае набор генов, подходящих для королев, а в другом — для рабочих. Видимо, отбор в случае данного вида шел в весьма жестких условиях.

Интересно, что гаплотип W сам не участвует в размножении, так как королевы не имеют яйцеклеток W. Зато ядра/клетки W эгоистичным образом занимают в ранних эмбрионах место (буквально), где разовьются гонады, успешно конкурируя с гаплотипом R. За счет этого потомки получают от самцов повышенную долю гаплотипа W. В конечном результате в данной системе сохраняются оба гаплотипа.

[ArefievPV]

Вода на Земле могла появиться из первичной водородной атмосферы
https://elementy.ru/novosti_nauki/434096/Voda_na_Zemle_mogla_poyavitsya_iz_pervichnoy_vodorodnoy_atmosfery

Водород — главный элемент космоса. Атмосферы многих экзопланет содержат молекулярный водород. Американские ученые разработали оригинальную модель, основанную на предположении, что первичная атмосфера Земли тоже была богата Н₂. Согласно этой модели, вода на Земле появилась в результате взаимодействия водорода атмосферы с океаном силикатной магмы.

Параллельно модель объясняет еще две геологические загадки — почему для земных недр характерна окислительная среда и как образовался дефицит плотности в ядре.

P.S. Статья большая, пояснения достаточно подробные.

В дополнение ссылка:

Источник: Edward D. Young, Anat Shahar, Hilke E. Schlichting. Earth shaped by primordial H₂ atmospheres // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05823-0.

[ArefievPV]

Рыба-тренога
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1727/Ryba_trenoga

Перед вами существо с говорящим названием — рыба-тренога (Bathypterois grallator). Ее «ходули» образованы удлиненными костными лучами хвостового и брюшных плавников. Встретить такую рыбу можно на глубине от 250 метров до 6 километров в тропических широтах Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Рыба-тренога от головы до хвоста достигает сорока сантиметров, а ее удлиненные плавники могут быть больше метра. В роде Bathypterois насчитывается 19 видов — все они имеют похожие удлиненные костные лучи, однако таких длинных как у B. grallator больше нет ни у кого из них. Кроме того, это самый крупный вид рода.

Большую часть времени рыба-тренога стоит на дне на «ходулях»: головой против течения, выставив вверх грудные плавники, открыв рот. И ждет, когда добыча проплывет поблизости. Около метра над дном — как раз подходящая высота, чтобы ловить мелких рыб и ракообразных, которые плывут вместе с течением вдоль дна. Как и у всех рыб семейства ипноповых (Ipnopidae), зрение у рыбы-треноги развито очень плохо, поскольку на глубинах темно. Зато она может почувствовать приближение добычи с помощью хорошо иннервированных грудных плавников и ими же подтолкнуть ее ко рту.

Раньше считалось, что рыбы-треноги плавают, только если их потревожить. Но на видеозаписях, сделанных с дистанционно управляемого батискафа на глубине 1443 метров в Бразильских водах, видно, что она может плавать регулярно. И длинные лучи ей никак не мешают — они просто болтаются под телом рыбы.

Когда рыба-тренога приземляется на дно, она поворачивается против течения и касается поверхности сначала брюшными плавниками, держа хвостовой отросток параллельно поверхности дна, и только после этого опускает хвост и замирает на трех точках опоры.

Рыбы-треноги — синхронные гермафродиты: у каждой особи одновременно функционируют как мужские, так и женские репродуктивные органы. Если встретить партнера получается, что на большой глубине в полной темноте задача нетривиальная — тогда одна рыба откладывает икру, а другая ее оплодотворяет. В случае, если найти партнера не вышло, рыба-тренога проявляет незаурядную самостоятельность — она производит яйцеклетки и самостоятельно оплодотворяет их.

[ArefievPV]

Дыхание предка
https://nplus1.ru/material/2023/05/02/very-ancient-eukaryota
Правда ли, что митохондрии сделали нас эукариотами

На протяжении двух миллиардов лет на нашей планете обитали лишь бактерии и археи — организмы, лишенные ядра, то есть прокариоты. Затем клетки стали обзаводиться более сложными структурами: ядром, отделенным мембранами от цитоплазмы, и митохондриями. Этот качественный переход во внутренней организации клетки и позволил появиться эукариотам, к которым относятся множество одноклеточных и все многоклеточные организмы — включая авторов этого текста и его читателей. Шведские биологи в статье в Science утверждают: ради этого предки эукариот дважды подружились с бактериями и только со второго раза научились дышать кислородом. Алексей Дукат и Анна Кузнецова объясняют, откуда взялась эта гипотеза и какие с ней могут возникнуть сложности.

Как появились эукариоты

Эволюцию эукариот принято отсчитывать от FECA (first eukaryotic common ancestor), гипотетического первого общего предка всех эукариот. Это древнейший организм, который только начал приобретать характерные для эукариот признаки. Со временем он превратился в LECA (last eukaryotic common ancestor), последнего общего предка. После него эволюционные ветви эукариот разошлись — поэтому LECA должен обладать всеми основными признаками эукариотической клетки.


Основные этапы развития эукариотической клетки
F. D. Mast et al. / Trends in Cell Biology, 2014

Что происходило с клетками по дороге от FECA к LECA, не совсем понятно. По имеющимся данным, FECA был очень близок к асгардархеям и не сильно от них отличался. А у LECA уже должны были присутствовать полноценное ядро и развитая система внутренних мембран. Получается, что между FECA и LECA лежит огромное эволюционное расстояние, и неясно, в каком порядке у них появлялись разные эукариотические признаки. Особенно много вопросов остается к митохондриям.

Митохондрии часто сравнивают с энергетическими станциями клетки. Внутри этих органелл происходит дыхание, то есть окисление органики кислородом, в результате чего выделяется энергия и синтезируется АТФ, универсальный переносчик энергии. Предполагается, что именно благодаря митохондриям у предковой клетки появились ресурсы на фагоцитоз — поглощение твердых частиц с помощью впячивания мембраны. Это критически важное для эукариот свойство: так можно не только захватывать внеклеточные молекулы, но и, например, образовывать транспортные пузырьки и сложные мембранные структуры. Разделение клетки на отсеки (компартменты) при помощи мембран решает множество проблем, и прокариоты на такое не способны — считается, что без митохондрий на такой процесс уходило бы слишком много энергии.

Митохондрии сильно отличаются от других органелл: у них есть собственная ДНК и рибосомы, они могут делиться независимо от самой клетки. Еще они обладают двойной мембраной, причем внутренняя имеет сложную структуру со складками (кристами), для того чтобы увеличить площадь поверхности, на которой протекают биохимические реакции. Все это говорит о том, что митохондрии когда-то были отдельно живущими организмами — а именно α-протеобактериями.

Считается, что предок эукариот (архея) вступил в симбиоз с предком митохондрий (α-протеобактерией), в результате чего появился принципиально новый организм, давший начало полноценным эукариотам. Есть несколько гипотез о том, как именно произошел такой эндосимбиоз, но все они сходятся в одном: к моменту появления LECA бактерия должна была прочно поселиться в будущей эукариотической клетке. А значит, самые первые эукариоты должны были обладать полноценными митохондриями. Но некоторые ученые продолжают ставить эту идею под сомнение. В их числе Цезарь Аль Джевари (Caesar Al Jewari) и Сандра Балдауф (Sandra Baldauf) из Уппсальского университета: они предположили, что первые эукариоты могли выглядеть совсем по-другому.

Кто был первым

Современные эукариоты — разнообразная группа, систематика которой постоянно меняется. На данный момент выделяют три мегагруппы эукариот:

• Amorphea — гетеротрофы, которые умеют образовывать ложноножки. Сюда, к примеру, входят заднежгутиковые, к которым относятся грибы и животные,
• Diaphoretickes — среди них много фотосинтетиков, хотя в этой группе встречаются и организмы, которые никогда фотосинтезировать не умели. Сюда входят архепластиды, к которым относятся растения,
• Excavata— одноклеточные жгутиконосцы. Среди них множество свободноживущих и симбиотических форм, а также некоторые паразиты человека, такие как лямблии и трихомонады. Именно на них обратили свое внимание шведские биологи.

Среди экскават есть такие, у которых митохондрий в привычном понимании нет. Зато есть кое-что похожее — гидрогеносомы. Гидрогеносомы точно так же окружены двойными мембранами и тоже выделяют углекислый газ и производят АТФ. Но в процессе их бескислородного дыхания попутно выделяется еще ацетат и молекулярный водород. По сути, функционально гидрогеносомы заменяют митохондрии в анаэробных (бескислородных) условиях.

Выяснить, откуда появились гидрогеносомы, довольно сложно — чаще всего они лишены генома, поскольку необходимые для их функционирования гены мигрировали в ядро клетки. Общепринятой является гипотеза, согласно которой гидрогеносомы это деградировавшие митохондрии, и в ее пользу есть немало аргументов. Однако у Аль Джевари и Балдауф возникли сомнения.

Они задались вопросом: какая из групп эукариот самая древняя? Чтобы на него ответить, потребовалось проанализировать гены архейного и бактериального происхождения у современных эукариот.

Ученые отобрали 456 белков, общих для архей и эукариот, затем из них выбрали наиболее близкие к эукариотам последовательности. Предпочтение отдавалось белкам, которые встречались во всех ветвях, происходящих от общего предка эукариот. Именно по тому, насколько эти белки отличаются от архейных, можно судить об эволюционном расстоянии между археями и различными ветвями эукариот. Например: ветвь Archaeplastida, к которой относятся большинство современных растений. У этой ветви есть белки, общие с археями, но многие из них отличаются по отдельным последовательностям — значит, ветвь Archaeplastida лежит далеко от архей на эволюционном дереве.

Получилось филогенетическое древо, на котором ближе всего к первым ветвям эукариот лежали четыре анаэробные линии экскават. А если одни из самых древних эукариот жили в анаэробных условиях, то — предположили исследователи — их последнему общему предку LECA митохондрии были не нужны. Зато у него, вероятно, были гидрогеносомы — как у современных анаэробных экскават, и появились они независимо от митохондрий.

Это предположение идет вразрез с современными представлениями о происхождении эукариот. Общепринятая на данный момент гипотеза утверждает, что у LECA уже были полноценные митохондрии, которые появились в результате эндосимбиоза с α-протеобактерией. А потом они независимо деградировали до гидрогеносом у разных групп эукариот, населяющих анаэробные среды.

Шведские биологи рисуют совсем другую картину. По их мнению, первые эукариоты митохондрий не имели, а симбиозов на их эволюционном пути было два. Сначала произошел γ- или δ-протеобактериальный эндосимбиоз, давший начало гидрогеносомам. Потом некоторые эукариоты вступили в симбиоз с α-протеобактериями, давшими начало митохондриям. А гидрогеносомы большинство эукариот со временем утратили.


Предлагаемый поэтапный сценарий происхождения митохондрий и митохондриеподобных органелл (гидрогеносом)
C. Al Jewari, S. Baldauf / Science Advances, 2023

Это возможно?

Авторы проделали большую работу, чтобы прийти к выводу о том, что экскаваты — одна из самых древних групп эукариот. Однако из этого вовсе не следует, что гидрогеносомы появились раньше митохондрий, а эндосимбиоз происходил дважды. Можно представить себе и другой вариант развития событий, согласно которому первые экскаваты все-таки были носителями митохондрий, а позже некоторые представители смогли адаптироваться к жизни без кислорода и обзавелись гидрогеносомами. Чтобы убедить научное сообщество в том, что верна именно их модель, шведским ученым придется отразить сразу несколько контраргументов.

Во-первых, два эндосимбиоза подряд менее вероятны, чем один. Это выглядит как усложнение уже имеющейся гипотезы, и кажется маловероятным, что такой сложный процесс, как эндосимбиоз, мог произойти дважды. Правда, в природе есть примеры вторичного и даже третичного (у некоторых красных водорослей) эндосимбиоза — это пластиды, предками которых тоже являются бактерии. Но чтобы доказать сложную последовательность симбиозов, хорошо бы найти следы промежуточных стадий в этом процессе. И пока не известно ни одного организма, который одновременно имел бы и гидрогеносомы, и митохондрии.

Во-вторых, уже накопилось немало подтверждений того, что гидрогеносомы произошли от митохондрий. Например, в 2010 году была найдена гидрогеносома с митохондриальными генами. Кроме того, в гидрогеносомах есть белки, уникальные для митохондрий. Не стоит забывать и о том, что гидрогеносомы присутствуют также у некоторых грибов, которые являются значительно более поздней группой эукариот. Чтобы доказать, что гидрогеносомы появились независимо, нужно будет предложить новое объяснение для всех этих находок.

Наконец, придется что-то сделать с более обоснованной гипотезой inside-out, которая предполагает, что митохондрии помогли будущим эукариотам не только освоить фагоцитоз, но и сформировать само ядро. Согласно этой гипотезе, архея постепенно окружала предка митохондрии своими выростами, а затем образовала вокруг них целую систему из мембран. Впоследствии эта система стала мембранными органеллами, а первичная мембрана археи — оболочкой ядра.

Почему именно γ- или δ-протеобактерии?

В геномах эукариот, помимо генов альфа-протеобактерий, встречаются также в куда меньшем количестве гены гамма- и дельта-протеобактерий. Авторы предполагают, что те или другие — результат переноса в ядро в ходе эндосимбиоза. Хотя это не единственная возможность: на самом деле эти гены могли попасть туда в результате горизонтального переноса генов.

Последовательные этапы эволюции первого общего предка эукариот (FECA) согласно гипотезе inside-out
D. A. Baum, B. Baum / BMC Biology, 2014

У гипотезы inside-out есть и косвенные экспериментальные подтверждения. Недавние наблюдения за современными археями позволили заметить аналогичные выросты, которые тесно прилегают к бактериальным клеткам. Если же считать, что в момент образования ядра никаких митохондрий в предковой клетке еще не появилось, а были только гидрогеносомы, то придется придумать альтернативную гипотезу — или же объяснить, откуда клетка без митохондрий получила достаточно энергии, чтобы отрастить так много мембран.

В самой статье Аль Джевари и Балдауф таких объяснений не приводят. А значит, им еще придется подтвердить свою точку зрения. Если окажется, что она верна, это прольет свет на то, как выглядел и в каких условиях жил LECA и в конечном итоге позволит узнать что-то новое о нашем общем предке. Но если это не так и гидрогеносомы — это действительно деградировавшие митохондрии, то древние экскаваты уже не помогут нам дорисовать образ LECA полностью. И останутся попросту любопытной, но побочной ветвью эволюции эукариот.

[ArefievPV]

Ученые обнаружили бактерии, способные расти на радиоактивных металлах
https://naked-science.ru/article/biology/radioactive-bacteria?nowprocket=1
Международная группа исследователей выяснила, что бактерии, питающиеся метанолом, способны расти на некоторых редкоземельных и даже радиоактивных металлах.

Лантаноиды относятся к редкоземельным элементам, широко используемым в электронике и энергетике. За одним исключением (прометий) они не радиоактивны, их много в земной коре, а некоторые из этих металлов, например лантан и неодим, даже играют решающую роль в бактериальном метаболизме.

Другая группа таких металлов — актиноиды, к которым относятся уран и плутоний. В земной коре они почти не встречаются, и долгое время ученые полагали, что их радиоактивное излучение смертельно опасно для всех живых организмов, включая бактерии.

Однако международной группе химиков из Германии, Нидерландов и США удалось доказать, что некоторые актиноиды могут заменять незаменимые лантаноиды в метаболизме метилотрофных бактерий Methylacidiphilum fumariolicum и Methylobacterium extorquens. Эти бактерии, использующие в качестве субстрата для роста метанол, включают лантаноиды в молекулу фермента, окисляющего спирт, и ученые заметили, что они вполне могут «перепутать» ионы разных металлов, особенно если они примерно одного размера и степени окисления.

Более того, если бактериям предоставляли в качестве субстрата смесь лантаноидов и актиноидов, они в некоторых случаях предпочитали привычным металлам актиноиды америций и кюрий, включая их в свои молекулы ферментов. При этом «радиоактивные» ферменты не менее эффективно окисляли метанол, снабжая бактерии питательными веществами, и колонии таких микроорганизмов бурно росли.

И америций, и кюрий демонстрируют стабильную степень окисления +3, что оказалось решающе важным. К примеру, если ученые предоставляли бактериям в качестве единственного металла плутоний, у которого степени окисления более высокие, микроорганизмы прекращали расти, а их ферменты не окисляли метанол.

Таким образом, бактерии спокойно росли даже на радиоактивных металлах (и америций, и кюрий относятся к ним), что может быть полезно при извлечении определенных металлов из смесей или ликвидации радиоактивного заражения — например, в сточных водах.

Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition.

[ArefievPV]

К сообщению:

Бактериальный белок подарил позвоночным чувствительное зрение
https://nplus1.ru/news/2023/04/11/i-see-men-as-trees-walking
Он был приобретен путем горизонтального переноса генов более 500 миллионов лет назад

Позвоночные получили от бактерий белок, необходимый для работы сетчатки
https://elementy.ru/novosti_nauki/434100/Pozvonochnye_poluchili_ot_bakteriy_belok_neobkhodimyy_dlya_raboty_setchatki

P.S. В статье много рисунков (хорошее подспорье для понимания контекста).