Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Одноклеточная капсаспора становится многоклеточной в ответ на сочетание химических стимулов
https://elementy.ru/novosti_nauki/434127/Odnokletochnaya_kapsaspora_stanovitsya_mnogokletochnoy_v_otvet_na_sochetanie_khimicheskikh_stimulov

Одноклеточный симбионт тропических улиток — капсаспора — оказался способен переходить в примитивное многоклеточное состояние в ответ на химические стимулы в виде ионов кальция и липопротеинов низкой плотности. Этот факт может многое рассказать о том, как мы сами стали многоклеточными: капсаспора — один из ближайших родственников животных.

[ArefievPV]

Бактерия с синтетическим минимальным геномом сохранила способность к адаптивной эволюции
https://elementy.ru/novosti_nauki/434132/Bakteriya_s_sinteticheskim_minimalnym_genomom_sokhranila_sposobnost_k_adaptivnoy_evolyutsii

В 2016 году американские биологи создали бактерию с синтетическим минимальным геномом, содержащим всего 493 гена — меньше, чем у любого другого организма, способного самостоятельно расти в лабораторных условиях.

Ожидалось, что удаление всех генов, кроме абсолютно необходимых для выживания, может сделать бактерий неспособными к адаптивной эволюции. Однако эволюционный эксперимент, поставленный для проверки этой гипотезы, не подтвердил ее.

Оказалось, что «минимизированные» бактерии сохранили эволюционный потенциал. Их приспособленность (оцениваемая по скорости размножения) в ходе эксперимента росла даже быстрее, чем у исходных, неминимизированных бактерий, у которых в геноме 901 ген. Изначально минимизация вдвое снизила скорость размножения, но за 2000 поколений бактерии вернулись к исходному уровню приспособленности.

Исследование показало, что искусственно спроектированные упрощенные организмы могут быть оптимизированы эволюционными методами, что открывает новые горизонты перед синтетической биологией.

[ArefievPV]

Парные плавники могли произойти от преанальной плавниковой складки
https://elementy.ru/novosti_nauki/434138/Parnye_plavniki_mogli_proizoyti_ot_preanalnoy_plavnikovoy_skladki

Рис. 1. Новая гипотеза эволюции парных плавников. Предполагается, что вначале существовали только непарные плавники (зеленый цвет). Потом дополнительно возникла преанальная плавниковая складка (фиолетовый цвет), которая сначала тоже была непарной, но впоследствии удвоилась и стала парной. От нее и произошли парные плавники — грудные и брюшные. ПАПП — сокращение слов «преанальная плавниковая складка». Остальные детали поясняются в тексте. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature

Исследования биологии развития рыб позволили выдвинуть новую версию происхождения парных — грудных и брюшных — плавников, от которых, в свою очередь, произошли конечности наземных позвоночных. Предполагается, что предшественником парных плавников была непарная преанальная плавниковая складка (ПАПП), которая часто присутствует у личинок современных рыб. Данные по экспрессии регуляторных генов и по эмбриональному происхождению клеток, формирующих скелет, подтверждают, что ПАПП вполне может быть гомологична парным плавникам. Получается, что в результате удвоения ПАПП сначала возникли длинные брюшные плавники (как у ископаемых бесчелюстных группы анаспид), а потом от них «отпочковались» грудные.

P.S. Кроме того, что в статье рассматриваются (довольно-таки подробно) различные гипотезы происхождения плавников, в ней дан хороший обзор проблемы в целом и ликбез по сопутствующим вопросам.

[ArefievPV]

Рекордсмен регенерации среди млекопитающих
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436845/Rekordsmen_regeneratsii_sredi_mlekopitayushchikh

Регенерация — поистине будоражащее воображение слово, когда речь идет о восстановлении утраченной части тела или органа. На ум сразу приходит былинный Змей Горыныч, с легкостью заменяющий потерянные головы, или, ближе к реальности, саламандра, «чемпион по регенерации» среди животных, способная восстанавливать не только лапы или хвост, но и глаза и даже сердце. Человек, как и другие теплокровные, о подобном может лишь мечтать.

Но и среди млекопитающих, обладающих в целом крайне низкими способностями к регенерации, имеются исключения. И это — иглистые мыши, мелкие грызуны, которые могут не только заживлять огромные раны на коже, но и восстанавливать спинной мозг после разрыва! Как им это удается? Почему остальные млекопитающие не умеют так же эффективно справляться с повреждениями? Может ли человек «научиться» у иглистых мышей такой полезной суперспособности? В обзорной статье молодого российского исследователя читатель сможет найти ответы на эти вопросы.

Что такое регенерация? Строго говоря, восстановление поврежденных тканей и органов можно разделить на репарацию и регенерацию. Первая приводит к образованию рубца на месте повреждения, который обеспечивает целостность органа, но не функций. Регенерация, напротив, дает практически полное восстановление как исходной архитектуры, так и функции органов.

У большинства млекопитающих, в том числе и у человека, способности к регенерации сильно ограничены. У пациентов, которые получили обширные травмы или подверглись хирургическим операциям, восстановление обычно идет именно по пути репарации: в месте повреждения формируется «заплатка» из клеток соединительной ткани и дезорганизованного межклеточного материала, что ведет к потере функции этой области и зачастую вызывает хронические боли.

На самом деле у тех же позвоночных дела с регенерацией обстоят не так уж плохо. В принципе, регенерировать умеют все: от рыб до птиц и млекопитающих. Но есть одна загвоздка: большинство из них способно к этому лишь на ранних стадиях своего развития.

Яркий пример потери возможности регенерации с возрастом — восстановление фаланг пальцев у человека. Известно, что у детей, примерно до 12 лет, могут отрасти ампутированные концевые фаланги вместе с ногтевой пластиной, что у взрослых невозможно. Точные причины того, почему способность к регенерации падает с течением времени, еще предстоит установить.

Лучше всего среди позвоночных регенерируют во взрослом состоянии рыбы и амфибии. Например, хвостатые амфибии (саламандры и тритоны) могут заново отращивать конечности, восстанавливать внутренние органы, нервную систему и даже хрусталик глаза, благодаря чему они и стали излюбленными объектами в исследованиях регенерации (Song et al., 2010).

На эволюционном дереве позвоночных (челюстноротых) животных хорошо видно, как по мере усложнения снижается потенциал к регенерации во взрослом состоянии у изученных организмов. По: (Brewer, 2018, с изменениями).

При этом среди млекопитающих есть немногочисленные примеры поистине неординарных способностей к регенерации. К примеру, домовые мыши лабораторной линии MRL/MpJ и родственных ей линий. Эти животные умеют восстанавливать сквозные повреждения ушной раковины, а также кожу, суставы и роговицу глаза. Интересно, что такая способность у них возникла спонтанно и изначально не служила критерием отбора при создании линии. Среди возможных причин ее появления — изменения в регуляции клеточного цикла и более слабый воспалительный ответ на повреждение (Heydemann, 2012).

Однако даже выдающиеся таланты этих линейных мышей меркнут по сравнению с достижениями «рекордсменов по регенерации» среди млекопитающих — иглистых мышей.

Все началось с хвоста

Иглистых мышей содержат в качестве лабораторных и декоративных животных с начала прошлого века, что неудивительно: эти грызуны активны, любопытны и легко привыкают к людям, которые за ними ухаживают. Однако их поразительные способности к регенерации были замечены всего несколько лет назад.

Все началось с того, что у иглистых мышей было обнаружено очень необычное свойство — аутотомия, при которой часть тела отбрасывается в качестве защитной реакции (Seifert et al., 2012). Среди позвоночных аутотомия очень редка и обычно выражается в отбрасывании хвоста с переломом позвонков (истинная аутотомия, как у ящериц) либо потерей шкуры на хвосте (ложная аутотомия, как у тушканчиков и сонь) (Dubost, Gasc, 1987).

Иглистые мыши также могут отбрасывать хвосты, но, в отличие от рептилий, они у них не восстанавливаются, поэтому поднимать этих животных за хвост, как делают с обычными мышами, — плохая идея (Shargal et al., 1999). Аутотомия иглистых мышей заключается в отбрасывании лоскутов кожи на спине, которая сама по себе очень непрочная и может легко порваться, если животное кто-то схватит. Кровотечение при таком повреждении минимально (Pinheiro et al., 2018).

В коже мышей не были найдены какие-то специальные зоны, по которым она бы отделялась, подобно тому как это происходит при отбрасывании кожи у гекконов и сцинков (Seifert et al., 2012). Ее хрупкость обусловлена особыми свойствами межклеточного матрикса, который, с одной стороны, непрочен и позволяет кожным лоскутам легко отделяться, с другой — способствует заживлению в месте повреждения. Раневая поверхность быстро затягивается эпителием, а затем на ней полностью восстанавливаются волосяные фолликулы, железы, мышечный слой и другие составные части кожного покрова.

В результате травмированное место полностью регенерирует без образования рубца. Причем создается впечатление, что во время восстановления оно не доставляет животным какого-либо беспокойства: они продолжают двигаться и питаться как обычно (Seifert et al., 2012).

Иглистые мыши (род Acomys) обитают в Африке, на Ближнем Востоке и в Южной Азии. Свое название (от греч. acme — острый наконечник) они получили благодаря жестким заостренным волоскам на спине, напоминающим колючки ежа. У этих грызунов обнаружилось очень много необычных особенностей, что сделало их важными объектами исследования в самых разных научных областях, помимо регенеративной медицины.

Во-первых, иглистые мыши — полупустынные животные, адаптированные к жизни в сухом климате и на малопитательном корме. Из-за экономии влаги они выделяют очень концентрированную мочу: уровень мочевины достигает 4,8 м/л — это одни из самых высоких значений среди млекопитающих. Поэтому иглистых мышей используют в исследованиях в области физиологии мочевыделительной системы (Shkolnik, Borut, 1969).

Мышата иглистой мыши, в отличие от детенышей большинства других грызунов, почти сразу после рождения практически готовы к самостоятельной жизни. Для сравнения: однодневные детеныши домовой мыши (слева) и иглистой. Фото автора.

Организм этих мелких млекопитающих отличается высокой эффективностью использования питательных веществ. Уровень метаболизма у них на 25–30 % ниже, чем ожидалось с учетом размера, а у вида A. russatus — вообще один из самых низких среди грызунов (Degen, 2013).

Еще одно следствие жизни на скудном корме — пониженное выделение инсулина в ответ на приемы пищи (Rabinovitch et al., 1975). В результате в неволе, при свободном доступе к жирной высококалорийной пище, иглистые мыши склонны к развитию ожирения. И не только к нему: на такой диете у животных развивается гипергликемия и гиперплазия бета-клеток островков Лангерганса, которые в дальнейшем дегенерируют. Другими словами, у них развивается сахарный диабет 2—го типа, что позволяет использовать иглистых мышей в качестве удобной животной модели этой патологии (Shafrir et al., 2006).

У иглистых мышей есть еще одна удивительная особенность: это единственные грызуны, у самок которых случается менструация. В конце 11—дневного эстрального цикла у них происходит отторжение эндометрия (внутреннего слоя матки), сопровождающееся кровотечением. И это открывает возможности использования иглистых мышей в качестве модели при изучении женской репродуктивной биологии (Bellofiore et al., 2018).

Иглистые мыши широко используются в научных исследованиях благодаря ряду своих биологических особенностей, очень необычных для грызунов, но которые сближают этих животных с человеком. Вверху — золотистая иглистая мышь (Acomys russatus). Израиль. © CC BY 2.5/alon rozgovits.

Беременность у них длится 39 дней, что значительно дольше, чем у других грызунов. Рождаются покрытые шерстью мышата с открытыми глазами и слуховыми проходами. Их мозг уже достаточно развит, вскоре после появления на свет они способны питаться твердой пищей и могут покидать гнездо, в отличие от детенышей мышей и крыс, неспособных самостоятельно передвигаться после рождения. Поэтому иглистые мыши стали удобным объектом и для исследований развития мозга и нейропластичности, а также в бихевиористике (D’Udine, Alleva, 1988; Cohen et al., 2010).

Когда «вынесен» мозг...

После открытия аутотомии быстро выяснилось, что способности иглистых мышей заживлять большие повреждения не ограничиваются кожей. В ходе исследований им травмировали самые разные органы: прокалывали ушные раковины, вводили токсины в мышцы, моделировали инфаркт миокарда, вызывали острое и хроническое повреждение почек. Картина была везде одна и та же: иглистые мыши блестяще справлялись со всеми повреждениями!

Особый интерес с теоретической и практической точек зрения представляет способность иглистых мышей регенерировать нервную систему. Ведь если в отношении способности к регенерации млекопитающие — худшие из худших среди позвоночных, то их нервная система — самая худшая среди всех систем и органов. Так, у человека повреждения центральной нервной системы часто ведут к необратимой потере ее функций, и сегодня в мире живет около 80 млн людей с инвалидностью, полученной из-за травм головного или спинного мозга (Sofroniew, 2014).

После повреждения спинного мозга иглистая мышь возвращает контроль над движениями задних конечностей и мочеиспусканием, в отличие от домовой мыши. На месте повреждения у нее не формируется астроцитарный рубец, а нейральные функции практически полностью восстанавливаются. По: (Wehner and Becker, 2022).

Травма центральной нервной системы обычно приводит к развитию астроцитарного рубца, который формируется астроцитами — глиальными («обслуживающими») клетками мозга. С одной стороны, это защитная реакция, направленная на поддержание оставшихся нервных клеток, с другой — помеха, затрудняющая рост аксонов (длинных, проводящих нервные импульсы отростков нейронов) и препятствующая восстановлению функций нервной ткани (Sofroniew, 2014).

Поскольку у иглистых мышей рубцы при регенерации кожи не формируются, было высказано предположение, что астроцитарные рубцы у них также не образуются. Это подтвердилось при изучении травм спинного мозга у данных животных (Streeter et al., 2020).

Оказалось, что в ответ на повреждение спинного мозга иглистые мыши демонстрируют уникальный образец активности генов в астроцитах и клетках соединительной ткани (фибробластах). Состав межклеточного матрикса в месте повреждения у иглистых мышей также значительно отличается по сравнению с домовыми мышами: содержание компонентов, обеспечивающих рост и поддержание новых аксонов, выше, а препятствующих этому, напротив, ниже.

Уникальные для млекопитающего возможности регенерации различных органов и тканей были обнаружены у иглистых мышей в ряде лабораторных исследований по экспериментальному моделированию патологий. Изучение способностей к регенерации у этой группы грызунов продолжается. По: (Sandoval and Maden, 2020).

В месте повреждения спинного мозга у иглистых мышей резко возрастает содержание фермента b3gnt7 — важнейшего для синтеза кератансульфатов. Ученые задались вопросом: можно ли «приручить» этот фермент, чтобы он работал и в других организмах, облегчая рост новых аксонов и заживление спинальной травмы? Ответ оказался положительным, и первые шаги на этом пути уже сделаны.

Ген B3GNT7, кодирующий этот фермент, удалось заставить работать в клетках линии CHO (культуре клеток яичника китайского хомячка). Нейроны человека, которые культивировали на «подложке» из этих клеток, демонстрировали очень активный рост отростков, в том числе аксонов (Nogueira-Rodrigues et al., 2022). Так что ген B3GNT7 теоретически можно использовать для лечения спинальной травмы.

Хорошая новость в том, что этот ген есть и у человека, но его нужно как-то заставить работать в организме активнее, чем обычно. Для этого дополнительные копии гена B3GNT7 можно доставлять в место повреждения с помощью генетических векторов, к примеру, аденоассоциированных вирусов. Работа этих «лишних» генов будет обеспечивать рост новых аксонов и восстановление функций спинного мозга. Так что открытие генов иглистой мыши, ответственных за регенерацию спинного мозга, может привести к разработке принципиально нового подхода к лечению травм позвоночника — генной терапии.

Огромный интерес представляет восстановление головного мозга. Известно, что источником возобновления утраченных клеток могут быть нейрональные стволовые клетки, из которых образуются как нейроны, так и обслуживающие глиальные клетки. У взрослых млекопитающих эти клеточные предшественники находятся в двух зонах, расположенных в гиппокампе и боковой стенке желудочков мозга.

Оказалось, что у иглистых мышей в этих зонах в несколько раз больше стволовых и делящихся клеток по сравнению с домовыми мышами. Такая большая численность нейрональных стволовых клеток может говорить о том, что эти грызуны обладают повышенными регенеративными возможностями и в отношении головного мозга, что открывает широкое поле для исследований (Maden et al., 2021).

Иглистых мышей содержат в качестве домашних питомцев: они чистоплотны, в отличие от многих других грызунов не пахнут, легко приручаются и к тому же при должном уходе могут прожить до 3–8 лет. © CC BY-NC-SA 2.0/Leo Reynolds.

Сегодня мы знаем, что иглистые мыши могут эффективно восстанавливать обширные повреждения кожи, сердца, почек, скелетной мускулатуры и спинного мозга.

Уникальные иммунные реакции, особое строение межклеточного матрикса, включение «эмбриональных» генов — вот, похоже, те главные особенности, которые позволяют иглистым мышам легко справляться даже с тяжелыми повреждениями. И в этом смысле они представляют огромный интерес для регенеративной медицины.

Изучение молекулярных механизмов регенерации у этих животных поможет найти гены и сигнальные пути, которые можно будет использовать в качестве мишеней при лечении различных повреждений, и в итоге создать революционные методы лечения травм у человека. Ведь само существование млекопитающих, к которым в ходе эволюции вернулась способность к регенерации, свидетельствует об отсутствии принципиального запрета на нее и для других высокоорганизованных животных. Включая нас с вами.

[ArefievPV]

Яблочки смерти
https://elementy.ru/kartinka_dnya/1788/Yablochki_smerti

На фото — плод манцинеллового дерева, или манцинеллы (Hippomane mancinella), от испанского manzanilla ‘яблочко’ (диаметр этих плодов около 4 см). Наливное желто-зеленое «яблочко», ароматное, сладкое, аппетитное и... ядовитое. Очень коварно со стороны дерева не предупреждать окраской или запахом о том, что его плоды есть не рекомендуется. Сначала от такого яблочка во рту вкусно и сладко, а потом начинается жжение, отеки, нарушение проходимости дыхательных путей, тяжелый гастроэнтерит с кровотечением. Симптомы с каждой минутой усиливаются. Если съедено не очень много, то часов через восемь наступит облегчение, а потом и вовсе всё пройдет. Останутся только неприятные воспоминания и неоценимый опыт. А если съесть много, то может закончиться совсем печально.

Недаром в современном испанском языке этот плод называется manzanilla de la muerte — ‘яблочко смерти’. Немало мореплавателей в свое время попались на эту приманку. Высаживались на берег после длительного плавания. Видели вполне съедобные плоды, набрасывались на них, а потом — часы мучений. Для некоторых такая трапеза становилась последней.

Манцинелловое дерево — одно из самых ядовитых в мире. Такое ядовитое, что даже в Книгу рекордов Гиннесса попало в 2011 году. Живет это смертоносное растение в Центральной Америке и в северной части Южной, на островах Карибского бассейна, на Багамских островах, в Мексике и в США (штат Флорида). Расти предпочитает на пляжах и болотах, поэтому его плоды также называют «пляжными яблоками». Относится к семейству молочайных, представители которого славятся ядовитым млечным соком. Манцинелловое дерево — не исключение: млечный сок, наполняющий все части растения, содержит множество токсинов (из группы танинов, флавоноидов, фенилпропаноидов, кумаринов, халконов).

Не только плоды манцинеллового дерева аппетитны на вид. В гастрономическом плане привлекательны (для животных уж точно) и сочные листья. Наверное, идеальный день этого дерева выглядел бы так: вокруг разбросаны тела отравленных животных, с ветвей замертво падают неосторожные птицы и сыпятся тельца насекомых. К стволу же привязан умирающий в мучениях человек, обидевший местных жителей. И это не совсем преувеличение, ведь манцинелла уникальна в своей ядовитости.

Мало того что плоды этого дерева нельзя есть  к нему лучше вообще не подходить, не трогать, не дышать.

Под деревом нельзя прятаться от дождя: вода, стекающая по листве, ядовита и вызывает появление кожных волдырей. А всё благодаря токсичному веществу форболу, которое отлично растворяется в воде. Для получения ожогов достаточно одной капли воды с растворенным в ней млечным соком.

В жару дерево окутано ядовитыми испарениями.

Под деревом нельзя спать: есть шанс не проснуться или, проснувшись, не узнать себя в зеркале.

С человеческой точки зрения было бы логично избавиться от такого опасного соседства. И даже в 1773 году на острове Пуэрто-Рико был издан королевский указ, призывающий уничтожить все деревья смерти. Но из этой затеи ничего не вышло. В процессе рубки во все стороны брызжет сок. Он попадает в глаза и на кожу. Результат его действия вам уже известен. Сжечь деревья тоже не получилось: от костров валил ядовитый дым, вызывающий ожоги глаз. Если вовремя не ретироваться, то можно ослепнуть на два–три дня. Ядовитые вещества сохранялись даже в золе. Конечно, при использовании современных технологий можно полностью уничтожить деревья. Но в итоге их оставили в покое (тем более что марцинелловое дерево всё-таки попало в список исчезающих видов) — только пометили разными предупреждающими знаками, чтобы обезопасить беспечных туристов.

Обычно говорят, в природе нет ничего бесполезного. Все природные объекты кому-нибудь или для чего-нибудь нужны. И вот, казалось бы, вот оно — никому не нужное, бесполезное, вредоносное во всех отношениях дерево. Но оказалось, что есть и у него своя роль. Деревья эти уменьшают эрозию пляжа: держат своими цепкими корнями песок и обеспечивают надежную защиту суши от ветра.

И, конечно же, нашлись среди животных любители отравленных плодов. Черная колючехвостая игуана (Ctenosaura similis) мало того, что живет в кронах марцинелловых деревьев, так еще яблочки смерти уплетает за обе щеки. И при этом прекрасно себя чувствует. Молодые игуаны этого вида питаются животной пищей, а повзрослев, переходят на растительную. Внешне они хороши собой. Крупные: самцы вырастают до 1,3 метра в длину, самки — до метра. Их длинные хвосты украшены килевидными чешуйками. Есть гребень из длинных шипов. Этакие прекрасные и страшные драконы, населяющие заросли смертельно опасных деревьев.

Еще дальше игуан пошли мухи пестрокрылки вида Anastrepha acris. Они прекрасно живут и размножаются на дереве. При этом в телах личинок, куколок и взрослых особей не были обнаружены никакие яды. То есть мухи могут метаболизировать токсины. Личинки питаются плодами и прекрасно развиваются в здоровых взрослых особей. Если только этому не помешают личинки наездника Doryctobracon areolatus, выедающие изнутри нетоксичную плоть личинок и куколок пестрокрылок.

Пришлось как-то и людям осваивать манцинелловые деревья. Раньше местные жители использовали млечный сок в хозяйственных нуждах: чтобы яд для стрел сделать или воду врагам отравить. В 1521 году, согласно легенде, от такой ядовитой стрелы погиб конкистадор Хуан Понсе де Леон. Сейчас высушенные плоды используют как мочегонное средство. А из древесины опасного дерева наловчились делать мебель. Материал прочный, цветом и узором красивый. Для этого дерево выжигают у корней, аккуратно валят, распиливают и сушат доски на солнце. В итоге получается красивые и очень дорогие предметы интерьера.

[ArefievPV]

Как сердце начинает биться
https://www.nkj.ru/news/48735/
Механические сокращения сердечных клеток начинаются с кальциевых волн, которые в определённый момент распространяются на всё будущее сердце.

В ходе эмбрионального развития сердце формируется из стволовых клеток, которые превращаются в специализированные кардиомиоциты, то есть клетки сердечной мышцы. В этом смысле сердце ничем не отличается от других органов – все они образуются из эмбриональных стволовых клеток. Но у сердца, как можно догадаться, есть одна уникальная особенность – ему нужно всё время сокращаться. В какой-то момент сердечная мышца делает первый удар и дальше уже не останавливается до самой смерти.

Биологов давно интересовало, как запускается сердце у эмбриона. Там, где должно получиться сердце, сначала формируются так называемые кардиогенные шнуры – протяжённые скопления сердечных клеток. Шнуры приближаются друг к другу и срастаются – образуется первичная сердечная трубка. В ней потом появятся разные отделы, постепенно превращающиеся в сердечные камеры и зоны входа кровеносных сосудов. Но первые сокращения начинаются ещё до того, как первичная сердечная трубка окончательно сформируется, то есть ещё на стадии, когда две клеточные группы (два шнура) только-только срослись и наладили контакты друг с другом. То есть когда ещё и сердца-то нет.

С другой стороны, известно, что запуску сокращений предшествуют изменения концентрации ионов кальция в формирующейся сердечной ткани – они то выходят из клеток, то входят обратно в клетки. Ионы кальция играют большую роль в жизни вообще любых клеток, но особенно они важны для тех, кто создаёт и передаёт электрохимические импульсы. На клеточных мембранах стоят специальные белковые ионные насосы, специализирующиеся на кальции. Поначалу кальциевые колебания происходят спонтанно и асинхронно в разных местах сердечной ткани. Но потом кальциевые волны упорядочиваются и в какой-то момент провоцируют мышечное сокращение.

Именно упорядочиванию кальциевых сигналов посвящена недавняя статья в Nature сотрудников Гарвардского университета. Они экспериментировали с зародышами рыбы Danio rerio, или полосатого данио. Сердце рыбьего зародыша развивается в общих чертах как у всех позвоночных, при этом оплодотворить икринку-яйцеклетку можно просто в подходящей воде, и в той же воде она будет развиваться; зародыш долгое время остаётся прозрачным, так что можно легко наблюдать, что происходит внутри него. Кроме того, D. rerio легко генетически модифицировать, снабдив сигнальными белками, которые будут светиться в ответ на какие-то клеточные события. Например, потоки кальция можно видеть по свечению соответствующего белка. Эти кальциевые выбросы поначалу оказались столь же спонтанными и несогласованными, как, например, в развивающемся мышином сердце.

Но потом, когда два скопления сердечных клеток соединились, образовав «предсердечное» кольцо, выбросы кальция резко становились более частыми и более сильными, захватывая почти все клетки будущего сердца. Происходил переход между разрозненными эпизодами активности в разных точках ткани к общей активности, в которой участвовало всё «предсердце». Исследователи даже обнаружили математический закон, описывающий переход от неупорядоченных локальных кальциевых колебаний к общим периодическим осцилляциям (это оказалось так называемой седлоузловой бифуркацией, точнее, одной из её разновидностей).

Периодические колебания кальция, распространяющиеся по всем клеткам, запускали механические сокращения. В свою очередь, кальциевые потоки начинали двигаться по электрическим сигналам: на клеточных мембранах менялись электрические параметры, и в ответ срабатывали ионные кальциевые насосы. Иными словами, получается такая картина: электрические изменения провоцируют кальциевые осцилляции, но поначалу они происходят нерегулярно и в разных местах «предсердечной» ткани. В определённый момент происходит переход от мелких разрозненных колебаний в общую большую осцилляцию, которая запускает механическое сокращение. Чтобы так произошло, в клетках заранее формируются контакты, которые позволяют им чувствовать электрохимические изменения друг в друге. Клетки заранее умеют генерировать электрохимические сигналы и распространять их друг на друга, но до поры до времени они действуют более-менее порознь.


Вверху – формирование в рыбьем зародыше кольца из двух срастающихся скоплений кардиомиоцитов. Красные точки – спонтанные несогласованные выбросы ионов кальция. Единой электрической активности нет и сердцебиений нет (график справа). Внизу – сформировавшееся «предсердечное» кольцо с участком, генерирующим сокращение. Есть общая электрическая активность и механические сокращения, которым, ещё не настолько регулярные, как в настоящем сердце. (Рис. Nature)

У общей электрохимической волны должен быть источник. В сердце, как известно, есть зона-ритмоводитель, отправляющий по мышце регулярные импульсы. Можно было бы предположить, что общая кальциевая волна начинается с того места, где потом окажется зона-ритмоводитель. Всё оказалось не так, по крайней мере, у рыб: у их зародышей кальциевые волны начинаются в другом месте. Однако потом источник сокращений начинает перемещаться по «предсердечному» кольцу, и в конце концов натыкается на ту зону, где сидят настоящие клетки ритма – и дальше уже они управляют сердцем.

Всё это пока только описание того, что происходит на самых ранних этапах развития сердца, хотя и более подробное, чем у нас было до сих пор. Удалось увидеть, как множество рассогласованных кальциевых осцилляций превращаются в общую волну, но пока неясно, что при этом происходит с молекулами, мембранами и пр. Точно так же хорошо бы детальнее узнать, как синхронные биоэлектрические волны запускают механический насос, и как устанавливается нужный ритм – ведь сердце не должно биться ни слишком медленно, ни слишком быстро. Как обычно, новые результаты порождают новые вопросы. Тем не менее, решая эти вопросы, мы, очевидно, начнём больше понимать не только то, как вообще формируется сердце у эмбриона, но и почему у взрослых людей с ним случаются разные неприятности вроде аритмии.

[ArefievPV]

Удивительные силачи: как живут, чем питаются и на что способны кокосовые крабы
https://www.techinsider.ru/science/294942-kokosovye-kraby-neveroyatnye-silachi-zhivotnogo-mira/
Кокосовые крабы — это не просто очень красивые (и вкусные) существа, но также одни из самых больших силачей в мире животных. Ученые провели исследование и выяснили, что клешня взрослого краба способна сжиматься с невероятной силой, что и позволяет им легко раскалывать скорлупу кокосовых орехов.

Крупнейшие в мире ракообразные, обитающие на побережьях, это кокосовые крабы (Birgus latro), взрослые особи которых достигают до 1 метра в длину. Однако подлинную славу им принесли не размеры, а огромная сила: крабы способны поднимать и переносить грузы весом более 30 кг и своими клешнями вскрывать толстую скорлупу кокосовых орехов, чтобы добраться до аппетитной мякоти. Как бы то ни было, до сих пор ученые и не подозревали, насколько на самом деле сильны крабы, но больше это не является тайной.

Что за членистоногие – кокосовые крабы?

Кокосовый краб, иначе называемый пальмовым вором или крабом-разбойником, является самым крупным наземным членистоногим в мире. Путешественники прошлых веков описывали этих животных как скрытных убийц: они замечали, как гигантские членистоногие прятались в густых зарослях, и нападали на жертву, когда та отдыхала под деревом или неподалеку.

На самом деле кокосовый краб – не краб, несмотря на большое сходство. Это — рак-отшельник, который принадлежит к виду десятиногих раков. Да и наземным это существо можно назвать лишь отчасти, ведь большая часть его жизни проходит в воде, где они и появляются на свет.

Вес и размеры пальмового вора

Вес этого животного может достигать четырех килограмм, несмотря на то, что сила сжатия клешней превосходит вес в несколько раз. В ширину кокосовые крабы могут вырасти до одного метра. Размах ног этого членистоногого – почти метр. Длина панциря – 78 мм, а ширина около 200 мм.

Образ жизни кокосового краба

Отличие пальмового вора от рака-отшельника в детстве вообще не особо заметно – он так же живет в домике-панцире. Но только выйдя из воды, он уже не сможет вернуться обратно, как и обрести новый дом взамен старого. Его брюшко с возрастом зарастает твердым хитиновым слоем, а хвост заворачивается под туловище.

Особенные легкие позволяют ему дышать на суше. Со временем жабры и вовсе перестанут осуществлять свои функции, и краб будет вынужден перейти на наземный образ жизни.

Первые европейцы на островах описывали крабов как необычных, прячущихся на деревьях членистоногих. Они с удивлением рассказывали, что пальмовые воры нападали на коз и овец, вытягивая клешни необычно далеко. Свои клешни краб использует не для нападения, а для перетаскивания добычи. Членистоногие живут и прячутся в норах, в которые утаскивают все, что им приглянется.

Кокосовые крабы известны еще и как падальщики. Более того, по рассказам, они не прочь полакомиться другими крабами. Пальмовый вор питается упавшими фруктами. Но особый деликатес для него – кокосовая мякоть.

Вопреки популярному мнению, кокосовые крабы не раскалывают кокосы клешнями. Они забираются на пальмы, отрезают кокос, и поедают его, если тот раскололся о землю. Если же это не произошло, краб может неделями ковырять орех, или забраться на пальму и вновь сбросить деликатес с высоты. Из-за этого крабы часто падают с деревьев, однако, падение с высоты в 4-5 метров для этих животных безопасно.

Как уже было сказано, у кокосовых крабов есть норы, в которых они прячутся днем, а ночью вылезают на охоту. Но не только еду они стаскивают внутрь. Пальмовыми ворами их называют за любовь прятать в свой дом все, что им приглянется. Блестящие предметы, вилки и ложки, оставленные вещи – все это они очень быстро утаскивают в свои норы.

Где обитает Birgus latro?

Кокосовый краб обитает в Индийском океане и в центре Тихого океана. Их распространение закономерно зависит от распространения кокосовой пальмы. Западной границей ареала является остров Занзибар. Небольшая популяция обитает на островах Рюкю.

Есть свидетельства, что кокосовый краб раньше обитал во многих других местах: в Австралии, Мадагаскаре, Родригесе, на острове Пасхи и в некоторых других местах. Возможно, пальмовые воры жили даже в Индии. Но на данный момент в этих районах краб истреблен. На острове Рождества популяция кокосовых крабов самая большая, но тех же красных крабов на острове в пятьдесят раз больше.

Насколько сильны кокосовые крабы

Исследователи выловили 29 кокосовых крабов на острове Окинава в Японии и снабдили их клешни датчиками замера силы. Среди пойманных экземпляров сила сжатия варьировалась от 29,4 до 1765,2 ньютонов (для сравнения, сила укуса большинства людей составляет порядка 340 ньютонов). Поскольку «щипательная» сила крабьей клешни сильно зависит от веса и размера существа, ученые подсчитали, что 4-килограммовый кокосовый краб способен сжать клешню с силой в 3300 ньютонов. Впечатляет, не правда ли? Это больше, чем укус почти любого животного на Земле, в том числе леопардов, большинства медведей и диких собак.

Как пишут исследователи на портале PLOS ONE, мощь клешней кокосовых крабов указывает на то, что они постепенно отклонялись от традиционного статуса «скромный и пугливый отшельник» на протяжении последних 4 миллионов лет эволюции. Такое грозное оружие позволяет частично компенсировать бреши в панцире и эффективно отбиваться даже от крупных хищников, а также дает возможность получить доступ к новому источнику питания, кокосам, которые из-за своей твердой скорлупы практические недоступны для остальных представителей прибрежной фауны.

Другие интересные факты про кокосовых крабов

Уменьшение численности этого членистоногого вынудило местные власти установить ограничение на отлов birgus latro. На Папуа-Новой Гвинее запрещается включать его в меню ресторанов и кофе, на острове Сайпан — ловить крабов с панцирем менее 3,5 см, а также с июня по сентябрь, в период, когда крабы размножаются.

Кокосовые крабы могут почуять запах кокосов или спелых фруктов за несколько километров. Ученые выяснили это, расположив специальные приманки.

Кокосовые крабы достигают полового созревания только через пять лет, но лишь к сорока годам перестают расти.

Во время отдыха в норе краб закрывает вход одной клешней. Так внутри сохраняется влажный микроклимат, необходимый для органов дыхания. Дыхательные органы кокосового краба представляют собой нечто среднее, между жабрами и легкими.

В передней паре клешней левая всегда будет больше правой. Самая последняя пара клешней содержится внутри организма. Самка использует их для ухода за яйцами, а самцы – для спаривания.

Мясо кокосового краба – не только деликатес, но еще и мощный афродизиак. Из-за этого многие охотились на крабов, а сейчас их популяция сильно уменьшилась.

Кокосовый краб – не ядовитый по природе, но может стать таковым. Известны случаи отравления мясом пальмового вора. Дело в поедании морского манго. Оно делает краба токсичным из-за присутствия карденолидов внутри.

Иногда кокосовые крабы могут нападать на людей. Учитывая мощность их конечностей, для человека это очень болезненно. Более того, удерживать клешню краб будет долго. Спастись от этого можно старым, но проверенным способом – пощекотать нижние мягкие ткани тела легким материалом.

Рацион кокосовых крабов состоит в основном из мясистых плодов, орехов, косточек, семян и сердцевины упавших деревьев. Однако, поскольку они всеядны, они будут потреблять другие органические материалы: детенышей черепах и мертвых животных.

На островах Кука кокосовый краб известен как унга или кавеу, а на Марианских островах его называют айюю, и иногда его ассоциируют с таотаомо из-за традиционной веры в то, что духи предков могут возвращаться в виде животных, таких как кокосовый краб.

[ArefievPV]

Падение Чикшулубского астероида на полтора года погрузило Землю во тьму
https://elementy.ru/novosti_nauki/434159/Padenie_Chikshulubskogo_asteroida_na_poltora_goda_pogruzilo_Zemlyu_vo_tmu

Рис. 1. Схема Чикшулубского импакта (слева) и осаждения импактных выбросов в местонахождении Танис (Tanis, Северная Дакота) в 3000 км к северу (справа). Астероид (углистый хондрит) диаметром 10–15 км прилетел с северо-востока и упал под углом 45–60° в мелкое море, на дне которого был слой осадочных пород с высоким содержанием серы (Sedimentary target) на гранитном основании (Shocked granitic basement). Кинетическая энергия удара оценивается в 3×10²³ джоулей (6×10⁷ мегатонн в тротиловом эквиваленте, 4×10⁹ Хиросим или миллион «Царь-бомб»). Из места падения разлетелись разнообразные по составу и размеру частиц импактные выбросы (Ejecta). Ударные волны (Shock waves) спровоцировали землетрясения во многих районах, в том числе в Танисе, где огромная волна поднялась из моря вверх по руслу реки (Point bar — обычные речные отложения, сформировавшиеся до импакта). В первые два часа Танис бомбардировали переплавленные импактные сферулы (Impact melt spherules, красные овалы). Они захоронились вместе с речными рыбами в слое песчаников и алевролитов (Siltstone and sandstone), созданном гигантской волной (Tanis K-Pg event deposit). В этом слое отсутствуют частицы, которым требовалось более двух часов, чтобы достичь Таниса и осесть там. Затем в течение нескольких (не более 20) лет поверх слоя со сферулами и осетрами оседали мелкие импактные выбросы: крупицы кварца, подвергшиеся воздействию очень высокого давления (shocked mineral clusts, светло-серые ромбы), богатая никелем шпинель (Ni-rich spinel) и силикатная пыль, состоящая из измельченных пород, выброшенных из кратера, и обогащенная материалом самого астероида, в котором, как и в других углистых хондритах, было много иридия (Ir-rich silicate dust). Изучение этого аргиллитового слоя (Claystone) позволило оценить размер частиц силикатной пыли (Focus interval for grain-size analysis, желтая стрелка на рис. d). Выше лежат палеогеновые лигниты (бурый уголь, Coal). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Уникальное местонахождение Танис сохранило подробную летопись первых часов и лет после падения Чикшулубского астероида, вызвавшего массовое вымирание на рубеже мела и палеогена (66 млн лет назад). Анализ импактной пыли из Таниса показал, что в ней преобладали частицы микрометрового размера (0,8–8,0 мкм), которые удерживаются в атмосфере дольше, чем более мелкие и более крупные. Климатическое моделирование с учетом новых данных по размеру пылевых частиц показало, что полная остановка фотосинтеза из-за наступившей тьмы должна была продолжаться полтора года. Этого вполне достаточно, чтобы вызвать массовое вымирание. При этом средняя температура на поверхности планеты упала на 15°. Воздействие пыли, надолго затмившей солнечный свет, было более пагубным, чем у других компонентов импактных выбросов, таких как сера и сажа.

Глобальное снижение температуры на 15° — серьезное испытание для биоты, но всё-таки в одиночку оно вряд ли вызвало бы вымирание такого масштаба. К несчастью для тогдашней земной жизни, кроме Холода на службе у импактной зимы был еще один всадник Апокалипсиса — по имени Тьма.

Рис. 3. Результаты моделирования: распределение интенсивности фотосинтетически активного излучения по поверхности планеты в первые годы после Чикшулубского импакта. Показаны четыре сценария: только пыль, только сера, только сажа и все три компонента вместе. Эффекты трех компонентов не суммируются, а затейливым образом взаимодействуют в рамках сложной климатической модели. Видно, что в сценариях «пыль» и «всё вместе» фотосинтетическая активность растений должна была начать потихоньку восстанавливаться только с наступлением в Южном полушарии второго лета после импакта. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Моделирование показало, что любого из трех компонентов импактных выбросов (пыли, серы или сажи) хватило бы, чтобы на несколько месяцев погрузить планету во тьму, исключив всякую возможность фотосинтеза (рис. 3). Однако затемняющий эффект микрометровой пыли оказался самым длительным. Сажа в одиночку остановила бы фотосинтез менее чем на год, и уже на второе лето после импакта (который, напомним, произошел северной весной) в Северном полушарии из уцелевших семян и корневищ проросла бы свежая зелень. Сера без помощи пыли и сажи держала бы планету во тьме чуть дольше, год с небольшим. Силикатная пыль (вместе с серой и сажей, хотя она и сама бы справилась) заблокировала фотосинтез на полтора года. Восстановление растительности началось в Южном полушарии с приходом второго после импакта южного лета.

Таким образом, Северному полушарию пришлось пережить два лета в кромешной тьме, а Южному — только одно. Это согласуется с данными о более быстром восстановлении экосистем в Южной Америке по сравнению с Северной (M. P. Donovan et al., 2016. Rapid recovery of Patagonian plant-insect associations after the end-Cretaceous extinction), хотя эти данные можно объяснить и иначе (см. Кайнозойская эра началась весной, «Элементы», 24.02.2022).

Обсуждаемая работа — еще один шаг на пути к построению максимально подробной и надежной реконструкции последствий Чикшулубского импакта. Новые данные укрепляют и конкретизируют идею о том, что импактная зима, долгая ночь и вызванный ею глобальный коллапс первичной продукции были главной непосредственной причиной массового вымирания. Избирательность вымирания в море и на суше хорошо согласуется с этой гипотезой (см. лекцию «Массовое вымирание на рубеже мезозоя и кайнозоя», 2021: , ).

[ArefievPV]

Обнаружены новые гены, которые могут возникать "из ничего"
http://newsstreet.ru/blog/unbelievable/33520.html
Сложность живых организмов закодирована в их генах, но откуда берутся эти гены? Исследователи из Хельсинкского университета разрешили нерешенные вопросы о происхождении малых регуляторных генов и описали механизм, который создает их ДНК-палиндромы. При подходящих обстоятельствах эти палиндромы эволюционируют в гены микроРНК.

Геном человека содержит около 20 000 генов, которые используются для конструирования белков. Действия этих классических генов координируются тысячами регуляторных генов, самые маленькие из которых кодируют молекулы микроРНК длиной в 22 пары оснований. Хотя количество генов остается относительно постоянным, иногда в ходе эволюции появляются новые гены. Подобно зарождению биологической жизни, происхождение новых генов продолжает завораживать учёных.

Всем молекулам РНК требуются палиндромные последовательности оснований, которые фиксируют молекулу в ее функциональной конформации. Важно отметить, что вероятность того, что случайные мутации оснований постепенно сформируют такие палиндромные участки, крайне мала даже для простых генов микроРНК.

Поэтому происхождение этих палиндромных последовательностей озадачивало исследователей. Эксперты из Института биотехнологии Хельсинкского университета, Финляндия, разрешили эту загадку, описав механизм, который может мгновенно генерировать полные ДНК-палиндромы и, таким образом, создавать новые микроРНК-гены из ранее некодирующих последовательностей ДНК.

В своем проекте исследователи изучали ошибки при репликации ДНК. Ари Лейтиноя, руководитель проекта, сравнивает репликацию ДНК с набором текста.

«ДНК копируется по одному основанию за раз, и обычно мутации представляют собой ошибочные единичные основания, подобные неправильным нажатиям на клавиатуре ноутбука. Мы изучали механизм, создающий более крупные ошибки, например, копирование-вставку текста из другого контекста. Нас особенно заинтересовали случаи, когда текст копировался в обратном направлении (задом наперёд), создавая палиндром».

Исследователи признали, что ошибки репликации ДНК иногда могут быть полезными. Они рассказали об этих результатах Микко Фриландеру, эксперту в области биологии РНК. Он сразу увидел связь со структурой молекул РНК.

«В молекуле РНК основания соседних палиндромов могут соединяться и образовывать структуры, напоминающие шпильку. Такие структуры имеют решающее значение для функционирования молекул РНК», — объясняет он.


Главной идеей стало моделирование истории генов с использованием информации от родственных видов. Моделирование показало, что палиндромы генов микроРНК образуются в результате единичных мутаций.

Исследователи решили сосредоточиться на микроРНК-генах из-за их простой структуры: гены очень короткие — всего несколько десятков оснований — и для правильного функционирования им приходится сворачиваться в шпильку.

Главной идеей стало моделирование истории генов с помощью специального компьютерного алгоритма. По словам постдокторанта Хели Менттинен, это позволяет наиболее близко изучить происхождение генов на сегодняшний день.

«Известен полный геном десятков приматов и млекопитающих. Сравнение их геномов показывает, у каких видов есть палиндромная пара микроРНК, а у каких она отсутствует. С помощью детального моделирования истории мы смогли увидеть, что целые палиндромы создаются в результате единичных мутаций», — говорит Менттинен.

На примере человека и других приматов исследователи из Хельсинки продемонстрировали, что недавно найденный механизм может объяснить по крайней мере четверть новых микроРНК-генов. Поскольку подобные случаи были обнаружены и в других эволюционных линиях, механизм возникновения кажется универсальным.

В принципе, возникновение микроРНК-генов настолько просто, что новые гены могут повлиять на здоровье человека. Хели Менттинен видит значение этой работы в более широком смысле, например, в понимании основных принципов биологической жизни.

«Появление новых генов из ничего восхищает исследователей. Теперь у нас есть элегантная модель эволюции РНК-генов», — подчеркивает она.

Хотя результаты исследования основаны на небольших регуляторных генах, ученые считают, что полученные данные можно обобщить на другие РНК-гены и молекулы. Например, используя исходные материалы, генерируемые недавно найденным механизмом, естественный отбор может создавать гораздо более сложные структуры и функции РНК.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

[ArefievPV]

У американки с двумя матками выявили беременность в обеих
https://nplus1.ru/news/2023/11/16/double-uterus
Женщине может понадобиться кесарево сечение

Врачи обнаружили, что 32-летняя жительница Алабамы с двумя матками вынашивает ребенка в каждой из них. Как отмечает Science Alert со ссылкой на AFP, такие беременности очень редки — один случай на 50 миллионов. Судя по всему, две яйцеклетки были оплодотворены независимо друг от друга. Сейчас беременность протекает нормально, поэтому женщина надеется, что к концу года ей удастся родить естественным путем. Однако высока вероятность, что ей все-таки понадобится кесарево сечение.

Матка формируется из двух протоков, которые сливаются на 12-14 неделях эмбрионального развития. Однако у примерно 0,3 процента женщин эти протоки остаются независимыми, в результате образуются две матки. Для такого состояния, как правило, характерны две шейки матки, в то время как влагалище может быть одно, два отдельных или два частично сросшихся. Женщины с двумя матками способны зачать и выносить ребенка, однако у них повышен риск выкидыша и преждевременных родов. Кроме того, таким пациенткам обычно назначают кесарево сечение, поскольку врачам трудно определить, где именно находится плод и насколько раскрылась шейка матки.

Эмбрион у женщин с двумя матками может развиваться в любой из них. Но известны очень редкие случаи, когда беременность одновременно протекает в обеих матках. Именно это происходит сейчас с Келси Хэтчер (Kelsey Hatcher), 32-летней массажисткой из американского штата Алабама. О том, что у нее двойная матка, женщина знала с 17 лет. Это состояние не помешало ей без особенных трудностей выносить и родить трех детей. Однако в мае этого года во время ультразвуковой диагностики на восьмой неделе очередной беременности Хэтчер сообщили, что она вынашивает двойню — причем один плод развивается в правой матке, а другой — в левой.

Врачи предполагают, что двойная беременность стала результатом овуляции двух яйцеклеток, одна из которых опустилась в правую матку, а другая — в левую. Оплодотворение яйцеклеток также произошло отдельно, возможно, даже в разные дни, в результате проникновения спермы в разные матки. По словам специалистов, подобные двойные беременности очень редки — примерно один случай на 50 миллионов.

Пока беременность Келси Хэтчер проходит нормально. Она завела инстаграм*, где делится подробностями о своем самочувствии и развитии будущих детей, которые, как уже известно, будут девочками. Женщина надеется, что к концу декабря она сможет родить естественным путем. Однако из-за того, что каждая матка сокращается отдельно, между родами может пройти несколько часов и даже дней — так, в 2019 году 20-летняя жительница Бангладеш с двойной беременностью произвела на свет двух детей с разницей в 26 суток. Поэтому Хэтчер и ее муж осознают, что женщине может понадобиться кесарево сечение — для одного или обоих детей.

Матка — не единственный орган, который может присутствовать в организме в большем количестве, чем нужно. Известны примеры людей с дополнительными пальцами, пенисами и почками. Подробнее о таких случаях вы можете прочитать в нашем материале «Дайте три!».

*Instagram принадлежит компании Meta, деятельность которой в России запрещена.

Американка с двумя матками родила двух здоровых девочек
https://nplus1.ru/news/2023/12/22/double-uterus-gives-birth
Одну — самостоятельно, другую — с помощью кесарева сечения

Новостной портал WVTM 13 сообщил о том, что 32-летняя Келси Хэтчер из американского штата Алабама, которая вынашивала беременность сразу в двух матках, родила двух здоровых девочек. Первого ребенка женщина родила самостоятельно, а для родоразрешения второго потребовалось кесарево сечение. Дети родились в разные дни — одна 20 декабря, а вторая 21 декабря.

Информация о таком редком случае — беременность сразу в двух матках наступает примерно один раз на 50 миллионов случаев — появилась в ноябре 2023 года. Врачи предполагают, что, скорее всего, оплодотворение яйцеклеток произошло отдельно, возможно даже в разные дни. По словам акушера, который вел эти роды, команда врачей подготовилась к самым разным сценариям, но в итоге обе девочки чувствуют себя хорошо и скоро отправятся домой.

*Instagram принадлежит компании Meta, деятельность которой в России запрещена.

[ArefievPV]

Эмбриональные клетки общаются по межклеточным «проводам»
https://www.nkj.ru/news/49374/
Мембранные выросты помогают передать сигнал даже тем клеткам, которые не способны его принять.

Когда одна клетка хочет сообщить что-то другой, у неё для этого есть несколько способов. Если клетки соприкасаются друг с другом, то тут вступают в действие различные мембранные белки, которые взаимодействуют с такими же белками на другой клетке. Если между клетками есть какое-то расстояние, то настаёт черёд «свободноплавающих» сигнальных молекул: одна клетка их выделяет во внешнюю среду, а другая ловит своими рецепторами. Молекулярное сообщение может быть упаковано в мембранный пузырёк-везикулу, но эта везикула опять же должна будет проплыть какое-то расстояние до клетки-адресата.

И есть промежуточный способ в виде цитонем. Цитонемами называют тонкие и длинные выпячивания мембраны, вытягивающиеся с поверхности одной клетки в сторону другой. Тянуться они могут на сотни микрометров (размеры обычных эукариотических клеток – если не брать в расчёт случаи вроде нейронов – колеблются от 10 до 100 микрометров). Цитонемы несут на себе белки, которые должна почувствовать другая клетка; выполнив свою задачу, мембранные нити втягиваются обратно. С некоторой натяжкой их можно называть межклеточными проводами, только это провода одноразовые.

Цитонемы появляются у самых разных клеток самых разных организмов; у некоторых животных они играют большую роль в эмбриональном развитии. Однако сотрудники Университета Эксетера, экспериментировавшие с зародышами рыбы полосатого данио, заметили у цитонем зародышевых клеток кое-что особенное.

У животных есть сигнальный путь Wnt (по названию главного сигнального белка в цепочке, который путешествует между клетками), регулирующий эмбриональное развитие и дифференцировку клеток. Любой сигнальный белок действует через рецептор. Когда исследователи захотели проследить, как рыбный вариант Wnt (Wnt5b) идёт от клетки к клетке, они обнаружили, что, выйдя наружу, он садится на рецепторы той же клетки, которая его синтезировала. Дальше тот участок мембраны, где сигнальный белок объединился со своим рецептором, начинает вытягиваться в цитонему.

Когда цитонема оказывалась уже совсем близко к клетке-адресату, от конца мембранной нити отшнуровывался крошечный мембранный пузырёк с тем самым белковым комплексом. Пузырёк садился на мембрану принимающей клетки, сливался с ней, и оба белка оказывались на поверхности клетки, которая должна была принять Wnt-сигнал. То есть клетка-передатчик передавала не только сам сигнал (белок Wnt), но и устройство, чтобы его принять – то есть рецептор. Дальше внутренние белки принимающей клетки уже легко могли почувствовать активированный рецептор и начинали действовать в соответствии с сигналом.

Обычно говорят, что эффективность сигнала зависит как от передаваемого сигнала, так и от рецепторов к нему. Сигнальных молекул может быть очень много, но если к ним нет рецепторов, на них никто не обратит внимания. Однако цитонемы способны донести сообщение даже тем клеткам, которые его просто не обнаружили бы, если бы это сообщение в виде сигнального белка просто плавало вокруг них. Конечно, тут нужно ещё знать, куда тянуть мембранные нити. Вытягивание цитонем тоже происходит под влиянием сигнальных молекул; в таком случае клетка-адресат может не иметь рецепторов к основному сигналу, но может иметь молекулы для притяжения цитонем, и вот цитонемы-то уже донесут до неё нужные сообщения.

Сигнальный путь Wnt играет большую роль не только во время эмбрионального развития, но и при разных онкозаболеваниях. Вполне возможно, что с новыми сведениями о сигнальных нитях получится создать лекарственные средства, не позволяющие злокачественным клеткам общаться и тем самым дополнительно ограничивающие рост опухолей.

Результаты исследования опубликованы в Nature.

[ArefievPV]

1,75 млрд лет назад у цианобактерий уже были тилакоиды для эффективного фотосинтеза
https://elementy.ru/novosti_nauki/434182/1_75_mlrd_let_nazad_u_tsianobakteriy_uzhe_byli_tilakoidy_dlya_effektivnogo_fotosinteza

В трех местах земного шара — в арктической Канаде, северной Австралии и Центральной Африке — были найдены окаменелости вымершей цианобактерии, самой старшей из которых 1,75 млрд лет. При рассмотрении под электронным микроскопом оказалось, что эта бактерия уже имела тилакоиды — мембранные органеллы, повышающие эффективность фотосинтеза и характерные для современных цианобактерий. Это означает, что 1,75 млрд лет назад уже существовали интенсивно фотосинтезирующие цианобактерии современного типа.

Примерно 2,5 миллиарда лет назад Землю поразила страшная биологическая катастрофа. Группа бактерий научилась получать энергию из воды и солнечного света, но с выделением ядовитого газа с сильными окислительными свойствами (см. новость Новый вид цианобактерий проливает свет на эволюцию кислородного фотосинтеза, «Элементы», 17.01.2021). Всей жизни пришлось кардинально перестраивать свою биохимию, чтобы приспособиться к этому газу и даже научиться им дышать. Этим газом был кислород — а мы, люди, одни из многочисленных потомков тех форм жизни, которые смогли приспособиться к его токсическому действию и даже научиться извлекать из него пользу. Следует отметить, что некоторые группы организмов избрали другую стратегию и скрылись в местообитаниях, где кислорода нет. Сейчас мы знаем их как анаэробов.

«Изобретателями», отравившими жизнь прокариотам древней Земли, оказались цианобактерии. В процессе эволюции в результате горизонтального переноса генов в их клетках совместились две фотосистемы (или две цепочки белков, переносящие электроны, выбитые из хлорофилла квантом света) — феофитин-хиноновая фотосистема, существовавшая у пурпурных бактерий, и Fe-S-фотосистема, существовавшая у зеленых серобактерий. Это позволило цианобактериям расщеплять воду, получая гораздо больше энергии, — но при этом выделялся кислород. Резкий рост его концентрации в атмосфере древней Земли получил название Кислородной катастрофы.

Это событие изменило живой мир планеты и ее геологический облик (хотя ученые и спорят, насколько именно, см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014). Но любопытно, что такой революционный способ фотосинтеза был изобретен только однажды — цианобактериями. Растения тоже выделяют кислород при фотосинтезе, но лишь благодаря пластидам — органеллам клетки, происходящим от цианобактерий. Получается, что всем кислородом Земли мы обязаны цианобактериям. Поэтому ученые пристально изучают эволюцию цианобактерий: очень важно понять, как они смогли производить фотосинтез так эффективно, что резко изменили состав всей атмосферы Земли.

«Элементы» уже рассказывали о том, что высокоэффективный фотосинтетический аппарат, характерный для большинства современных видов цианобактерий и всех без исключения фотосинтезирующих эукариот, возник далеко не сразу (см. Новый вид цианобактерий проливает свет на эволюцию кислородного фотосинтеза, «Элементы», 17.01.2022). Представление о том, какими могли быть первые цианобактерии, дают глеобактерии (см. Gloeobacter), включая Anthocerotibacter panamensis. Это классическая одноклеточная бактерия, мешочек с ферментами и ДНК, фотосинтетический аппарат которой расположен на плазматической мембране и устроен максимально просто — насколько вообще возможно, чтобы все-таки осуществлять фотосинтез. Скорость роста A. panamensis в присутствии солнечного света сопоставима со скоростью роста микобактерии туберкулеза — известного «антирекордсмена», которого очень трудно вырастить в лаборатории. Фотосинтез A. panamensis потрясающе неэффективен в плане выхода полезного для бактерии продукта, но вот «выхлопных газов», то есть кислорода, он выделял всего вдвое ниже, чем цианобактерия «современного» типа, взятая для сравнения. Теоретически, цианобактерии такого примитивного типа смогли бы осуществить кислородную революцию — но ее проще было бы объяснить, если бы мы знали, что уже 2,5 млрд лет назад существовали более эффективные фотосинтетики.

Большая эффективность современных цианобактерий обеспечивается не только более совершенной конструкцией фотосистем, но и более сложным устройством самих клеток. Белковые комплексы фотосинтеза расположены на мембране, и в процессе своей работы создают разность потенциалов по обе ее стороны, перекачивая ионы водорода. Нетрудно догадаться, что, имея в своем распоряжении только одну мембрану, цитоплазматическую, бактерия может разместить на ней лишь ограниченное количество комплексов и будет постоянно терять какую-то долю электрического потенциала из-за рассеивания ионов водорода в окружающую среду — они перекачиваются изнутри наружу.

Большинство ныне живущих цианобактерий — все, кроме глеобактерий, — а также растения и все группы водорослей решают эту проблему путем размещения в клетке (или в хлоропласте) стопок мембранных мешочков — тилакоидов, на мембране которых и располагаются все белковые комплексы, необходимые для фотосинтеза (рис. 4). Так как суммарная площадь мембран тилакоидов гораздо больше площади цитоплазматической мембраны, на ней можно разместить гораздо больше таких комплексов, что повышает производительность процесса в разы. Кроме того, в таком случае ионы водорода перекачиваются из цитоплазмы в просвет тилакоида (он называется люменом). Объем люмена ограничен и довольно мал по сравнению с клеткой бактерии — это позволяет повысить концентрацию ионов водорода и зависящее от нее напряжение на мембране, от которого, в свою очередь, зависит скорость синтеза органических веществ под действием солнечного света. Проще говоря, современные цианобактерии — это энергосберегающие конструкции с высоким КПД. А вот у более древних глеобактерий с энергоэффективностью, конечно, не очень...



Рис. 4. Различия в устройстве и процессе фотосинтеза глеобактерий и цианобактерий современного типа. Слева — глеобактерии и первые цианобактерии на Земле. Они не имели тилакоидов, а ионы водорода в процессе фотосинтеза скапливались с наружной стороны мембраны. У цианобактерий современного типа и хлоропластов внутри клетки есть уложенные в стопку мембранные мешки тилакоиды, в которых и накапливаются ионы водорода. Красными точками обозначено расположение белковых комплексов фотосинтеза: у бактерий современного типа они расположены на мембранах тилакоидов, а у «древних» представителей — на мембране клетки. Рисунок подготовлен автором с помощью сервиса biorender.com

Очевидно, что хотя бы простенькие цианобактерии, вроде глеобактерий, должны были возникнуть как минимум 2,7 млрд лет назад, иначе Кислородную катастрофу вызвать было бы просто некому (P. Sánchez-Baracaldo et al., 2021. Cyanobacteria and biogeochemical cycles through Earth history). Но когда появились «высокоэффективные» цианобактерии современного типа, с тилакоидами? Метод молекулярных часов дает широкий разброс оценок — от 3,63 до 2,02 млрд лет назад (постоянно предпринимаются попытки уточнить этот интервал, см. Перенастроенные «молекулярные часы» показали более точное время появления кислородного фотосинтеза, «Элементы», 12.10.2021). Такой разброс связан с нехваткой сохранившихся с тех времен окаменелостей, по которым можно откалибровать молекулярные часы.

К счастью, у ученых есть идея получше — цианобактерии сами умеют оставлять окаменелости! Конечно, невооруженным глазом их не увидишь, но их можно обнаружить под просвечивающим электронным микроскопом. Иногда исследователям везет, и они находят не только отпечатки бактерий в камне, но даже отпечатки, выстланные органическим веществом — тем, что когда-то составляло клетку бактерии.

Три таких окаменелости попали в руки ученым из Льежского университета, результаты их исследования опубликованы в недавнем выпуске журнала Nature. Одна из них, возрастом в 1,78–1,73 млрд лет, происходит из формации Макдермотт на севере Австралии (басейн реки Макартур, Северная территория), вторая «родом» с арктических территорий Канады и имеет возраст 1,01–0,90 млрд лет, а третья была получена из Демократической Республики Конго и имеет возраст 1,040–1,006 млрд лет.

Во всех трех образцах были найдены отпечатки ныне вымершей цианобактерии со следами слоистых структур внутри клетки. Расположение, электронная плотность, толщина слоев и расстояние между ними свидетельствовали, что ничем другим, кроме тилакоидов, эти структуры быть не могут. При жизни они были расположены стопками, как у современных цианобактерий и хлоропластов, что и дало такую картину. В том числе такие структуры были найдены в образце из Австралии возрастом примерно 1,75 млрд лет.

Обнаружение тилакоидов означает, что 1,75 млрд лет назад на Земле жила цианобактерия (ее назвали Navifusa majensis), которая структурно уже соответствовала цианобактериям «современного типа». Анатомически ее фотосинтетический аппарат уже имел «энергосберегающую» конфигурацию. К сожалению, ее ДНК не сохранилась — поэтому реконструировать ее белки и прикинуть скорость их работы не представляется возможным. Тем не менее есть все основания полагать, что она фотосинтезировала куда быстрее первых цианобактерий на Земле.

В обсуждаемой статье и популярных синопсисах на ее основе все три окаменелости описываются как представители одного гипотетического вида. При этом «гипотетического» здесь — более чем ключевое слово. Невозможно с уверенностью сказать, что все три окаменелости принадлежат к одному виду и роду. На самом деле и для современных бактерий определение видовой и родовой принадлежности без привлечения генетики — непростая задача: только что фиксированные бактерии под микроскопом практически невозможно идентифицировать до вида, а чаще всего все семейство выглядит как сплошной зоопарк из близнецов. И уж тем более невозможно определить вид, если микроскоп — электронный, а под ним окаменелость вместо «живой» бактерии. Очевидно, что авторы статьи три окаменелости с похожей морфологией условно объединили в один вид — у них просто не было другого выхода. Но эти бактерии вполне могли принадлежать трем разным видам и даже разным родам...
Кроме того, у бактерий понятие вида вообще довольно относительно, так как у них нет репродуктивного барьера (см. горизонтальный перенос генов). Это приводит к забавным казусам даже среди современных бактерий: например, безобидная кишечная палочка из вашего кишечника (Escherichia coli) и возбудитель бактериальной дизентерии (Shigella dysenteriae) теоретически являются представителями одного вида. Что уж тут говорить про окаменелости... В общем, из обсуждаемой статьи можно сделать много содержательных эволюционных выводов, но нужно иметь в виду условность вида, к которому отнесены описанные в ней окаменелости.

Это приводит к интригующему вопросу: если как минимум 1,75 млрд лет назад на Земле уже существовали цианобактерии «современного» типа, могли ли они приложить «руку» (то есть тилакоид) к самой Кислородной катастрофе? Существование во время Кислородной катастрофы таких эффективных фотосинтетиков хорошо объяснило бы резкий скачок содержания кислорода в атмосфере и позволило бы предположить, кто именно из цианобактерий был его виновником. Открытие бельгийских ученых увеличивает вероятность, что атмосферу кислородом наполняли уже цианобактерии современного типа — но полной уверенности пока нет. Окаменелость из Австралии от самых первых цианобактерий отделяет почти миллиард лет — и за это время могло произойти много интересного... Остается лишь надеяться найти новые окаменелости — уже относящиеся к этому временному промежутку.

[ArefievPV]

На экваторе Марса нашли огромные залежи льда — воды хватит, чтобы покрыть планету слоем в 2 метра
https://3dnews.ru/1098974/pod-ekvatorom-marsa-obnarugen-poyas-vodyanogo-lda-tolshchinoy-bolee-tryoh-s-polovinoy-kilometrov

На Марсе обнаружено достаточно воды, чтобы покрыть всю поверхность планеты океаном глубиной от 1,5 до 2,7 метра. Такое заключение представила научная миссия Европейского космического агентства (ЕКА) Mars Express, которая уже 20 лет занимается исследованием Красной планеты. Авторы открытия заявляют о самом большом количестве водяного льда, обнаруженном на Марсе, что, похоже, соответствует выводам предыдущих исследователей.

«Удивительно, что радиолокационные сигналы соответствуют тому, что мы ожидаем увидеть от слоистого льда, и похожи на сигналы, которые мы видим от полярных шапок Марса, которые, как мы знаем, очень богаты льдом», — сообщил в официальном заявлении EKA ведущий исследователь Томас Уоттерс (Thomas Watters) из Смитсоновского института в США.

По сообщению учёных, толщина ледяного пояса, покрытого «коркой» затвердевшего вулканического пепла и сухой пыли, достигает 3,7 км. Лёд не является кристально чистым, он сильно загрязнён пылью. Хотя присутствие льда вблизи экватора делает его более доступным для будущих экспедиций с людьми, покрывающая лёд «корка» толщиной в несколько сотен метров существенно затруднит доступ к нему.

Около 15 лет назад зонд Mars Express обнаружил необычное отложение мягкой породы протяжённостью почти 5000 км у экватора Марса. Формация получила название Medusae Fossae Formation (MFF). По мнению учёных, формирование MFF было поворотным моментом в истории Марса. Предполагается, что создавшие его извержения выбросили в атмосферу огромное количество газов и водяных паров, кардинально изменивших климат планеты.

Считается, что MFF сформировалась в течение последних 3 миллиардов лет из потоков лавы, а затем была покрыта толстым слоем вулканического пепла. Сегодня MFF является самым обильным источником пыли для гигантских сезонных пылевых бурь. Новые наблюдения радара MARSIS миссии Mars Express говорят о том, что формация Medusae Fossae содержит не только пыль.

«Учитывая толщину слоя, если бы MFF представляла собой просто гигантскую кучу пыли, она должна была уплотнится под собственным весом, — считает Андреа Чикетти (Andrea Cicchetti) из Национального института астрофизики Италии. — Это создало бы что-то гораздо более плотное, чем то, что мы на самом деле видим при помощи MARSIS». Отложения имеют низкую плотность и довольно прозрачны для радара MARSIS, что больше всего похоже именно на сигнатуру водяного льда.

Водяной лёд на Марсе неоднократно обнаруживался и раньше. В 2008 году миссия NASA Phoenix обнаружила лёд прямо под слоем пыли на месте посадки спускаемого аппарата, а остатки реликтовых ледников были обнаружены в Восточном Лабиринте Ноктиса, который находится всего в 7,3 градусах к югу от экватора. Присутствие подземного водяного льда в низких и экваториальных широтах намекает на то, насколько сильно отличался климат Марса в далёком прошлом.

Образование огромных залежей водяного льда в экваториальном районе Марса может являться результатом изменения наклона оси Красной планеты, который менялся довольно хаотично. В настоящее время полюса Марса наклонены к эклиптике на 25 градусов (наклон Земли составляет 23 градуса), но в прошлом этот угол мог меняться от 10 до экстремальных 60 градусов. В периоды сильного наклона, когда полюса планеты попеременно оказывались значительно ближе к Солнцу, чем экваториальная часть планеты, в районе экватора в больших количествах образовывался водяной лёд, который затем оказался погребён под слоем пепла и пыли.

Новое открытие описано в статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters.

[ArefievPV]

Блокчейн использовали в моделировании четырех миллиардов реакций, необходимых для зарождения жизни
https://naked-science.ru/article/chemistry/blokchejn-ispolzovali-v-m
Команда химиков применила вычислительные мощности распределенной сети компьютеров, чтобы сгенерировать крупнейшую из когда-либо созданных цепей химических реакций, которые могли привести к появлению пребиотических молекул на ранней Земле.

В исследовании, опубликованном в журнале Chem, ученые использовали потенциал технологии блокчейн для решения проблем за пределами финансового сектора, которые в противном случае потребовали бы дорогих и труднодоступных суперкомпьютеров. Авторам научной работы удалось изучить все возможные комбинации химической реактивности, действовавшие на первобытной Земле, и показать, что некоторые примитивные формы метаболизма могли возникнуть даже без участия ферментов.

Чтобы применить блокчейн-сеть для расчета нужных реакций, исследователи сначала выбрали набор исходных молекул, которые присутствовали на ранней Земле, например воду, метан и аммиак, установив правила, какие реакции могли происходить между различными типами молекул. Затем эту модель задействовали для расчета наиболее вероятных реакций на блокчейн-сети распределенных вычислений.

Для этого команда ученых объединила свои усилия с компьютерными специалистами, использующими искусственный интеллект для планирования химического синтеза. Вместе они создали блокчейн с использованием платформы Golem, которая организует вычисления на сотнях компьютеров по всему миру, платя владельцам ПК криптовалютой в обмен на вычислительное время их машин.

Получившаяся сеть, названная NOEL (Network of Early Life), начиналась с 11 миллиардов реакций, а затем была сжата до 4,9 миллиарда наиболее правдоподобных. В итоге NOEL содержит части хорошо известных метаболических путей, таких как гликолиз и имитация цикла Кребса, и синтез 128 простых биотических молекул, таких как сахара и аминокислоты.

Однако среди почти пяти миллиардов произведенных реакций только сотни реакционных циклов оказались «самовоспроизводящимися» — в них молекулы создавали копии самих себя. Предполагается, что именно свойство саморепликации сыграло центральную роль в возникновении жизни, но подавляющее большинство ее известных проявлений требуют сложных макромолекул, например ферментов. Полученные же результаты показали, что при наличии только небольших молекул самовоспроизведение — редкое событие, так что, как полагают авторы, это свойство появилось позднее в процессе эволюции.

В итоге совместная работа химиков и IT-специалистов не только расширила знания о ранней пребиотической химии, но и показала, как благодаря распределенным вычислениям науку можно сделать более доступной для исследователей в небольших университетах и институтах, где нет доступа к суперкомпьютерам. Более широкое использование блокчейн-платформ поможет резко изменить организацию крупномасштабных вычислений, радикально упростив их даже для игроков без высокопроизводительного «железа».

P.S. Опять забыли про среду, в которой происходили все эти «самовоспроизведения» – эти реакционные циклы ведь не в вакууме шли (кстати, даже сам реакционный цикл есть составная часть среды). То есть, это не «молекулы создавали копии самих себя», а именно среда создавала копии/реплики молекул, а молекулы здесь играли роль образцов/оригиналов для копирования/репликации.

[ArefievPV]

Происхождение жизни: неферментативная репликация
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436987/Proiskhozhdenie_zhizni_nefermentativnaya_replikatsiya
Интервью Бориса Штерна с Александром Марковым