Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Ученые предложили создать новую научную дисциплину — минеральную информатику
https://naked-science.ru/article/column/uchyu-distsiplinu-mineral
Международная группа минералогов, в которую вошли специалисты Кольского научного центра РАН, пришла к выводу о целесообразности создания новой научной дисциплины — минеральной информатики.

В прошлом году на страницах журнала American Mineralogist Американского минералогического общества (Mineralogical Society of America) появилась статья, которая фактически провозгласила создание нового научного направления. В работе приняли участие ведущие минералоги мира, включая генерального директора Кольского научного центра РАН, академика Сергея Кривовичева.

Минералы как естественные продукты геологических процессов сами по себе несут огромное количество информации. Например, они фиксируют факторы среды (физические, химические и в некоторых случаях даже биологические), которые могут многое сказать об условиях, которые были на нашей планете в момент их формирования. Все эти данные можно найти, исследуя и интерпретируя основные, второстепенные и микроэлементы, включения, текстуру поверхности, размер и форму зерен, соотношение стабильных изотопов и многое другое.

Каждый минерал в своих признаках хранит огромное количество информации. Минералогия за последние несколько десятков лет активно использует методы, основанные на данных, например для поиска новых минералов. Количество информации, которую можно извлечь из отдельного образца, настолько увеличилось, что позволяет использовать эти данные и за пределами чистой минералогии. Именно поэтому группа выдающихся ученых создала текст, который может считаться манифестом нового научного направления – минеральной информатики.


Вопросы минеральной информатики / © Пресс-служба КНЦ РАН

С точки зрения исследователей минеральная информатика рассматривает восемь базовых исследовательских вопросов:

1. Могут ли химические и физические свойства образцов минералов раскрывать их парагенетические особенности и функционировать в качестве посредников для биосигнатур? Более простым языком это можно охарактеризовать как использование информации, полученной из образцов минералов, для воспроизведения условий биологической жизни в соответствующие эпохи. Это позволит отделить минералы, которые образовались при влиянии живых организмов, от тех, которые образовались в строго абиотических условиях

2. Влияет ли присутствие жизни на минералогическое разнообразие планеты и статистическое распределение минеральных видов? Ответ на этот вопрос может помочь в исследованиях, связанных с возможностью существования биологической жизни на других планетах.

3. Можем ли мы предсказать наличие минералов на других планетах, учитывая ограниченные данные о них?

4. Совместное присутствие минералов и жизни: способствуют ли минералы метаболическому ландшафту или формируют его? Другими словами – как присутствие тех или иных минералов влияет на основные обменные процессы живых организмов, которые развиваются в среде, состоящей из таких минералов?

5. Какую роль сыграли минералы в возникновении жизни?

6. Могут ли минеральные сети служить биосигнатурой планетарного масштаба? Иначе говоря, может ли присутствие определенных видов минералов со всем комплексом доступной по ним информации говорить о присутствии сейчас или в прошлом того или иного типа живых организмов на конкретной планете?

7. Могут ли минеральные сети служить показателем степени планетарной эволюции? Ответ на этот вопрос подразумевает определенное представление об эволюции планет, которая очевидно является контр-энтропийным процессом. Таким образом, если считать эволюцию увеличением структурной сложности исследуемой системы, могут ли минеральные сети служить показателем таких процессов для систем планетарного масштаба?

8. Сыграли ли появление и эволюция жизни какую-то роль в увеличении средней структурной сложности минералов на Земле в течение длительного времени? Этот вопрос интересен тем, что возможно, именно присутствие жизни определяет ту минералогическую сложность, которую ученые наблюдают на Земле.

Такие исследовательские вопросы во многом отходят весьма далеко от основных задач не только минералогии, но и даже геолого-минералогических наук в целом. Для исследований в этом направлении требуются специфические методы, которые основаны на больших данных и самообучающихся системах, поскольку обрабатывать такие объемы информации без привлечения современных информационных методов совершенно невозможно.

При этом важно проверять все информационно-аналитические методы более традиционными минералогическими инструментами, чтобы избежать ошибок. Последние десятилетия доказали эффективность такого подхода в минералогии. Минералы как относительно стабильные свидетели прошлого могут дать неисчерпаемый источник информации по всем вышеперечисленным вопросам и возможно ряду других, еще даже несформулированных.

Исследователи уверены, что будущее десятилетие передовых исследований в минералогии будет сосредоточено на систематическом и скоординированном изучении данных о минералах и методов обработки данных, используемых для формулировки научных заключений. А это значит, что минеральная информатика может стать основой междисциплинарных проектов с минералогическим участием.

P.S. Главное, не стоит забывать, что понятие информация, это просто удобный термин для описания некоторых аспектов явлений. То, что каждый минерал в своих признаках хранит огромное количество информации, это только наши интерпретации. (замечание в скобках: выделение признака, это, по сути, выделение абстракта, которое происходит в наших мозгах – то есть, абстракт возникает в мозгах, его нет в некоем внешнем объекте/процессе)

То есть, что в минералах есть какая-то там информация, как некая самостоятельная сущность, которую можно извлечь оттуда, это иллюзия – вся эта информация возникает у нас в мозгах, как интерпретация данных (которые являются, в свою очередь, интерпретацией сигналов). Можно сказать, что данные и сигналы – это тоже интерпретация (только низкоуровневая, которую формируют воспринимающие структуры органов чувств (сигналы) и первичные аналитические структуры нервной (данные)). Ну, а смысл, это интерпретация уже более высокого уровня, якобы полученной извне, информации, которую (интерпретацию) формируют высшие аналитические структуры головного мозга.

[ArefievPV]

Альтернативные формы жизни
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436997/Alternativnye_formy_zhizni
Интервью Бориса Штерна с Михаилом Никитиным

P.S. Прокомментирую некоторые высказывания.

Как и везде в естественных науках, в отличие от математики и философии, мы тут не можем начать с того, чтобы дать строгое определение, что такое жизнь. Но пока мы находимся на Земле и рассматриваем то, что есть на Земле, мы более-менее интуитивно понимаем, что там живое, а что не живое. То есть царства растений, животных и минералов люди выделяли тысячи лет назад.

Строгое определение (при этом, определение желательно в «зрелой» форме, а не перечнем свойств/качеств) жизни дать не могут, а только «более-менее интуитивно понимают, что там живое, а что не живое», но умудряются выстраивать сложные конструкты на такой зыбкой базе…

Грубо говоря, наша интуиция (точнее, её нейрофизиологическая основа – нейросети мозга) обучается на наглядных примерах, а размножение, это наглядно, но глубинная суть при этом не видна. И здравый смысл, в этом плане, только поверхностное осмысление результатов обучения – выделение поверхностной сути («что вижу, о том и пою»).

Судя по всему, это самое «более-менее интуитивное понимание» и завело в «когнитивный тупик». В итоге саморепликация поставлена во главу угла. Ну и, так как, в основу живого поставили, так называемую, саморепликацию, то всё остальное оказалось жёстко привязанным к этой «саморепликации». И вот тут некоторые вещи начинают нестыковаться, но люди этих нарушений логики не замечают.

Характерный пример (из цитаты ниже). Сначала умудряются заражённую вирусом клетку обозвать вирусом в активной форме, и эта клетка начинает производить вирусные частицы (типа, вирусы в покоящейся стадии). Вроде основа определения живого (саморепликация живой системой самое себя) не нарушена – вирус реплицирует сам себя (типа, активная форма создаёт покоящиеся стадии). Нормально же, да? А ничего, что клетка (хоть заражённая, хоть незаражённая), это не вирус? Вот ни в какой форме или стадии клетка, это не вирус.

Репликация, это только способ сохранения своей структуры именно для таких неустойчивых химических систем, как живые системы нашего типа жизни (то есть, главное, чтобы успела сформироваться копия структуры в реплике, пока структура оригинала не разрушена (а если реплик получилось больше, то и вероятность сохранения оказывается выше)).

При этом, если смотреть глобально, то это просто соответствие (напомню: жизнь – это живая система + её среда обитания) условий среды и структур систем-образцов/оригиналов, которые среда может реплицировать. Тут: без соответствующих систем-образцов/оригиналов не будет реплик – не с чего делать копии), а без соответствующих условий среды не будет репликации – такие системы-образцов/оригиналы данная среда не будет реплицировать (возможно, системы с другой структурой будет, но вот эти не будет).

Некоторую сложность доставляли вирусы, но тут я могу сказать, что вирусы, конечно же, живые, хотя бы потому, что кафедра вирусологии находится на биологическом факультете, а не на химическом и не на геологическом. Вирусы способны к размножению, также, как и все другие живые существа, просто те формы вирусной частицы, которые кристаллизуются и более упорядочены, чем живые клетки, — это их покоящаяся стадия. А активная форма жизни вируса — это вироклетка, зараженная клетка, которая производит новые вирусные частицы. Она со всей очевидностью живая — это размножающаяся форма живого организма, вируса.

Аргумент, что «вирусы, конечно же, живые, хотя бы потому, что кафедра вирусологии находится на биологическом факультете» – это шутка, наверное.

Обозвать заражённую вирусом живую клетку вирусом в активной форме для того, чтобы наделить «живостью» вирус – это какое-то жонглирование понятиями…

На самом деле, это вынужденная мера, дабы не порушить основу определения живого – так называемую, саморепликацию. «Закрывать глаза» на то, что именно клетка создаёт реплики вируса, а не сам вирус создаёт собственные реплики – то есть, в данном случае живая клетка является средой, реплицирующей вирус, а вирус является только образцом/оригиналом для репликации – наверное, вера диктует…

И да, живая система может находиться в двух фазах (и эти фазы достаточно легко выявляются) – в активной, и в пассивной. Но изначально (в момент возникновения живых систем) чёткого разделения фаз не было, оформились/обособились  фазы в результате эволюции, как адаптации для выживания. Это ещё и к вопросу «что первично, курица или яйцо» (на базовом уровне, разумеется) – типа, какая из фаз была первичной.

Потому что жизнь довольно четко отличается от неживой материи на Земле по способности к дарвиновской эволюции, по способности к неограниченной наследуемой изменчивости. Так, живые организмы производят свои копии, копии эти не являются точными — они все-таки немножко отличаются от родителей, — изменения этих копий наследуются следующими поколениями (это не одна ошибка, которая будет исправлена в следующем поколении, это наследуемое изменение), а разница между этими копиями влияет на их дальнейшее размножение. Существует отбор. Какие-то потомки с какими-то вариациями размножаются лучше, другие потомки с другими вариациями размножаются хуже и в конце концов могут исчезнуть из популяции.

Не организмы производят собственные копии, а среда производит копии организмов (организмы играют только роль образцов/оригиналов для копирования). При этом не следует забывать, что и среда, и образец, это вещи относительные – например, для молекулы ДНК/РНК, это внутриклеточная среда, а для клетки это уже внеклеточная среда, но в пределах колонии, такни, органа и т.д.

Вот здесь описана аналогия с копировальным аппаратом и упоминание о том, что репликация это только способ сохранения:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg234446.html#msg234446

Здесь чуток подробнее поясняю:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,8969.msg238885.html#msg238885

Здесь попытался обозначить связь между механизмом сознания, субъектностью, механизмом самосохранения, сутью возникновения автономности живых систем:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9297.msg233720.html#msg233720

Здесь попытался расписать сценарии возникновения основ живого:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg265926.html#msg265926
https://paleoforum.ru/index.php/topic,10211.msg267052.html#msg267052

Дарвиновский естественный отбор — это очень важный процесс. Более того, он входит в рабочее определение астробиологической программы NASA. Там определение очень короткое: «Жизнь — это химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Но какой должен быть материальный субстрат, чтобы поддерживать дарвиновскую эволюцию? Он, строго говоря, не обязан быть химическим.

«Химическая жизнь», к которой принадлежит и наш тип жизни (атомно-молекулярная форма жизни на основе соединений углерода и воды), это только частный случай жизни.

Как уже говорил, в основе живого лежит стремление к самосохранению. Возникает таковое стремление как нарушение гомеостаза. Ну, а любой гомеостаз (любого уровня) системы всегда сводится к некоей совокупности замкнутых/закольцованных процессов внутри системы (и/или замкнутых/закольцованных процессов на этом уровне).

То есть, гомеостаз системы, если совсем уж упрощать (предельно простая система, единственный замкнутый/закольцованный процесс и т.д.), сводится к процессу, который воспроизводится раз за разом внутри системы.

Сразу уточняю – этот процесс возникает и поддерживается взаимодействиями элементов системы между собой (разумеется, часть элементов системы взаимодействует и с внешней средой – система должна быть открытой) – то есть, даже для этого процесса причины его возникновения и существования – внешние. И вообще, любая сущность возникает и существует благодаря внешним причинам (утрируя можно сказать, что «при взаимодействии двух возникает третье»).

При нарушении (например, при внешнем воздействии на систему) этого процесса, как раз и возникает направленный потенциал (процесс обладает инерцией и, как бы, стремиться продолжить «крутиться»).

Здесь приведена цепочка рассуждений, как я пришёл к тому, что следует положить в основу определения жизни:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg234477.html#msg234477

Здесь скучковал основные определения:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9297.msg267302.html#msg267302

Здесь скучковал критерии (в том числе, и «при взаимодействии двух возникает третье»):
https://paleoforum.ru/index.php/topic,12369.msg258384.html#msg258384

[ArefievPV]

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 280: «повелитель» эпигенетических часов нейронов
https://neuronovosti.ru/nejronauki-v-science-i-nature-vypusk-280-povelitel-epigeneticheskih-chasov-nejronov/
Ученые из Мемориального онкологического центра Слоана-Кеттеринга в Нью-Йорке нашли способ «взломать» внутренние часы клеток. Точнее, они смогли преодолеть эпигенетический барьер, который регулирует зрелость нейронов. Но таким способом можно будет повлиять и на другие клетки — например, бета-клетки поджелудочной железы. Результаты опубликовали в журналах Nature и Nature Biotechnology.

Созревание и старение клеток регулируется  эпигенетически. Последовательность ДНК не меняется, но меняется экспрессия генов — например, блокируется или снижается. В своем исследовании ученые проанализировали, какие биоактивные молекулы влияют на экспрессию генов, стимулируют или ингибируют ее. По итогам анализа они создали комбинацию из четырех компонентов, стимулирующих созревание нейронов.

Получившийся медиаторный коктейль назвали GENtoniK. Примечательно, что это не смесь факторов роста или иных естественных медиаторов – это комбинация низкомолекулярных соединений. Смесь подавляет эпигенетические факторы, замедляющие созревание клеток, и стимулирует факторы, способствующие этому процессу. В результате созревание происходит быстрее и/или не замедляется со временем.

В рамках исследования авторы провели ряд экспериментов на клеточных культурах. Исследователи использовали GENtoniK для ускорения зрелости кортикальных нейронов и спинальных моторных нейронов. В дальнейших исследованиях оказалось, что данная смесь стимулирует развитие других типов клеток, включая меланоциты и панкреатические бета-клетки.

Эксперимент с кортикальными нейронами показал, что GENtoniK ускоряет процесс созревания. А значит, может стимулировать кортикальный нейрогенез, нарушенный в случае некоторых заболеваний — аутизма, например. Спинальные моторные нейроны «созрели» быстрее контрольной группы клеток, которая содержалась в стандартных условиях. Восстановление спинномозговых нервных волокон очень обнадеживает: возможно, получится приблизиться к реабилитации пациентов с травмами спинного мозга, которые пока имеют мало возможностей вернуться к нормальной двигательной активности.

Создание GENtoniK представляет собой значительный прорыв в стимуляции созревания клеток. Этот метод может быть полезен для моделирования различных медицинских состояний, включая расстройства, связанные со снижением синаптической связности, такие как аутизм. Однако, для создания моделей нейродегенеративных заболеваний требуется дальнейшее исследование процессов созревания и, главное, старения нейронов.

Авторы отмечают, что их средство не только помогает быстрее довести нейроны до взрослого состояния, но может оказать такое же влияние на бета-клетки поджелудочной железы. Возможно, это станет предметом исследований в области диабета.

[ArefievPV]

Удоды кормят птенцов птенцами
https://www.nkj.ru/news/50075/
Во время размножения самки удодов выводят лишних птенцов, пуская их потом на корм братьям и сёстрам.

В дикой природе нет запрета на убийство себе подобных, и мы сейчас говорим не о каких-нибудь пауках, а о зверях и птицах. И это не только убийства в борьбе за территорию, за брачного партнёра и за пищу. Нередко бывает, что истребляют друг друга вполне близкие родственники. У многих видов птиц, например, друг друга убивают птенцы в гнезде, то есть имеют место в прямом смысле братоубийственные события, и причина обычно та же – ограниченные ресурсы: родители не всегда способны выкормит всех, кого произвели на свет.

Раз речь о еде, то, наверно, разумно было бы съесть того, кого ты убил, однако поедание погибшего брата или сестры встречается уже довольно редко (по крайней мере, среди птиц), и обычно так поступают с тем, кто погиб от каких-то других причин, а не от братско-сестринских рук, точнее, лап и клюва. Но тут есть выдающееся исключение – удод. Сотрудники Университета Гранады и испанского Высшего совета по научным исследованиям, долгое время изучавшие удодов, в какой-то момент заметили, что удодихи систематически кормят старших птенцов младшими. Возникла идея, что самки удодов специально откладывают лишние яйца, чтобы потом обеспечить часто птенцов едой.

Чтобы проверить это, исследователи поставили эксперимент с удодами в их естественной среде обитания. Когда самки начинали откладывать яйца, часть гнёзд снабжали дополнительными сверчками – у гнезда оставляли двадцать пять мёртвых сверчков в день, и так до завершения кладки. Другие гнёзда оставались без дополнительных сверчков со стороны. За кладками яиц наблюдали, тщательно отслеживая сроки появления птенцов. Птенцы вылуплялись в разное время, кто-то раньше, кто-то позже, и в некоторые гнёзда перед появлением на свет самого последнего птенца специально подкладывали ещё одно яйцо из другого гнезда. Это делали для того, чтобы птенец, который должен был оказаться самым младшим, получил ещё более младшего брата или сестру.

Самки удодов, которые получали дополнительных сверчков, откладывали в среднем на одно яйцо больше, что понятно – у них на него было больше ресурсов. В то же время, как говорится в статье в The American Naturalist, в таких гнёздах самого младшего птенца намного чаще скармливали старшим. В тех гнёздах, куда искусственно подкладывали самое «младшее» яйцо, птенец из него всегда оказывался съеденным – но съедали и того, который следовал за ним по старшинству и который для других был настоящим братом или сестрой. В гнёздах, откуда яйца забирали, поедание птенцов было редкостью. Однако там, где каннибализм имел место, он шёл семье на пользу: в таких гнёздах оперившихся птенцов оказывалось на одного–двух больше.

Избыток пищи во время кладки побуждал удодих откладывать больше яиц, но последние яйца, которые они откладывали, изначально были пищевыми – птенец, который выходил из такого яйца, неизбежно шёл на убой. Самки явно сразу знали, сколько птенцов они должны выкормить, и если в гнезде волею экспериментаторов появлялся лишний птенец, он тоже шёл на корм.

Вообще, если говорить о семейном каннибализме, то он проявляется как между детёнышами, так и у родителей в отношении детёнышей. Нельзя сказать, что это какая-то дикая аномалия: животные съедают часть собственного потомства, чтобы дать остальным шанс выжить, и с эволюционной точки зрения родительский каннибализм вполне выгоден. В случае удодов, впрочем, всё сложнее: у них происходит не спонтанное поедание птенцов друг другом, и не поедание птенцов взрослыми птицами – у них взрослые, сообразуясь с условиями среды, с самого начала планируют, что часть потомства пойдёт на корм. Нечто похожее наблюдают у муравьёв, божьих коровок и тигровых песчаных акул. Но для птиц всё же характерно совершенно особое поведение, связанное с птенцами. Тем не менее, у удодов к общептичьей заботе о потомстве добавился вот такой странный довесок в виде организованного каннибализма. Вполне возможно, что нечто подобное происходит и у других птиц, просто мы этого ещё не знаем – дикая природа, как известно, многообразна.

[ArefievPV]

Дробышевский. Эволюция зрения

Антрополог Станислав Дробышевский – про эволюцию зрения и способы восприятия мира у разных животных:
 
00:00 – смотреть и видеть – разные вещи.
05:26 – видеть по запаху.
13:06 – видеть на ощупь.
17:09 – видеть на слух.
21:52 – растения тоже видят.
23:46 – фоторецепция у простейших.
25:04 – строение глаза.
28:19 – цвет глаз у приматов и человека.
31:58 – зачем нужна бинокулярность.
36:44 – как видят дети.
39:17 – глаза моллюсков – наглядная эволюция.
43:20 – глаза насекомых.
45:40 – странные глаза.
50:10 – глаза рыбы.
53:03 – третий теменной глаз.
01:00:18 – форма зрачка у кошек и коз.
01:04:31 – ночное зрение – починить тапетум.
01:06:59 – долгопят: глаза больше, чем мозг.
01:09:39 – цветное зрение и дальтонизм.
01:17:17 – невидимый олененок.
01:18:40 – глаза богомола плюс наш мозг: генный инжиниринг.
01:21:14 – вопросы: мы видим вверх ногами?
01:23:14 – каким станет зрение через века.
01:25:12 – откуда берется дальнозоркость.
01:26:22 – феномен зрения растений – дело в хлорофилле?
01:28:04 – искусственный свет не заменяет солнце.
01:29:05 – причины галлюцинаций.
01:31:24 – рабочая частота человека и летучих мышей.
01:32:45 – влияние близорукости на будущие социальные роли.
01:34:11 – почему в сумерках хуже всего видно.
01:35:17 – фишка иллюзий на картинках
01:36:53 – влияет ли цвет радужки на зрение
01:38:11–  зачем стрекозам такой большой обзор
01:39:51 – как козы скачут по вертикали, если зрачок горизонтальный
01:40:39 – молотком по колену – и отключилось цветное зрение
01:42:08 – загадка зрения неандертальцев
01:44:00 – лучший вопрос.

[ArefievPV]

Чудо бессмертия. Как природа придумала вечное омоложение

Иногда говорят, что рождение — чудо. С точки зрения биологии этот тезис справедлив как никогда: два взрослых организма каким-то образом создают новый, возраст которого «обнулен». Но и это еще не все: каждая клетка нашего организма прослеживает свой путь на миллиарды лет в прошлое, к первым клеткам, потомки которых функционируют и делятся до сих пор. Живут в нас, доказывая, что жизнь умеет побеждать возрастающую энтропию, превращающую в хаос порядок.

Но для чуда омоложения, оказывается, не нужно ни размножение, ни половой процесс. Активацией всего нескольких генов можно превратить почти любую клетку взрослого организма в эмбриональную. Это значит, что даже старая клетка содержит в себе всю необходимую информацию, чтобы стать молодой.

За открытие омолаживающих клетку генов, названных факторами Яманаки, в 2012 году дали Нобелевскую Премию. С тех пор с их помощью научились обращать вспять старение, если не целых организмов, то отдельных органов. Например, так вернули зрение мышам с глаукомой.

В новом видео мы обсудим, как именно устроено «чудо омоложение» и какие секреты долголетия мы узнали, изучая эмбрионы и способы их создания.

00:00:00 – Чудо рождения.
00:01:17 – Может ли живой организм воспроизвести самого себя?
00:04:15 – Реклама.
00:06:53 – Предел деления клетки.
00:09:14 – Как теломераза борется со старением?
00:18:38 – Эпигенетический откат.
00:23:49 – Клеточный клининг.
00:29:28 – Чем опасны для нас испорченные митохондрии?
00:33:27 – Как быть с мутациями в ДНК?

[ArefievPV]

Эволюция рибозимов, размножаемых рибозимами: еще один шаг к воссозданию РНК-жизни в пробирке
https://elementy.ru/novosti_nauki/434208/Evolyutsiya_ribozimov_razmnozhaemykh_ribozimami_eshche_odin_shag_k_vossozdaniyu_RNK_zhizni_v_probirke

Одним из важнейших этапов развития РНК-жизни было появление рибозимов-полимераз (молекул РНК, размножающих молекулы РНК), достаточно точных, чтобы полезная наследственная информация не терялась, а накапливалась в ряду поколений. До сих пор экспериментаторам не удавалось получить столь точные рибозимы-полимеразы. Американским ученым удалось это сделать при помощи нового метода искусственной эволюции. Новый рибозим-полимераза размножает простейшие рибозимы с такой точностью, что наследственная информация не деградирует в ряду поколений. Вместо этого происходит накопление полезных мутаций и рост «приспособленности» размножаемых молекул, то есть настоящая дарвиновская эволюция в пробирке без участия белковых ферментов. Это важный шаг к воссозданию РНК-жизни в лабораторных условиях. Следующей задачей является получение рибозимов-полимераз с таким уровнем точности, который позволил бы им обеспечить эволюцию более крупных рибозимов, в том числе самих себя.

точность репликации все еще недостаточна для того, чтобы обеспечить адаптивную эволюцию самих рибозимов-полимераз. Длина полимеразы 71-89 составляет 182 нуклеотида. Чтобы преодолеть порог Эйгена в условиях, близких к тем, что использовались в обсуждаемой работе, частота мутирования U, вероятно, не должна превышать трех мутаций на геном за поколение (при размножении HHR полимеразой 71-89 величина U составляет 2,94). Если речь идет о размножении 182-нуклеотидного рибозима (это длина полимеразы 71-89), то для U = 3 нужна точность репликации 98,4%. Это намного больше, чем у полимеразы 71-89 (89,1%). Но авторы полны оптимизма. Ведь им удалось за 18 раундов отбора повысить точность полимеразы от 81,4% до 89,1%. Тем самым они опровергли высказывавшееся предположение, что искусственные рибозимы-полимеразы уже достигли предела совершенства, и дальше улучшать их не получится.

Источник: Nikolaos Papastavrou, David P. Horning, Gerald F. Joyce. RNA-catalyzed evolution of catalytic RNA // PNAS. 2024. DOI: 10.1073/pnas.2321592121.(https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321592121)

[ArefievPV]

Белковый фрактал
https://www.nkj.ru/news/50191/
Один из ферментов цианобактерий складывается в самоподобные пространственные структуры.

Цитратсинтаза Synechococcus elongatus, складывающаяся в над молекулярный фрактал. (Иллюстрация MPI f. Terrestrial Microbiology)

Фракталами называют объекты со свойством самоподобия: объект в целом имеет ту же форму, что и его часть, а часть – ту же форму, что ещё более мелкая часть, и так далее, и так далее. Вообще говоря, фракталы изначально – математические структуры, и математики описывают их как множества с особыми свойствами, и изобразить наглядно эти множества даже не всегда возможно. Но когда разглядываешь нарисованные фракталы, о математике не задумываешься – они сами по себе весьма эффектно выглядят. Фрактальные элементы используют в изобразительных искусствах с давних времён, когда ещё ни о какой фрактальной математике и речи не шло.

Есть ли фракталы в природе? Есть – это снежинки, морские звёзды, кочаны капусты романеско и др. Только фракталами их можно называть с оговорками, а лучше говорить о квазифракталах: фрактальные мотивы повторяются в природных объектах не полностью и не точно. Собственно, на определённом малом масштабе фрактальность исчезает – что у снежинок, что у капусты; никакого самоподобия части и целого там уже нет. На молекулярном уровне никто никаких фракталов никогда не видел. Но теперь тут тоже нужны оговорки: только что в Nature вышла статья с описанием фрактальной структуры, которую образует цитратсинтаза цианобактерии Synechococcus elongatus.

Цитратсинтаза – очень распространённый фермент в живом мире, она катализирует одну из реакций цикла Кребса. Естественно, у разных живых организмов цитратсинтазы будут со своими особенностями. Когда сотрудники Института наземной микробиологии Общества Макса Планка и их коллеги из Университета Марбурга посмотрели на фермент от S. elongatus в электронный микроскоп, они увидели, что молекулы фермента сложились в треугольник Серпинского. Так называют один из фракталов, складывающийся, как можно догадаться, из множества равносторонних треугольников и треугольничков.

Множество белков способны самоорганизовываться в надмолекулярные структуры, но обычно, когда одна молекула белка взаимодействует с другой молекулой того же самого белка, они взаимодействуют одинаковым образом. В случае с цианобактериальной цитратсинтазой её молекулы взаимодействуют друг с другом немного по-разному в зависимости от положения в пространственной структуре; эти особенности во взаимодействиях заставляют структуру расти по-фрактальному. На молекулярном уровне, повторим, такого пока ещё не видели.

Любопытно, что самой цианобактерии ни жарко, ни холодно оттого, что её фермент склонен строить фракталы. Бактерий модифицировали так, чтобы их цитратсинтаза не могла складываться во фракталы – такие модифицированные бактерии росли так же хорошо, как и бактерии без модификаций. Смоделировав эволюцию фрактального белка, исследователи показали, что это свойство могло возникнуть в результате очень небольшого числа мутаций, а потом могло очень легко исчезнуть с новыми мутационными изменениями. Судя по строению разных цитратсинтаз, они становились фракталообразующими у нескольких линий цианобактерий, но сохранилось это свойство только у одного вида. При всей математической сложности такой структуры, с молекулярно-биологической точки зрения она оказалась довольно простой: фрактальные свойства фермента цитратсинтазы появлялись без особой нужды, просто потому, что фермент их мог легко приобрести, ничего не потеряв. Правда, не каждый белок способен на такие эволюционные кульбиты.

[ArefievPV]

Морские водоросли ловят азот из воздуха
https://www.nkj.ru/news/50215/
Азотфиксирующая бактерия, поселившись в водорослях, со временем стала внутриклеточной органеллой, связывающей атмосферный азот.

Азот нужен всем живым организмам – в конце концов, без него не будет ни аминокислот, ни азотистых оснований, составляющих генетический алфавит. Больше всего азота в воздухе (78%), однако молекула газообразного азота N₂ очень прочная, вовлечь её в биохимические реакции чрезвычайно трудно. Такие умения есть только у бактерий и архей, и то далеко не у всех. Азотфиксирующие бактерии и археи утилизируют атмосферный азот с помощью целой серии ферментов, причём им нужно одновременно заботиться о том, чтобы не подпускать к этим ферментам кислород – О₂ заблокирует азотфиксирующие процессы.

Что до эукариот, то никто из них – ни растения, ни животные, ни грибы, никто – брать азот из воздуха не может. Им приходится использовать уже готовые органические соединения с азотом, которые прежде принадлежали кому-то живому. Впрочем, некоторые растения сумели наладить симбиоз с азотфиксирующими бактериями, поселив их в корневых клубеньках. Это, в первую очередь, представители семейства Бобовых, но также и некоторые из Крушиновых, Восковницевых и ещё из некоторых семейств. Растения с клубеньковыми бактериями используют пойманный азот для своих нужд, но когда растение погибает, много зафиксированного азота выходит в почву, обогащая её.

Впрочем, насчёт того, что никто из эукариот не может сам фиксировать азот, нужно сделать одну оговорку: в недавней статье в Science сотрудники Калифорнийского университета в Санта-Круз пишут, что это умеет делать одноклеточная морская водоросль Braarudosphaera bigelowii. О том, что она фиксирует азот, писали ещё лет десять назад. Но тогда считалось, что в ней живут бактерии-симбионты: бактерии получают от водоросли углеродные соединения, отдавая ей связанный азот в виде ионов аммония. Однако со временем исследователи заподозрили, что бактерии внутри водоросли – не самостоятельные клетки, а органеллы, вроде митохондрий или хлоропластов.

Когда-то, впрочем, органеллы были бактериями. В них до сих пор есть своя ДНК, подобно тому, как своя ДНК есть у митохондрий и хлоропластов. Генетические исследования говорят о том, что эндосимбиоз между азотфиксирующими бактериями и водорослями начался около 100 млн лет назад. Точнее, надо говорить о предках бактерий и водорослей, потому что вряд ли они за эти миллионы лет остались такими же, как были. Кстати, считается, что похожим образом появились эукариоты: в ещё более древние времена какие-то бактерии и археи решили жить вместе, то есть один внутри другого, вступив в эндосимбиотические отношения; эндосимбионт потом превратился в митохондрию. (Со временем клетки древних эукариот приобрели ещё одного бактериального эндосимбионта, на этот раз способного к фотосинтезу – он, как можно догадаться, дал начало хлоропластам.)

Однако в случае водоросли B. bigelowii возникает вопрос, действительно ли её бактерия-симбионт превратилась в органеллу. Если мы имеем дело с органеллой, то она подчиняется клеточному циклу, то есть когда водоросль делится, число органелл должно предварительно увеличиться, чтобы их получили водоросли следующего поколения. У B. bigelowii всё так и происходит: её азотные органеллы, названные нитропластами, делятся в точности перед клеточным делением, тогда же, когда делятся митохондрии с хлоропластами. Кроме того, настоящая клеточная органелла несамостоятельна в смысле молекулярного хозяйства, ей нужны белки, которые ей даёт клетка. И тут тоже оказалось, что у нитропластов не хватает белков для обмена веществ – эти белки кодируются ядерной ДНК водоросли, и водорослевая клетка, синтезировав их, отдаёт их нитропластам.

Стоит ещё раз уточнить, что саму по себе водоросль B. bigelowii описали очень давно, да и азотфиксирующие свойства её начали изучать не вчера. Сейчас исследователи выясняли, что именно представляют собой азотфиксирующие установки-нитропласты внутри неё, насколько сильно они интегрированы в водорослевую клетку, считать ли эти установки всё ещё самостоятельными бактериями или уже органеллами. Оказалось, что нитропласты действительно органеллы, а не бактерии-симбионты, и про B. bigelowii можно говорить, что азот она ловит сама. Может быть, генетические уловки, позволившие стать ей первым эукариотическим поедателем атмосферного азота, можно пересадить другим водорослям или даже высшим растениям – но это уже предмет дальнейших биотехнологических экспериментов.

[ArefievPV]

«Многоклеточные» бактерии повышают разнообразие защитных белков при помощи ретротранспозонов
https://elementy.ru/novosti_nauki/434217/Mnogokletochnye_bakterii_povyshayut_raznoobrazie_zashchitnykh_belkov_pri_pomoshchi_retrotranspozonov

Некоторые бактерии живут в составе многоклеточных конгломератов, составленных из однотипных клеток (к настоящей многоклеточности это, впрочем, имеет мало отношения). Такие бактерии нуждаются в эффективных и адаптивных средствах защиты от своих главных врагов — вирусов. В недавней статье описан интересный способ, которым «многоклеточные» бактерии Thiohalocapsa sp. добиваются большой вариабельности в белках — сенсорах патогенов. Основу этой системы составляют особые ретротранспозоны, которые, внедряясь в гены-мишени, кодирующие сенсорные белки, привносят туда участки ДНК с повышенной частотой мутаций. Таким образом существенно повышается разнообразие таких белков в рамках колонии бактерий, а значит, увеличивается способность противостоять различным угрозам.

Иногда на североамериканских солончаках можно увидеть скопления небольших шариков розово-малинового цвета, напоминающих ягоды. Это колонии «многоклеточной» пурпурной серной бактерии Thiohalocapsa sp. (см. также Purple sulfur bacteria). Разумеется, «ягоды» тиогалокапсы не имеют никакого отношения к истинно многоклеточным организмам, поскольку клетки в них не делятся на функциональные типы, выполняющие специализированные задачи. Они состоят из однотипных бактериальных клеток, «склеенных» друг с другом за счет белков адгезии (см. Exopolymer). Мы для краткости будем называть тиогалокапсу «многоклеточной» бактерией.

Жизнь в составе многоклеточного конгломерата, наряду с определенными выгодами, таит немало опасностей. В частности, такие бактерии особо уязвимы перед бактериофагами — вирусами, специализирующимися на заражении бактериальных клеток. В отсутствие эффективных защитных механизмов даже одна зараженная клетка может стать причиной гибели всей колонии: новые вирионы сразу же могут поражать новые клетки.

В ходе эволюции «многоклеточные» бактерии обзавелись защитой. В частности, в их геномах закодировано много белков-сенсоров антигенов, напоминающих аналогичные белки врожденной иммунной системы животных, причем наличие таких белков является прерогативой практически исключительно «многоклеточных» бактерий. Но в микромире, где идет постоянная эволюционная гонка вооружений между бактериями и вирусами, важно не только иметь защитную систему, но и уметь постоянно ее модифицировать, чтобы поспевать за своими «врагами». Другими словами, бактериям нужна вариабельность белков-сенсоров антигенов.

В недавней статье, опубликованной в журнале PNAS, описан новый механизм, при помощи которого тиогалокапса, судя по всему, добивается повышения вариабельности своих белков.

Обсуждаемая работа наглядно демонстрирует, что мы сильно недооцениваем возможности бактерий. Авторы осторожно предполагают, что «многоклеточные» бактерии могут обладать неким подобием врожденного иммунитета, но до уверенности в этом вопросе предстоит еще много исследований.

[ArefievPV]

Дифирамб молекулярной филогении. Мир устроен как укроп или как рябина?
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437079/Difiramb_molekulyarnoy_filogenii_Mir_ustroen_kak_ukrop_ili_kak_ryabina
Интервью Надежды Маркиной с Михаилом Гельфандом
P.S. Много интересных моментов (правда, очень кратко) затрагивается. Думаю, что статья будет полезна для неспециалистов, интересующихся эволюцией (для них некоторая информация может оказаться новой и даже противоречащей тому, что они изучали в школе).

[ArefievPV]

Описан необычный случай гибридного видообразования у бабочек
https://elementy.ru/novosti_nauki/434228/Opisan_neobychnyy_sluchay_gibridnogo_vidoobrazovaniya_u_babochek

Межвидовая гибридизация иногда приводит к появлению новых видов не только у растений, но и у животных. Генетические основы этого процесса изучены слабо. Анализ геномов южноамериканских бабочек показал, что вид Heliconius elevatus возник 180 тысяч лет назад в результате гибридизации H. pardalinus и H. melpomene.

Гибридный вид унаследовал от первого родительского вида 99% генома, а от второго лишь 1%, однако в этом одном проценте сконцентрированы важные гены, связанные с экологической специализацией, окраской крыльев, выбором брачного партнера и репродуктивной изоляцией. Гибридный вид продолжает обмениваться генами с H. pardalinus, но не сливается с ним, по-видимому, благодаря отбору, который отсеивает особей с неполным комплектом признаков, унаследованных от H. melpomene.

Ранее предполагалось, что отбор может справиться с такой задачей, только если ключевые гены собраны в небольшое число кластеров («островков видообразования») и защищены от рекомбинации инверсиями. Но у H. elevatus островков видообразования много, а инверсий нет. Исследование показало, что возможные сценарии симпатрического видообразования более разнообразны, чем считалось.

Рис. 1. Генеалогия гибридного вида Heliconius elevatus. Горизонтальными стрелками показан привнос генов в результате межвидовой гибридизации. Вид H. elevatus сформировался в результате скрещивания H. pardalinus с H. melpomene. Имея всего 1% генов H. melpomene и 99% генов H. pardalinus, гибридный вид продолжает обмениваться генами с H. pardalinus, но не сливается с ним. Рисунок из обсуждаемой статьи

Источник: Neil Rosser, Fernando Seixas, Lucie M. Queste, Bruna Cama, Ronald Mori-Pezo, Dmytro Kryvokhyzha, Michaela Nelson, Rachel Waite-Hudson, Matt Goringe, Mauro Costa, Marianne Elias, Clarisse Mendes leres de Figueiredo, André Victor Lucci Freitas, Mathieu Joron, Krzysztof Kozak, Gerardo Lamas, Ananda R. P. Martins, W. Owen McMillan, Jonathan Ready, Nicol Rueda-Muñoz, Camilo Salazar, Patricio Salazar, Stefan Schulz, Leila T. Shirai, Karina L. Silva-Brandão, James Mallet & Kanchon K. Dasmahapatra. Hybrid speciation driven by multilocus introgression of ecological traits // Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07263-w.

[ArefievPV]

Чемпион по геному
https://www.nkj.ru/news/50396/
В геноме папоротника Tmesipteris oblanceolate насчитали 160 миллиардов генетических букв.

Папоротник Tmesipteris oblanceolate растёт в тропических лесах островов Новой Каледонии, Новой Зеландии и некоторых других. Это невысокое, невзрачное растение, у которого даже нет собственных корней и листьев. Его листья – уплощённые, видоизменённые стебельки-веточки, ответвляющиеся от главного стебля. Не имея корней, T. oblanceolate опирается на корневища мощных древовидных папоротников. То есть он представляет собой эпифит – растение, растущее на другом растении, но без паразитизма; влагу наземные эпифиты получают из воздуха и осадков.

Тем не менее, несмотря на всю свою простоту, T. oblanceolate оказался обладателем самого большого генома среди живых существ – больше 160 млрд генетических букв. Как мы знаем, ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят четыре разных азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин, цитозин – А, Т, G, С. Они составляют генетический алфавит, их чередование кодирует всю генетическую информацию. Поскольку ДНК образуют две взаимно комплементарные цепи, то обычно говорят не просто о буквах-основаниях, а об их парах, то есть геном T. oblanceolate состоит более чем из 160 млрд пар оснований. Обнаружили это сотрудники Института ботаники в Барселоне вместе с коллегами из Королевских ботанических садов и других научных центров; результаты исследований они опубликовали в iScience.

Предыдущий рекорд принадлежал другому растению – пиерису японскому, в геноме которого около 149 млрд пар букв. Среди животных самый большой геном у рыбы мраморного протоптера – около 130 млрд пар букв. В человеческой ДНК около 3 млрд. Эти цифры ещё раз демонстрируют давно известный факт, что сложность и объём генома не обязательно совпадают со сложностью организма: обнаружить какие-то невероятные хитрости в анатомии и физиологии скромного эпифита T. oblanceolate при всём желании довольно сложно.

Каким образом T. oblanceolate обзавёлся таким большим геномом, пока неясно. Тут нужно уточнить, что его ДНК изучали не секвенированием (чтением) по буквам, то есть последовательность его генома мы не знаем. Тут были задействованы другие методы, которые позволяют оценить количество генетических букв по физико-химическим параметрам совокупной ДНК клеточного ядра. И если говорить о секвенировании, то пока что самый большой геном, который удалось прочитать, это 90-миллиардный геном омелы белой. Чисто химически разобрать всю ДНК такого объёма на буквы можно – вся она разбивается на фрагменты, которые потом прочитываются. Но потом прочитанные фрагменты нужно правильно соединить друг с другом, и тут начинается работа по перебору и состыковке начитанных коротких последовательностей. Сейчас просто нет достаточных вычислительных мощностей, которые позволили ли бы собрать геном объёмом в 160 млрд букв.

Есть два вполне правдоподобных предположения, каким образом геном T. oblanceolate так разросся. Во-первых, это могло произойти из-за удвоения всех хромосом целиком, то, что называется полиплоидизацией. Растения в целом переносят полиплоидизацию хорошо, и геномы у них часто меняются именно таким образом, открывая новые эволюционные пути. Во-вторых, у T. oblanceolate могли многократно удваиваться какие-то участки ДНК внутри отдельных хромосом. Но и удвоенные хромосомы, и удвоенные участки внутри хромосом не обязательно оборачиваются каким-то преимуществом. Удвоенный материал вполне мог остаться просто генетическим мусором – большой геном вовсе не означает, что в нём закодировано больше белков и что в нём вообще больше полезной с биологической точки зрения информации.

Но вне зависимости от количества мусора и полезной информации, большой геном многого требует. До сих пор считалось, что вышеупомянутый пиерис японский демонстрирует предельный объём генома, который может обслуживать эукариотическая клетка. Теперь оказалось, что возможности клеток в этом смысле мы недооцениваем, однако всё равно остаётся вопрос, как папоротнику T. oblanceolate удаётся совладать с собственным геномом. ДНК требует ресурсов, хотя бы в смысле размножения: делящаяся клетка должна всю её удвоить, а на это нужны материалы и энергия, и чем больше геном, тем больше нужно того и другого. Кроме того, ДНК нужно упаковывать, ей нужно белковое сопровождение, что опять же требует ресурсов.

Впрочем, если организм существует в стабильной среде, где никаких сюрпризов не случается, он может позволить себе тратить много сил на подобные цели. Вероятно, папоротнику T. oblanceolate от такого большого генома просто ни холодно, ни жарко. Молекулярные эксцессы увеличивали количество ДНК в его клетках, но условия жизни (факторы среды) не требовали ни усложнения организма, ни оптимизации разросшегося энергозатратного генома.

[ArefievPV]

Обезьяньи различия половых хромосом
https://www.nkj.ru/news/50384/
Y-хромосомы человекообразных обезьян сильно отличаются повторами и палиндромами, которые помогают «игреку» оставаться в рабочем состоянии.

До последнего времени в человеческом геноме сохранялись довольно крупные непрочитанные куски. Мы рассказывали, почему эти белые пятна так долго оставались незакрытыми: главная причина была в том, что некоторые последовательности ДНК трудно точно прочесть, а потом трудно правильно встроить в целый геном. Многие непрочитанные куски принадлежали Х- и Y-хромосоме. И вот сейчас, с развитием научных методов, непрочитанное удалось прочитать.

Но раз теперь мы можем читать прежде трудночитаемое, значит, можно обратить внимание на соответствующие геномные куски наших ближайших родственников, то бишь человекообразных обезьян. Эту работу проделали множество исследователей из разных научных центров; были среди них и сотрудники Высшей школы экономики и Института молекулярной генетики РАН. В статье в Nature они сравнивают половые хромосомы двух видов шимпанзе, обыкновенного и карликового (бонобо), двух видов орангутанов, калимантанского и суматранского, и гориллы. Кроме того, исследователи также прочитали половые хромосомы сиаманга, который относится к гиббоновым обезьянам. Гиббоновых иногда называют малыми человекообразными: они близки к человеку, но не так сильно, как «главные» человекообразные.

Если сравнивать между видами, то «игрек» выглядит намного разнообразнее «икса», в том числе и по своим размерам. «Икс» варьирует от 154 млн букв (то есть четырёх видов нуклеотидов, которые образуют ДНК) у человека и шимпанзе до 178 млн у гориллы. «Игрек» же варьирует от 30 млн букв у сиаманга до 68 млн у суматранского орангутана. И даже если Y-хромосомы близки по размеру, в их «тексте» всё равно будут ощутимые различия. Х-хромосомы человека и шимпанзе похожи своими последовательностями на 98%, Y-хромосомы – всего лишь на треть.

На самом деле, такой изменчивости в Y-хромосоме следовало ожидать. У всех хромосом, кроме неё, есть пары, и даже Х-хромосома может оказаться парной – в клетках особи женского пола. Парность помогает исправлять дефекты: если в одной копии хромосомы возникает мутация (например, выпадает кусок гена), вторая копия служит шаблоном, чтобы восстановить первую. «Игрек» всегда без пары, все мутации, все дефекты в нём накапливаются и накапливаются, и, собственно говоря, даже непонятно, почему Y-хромосома дожила до наших дней.

Известно, что за миллионы лет развития млекопитающих вообще и приматов в частности размер мужской половой хромосомы сильно уменьшился, что дало повод некоторым исследователям спрогнозировать полное её исчезновение в будущем. Тут можно возразить, что «игрек» несёт гены, абсолютно необходимые для формирования половых клеток, и по этим генам видно, что они подвергаются очищающему отбору – то есть из популяции исчезают все модификации, которые ухудшают работу генов. Высокая важность генов «игрека» как будто говорит о том, что исчезнуть полностью мужской половой хромосоме не суждено. Однако нельзя сказать, что в природе такого вообще не происходит. Например, на свете есть рюкийская колючая мышь, у которой вообще нет Y-хромосомы, но самцы рюкийской колючей мыши всё равно остаются самцами.

Тем не менее, даже если учесть, что бракованные модификации важных «игрековых» генов вымываются из популяции, всё равно остаётся вопрос, как им удаётся работать. Представим, что в важный ген попала мутация, которая сделала его чуть хуже. Носитель гена оставит меньше потомства, и его дефектный ген будет представлен в меньшем числе копий по всей популяции. Но «меньше» и «больше» – понятия относительные. Что, если самца с дефектом окружают самцы, у которых дефекты в «игреке» ещё более серьёзные? Тогда преимущество будет всего лишь у наименее дефектной хромосомы. А поскольку вредные мутации случаются чаще, чем полезные, легко представить, как Y-хромосома становится всё более и более нефункциональной.

Тем не менее, у генов «игрека» есть способы противостоять мутациям, и исследователи эти способы описывают. Во-первых, гены на Y-хромосоме часто присутствуют во множестве копий. При репликации (копировании) ДНК случается так, что определённый участок удваивается, причём удвоиться может целый ген и даже несколько генов. В «игреке» у приматов это происходило много раз. И теперь, даже если в одну копию гена попадёт мутация, другая копия подстрахует организм в половой функции. Потом, спустя много поколений, нормальная копия может ещё раз удвоиться, а дефектная исчезнуть.

Во-вторых, в Y-хромосомах приматов оказалось много палиндромных участков. Палиндром возникает, когда некая последовательность удваивается, но при этом встаёт рядом с оригиналом в обратном, инвертированном, палиндромальном порядке, как слова «кот–ток». Палиндромные последовательности позволяют исправлять мутации друг в друге. Таковы особенности молекулярных машин, обслуживающих ДНК: если последовательности прямые («кот – кот – кот»), то их нельзя использовать, чтобы исправить соседа, а если палиндромные, то одна последовательность служит шаблоном для исправления своей инвертированной копии. Можно сказать, что обилие палиндромов позволяет Y-хромосоме не слишком беспокоиться об отсутствии хромосомной пары.

Кстати, именно из-за обилия повторов и палиндромов человеческую Y-хромосому долго не могли прочесть полностью. Но когда прочли, оказалось, что даже у отдельных мужчин она заметно отличается как общими размерами, так и числом повторов отдельных генов: так, ген TSPY, участвующий в формировании сперматозоидов, у одного мужчины может быть в тридцати девяти копиях, а у другого, скажем, в двадцати трёх. С прочитанными половыми хромосомами человекообразных обезьян эволюция «икса» и «игрека» станет более ясной, и, возможно, у нас получится точнее предсказать не только судьбу мужского «игрека», но и узнать возможные – и пока что неизвестные – причины бесплодия, как мужского, так и женского.

[ArefievPV]

Определены группы генов, ассоциированные с многоклеточностью у водорослей
https://elementy.ru/novosti_nauki/434229/Opredeleny_gruppy_genov_assotsiirovannye_s_mnogokletochnostyu_u_vodorosley
Международная группа ученых прочла более сотни новых геномов водорослей. Эти данные позволили провести тотальную «перепись» генов, давших разным группам водорослей возможность стать многоклеточными. Как выяснилось, у зеленых водорослей уже накопились генетические предпосылки для развития цветков и побегов, красные водоросли выиграли за счет новых метаболических решений, а к возникновению многоклеточности во всех группах водорослей причастны вирусы.

Многоклеточность возникала более двух десятков раз за историю живого мира — и среди этих событий рекордсменами по числу независимых обретений многоклеточности являются водоросли (A. Knoll, 2011. The Multiple Origins of Complex Multicellularity). Эта собирательная группа включает в себя фотосинтезирующих эукариот разного происхождения и морфологии, относящихся к группам архепластид и страменопилов — как одноклеточных, так и многоклеточных. Группа архепластид включает в себя линии красных и зеленых водорослей, при этом последние являются близкими родственниками наземных растений (рис. 2). В группе страменопилов возникли бурые водоросли.


Рис. 2. Современное филогенетическое дерево эукариот максимально крупным планом — настолько крупным, что мы оказываемся на нем в одном «листочке» с грибами. Заметно, насколько разные эволюционные группы водорослей далеки друг от друга — несмотря на внешнее сходство. Рисунок из статьи F. Burki et al., 2019. The New Tree of Eukaryotes, с изменениями (использованы материалы сервисов biorender.com и mindthegraph.com)

Каждая из этих линий представлена как одноклеточными, так и многоклеточными представителями, и «изобретала» многоклеточность независимо несколько раз. Рекордсменом по изобретению примитивных форм многоклеточности являются вольвоксовые зеленые водоросли — в этом относительно небольшом таксоне примитивная многоклеточность независимо возникла минимум 2 раза, а дифференцировка клеток — 4 раза! Но если посмотреть на сложную многоклеточность с образованием крупных талломов со сложным тканевым строением, то успехи окажутся более скромными — по одному возникновению у красных, бурых и зеленых водорослей. Красные и зеленые макроводоросли появились очень давно даже по геохронологическим меркам — более 1 млрд лет назад, а среди бурых водорослей такие формы появились лишь 200 млн лет назад — в самом начале юрского периода.

До сих пор не решен вопрос, как дело было с наземными растениями — возможно, они «изобрели» многоклеточность отдельно от своих ближайших зелено-водорослевых родственников.

Так или иначе, разные группы водорослей конвергентно пришли к сходным многоклеточным формам.

У всех трех линий многоклеточных водорослей — красных, зеленых и бурых — в процессе эволюции значительно «разросся» генетический аппарат, связанный с перестройкой клеточных мембран и цитоскелета, установлением полярности клетки и специализацией клеток в сосудистой ткани. Эти процессы — самые фундаментальные для многоклеточного организма, так что и соответствующие геномные изменения ожидаемы. Все три линии водорослей также расширили арсенал транспортеров аминокислот с разветвленной цепью — белков, переносящих разветвленные аминокислоты через клеточную мембрану. Такое изменение также характерно для многоклеточных организмов, где затраты энергии и поглощение питательных веществ пространственно разделены.

Может показаться, что природа уже имела какой-то план на создание наземных растений и заранее запаслась соответствующими генами, но это не совсем так. Правильнее сказать, что зеленые растения в процессе своей эволюции использовали генетические «наработки», оставшиеся с предыдущих этапов развития и первоначально возникшие лишь для поддержания многоклеточности как таковой — просто их функции проаннотированы в базах данных по самому яркому их проявлению, которое нам довелось наблюдать. То, что зеленые водоросли в обсуждаемой работе выглядят так интересно, а красные и бурые водоросли более «скучно», не должно сбивать с толку — просто по чистой биологической случайности именно родственники зеленых водорослей стали предками наземных растений. Если бы реализовался альтернативный сценарий и такое случилось с красными водорослями — они наверняка представлялись бы нам нашпигованными генами развития цветка и реакции на фитогормоны. Ведь с самими цветками нас познакомили бы «красные» растения.

Пожалуй, самое интересное в этой работе — то, что часть генетического аппарата для поддержания многоклеточности могла быть привнесена в разные группы водорослей древними вирусами, которые их когда-то заражали и оставили фрагменты своей ДНК в их геномах. Родственники этих вирусов продолжают поражать водоросли и поныне — что напоминает ситуацию с ретровирусами, когда-то подарившими нам способность формировать плаценту и запоминать информацию — а сейчас вызывающими лейкемию и СПИД.

Источник: David R. Nelson, Alexandra Mystikou, Ashish Jaiswal, Cecilia Rad-Menendez, Michael J. Preston, Frederik De Boever, Diana C. El Assal, Sarah Daakour, Michael W. Lomas, Jean-Claude Twizere, David H. Green, William C. Ratcliff, Kourosh Salehi-Ashtiani. Macroalgal deep genomics illuminate multiple paths to aquatic, photosynthetic multicellularity // Molecular Plant. 2024. DOI: 10.1016/j.molp.2024.03.011.