Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Во время секса самец осьминога обездвижил самку ядом, чтобы избежать смерти
https://naked-science.ru/article/biology/vo-vremya-seksa-samets
Осьминоги по своей природе антисоциальные существа. Но когда дело касается размножения, происходит весьма интимное и при этом опасное сближение между самцом и самкой, во время которого «‎дама» может съесть «ухажера». Эволюция подарила самцам некоторых видов специальные механизмы спасения, чтобы избежать трагической участи. Недавно теутологи из Австралии описали один из таких механизмов.

Некоторые осьминоги, как и богомолы, а также пауки вида черная вдова, практикуют так называемый сексуальный каннибализм. Зачастую самки осьминогов крупнее и голоднее партнеров, отчего у последних во время спаривания существует высокая вероятность превратиться из «возлюбленного» в «‎отбивную». Дама может задушить ухажера, а потом расчленить. Теплых чувств друг к другу эти моллюски не испытывают, в отличие от социальных животных, например дельфинов. 

Однако в результате эволюции у определенных видов развилась безопасная техника оплодотворения. Одни самцы занимаются сексом с самками на расстоянии вытянутой конечности —  специальной половой щупальце — гектокотиля. По ней проходит полый канал, по которому самец пытается доставить «‎пакеты» со спермой (сперматофоры) внутрь самки. Другие пробираются «к подруге» в девичьем обличии, а иные даже готовы насовсем отдать ей свой половой орган.

Недавно команда австралийских теутологов под руководством Вэнь-Сунг Чанга (Wen-Sung Chung) из Квинслендского университета описала еще одну хитрость самцов, которую те используют, чтобы доставить свою сперму внутрь самки и при этом остаться в живых. Ученые обнаружили, что для этой цели самцы синекольчатых осьминогов Hapalochlaena fasciata применяют один из самых сильных ядов в природе.

Обычно яд нужен животным для охоты или защиты. Например, некоторые виды рыб семейства иглобрюхих выделяют смертельный тетродотоксин, чтобы отпугивать хищников. Этот же нейротоксин есть и у Hapalochlaena fasciata, с помощью него осьминоги обездвиживают и убивают крупную добычу.

Во время лабораторных экспериментов команда Чанга заметила, что самцы Hapalochlaena fasciata кусают самку в районе аорты и вводят в ее организм тетродотоксин. Действие яда быстро проявляется: дыхание самки замедляется, а тело бледнеет и теряет подвижность. Это не убивает партнершу, но временно парализует, что дает «‎ухажеру» возможность спокойно завершить спаривание и уплыть невредимым.

Тетродотоксин смертелен для большинства животных, но сами осьминоги обладают к нему устойчивость. Таким образом, самец получает время для спаривания, избегая агрессии со стороны партнерши.

Исследователи также выяснили, что у самцов Hapalochlaena fasciata слюнные железы (где находится тетродотоксин) в три раза тяжелее, чем у самок. Это, вероятно, связано с необходимостью вырабатывать больше нейротоксина, чтобы преодолеть естественную устойчивость самок к яду.

Специалисты считают, что такого рода феномен наглядный пример эволюционной «гонки вооружений» между полами. Самки, обладая преимуществом в размере и силе, могли использовать свою мощь для поедания партнеров. Однако самцы нашли способ противостоять этой угрозе с помощью химической атаки, что повышает шансы на выживание и передачу своих генов следующему поколению.

Выводы исследования команды Чанга подчеркивают сложность и многообразие стратегий выживания в мире животных. Осьминоги, как оказалось, не только обладают высоким интеллектом, но и передовыми методами защиты в борьбе за выживание. Открытие, сделанное учеными, поможет лучше понять механизмы эволюции и необычные формы адаптации, встречающиеся в природе.

Научная работа опубликована в журнале Current Biology.

[ArefievPV]

«‎Микромолнии» в каплях воды могли повлиять на возникновение земной жизни
https://naked-science.ru/article/chemistry/mikromolnii-v-kaplyah
Как именно возникла жизнь на нашей планете — вопрос, который волнует ученых не одно столетие. На этот счет выдвигают самые разные гипотезы: от креационизма до панспермии. Есть среди них и версии о биохимической эволюции: под воздействием электрического разряда возникли химические реакции, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических. Химики из Стэнфордского университета провели эксперимент и получили данные в поддержку этой версии.

В 1952 году химик Стэнли Миллер и физик Гарольд Юри из США провели классический эксперимент, в котором моделировались гипотетические условия раннего периода развития Земли. Цель: проверить возможности химической эволюции, а именно узнать, могли ли органические вещества возникнуть из неорганических под действием электрического разряда.

По сути, это была проверка гипотезы, ранее высказанной советским биологом Александром Опариным и британским популяризатором науки Джоном Холдейном. Исследователи предполагали, что условия, существовавшие на примитивной Земле, способствовали химическим реакциям, которые могли привести к синтезу органических молекул из неорганических.

Миллер и Юри создали замкнутую систему, состоящую из нескольких камер, соединенными между собой стеклянными трубками. Одну камеру заполнили водой (имитировала первичный океан), которая нагревалась, чтобы создать пар. Вторую наполнили газом, точнее смесью из метана (CH₄), аммиака (NH₃), водорода (H₂) и монооксида углерода (CO), предположительно, входившими в состав атмосферы ранней Земли. После чего в систему вводили электрические разряды (аналог молний). Эти разряды служили источником энергии для химических реакций между газом и паром.

Благодаря электрическим разрядам начинались химические реакции, во время которых из неорганических молекул стали образовываться органические. Эксперимент длился больше недели, в результате появились аминокислоты — строительные блоки жизни. Глицин оказался наиболее распространенным из всех аминокислот.

Исследователи пришли к выводу, что мощные удары молний в атмосфере ранней Земли могли запустить химические реакции, которые привели к синтезу органических молекул. 

Однако позже результат эксперимента Миллера—Юри подвергли критике. Предполагается, что молнии в период молодой Земли были слишком редким явлением, чтобы обеспечить массовое образование органики. Расчеты показали, что даже при активной грозовой деятельности за миллионы лет молнии не смогли бы создать достаточное количество органических соединений для запуска жизни.

Даже если электрические разряды генерировали органику, ее концентрация в океане была бы ничтожной. В те далекие времена океан занимал большую часть планеты, и молекулы, попавшие в воду, быстро рассеивались. Для образования сложных структур (вроде РНК или белков) нужна высокая локальная концентрация веществ, что невозможно в гигантском резервуаре.

Кроме того, вполне вероятно, что химические реакции замедлялись из-за разбавленности. В лаборатории Миллер и Юри использовали замкнутую систему, где происходило накопления продуктов. В реальном океане соединения могли разрушаться под действием ультрафиолета или окисляться.

Команда американских химиков и физиков из Стэнфордского университета под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) провела свой эксперимент и предложила альтернативный механизм — вместо гигантских молний достаточно крошечных искр, рождающихся внутри обычных водяных брызг.

Ученые обнаружили, что при взаимодействии мельчайших капель воды в камере с газом возникают микроскопические электрические разряды — «микромолнии». По мнению авторов научной работы, такие крошечные вспышки могли синтезировать ключевые органические молекулы без участия мощных электрических разрядов.

Заре и его коллеги распылили воду в камере с газовой смесью, предположительно, повторяющей состав атмосферы ранней Земли: азот, метан, углекислый газ и аммиак. Никаких внешних источников энергии — только взаимодействие капель между собой.

Оказалось, при распылении в камере капли воды приобрели разные заряды: крупные — положительные, мелкие — отрицательные. Когда такие капли сталкивались или сближались, между ними проскакивали миниатюрные электрические разряды. С помощью высокоскоростных камер исследователям удалось зафиксировать вспышки света длительностью в наносекунды.

Эксперимент показал: мощности таких «микромолний» достаточно, чтобы запустить химические реакции, приводящие к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями. Среди образовавшихся соединений были циановодород (предшественник аминокислот, HCN), простейшая аминокислота глицин (C₂H₅NO₂) и урацил (C₄H₄N₂O₂) — один из компонентов ДНК и РНК.

Открытие команды Заре позволяет по-новому взглянуть на процесс возникновения жизни. Вместо редких и мощных электрических разрядов ранняя Земля могла быть насыщена постоянными мелкими электрическими вспышками. Крошечные искры в водопадах, брызгах волн и струях пара могли стабильно синтезировать органические молекулы, создавая благоприятную среду для зарождения жизни.

Ученые отметили, что подобные процессы могут происходить при схожих условиях на других телах Солнечной системы. Например, на ледяных спутниках Юпитера и Сатурна, где, предположительно, есть вода. Возможно, именно в брызгах криовулканов Энцелада или в водяных шлейфах Европы уже сейчас происходят те же реакции, что миллиарды лет назад могли повлиять на возникновения жизни на нашей планете.

Результаты научной работы представлены в журнале Science Advances.

P.S. На ранней Земле водопадов, скорее всего, ещё не было, а вот небольшие гейзеры и грязевые вулканчики уже были, и при извержении воду (водные растворы, пароводяную взвесь) вполне могли разбрызгивать.

[ArefievPV]

Полногеномная дупликация дает немедленный адаптационный выигрыш
https://elementy.ru/novosti_nauki/434321/Polnogenomnaya_duplikatsiya_daet_nemedlennyy_adaptatsionnyy_vyigrysh

Американские ученые в ходе долговременного эксперимента на дрожжах изучили, как происходит полногеномная дупликация и какую роль в становлении многоклеточных колоний она играет. Выяснилось, что полногеномная дупликация является чрезвычайно эффективным механизмом для формировании крупных ансамблей клеток: она приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Несмотря на нестабильность нового удвоенного генома, эта геномная перестройка дает немедленное преимущество перед обычными диплоидами, и если новые жесткие требования среды будут сохраняться, то отладка и стабилизация лишней геномной копии может произойти потом.

Новая публикация в журнале Nature разбирает пользу и ограничения полногеномной дупликации, или полиплоидии, которая довольно часто происходит в ходе эволюционных трансформаций популяций.

Благодаря этой работе проясняются важные детали эволюции с помощью полногеномной дупликации. Этот механизм исключительно эффективный, он приносит почти моментальный адаптационный выигрыш своим носителям. Нет нужды сначала отлаживать работу нестабильного генома, а уже потом получать адаптационное преимущество. Наоборот — полногеномная дупликация приносит пользу здесь и сейчас, а настройка и стабилизация всего генома происходит потом, если новые жесткие требования среды будут сохраняться в ходе стабилизации генома.

[ArefievPV]

Микробиом, иммунитет и мозг: как кишечные бактерии влияют на наше здоровье и настроение
https://neuronovosti.ru/mikrobiom-immunitet-i-mozg-kak-kishechnye-bakterii-vliyayut-na-nashe-zdorove-i-nastroenie/
В последние годы ученые все больше внимания уделяют изучению связи между кишечником, мозгом и иммунной системой. Эта связь, известная как ось «микробиом-кишечник-мозг», играет ключевую роль в поддержании здоровья человека, влияя на пищеварение, работу мозга и даже на наше поведение. Новые исследования показывают, что кишечные бактерии могут быть ключом к лечению психических, неврологических заболеваний и болезней развития. Свежий обзор из журнала Cell Reports Medicine рассказывает о последних открытиях в этой области и о том, как они могут изменить наше понимание здоровья и патогенеза некоторых недугов.

Кишечник и мозг: как они общаются?

Кишечник и мозг связаны через сложную сеть нейрональных и химических сигналов. Одним из главных «посредников» в этом общении выступает иммунная система. Кишечные бактерии влияют на работу как врожденного, так и адаптивного иммунитета, что, в свою очередь, может влиять на состояние мозга. Например, дисбаланс в микробиоме может привести к нейровоспалению, которое связано с депрессией, расстройствами аутистического спектра и болезнью Паркинсона.


Механизмы связи между кишечной микробиотой, иммунитетом и мозгом.

Исследования показывают, что кишечные бактерии могут влиять на мозг через несколько путей: через блуждающий нерв, нервную систему кишечника, эндокринную систему и выработку различных метаболитов, типа короткоцепочечных жирных кислот (КЖК). Эти вещества не только регулируют иммунные реакции, но и влияют на настроение, когнитивные функции и поведение.

Иммунная система играет ключевую роль в поддержании баланса между кишечником и мозгом. Врожденный иммунитет, который представляет собой первую линию защиты организма, реагирует на сигналы от кишечных бактерий, запуская воспалительные процессы. Адаптивный иммунитет, с другой стороны, обеспечивает более специфический ответ, помогая организму справляться с инфекциями и поддерживать толерантность к полезным бактериям.

Нарушения в работе иммунной системы, вызванные дисбалансом микробиома, могут привести к развитию различных патологических процессов. Например, хроническое воспаление, связанное с дисбиозом кишечника, может способствовать развитию депрессии, тревожных расстройств и даже нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера.

Кишечные бактерии и психическое здоровье

Одной из самых интересных тем в исследованиях оси «микробиом-кишечник-мозг» считается их связь с психическим здоровьем. Ученые обнаружили, что у людей с депрессией и тревожными расстройствами часто наблюдается дисбаланс кишечных бактерий. Например, у пациентов с депрессией снижено количество бактерий рода Coprococcus и Dialister, которые связаны с улучшением качества жизни.

Эксперименты на животных показали, что трансплантация микробиома от людей с депрессией здоровым мышам вызывает у последних симптомы депрессии. Это говорит о том, что кишечные бактерии могут напрямую влиять на настроение и поведение. Кроме того, пробиотики, содержащие определенные штаммы бактерий, такие как Lactobacillus и Bifidobacterium, показали свою эффективность в улучшении симптомов депрессии и тревожности.

Стресс тоже оказывает значительное влияние на состав и функцию кишечного микробиома. Исследования демонстрируют, что хронический стресс меняет виды населяющих кишечник бактерий, что, в свою очередь, влияет на иммунную систему и поведение. Например, у мышей, подвергшихся хроническому стрессу, наблюдались изменения в микробиоме, которые приводили к повышению уровня воспаления и депрессоподобному поведению. Также трансплантация микробиома от мышей, подвергшихся стрессу, здоровым мышам вызывала у последних аналогичные изменения в поведении и иммунной системе.

Кишечный микробиом вносит свою лепту и в расстройства развития – он может способствовать РАС, шизофрении и синдрому дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). У детей с РАС часто наблюдаются изменения в составе кишечных бактерий, включая увеличение количества Bacteroidetes и снижение уровня Bifidobacterium и Lactobacillus, что связано с воспалительными процессами и активацией кишечной иммунной системы. Например, у детей с РАС много провоспалительных цитокинов (IL-5, IL-15 и IL-17), что связывается с нарушением кишечного барьера и повышенной проницаемостью кишечника.

Материнская иммунная активация (МИА) во время беременности, вызванная инфекциями, также увеличиваетриск развития РАС у потомства. Исследования на мышах показали, что МИА приводит к изменению мозговой активности и поведения у потомства, причем ключевую роль в этом процессе играет цитокин IL-17A. Интересно, что материнский микробиом может модулировать эффекты МИА, что открывает возможности для профилактических вмешательств. Например, использование пробиотиков и пребиотиков в моделях на животных показало, что они могут улучшать социальное поведение и снижать нейровоспаление у потомства, подвергшегося воздействию вальпроевой кислоты (VPA), которая используется для моделирования РАС.

Что касается СДВГ, исследования также указывают на связь между диетой, микробиомом и симптомами этого расстройства. Например, у детей с СДВГ наблюдается увеличение количества бактерий рода Bifidobacterium, что может быть связано с регуляцией дофаминовых предшественников в кишечнике. Диетические вмешательства (например, ограничительные диеты), показали свою эффективность в сглаживании симптомов СДВГ у 63% участников. Кроме того, пробиотики, содержащие Lactobacillus rhamnosus и Bifidobacterium bifidum, могут положительно влиять на поведенческие и когнитивные исходы у детей с СДВГ, хотя для подтверждения этих результатов необходимы дополнительные исследования.

Нейродегенерации и демиелинизации

Кишечные бактерии также играют важную роль в развитии нейродегенеративных заболеваний – болезни Паркинсона (БП) и Альцгеймера (БА). У пациентов с БП часто наблюдается снижение количества бактерий рода Prevotella, что опять же может быть связано с воспалительными процессами в кишечнике и нарушением работы иммунной системы. Кроме того, у пациентов с БП повышено количество бактерий Akkermansia muciniphila, что коррелирует с запорами, которые часто предшествуют диагнозу БП.

Исследования на мышах показали, что кишечные бактерии могут влиять на накопление белка альфа-синуклеина, который играет ключевую роль в развитии БП. Например, у мышей с нарушенным микробиомом альфа-синуклеин в мозге накапливался быстрее, что приводило к ухудшению моторных функций. Более того, по блуждающиему нерву α-синуклеин может подниматься из кишечника в мозг, что подтверждается данными о том, что стволовая ваготомия (то есть его перерезка) снижает риск болезни Паркинсона и останавливает прогрессирование α-синуклеинопатии у мышей.

Что касается болезни Альцгеймера, исследования показывают, что у пациентов с БА часто наблюдается дисбаланс кишечных бактерий, включая снижение количества «полезных» бактерий Eubacterium rectale и Bifidobacterium, и увеличение патогенных бактерий типа Escherichia/Shigella. Эти изменения коррелируют с повышением уровня провоспалительных цитокинов IL-1β и CXCL2, что, в свою очередь, может способствовать развитию нейровоспаления и когнитивных нарушений.

Связь между микробиомом и аутоиммунными заболеваниями сегодня активно изучается. У пациентов с рассеянным склерозом (РС) также наблюдаются изменения в составе кишечных бактерий, которые коррелируют с повышенной активностью воспалительных путей в моноцитах. Например, у пациентов с РС часто снижено количество бактерий рода Lactobacillus, Bifidobacterium и Streptococcus. Пробиотики, содержащие эти штаммы, показали способность успокаивать воспаление и улучшать состояние пациентов с РС.

Исследования на моделях экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита (ЭАЭ, модель РС у животных) показали, что пробиотики могут уменьшать потерю миелина и способствовать развитию толерантных дендритных клеток (ДК). Например, по этому пути идет пробиотик Lactibiane Iki, который улучшил клинические исходы у мышей с ЭАЭ. Это указывает на то, что модуляция микробиома может помочь в управлении аутоиммунными реакциями при РС.

Кроме того, бактерии Saccharomyces cerevisiae и селенсодержащий препарат на их основе Selemax увеличивают количество CD103+ дендритных клеток, которые играют ключевую роль в поддержании иммунной толерантности, и снижают кишечное воспаление. Это подчеркивает важность взаимодействия между кишечным микробиомом и иммунной системой в контексте аутоиммунных заболеваний.

Молекулярная мимикрия также имеет место в развитии аутоиммунных заболеваний. Например, бактерия Lactobacillus reuteri способна производить пептиды, которые имитируют миелиновый олигодендроцитарный гликопротеин (MOG), что может усугублять аутоиммунные реакции при РС. Трансплантация фекальной микробиоты от пациентов с РС стерильным мышам ухудшала симптомы ЭАЭ, снижая количество регуляторных T-клеток (Tregs) и усиливая выработку антител против MOG. Это указывает на то, что микробиом пациентов с РС может способствовать развитию аутоиммунных реакций. Однако предварительное лечение антибиотиками перед трансплантацией увеличивало количество регуляторных T- и B-клеток, что снижало тяжесть энцефаломиелита.

То есть если научиться управлять  микробиомом, то это может стать перспективным подходом для лечения (или хотя бы сопутствующей терапии) аутоиммунных заболеваний.

Микробиом для лечения?

В данный момент методы лечения, направленные на модуляцию микробиома, только разрабатываются. Среди них – пробиотики, пребиотики, постбиотики, синбиотики и трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ).

Пробиотики – это живые микроорганизмы. Например, штаммы Lactobacillus и Bifidobacterium показали свою эффективность в улучшении настроения и снижении уровня воспаления. Пребиотики – неперивариваемые субстраты для питания бактерий, например, фруктоолигосахариды (ФОС) и галактоолигосахариды (ГОС), стимулируют рост полезных бактерий в кишечнике, что может положительно влиять на психическое здоровье. Постбиотики – инактивированные (убитые) бактерии – могут оказывать антидепрессантное действие.

Синбиотики, сочетающие пробиотики и пребиотики, также показали свою эффективность в улучшении как кишечного, так и психического здоровья. Например, синбиотик, содержащий Lactobacillus helveticus и Bifidobacterium longum, сгладил симптомы у пациентов с умеренной депрессией.

Трансплантация фекальной микробиоты (ТФМ) – это перенос микробиома от здорового донора к пациенту. Этот метод уже успешно применяется для лечения инфекций, вызванных Clostridium difficile, и сейчас исследуется его потенциал в лечении депрессии и тревожности.

Одна из главных задач будущих исследований – понять, как именно кишечные бактерии влияют на мозг и иммунную систему. Ученые планируют использовать все передовые технологии, которые им доступны – к примеру, CRISPR для редактирования генома бактерий и искусственный интеллект для анализа больших объемов данных. Это позволит разработать более точные и персонализированные методы лечения.

Кроме того, важно учитывать влияние циркадных ритмов на микробиом и иммунную систему. Исследования показывают, что активность кишечных бактерий и иммунных клеток меняется в течение суток, что может влиять на эффективность вмешательства, и это нужно брать в расчет.

[ArefievPV]

Тюлени научились контролировать уровень кислорода в крови, чтобы не утонуть
https://naked-science.ru/article/biology/tyuleni-nauchilis-kontrol
Для глубоководных погружений серые тюлени отслеживают концентрацию кислорода, а не углекислого газа в крови, как большинство млекопитающих. Причем тюлени могут делать это осознанно, что меняет представление о физиологии ныряющих животных.

У наземных млекопитающих, включая человека, ключевым триггером для возобновления дыхания служит повышение уровня углекислого газа в крови. Специальные хеморецепторы — каротидные тельца, расположенные в сонных артериях — реагируют на рост CO₂, вызывая ощущение удушья и паники.

Этот механизм защищает организм от гиперкапнии (избыток CO₂), но не спасает от гипоксии (нехватка кислорода). Например, у ныряльщиков-фридайверов гипервентиляция перед погружением снижает уровень CO₂, что позволяет задержать дыхание дольше, но повышает риск потери сознания из-за кислородного голодания.

Для морских млекопитающих, таких как тюлени, киты и дельфины, длительные погружения — часть повседневной жизни. Серые тюлени, например, могут оставаться под водой до 30 минут, опускаясь на глубину более 100 метров. До сих пор считалось, что они, как и другие млекопитающие, полагаются на чувствительность к CO₂. Однако это создавало парадокс: во время погружений CO₂ накапливается в крови постепенно, тогда как кислород расходуется быстро. Если бы тюлени реагировали только на CO₂, они не успевали бы вовремя всплыть, рискуя утонуть.

Ученые также обращали внимание на анатомические особенности тюленей. Их каротидные тельца содержат в три-пять раз больше чувствительных клеток типа I, чем у наземных животных. Эти клетки реагируют на гипоксию, но ранее считалось, что их роль ограничивается рефлекторными реакциями, такими как замедление сердцебиения. Новые данные, опубликованные в журнале Science, показали, что сигналы от этих рецепторов могут достигать высших отделов мозга, влияя на сознательные решения.

Во время экспериментов зоологи поместили шесть диких серых тюленей в бассейн в искусственную среду для погружений. Животные свободно плавали между дыхательной камерой и кормовой станцией, преодолевая 60 метров под водой. В камере исследователи меняли состав воздуха: повышали кислород до 50%, снижали до 11% или увеличивали концентрацию углекислого газа в 200 раз. Каждое погружение фиксировали на видео, а кровь животных анализировали по завершении испытаний.


Общий дизайн эксперимента / © J. Chris McKnight et. al.

При вдыхании воздуха с 50% кислорода тюлени оставались под водой в среднем 260 секунд — на 6% дольше, чем в стандартных условиях. Когда уровень кислорода снижали до 11%, время погружения сокращалось на 10%, до 219 секунд. При этом даже экстремально высокая концентрация CO₂ не влияла на длительность ныряния. Она составляла 229 секунд — разница с контрольной группой оказалась статистически незначимой.

Анализ крови подтвердил, что pH и уровень углекислого газа не коррелировали с изменениями в поведении. Например, после испытаний при повышенном уровне углекислого газа pH крови снизился на 0,1 единицы, но это не заставило тюленей сократить время под водой. Зато при дефиците кислорода животные начинали всплывать раньше, даже если CO₂ оставался в норме.

В итоге ученые выяснили, что сигналы о концентрации кислорода поступают в мозг через увеличенные каротидные тельца. Это позволяет животным не только рефлекторно замедлять сердцебиение во время погружений, но и осознанно регулировать длительность ныряния, избегая гипоксии.

Открытие меняет понимание эволюции морских млекопитающих. Способность напрямую отслеживать кислород, а не полагаться на CO₂, вероятно, стала критической адаптацией, позволившей тюленям, китам и другим видам колонизировать глубины океана. Это объясняет, почему даже при экстремальных нагрузках — например, при многократных погружениях за добычей — они избегают фатальной гипоксии.

Ученые планируют выяснить, насколько этот механизм распространен у других ныряющих животных. Предварительные данные по моржам и каланам показали сходные паттерны поведения, что указывает на конвергентную эволюцию.

Кроме того, исследование может помочь в разработке методов профилактики гипоксии у людей — например, у пилотов истребителей или пациентов с дыхательными нарушениями.

P.S. Кстати, машинный перевод абстракта статьи не содержит слова «осознанно», вместо него там используется слово «когнитивно».

[ArefievPV]

Ученые обнаружили молекулярных «сборщиков» жизни
https://naked-science.ru/article/column/molekulyarnyh-sborshhikov
Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ Алан Герберт предложил новое объяснение одной из нерешенных загадок биологии — происхождения генетического кода. Согласно исследованию, современный генетический код мог возникнуть благодаря самоорганизующимся молекулярным комплексам — тинкерам. Новую гипотезу автор выдвинул на основе анализа вторичных структур ДНК с помощью нейросети AlphaFold3.

Генетический код — это «алфавит», лежащий в основе функционирования любой живой системы на Земле. Он определяет, что записано в «инструкции» к организму и как ее следует читать. Современный генетический код состоит из кодонов, в каждом из которых по три нуклеотида. Эти триплеты кодируют аминокислоты, которые потом участвуют в синтезе белков. Ученые изучают генетический код уже более 70 лет, однако один из важнейших вопросов — как именно он возник — так и не получил однозначного ответа.

Научный консультант Международной лаборатории биоинформатики НИУ ВШЭ профессор Алан Герберт предложил новое объяснение происхождения кода. По его мнению, в ходе эволюции ключевую роль в формировании современного генетического кода играли флипоны — особые участки ДНК, способные образовывать вторичные структуры.

Классическая молекула ДНК, описанная в свое время Френсисом Криком и Джеймсом  Уотсоном, представляет собой двойную спираль, закрученную вправо. Но ученые обнаружили, что существуют и альтернативные структуры ДНК: Z-ДНК, закрученная влево; трехцепочечные и четырехцепочечные последовательности; а также ДНК с крестообразной структурой — i-мотивы. Эти необычные структуры возникают при определенных физиологических условиях, а их тип зависит от набора и порядка нуклеотидов в самом флипоне. Простейшие флипоны образуются из простых нуклеотидных повторов, поэтому предполагается, что их было достаточно в так называемом первичном бульоне.


Тинкеры и генетический код / © Herbert Alan 2025

С помощью нейросети AlphaFold3 от DeepMind Алан Герберт проанализировал характер связей между флипонами и аминокислотами. «Оказалось, что флипоны, образованные из двухбуквенных повторов, очень хорошо связываются с простенькими пептидами, состоящими из двухбуквенных аминокислотных повторов. И именно такое соответствие присутствует в современном генетическом коде», — комментирует Мария Попцова, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ.

Например, цитозин-гуаниновый повтор CGCGCG образует Z-ДНК. С такой последовательностью очень хорошо связывается пептид с аргинин-аланиновым повтором RARARA. В современном коде аргинину соответствует кодон CGC, а аланину — GCG. Если подробно рассмотреть структуру пространственных взаимодействий, то самая лучшая связь получается именно из непересекающихся триплетов: CGCGCG связывается с RA.

В публикации Алан Герберт рассматривает десятки примеров взаимодействия флипонов из коротких повторов с пептидами из аминокислотных повторов. Выяснилось, что при этом также могут происходить реакции, приводящие к взаимному удлинению цепей, особенно в присутствии магния и цинка. Эти металлы служат катализаторами таких реакций.

По мнению автора исследования, подобные комплексы когда-то сформировались благодаря особым компонентам — тинкерам, так называемым мастеровым природы, как их назвал Франсуа Жакоб. В работе профессора Герберта такими самовоспроизводящимися мастеровыми служат структуры, состоящие из флипонов и пептидов. Тинкеры использовали ДНК как матрицу для синтеза белков, а белки, в свою очередь, способствовали удлинению спирали ДНК. В итоге возник триплетный неперекрывающийся код: нечетное количество оснований позволяет кодировать последовательности из разных аминокислот, а характер связей между флипонами и аминокислотами требует, чтобы каждый кодон соответствовал только одной аминокислоте.

«Роль флипонов как тинкеров в первоначальной биологической эволюции — это кардинально новый взгляд на происхождение жизни. Без преувеличения можно сказать, что, если теория подтвердится экспериментально, наш коллега доктор Герберт заслуживает Нобелевской премии, — считает Мария Попцова. — Открытие взаимодействий флипонов с аминокислотами в соответствии с таблицей современного генетического кода доказывает, что возникновение генетического кода — не случайность, а естественный результат эволюции.

Природа ничего не изобретает с нуля, она придумывает новые механизмы из того, что доступно. Природа действует как нерадивый мастеровой, который, когда надо быстро сделать что-то работающее, необязательно надежное и прочное, хватает то, что подвернется под руку. Именно это свойство и стоит за понятием “тинкер”».

«В целом предлагаемая схема не требует ДНК, РНК или пептидного мира для объяснения происхождения жизни, — пишет Алан Герберт в своей статье. — Вместо этого описанные тинкеры являются агентами, которые способствуют этой возможности. Они возникают из простого соответствия между низкосложными нуклеотидами и простыми пептидными полимерами, используя металлы для катализа их первоначальной репликации. Снабжая пребиотический суп копиями самих себя, эти тинкеры вполне естественно развили неперекрывающийся, триплетный генетический код».

Помимо понимания происхождения жизни, изучение тинкеров может привести к созданию новых технологий, включая искусственные самоорганизующиеся системы и самовосстанавливающиеся материалы. Способность тинкеров объединять различные химические элементы может быть использована для направленной эволюции новых биомолекул.

Исследование опубликовано в журнале Biology Letters.

[ArefievPV]

Биологи обнаружили универсальные законы коллективного движения живых клеток
https://naked-science.ru/article/biology/biologi-obnaruzhili-unive
Биофизики выявили общие закономерности в коллективном движении клеток, которые сохраняются у бактерий, животных и человека. Клетки демонстрируют скрытую симметрию, известную как конформная инвариантность, в своих вихревых узорах. Это открытие указывает на существование универсальных физических принципов, управляющих живой материей.

Коллективное движение клеток лежит в основе многих биологических процессов — от заживления ран до метастазирования рака. До сих пор считалось, что такие движения зависят от уникальных свойств конкретных клеток: их формы, способа передвижения, взаимодействия.

В физике универсальные закономерности изучают с помощью конформной теории поля. Она описывает системы, где свойства сохраняются при масштабировании, растяжении или повороте — например, фазовые переходы в металлах. Но в биологии подобные принципы обнаружить не удавалось. Новая научная работа, опубликованная в журнале Nature Physics, впервые показала, что живые клетки подчиняются тем же правилам, что и неживая материя в критических состояниях.

Ученые из Копенгагенского университета (Дания) проанализировали движение четырех типов клеток: диких и мутировавших бактерий Pseudomonas aeruginosa, клеток почки собаки и агрессивных клеток рака груди человека. Несмотря на разную эволюционную историю и механизмы движения, все они формировали похожие вихревые структуры.

Для наблюдений применили высокоскоростную микроскопию. Снимки преобразовывали в карты скоростей, а затем вычисляли завихренность — показатель локального вращения. Границы между зонами с разным направлением вращения (нулевая завихренность) анализировали математически.

Анализ данных помог выявить удивительное сходство в структуре вихревых потоков. Во всех четырех системах границы между зонами с разным направлением вращения показали конформную инвариантность — их статистические свойства оставались неизменными при масштабировании, растяжении или других преобразованиях, сохраняющих углы. Это подтвердили два независимых метода: расчет фрактальной размерности и проверка соответствия эволюции Шрамма — Лёвнера.

Фрактальная размерность границ составила 7/4 — значение, предсказанное для конформно-инвариантных кривых. Параметр κ в модели эволюции оказался равен шести. Такое значение соответствует классу перколяции — явлению, которое описывает, как частицы или жидкость проникает через случайную среду. Ранее этот класс наблюдали только в неживых системах, например при изучении фазовых переходов в металлах.

Чтобы исключить случайность, ученые создали минимальную математическую модель коллективного движения. Она воспроизвела те же закономерности: фрактальную размерность 7/4 и параметр κ=6. Это доказало, что универсальность возникает из общих принципов самоорганизации, а не особенностей конкретных клеток.

Открытие меняет представление о самоорганизации живых систем. Даже далекие в эволюционном плане клетки подчиняются общим физическим законам. Это упростит моделирование процессов вроде роста тканей или распространения опухолей. Кроме того, биологические системы теперь можно использовать для проверки предсказаний теоретической физики — к примеру, в исследованиях квантовой гравитации.

[ArefievPV]

Многоклеточность под давлением
https://www.nkj.ru/news/54294/
Некоторые археи способны переходить из одноклеточного состояния в многоклеточные кластеры – по крайней мере, когда на них в прямом смысле давят.

Одна из самых больших загадок в истории жизни на Земле – это появление многоклеточных организмов. Казалось бы, легко представить, как всё происходило: какой-то одноклеточный организм делился с образованием двух дочерних клеток, а потом оказалось, что дочерние клетки не разбегаются в стороны, потом и их потомки тоже остаются вместе и т. д. Но чтобы так произошло, клеткам должно быть выгодно не разбегаться. Должен быть какой-то фактор, из-за которого одиночные клетки плохо размножаются и быстро гибнут, а клеточные объединения, наоборот, процветают. Другой вопрос, как быстро одноклеточный организм может перейти к многоклеточности, сколько поколений должно пройти – сотни, тысячи, сотни тысяч? И насколько большим может стать первое многоклеточное? Кроме того, не стоит забывать, что не всё, что состоит из множества клеток, представляет собой истинно многоклеточный организм – это может быть просто колония.

Исследовать эволюцию многоклеточности можно не только теоретически, но и экспериментально, с помощью современных одноклеточных, которые при определённых условиях становятся «многоклеточными». Так, мы рассказывали про эксперимент с зелёными водорослями хламидомонадами, которые стали сбиваться в крупные конгломераты, чтобы их не ели хищники-коловратки. Склонность к колониальности поддерживалась возникающими мутациями, и чтобы научиться такой условной многоклеточности, у хламидомонад ушло всего 500 поколений и полгода времени. А эксперименты на дрожжах показали, что их колонии могут разрастаться до весьма крупных размеров – буквально с муху дрозофилу. Наконец, есть знаменитые амёбоподобные слизевики Dictyostelium discoideum, которые живут то отдельными клетками, то довольно крупными подвижными колониями.

Но и водоросли, и дрожжи, и слизевики относятся к эукариотам. Хотя, если подумать, то на ком ещё ставить такие эксперименты – всё-таки истинно многоклеточные формы появились только в домене эукариот. Ни у бактерий, ни у архей многоклеточности нет –  среди них есть колониальные формы, но это именно что колонии, то есть объединившиеся одинаковые клетки. Тем удивительнее выглядят результаты сотрудников Брандейского университета и Института биологии в Тюбингене Общества Макса Планка, вместе с коллегами из других научных центров добившиеся от археи Haloferax volcanii многоклеточноподобной формы, в которой клетки отличались друг от друга.

Археи, с одной стороны, схожи с бактериями и эукариотами, с другой, всё-таки сильно от тех и других отличаются (собственно, иначе бы их и не выделили в отдельный домен жизни). На бактерий они похожи, в частности, тем, что наружную мембрану у них прикрывает клеточная стенка. Но архейная клеточная стенка сделана иначе, чем у бактерий. У архей в ней нет характерных бактериальных молекул, которые сделали бы её очень жёсткой, но зато есть много белков, и поэтому их клеточная стенка довольно пластична. То есть археи должны быть более чувствительны к механическим воздействиям. Исследователи решили выяснить, как на повышенное внешнее давление будет реагировать вышеупомянутая H. volcanii. На её клетки надавили, и они сначала сплющились, а потом стали распухать вширь и в высоту, при этом избегая делиться. Достигнув определённого критического размера (его критичность определялась натяжением наружной мембраны), «мегаклетка» формировала внутри себя множество клеточных ячеек – в ней появлялись перегородки, разбивавшие большую клетку на много мелких, каждая со своей копией ДНК.

Эти мелкие клетки не разбегались, они оставались соединёнными вместе. И, что главное, они отличались друг от друга в зависимости от положения: периферические клетки отличались от тех, которые были в центре. Клетки пронизывают нити актина, одного из цитоскелетных белков, и расположение актиновых нитей определяет клеточную морфологию – иными словами, благодаря ориентации актиновых нитей у клетки есть один конец, и другой конец тоже. Направленность, полярность клеток вообще отражается на её молекулярном портрете: например, белки в одной части клетки будут модифицироваться иначе, чем в другой. Оказалось, что периферические и центральные клетки в составе архейного кластера отличаются по молекулярным признакам, которые определят клеточную полярность. Отличались они и по механическим свойствам, и в целом, как пишут авторы работы в своей статье в Science, свойства этих клеточных кластеров делали их отчасти похожими на настоящую ткань.

То есть нечто подобное многоклеточности может возникать не только у эукариот, но и у архей, причём возникать быстро и в достаточно простых условиях – на клетки нужно просто надавить. Может быть, сама способность быть многоклеточными пришла к эукариотам от архей – ведь считается, что эукариотические клетки образовались в результате симбиоза археи с бактерией (недавно даже обнаружились археи, которые очень похожи на вероятного предка эукариот). Но действительно ли это так, действительно ли эукариотическая многоклеточность родственна потенциальной «многоклеточности» архей, станет ясно только после дальнейших исследований.

[ArefievPV]

Химики воспроизвели межзвездный синтез всех молекул цикла Кребса
https://nplus1.ru/news/2025/04/21/krebs-in-space
Эти органические молекулы могли возникать в космосе и затем попадать на Землю

Химики в лаборатории синтезировали весь набор карбоновых кислот из цикла Кребса, воссоздав абиогенные процессы в межзвездных пылинках. Это означает, что важные для возникновения жизни на планетах органические молекулы действительно способны возникать в космосе и затем попадать на планеты. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, играет важнейшую роль в поддержании существования биосферы Земли, позволяя клеткам эффективно получать энергию для всех жизненных процессов за счет дыхания. Считается, что органические молекулы, входящие в цикл, в далеком прошлом стали доступны для самых первых жизненных форм на Земле, и находились на планете еще до появления жизни. Предполагается, что эти молекулы могли возникнуть в космосе за счет абиотических процессов и быть доставленным на молодую Землю при помощи планетезималей, астероидов и ядер комет. В пользу этого говорят случаи обнаружения ряда органических молекул в межзвездных облаках и в составе метеоритов и астероидов. Однако процессы, позволяющие синтезировать в открытом космосе весь набор биохимических веществ, связанных с циклом Кребса, не изучены до конца.

Считается, что картина подобных химических превращений вне Земли выглядит следующим образом. Относительно простые молекулы, такие как вода, углекислота, метан или метанол, входящие в состав ледяных оболочек пылинок в межзвездных облаках, могли под воздействием галактических космических лучей или ультрафиолетового излучения звезд превращаться в молекулы-участники цикла Кребса за счет неравновесных химических реакций. В дальнейшем облако, где содержались эти пылинки, коллапсировало в протозвезду, окруженную протопланетным диском, при этом синтезированные органические молекулы сохранялись в составе зерен пыли до температур в триста кельвинов. По мере эволюции протозвезды пылинки способны захватывались в состав планетезималей и малых тел, например углеродистых астероидов, таких как Рюгу, и затем попадали на Землю в ходе бомбардировок.

Группа химиков во главе с Мейсоном Маканалли (Mason McAnally) из Гавайского университета в Маноа подтвердила возможность абиотического синтеза всего набора органических молекул, играющих центральную роль в цикле Кребса, в лабораторных условиях.

Исследователи проводили эксперименты с образцами-аналогами межзвездных льдов, которые получались осаждением газовых смесей на основе молекул, вероятно, входивших в состав межзвездной среды, на серебряные подложки при температурах до десяти кельвинов в условиях высокого вакуума. Соотношения реагентов контролировались при помощи инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье. Затем образцы подвергались облучению электронами с энергией в пять килоэлектронвольт, которые имитируют каскады вторичных электронов, производимых галактическими космическими лучами при прохождении пылинок. После этого образцы нагревали до 320 кельвинов, имитируя нагрев протозвездного облака, а твердый остаток исследовался при помощь двумерной газовой хроматографии с времяпролетной масс-спектрометрией.

В итоге были обнаружены все карбоновые кислоты, участвующие в цикле Кребса: пировиноградная, лимонная, цис-аконитовая, изолимонная, альфа-кетоглутаровая, янтарная, фумаровая, яблочная и щавелевоуксусная. Это означает, что абиотические процессы в межзвездном веществе способны быть источниками молекул для цикла Кребса, которые попадают в состав планет и малых тел в планетных системах, похожих на нашу, и обеспечивать условия для развития жизненных форм на планетах.

Органику можно найти не только в открытом космосе — недавно ровер «Кьюриосити» нашел самые крупные органические молекулы на Марсе.

[ArefievPV]

Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций
https://habr.com/ru/articles/543710/

Информация не новая (перевод статьи от 2020 года), но подход к определению жизни/живого любопытный. Накидаю чуток цитат.

Зачем нужно новое определение для жизни?

Мы утверждаем, что большинство стандартных определений жизни ограничены и могут помешать будущим астробиологическим исследованиям в задаче поиска новых форм жизни. На данный момент в NASA используется такое определение - "самоподдерживающаяся химическая система, способная к эволюции Дарвина". Несмотря на то, что это довольно точное описание жизни, которая присутствует в данный момент на планете Земля, поиск во Вселенной явлений, которые соответствуют этому определению, похож на игру в дартс игроком, который концентрируется только на центре мишени.
...
Следовательно, при поиске внеземной жизни мы должны учитывать, что:

Жизнь, очень точно подходящая под признаки той, с которой мы знакомы, может быть очень редкой во Вселенной, однако более общий класс жизнеподобных феноменов может быть куда более распространённым.

Могут существовать системы, которые только предстоит открыть или хотя бы представить, и они будут более успешно удовлетворять критериям жизни, даже по сравнению с земной.

Ослабив наши ограничения в определении жизни, мы откроем весь спектр параметров физических и химических взаимодействий, которые могут создавать жизнь.

Так же нас мотивируют жаркие споры в области происхождения жизни, которые разделили исследователей на множество лагерей, в каждом из которых спорщики ищут свой, "единственно истинный" сценарий появления жизни. Мы утверждаем, что большая часть споров произошла из-за различий в предположении о том, что есть жизнь и, соответственно, каким было её начало.

Характерные функции жизни

Многие теории происхождения жизни сосредоточены на объяснении возникновения "характерных функций" - специфических аспектов современной земной биологии, которые, как предполагается, присутствовали при ее возникновении. Часто также подразумевается, что они имеют более фундаментальное значение для жизни в том смысле, что после их естественного появления должны возникать и остальные признаки жизни.
...

Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.

Примерами характерных функций являются репликация РНК по шаблонам, циклы реакций, формирующие ранние виды метаболизма и изоляция систем липидными мембранами от окружающего мира (рис. 1). Это приводит к возникновению различных "первичных" теорий возникновения жизни.
...
Каждая теория, пытающаяся объяснить какую-то характерную функцию, присущую земной биологии, содержит неявное предположение о том, что эта самая характерная функция присутствовала при появлении жизни и что она является основополагающей.

Однако, учитывая изначальное отсутствие ископаемых или геологических свидетельств, нет почти никаких доказательств того, что какая-либо из этих функций действительно присутствовала в начале жизни.

Горизонт событий исследований происхождения жизни


Рисунок 2. Горизонт событий в исследованиях происхождения жизни.

Существует "горизонт событий", как подходящий по смыслу термин из астрофизики, в исследованиях происхождения жизни (рис. 2).

Подходы "сверху-вниз", такие как молекулярная филогенетика, используют подсказки из сохранившейся жизни, чтобы проследить историю жизни в направлении ее происхождения. Такой подход может привести нас только до LUCA.

Подходы "снизу-вверх", направленные на моделирование синтеза пребиотических молекул и/или наступление протоживых структур и функций, могут в один прекрасный день привести к созданию абиогенеза. Однако такое "пробное происхождение" не будет являться LUCA.


Рисунок 3. Невозможность различия сценариев происхождения жизни при подходе "сверху-вниз".

Кроме того, нисходящие подходы ограничены в своем понимании происхождения жизни, поскольку дерево жизни, которое мы видим сегодня, может быть достигнуто самыми разными теоретическими сценариями (рис. 3). Эти сценарии могут включать в себя множество никогда не сходящихся генов, в результате чего образуются совершенно разные геномные ветви, которые либо уже вымерли, либо все ещё присутствуют в качестве "теневой биосферы" [15].

Правдоподобные сценарии появления жизни могут включать горизонтальный перенос генов между различными геномами, которые, возможно, беспорядочно в протобиологическом рибофильме [16], так что LUCA на самом деле является смесью из целого множества жизненных форм - некая "последняя универсальная общая группа предков" (LUCAS) [17].

Если это так, то "дерево" жизни может быть даже более подходящей метафорой, чем мы могли первоначально подумать - в то же время как оно разветвляется вверх в разнообразие существ, населявших нашу планету после LUCA(S), оно также разветвляется и вниз в запутанную сеть ранних экспериментов жизни, о которых мы никогда не сможем получить сведений.

Исторический vs Синтетический vs Универсальный сценарии происхождения


Рисунок 4. Сценарии происхождения жизни (OoL).

Существует более глубокая проблема - исследователи происхождения жизни разных направлений, возможно, не ищут более общих объяснений. В работе [18] определены три различные категории описания происхождения: историческое, синтетическое и универсальное (рис. 4).

Исторические сценарии происхождения жизни целиком основаны земных наблюдениях и ограничены нашими знаниями об окружающей среде на ранних стадиях развития Земли и основаны на двух концепциях - LUCA и современное древо жизни. Все теории о "характерных функциях" являются историческими сценариями.

Синтетические сценарии описывают эксперименты, в которых исследователи совершают попытки создания новой жизни в лаборатории. Такие сценарии описывают возможные пути перехода от нежизни к жизни, а так же позволяют создавать новые формы жизни из ранее существовавших форм жизни, посредством направленной эволюции [20] или искусственно расширенный набор генетических оснований для кодирования генной информации [21].

Как обсуждалось ранее, эксперименты по искусственному абиогенезу могут быть настроены на аппроксимацию исторических сценариев, но в связи с "чистой лабораторной" природой синтетических экспериментов и огромной неопределенностью в отношении исторических пребиотических сред, необходимо проявлять осторожность при их интерпретации.

Универсальные сценарии описывают шаги, необходимые для абиогенеза в любых условиях. Они практически не ограничены условиями ранней Земли, траекторией развития биосферы на нашей планете или химической природой жизни в том виде, в котором мы ее знаем, - все это является лишь одним из множества возможных вариантов действия универсального сценария.

Пока нет уверенности в том, что универсальные сценарии существуют, но предпринимаются некоторые попытки объяснить функции жизни с абстрактной и фундаментальной физической точки зрения [22,23,24,25].

Следовательно, различные сценарии, разработанные исследователями, затрагивают не один, а множество научных вопросов. Одним из них обычно является происхождение жизни на Земле, которое распространяется и на генезис земноподобной жизни на других мирах.

[ArefievPV]

Продолжение.

Определение Y-жизни

Мы стремимся переопределить сам термин "жизнь" в более широком смысле, однако не собираемся смешивать это определение с тем конкретным видом жизни, который мы видим на Земле. Мы придумали новый термин - "Y-жизнь". Отныне мы будем называть земную жизнь (такую, какой мы её знаем) "жизнью", а термин "Y-жизнь" будет являться термином с наиболее общим смыслом. Эти два обозначения различаются следующим образом:

Жизнь олицетворяет жизнь в том виде, в каком мы ее знаем; она использует специфические неравновесия и классы компонентов земной жизни. Жизнь - это автокаталитическая сеть металлоорганических химикатов в водном растворе, которая записывает и обрабатывает информацию об окружающей её среде в молекулярном виде и достигает динамического порядка за счет рассеивания любого подмножества следующих неравновесий: окислительно-восстановительные градиенты, хемиосмотические градиенты, видимые/тепловые фотоны и др.

Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление во Вселенной, которое удовлетворяет фундаментальным принципам живого состояния, независимо от типов эксплуатируемых неравновесий либо компонентов. Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление, которое поддерживает своё низкоэнтропийное состояние путём диссипации и конверсии термодинамических неравновесий, использует цепи автокаталитических реакций для достижения нелинейного роста и распространения, использует гомеостатические регулирующие механизмы для обеспечения стабильности и смягчения внешних возмущений, а так же собирает и обрабатывает функциональную информацию об окружающей среде.

Понятие "жизнь, какой мы ее не знаем" не ново. Тем не менее, традиционные определения жизни не позволяют строго разграничить понятия "жизнь, какой мы ее знаем" и "жизнью, какой мы ее не знаем". Их расплывчатость не позволит нам вынести какой-то определённый вердикт, если разница между двумя категориями велика.

Например, согласно определению жизни, данному НАСА (см. введение), следует ли считать самоподдерживающуюся химическую систему, которая развивается не по Дарвину, "жизнью, какой мы её не знаем" или вообще не стоит её считать жизнью?

Чтобы исправить это, мы и разработали наши критерии Y-жизни на основе четырех фундаментальных процессов.
...
Это и есть 4 базовых принципа из заголовка статьи и их подробное описание выглядит так:

1.Диссипация - Y-жизнь не может существовать в равновесии. Второй закон термодинамики, при наличии механизмов передачи свободной энергии, позволяет соединять экзергонические реакции с эндергоническими, что необходимо для организации Y-жизни.

Используя массив наноразмерных молекулярных машин, жизнь рассеивает внешние химические неравновесия и/или преобразует низкоэнтропийные фотоны в высокоэнтропийное отработанное тепло, преобразуя одни неравновесия в другие (например, эндергонически зарождающиеся протонные градиенты и реакцию [АТФ]/[АДФ]). Для выполнения полезной работы жизнь преобразует АТФ→АДФ+H3PO4, который рассеивает неравновесие [АТФ]/[АДФ] [28,29].

2.Автокатализ - способность системы демонстрировать экспоненциальный рост репрезентативных показателей численности или популяции в идеальных условиях. Свойство автокатализа может проявляться в различных формах - включая самокатализ, кросс-катализ, сетевой автокатализ - до тех пор, пока эффект приводит к экспоненциальному росту подходящей метрики в идеальных условиях.

Культивированная система микроорганизмов демонстрирует автокаталитический рост популяции за счет репликации клеток в условиях изобилия ресурсов.

3.Гомеостаз - способность системы поддерживать ключевые внутренние переменные в рамках идеальных заданных значений. В динамическом мире возмущений и в сочетании с экспоненциальным ростом, описанным выше, Y-живая система должна иметь возможность ограничить изменения своих внутренних систем при изменении внешних условий.

Жизнь поддерживает гомеостаз при помощи сетей сенсоров, рецепторов и эффекторов. Вещество, регулируемое гомеостазом (например, ионы кальция), обычно связывается с рецепторами и способствует высвобождению каскада других веществ (например, гормонов). Эти цепочки соединений затем стимулируют соответствующий механизм реакции, чтобы вернуть уровень вещества в желаемое окно.

4.Обучение - способность системы записывать информацию о своем внешнем окружении и внутреннем состоянии, обрабатывать эту информацию и осуществлять действия, которые положительно влияют на её вероятность выживания/процветания.

Дарвиновская эволюция является одним из наиболее часто упоминаемых биологических процессов обучения (например, [30,31,32]) среди гораздо более широкого набора процессов обучения, выполняемых живыми системами.

Например, существуют широко изученные примеры биологического обучения из области нейронаук, обусловленные целым рядом нейронных и синаптических взаимодействий (например, [33,34,35]).

Кроме того, растет список безнейронных систем обучения, в том числе сетей генной регуляции [36,37,38], сетей белковых взаимодействий [39,40] и других эпигенетических механизмов (например, [41,42]).

Многие примеры относятся к общим принципам ассоциативного обучения, которое демонстрируют безнейронные организмы, такие как слизевики [43,44]. Дарвинизм смешивается с этими процессами обучения (и с другими, возможно, не открытыми), создавая невероятное разнообразие и сложность биосферы. Следовательно, "обучение" является зонтичным термином для этого большого и неполноценного множества процессов.

Хотя эти четыре принципа Y-жизни являются производными от наблюдений за жизнью в том виде, в котором мы ее знаем, новое определение намного более расширяемое. Эти четыре принципа представляют собой необходимые и достаточные требования к Y-живому состоянию, оставаясь при этом отделёнными от конкретных компонентов, составляющих систему.

Y-субжизнь


Рисунок 5. Диаграмма Венна для 4 принципов. Y-псевдожизнь отмечена зонами с 1 по 8.

Помимо предоставления простого "контрольного перечня" критериев для определения того, является ли динамическая система живой или нет, эти четыре принципа также позволяют нам рассмотреть Y-жизнь в контексте других явлений во Вселенной.

Мы определяем Y-жизнь как любую систему, которая выполняет все четыре столба, и Y-субжизнь как любую систему, которая выполняет некоторые, но не все эти функции (рис. 5).

1.Только диссипация - тепловая диффузия или любой термодинамически необратимый процесс.

2.Только гомеостаз - идеальный газ в равновесии. Изолированная система, подобная этой, всегда возвращается в состояние равновесия после внутренних или внешних колебаний.

3.Диссипация и автокатализ - огонь - часто обсуждаемый пример диссипации и автокатализа. Он демонстрирует гомеостаз определенных переменных (например, температура горения естественным образом не выходит за некоторые пределы), но его неспособность полностью регулировать свое состояние или учиться на опыте удерживает его в неживом мире. Другим значимым примером может служить экспоненциальный рост продуктов в нелинейных химических реакциях (например, в реакции Бутлерова).

4.Диссипация и гомеостаз - затухающий гармонический осциллятор преобразует кинетическую энергию в тепловую и всегда возвращается в положение равновесия.

5.Диссипация и обучение - искусственная нейронная сеть - это пример системы, которая диссипативна и может обучаться, но не обязательно демонстрирует автокаталитический рост или гомеостаз (например, она сама по себе не поддерживает температуру собственного аппаратного обеспечения). Можно утверждать, что полезность нейросетей заставляет нас плодить их с экспоненциальной скоростью, но это совсем другая дискуссия.

6.Рассеивание, автокатализ и обучение - живая система, которая попала в ловушку трагедии общин. Примерами могут служить привнесенные на остров инвазивные виды, которые уничтожают источники пищи настолько быстро, что источники пищи более не подлежат восстановлению.

В качестве другого примера можно также привести антропогенное изменение климата. Обратите внимание, что эти случаи в решающей степени зависят от того, где проводится граница системы (например, при включении или не включении человека).

В действительности, такая форма субжизни или Y-субжизни менее вероятна, потому что если система способна учиться, то в принципе она может научиться регулировать себя гомеостатически (если может учиться достаточно быстро).

7.Рассеивание, гомеостаз и обучение - "умный" домашний термостат, который следит за поведением жильцов с течением времени. Эта система не может воспроизводить себя, но потребляет свободную энергию, способна к примитивному обучению и может регулировать собственную локальную температуру.

8.Рассеивание, автокатализ и гомеостаз - например, реакция Белоусова-Жаботинского. Показано, что некоторые неравновесные химические реакции растут экспоненциально, а также способны регулировать собственную локальную температуру [52,53,54,55].

9.Все 4 - Y-жизнь (и жизнь, как её подмножество).

Y-жизнь и исследования происхождения жизни

Что касается сценариев происхождения жизни, Y-жизнь включает в себя любую систему, которая удовлетворяет четырем принципам, описанным выше, но может выполнять три классические характерные функции - репликацию, метаболизм и компартментализацию - используя компоненты, которые недоступны для земной жизни.

Идея о том, что эти три характерные функции определяют необходимые и достаточные условия жизни, была подробно теоретически исследована в области создания искусственной жизни и концепций аутопоэзис [67] и "Хемотон" [68].


Рисунок 6.

На рисунке 6 показан "куб", вершины которого представляют живые системы с различными комбинациями компонентов, выполняющих три характерные функции. На одной вершине жизнь выполняет эти характерные функции, используя механизмы РНК/ДНК, хемиосмоса и липидных мембран. Вы можете удалиться от земной жизни на 1, 2 или 3 шага по ребрам этого куба и получить самые различные комбинации.

P.S. В статье много примеров, можно прочитать по ссылке.

[ArefievPV]

Заря жизни, цинк и Луна
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/437449/Zarya_zhizni_tsink_i_Luna

[ArefievPV]

Жизнь без жизни: Созданы синтетические «клетки», способные к саморазмножению без единого биологического правила
https://www.ixbt.com/live/science/zhizn-bez-zhizni-sozdany-sinteticheskie-kletki-sposobnye-k-samorazmnozheniyu-bez-edinogo-biologicheskogo-pravila.html

Что делает жизнь такой… жизнью? Если задуматься, один из самых фундаментальных и захватывающих её аспектов — это, конечно, способность к самовоспроизведению. Каждое живое существо, от простейшей бактерии до сложнейшего млекопитающего, появляется на свет благодаря тому, что его «родители» создают потомство из собственного клеточного материала. Этот процесс, такой привычный для нас, опирается на удивительно запутанную и точную биохимию, где каждый шаг тщательно выверен.

Мы привыкли думать, что жизнь немыслима без ДНК, белков, сложного метаболизма — словом, без всей этой хитроумной биохимической машинерии. Не зря великий Рудольф Вирхов, отец клеточной патологии, ещё в 1858 году чеканно сформулировал: «Каждая клетка происходит от предшествующей клетки». Иными словами, жизнь рождает жизнь, и эта цепь, казалось бы, неразрывна.

Но что, если бы самовоспроизведение могло происходить без этой сложнейшей химической «магии»? Может ли «жизнь» — или хотя бы её важнейшая функция — зародиться и продолжаться в среде, которая полностью лишена биохимических процессов?

Вызов привычным представлениям

До недавнего времени многие ученые считали это фантастикой. Да, были попытки создать что-то похожее на воспроизводство в лаборатории: некоторые молекулы могли самоорганизовываться, имитируя нечто вроде деления. Но эти процессы всегда так или иначе опирались на биохимические принципы, пусть и упрощенные, или не демонстрировали истинного автономного самовоспроизведения.

И вот тут на сцену вышли исследователи из Гарвардского университета, решившие бросить вызов нашим привычным представлениям. Их идея была смелой, но элегантной: создать систему, где синтетические клеточноподобные структуры могли бы формироваться и размножаться, вовсе не прибегая к биологическим молекулам.


(A) Иллюстрация, показывающая различные стадии роста полимерных везикул, приводящие к вытеснению амфифилов. (B) Иллюстрация, показывающая образование новых везикул в результате реорганизации посредством самовоспроизведения амфифилов, вытесненных в объемную фазу.

Цитирование: S.K. Katla, C. Lin, & J. Pérez-Mercader, Self-reproduction as an autonomous process of growth and reorganization in fully abiotic, artificial and synthetic cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (22) e2412514122, https://doi.org/10.1073/pnas.2412514122 (2025).
Автор: S.K. Katla, C. Lin,& J. Pérez-Mercader Источник: www.pnas.org

Химическая «кухня» для «искусственных клеток»

Как они это сделали? Представьте себе небольшую колбу, куда поместили компоненты, которые на первый взгляд вообще не должны были самоорганизовываться. Это был водный раствор гидрофильного полимера (такого, что «любит» воду), к которому был присоединён хитрый «агент передачи цепи» (CTA) с гидрофобными свойствами (то есть, «боящийся» воды). Туда же добавили мономер — этакую «строительную» молекулу — и фотокатализатор, некий химический «запускатель» реакции, чувствительный к свету. Вся эта смесь находилась в инертной атмосфере азота, чтобы исключить нежелательные реакции. По сути, это был «однокамерный реактор», где всё должно было происходить само собой.

Что же случилось дальше? Смесь поместили под мягкий зелёный свет (530 нанометров) на полтора часа при температуре, чуть выше человеческой — 33°C.

Рождение протоклеток и их удивительный танец

И вот тут начинается самое интересное. Под воздействием зелёного света инициировалась особая реакция, известная как фото-обратимая полимеризация с переносом цепи посредством присоединения-фрагментации (RAFT). Звучит мудрёно, но суть в том, что исходные молекулы начали превращаться в нечто совсем иное — в так называемые амфифильные блок-сополимеры.

Что это за загадочные «амфифилы»? Представьте себе молекулы, у которых один конец «любит» воду, а другой — «боится» её. Помните, как работает мыло? Оно цепляется за жир «гидрофобным» хвостом, а «гидрофильной» головой растворяется в воде, унося грязь. Похожим образом, в водной среде эти новообразованные амфифильные сополимеры стали самоорганизовываться. Их «водобоязливые» части стремились спрятаться от воды, а «водолюбивые» — остаться на поверхности. В итоге, они спонтанно образовывали крошечные, полые сферы, очень похожие на клеточные везикулы. Учёные назвали их синтетическими, или полимерными, протоклетками. Удивительно, правда? Просто свет, несколько химических веществ — и никаких сложных биологических инструкций.


(A) Синтез амфифилов и полимерных везикул с использованием RAFT-полимеризации. (B) Фильтрация смеси PISA и последующее облучение амфифилов и везикул по отдельности. (C) График, показывающий рост числа везикул во время облучения ретентата зеленым светом. (D) Оптическое изображение пробы фильтрата, облученной зеленым светом, на котором в кадре изображения не видно никаких объектов.

Цитирование: S.K. Katla, C. Lin, & J. Pérez-Mercader, Self-reproduction as an autonomous process of growth and reorganization in fully abiotic, artificial and synthetic cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (22) e2412514122, https://doi.org/10.1073/pnas.2412514122 (2025).
Автор: S.K. Katla, C. Lin,& J. Pérez-Mercader Источник: www.pnas.org

Но самое поразительное — эти искусственные «клетки» не просто формировались и существовали. Они начинали расти и… размножаться! Эти везикулы вырастали до определённого размера, а затем, словно живые клетки, делились, высвобождая крошечные полимерные «споры». Эти «споры» становились «семенами» для новых везикул. И что самое важное — каждое новое «дочернее» образование наследовало определённые свойства от своей «материнской» везикулы. Происходило нелинейное, экспоненциальное увеличение числа этих структур.

Это очень похоже на то, как делятся бактерии или простейшие водоросли, только здесь нет ни ДНК, ни РНК, ни ферментов, ни каких-либо привычных нам биохимических машин. Только простая, но необычайно «умная» химия.


Перенос молекул ZnTPP из везикул первого поколения в везикулы следующего поколения. (A) Графическая схема, иллюстрирующая наши эксперименты по фильтрации, в ходе которых мы обнаружили, что ZnTPP остается в гидрофобной мембране популяции везикул (содержащихся в ретентате фильтрационного эксперимента) при фильтрации через фильтр из ПТФЭ (тефлона) с размером пор 0,220 мкм. (B) Флуоресцентная визуализация везикул с ZnTPP, облученных зеленым светом, с указанием процентного содержания везикул, произведенных с ZnTPP и без ZnTPP, соответственно. (C) Эксперимент по фильтрации. Кювета с раствором до фильтрации. (D) Эксперимент по фильтрации. Кювета с раствором после фильтрации. (E) Микроскопическое изображение фильтрата, облученного зеленым светом микроскопа, показывающее, что в фильтрате не произошло образования везикул.

Цитирование: S.K. Katla, C. Lin, & J. Pérez-Mercader, Self-reproduction as an autonomous process of growth and reorganization in fully abiotic, artificial and synthetic cells, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (22) e2412514122, https://doi.org/10.1073/pnas.2412514122 (2025).
Автор: S.K. Katla, C. Lin,& J. Pérez-Mercader Источник: www.pnas.org

Открывая двери в прошлое и будущее

Это исследование — не просто забавный эксперимент в лаборатории. Оно ставит под сомнение многие наши представления о том, что такое жизнь и как она могла зародиться.

Во-первых, оно показывает, что самовоспроизведение, ключевая особенность всех живых систем, может возникнуть из простых химических реакций, без всякой биохимической сложности. Это открывает новую перспективу на теории происхождения жизни на Земле. Может быть, первые «кирпичики» жизни были именно такими — простыми, небиологическими структурами, способными к самоорганизации и размножению, которые лишь со временем «обрастали» всё более сложной биохимией? Это словно заглянуть в глубокое прошлое нашей планеты и увидеть возможный сценарий возникновения всего живого.

Во-вторых, это имеет значение для астробиологии — науки, изучающей жизнь за пределами Земли. Если жизнь может самовоспроизводиться без нашей «земной» биохимии, то где-то во Вселенной могут существовать совершенно иные формы «жизни», основанные на других химических принципах. Мы можем искать не только углеродную жизнь на водной основе, но и нечто совершенно другое, что раньше даже не представляли.

В-третьих, это открывает дорогу для создания совершенно новых абиотических, «жизнеподобных» систем. Представьте материалы, которые способны к самовосстановлению или самовоспроизводству, новые виды нанороботов или даже искусственные организмы, работающие на небиологических принципах. Возможности кажутся по-настоящему безграничными.

Исследование Гарвардских ученых — это не просто шаг, а настоящий прыжок в понимании базовых принципов жизни. Оно напоминает нам, что природа куда изобретательнее, чем мы можем себе представить. И возможно, «жизнь» — это не только то, что мы видим вокруг себя, но и нечто гораздо более универсальное и удивительное, что может быть скрыто в самых простых химических процессах. Кто знает, какие ещё секреты таит в себе мир простых молекул?