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.