Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

После смерти трихоплакс мгновенно распадается на клетки
https://elementy.ru/novosti_nauki/434396/Posle_smerti_trikhoplaks_mgnovenno_raspadaetsya_na_kletki
Российские биологи попробовали выяснить, что может оставить в ископаемой летописи простое многоклеточное животное. В качестве экспериментальной модели ученые использовали трихоплакс — самое просто организованное современное многоклеточное, предположительно имеющее набор свойств, которыми были наделены многоклеточные животные на заре своего существования. Удалось пронаблюдать, что происходит с трихоплаксом после его смерти, и эти наблюдения оказались неожиданными. Тело трихоплакса и, по-видимому, других пластинчатых после смерти за минуты распадается на отдельные клетки. Этот быстрый посмертный распад не зависит от природы летального фактора и мало зависит от видовой принадлежности и жизненной стадии животных. Для эволюционной биологии этот результат важен с позиций содержательных гипотез так называемого «кембрийского взрыва». Возможно, оформленные телесные остатки ранних докембрийских многоклеточных не сохранялись, потому что мгновенно после смерти распадались на отдельные клетки. Эта гипотеза перспективна, так как заставляет, обращаясь к старым данным, задавать новые вопросы.

Трихоплакс (Trichoplax adhaerens), представитель типа Placozoa (Пластинчатые), — это одно из наиболее просто устроенных многоклеточных животных. Его тело состоит из двух слоев клеток, дорсального и вентрального, между которыми расположены волокнистые (или отросчатые) клетки, соединенные друг с другом длинными отростками. Это животное служит моделью многоклеточных, у которых нет нервных и мышечных клеток, нет пищеварительного тракта, нет плотных покровов и соответственно оформленных частей тела. Предположительно, именно такими свойствами обладали животные в начале своей эволюционной истории.

Как они могли питаться, двигаться? Как у них передавались нервные импульсы? Эти вопросы исключительно важны для понимания эволюционного становления многоклеточных животных. Не менее важен палеонтологический ракурс, а именно в каких временных слоях и какие остатки тех примитивных многоклеточных сохранила палеонтологическая летопись. В настоящее время не найдены многоклеточные животные древнее позднего докембрия. Это так называемая загадка «Кембрийского взрыва». Она заключается в том, что разнообразные ископаемые многоклеточные животные появляются вокруг границы кембрия и докембрия, а в более глубоких слоях они не известны.

Постепенный ход эволюции предполагает, что палеонтологи должны находить что-то похожее на многоклеточных и до кембрия. О более древнем времени, чем поздний докембрий, говорят и молекулярные реконструкции, согласно которым время возникновения многоклеточных находится в интервале 850–750 млн лет назад. Так как поиски в докембрийских слоях пока не увенчались успехом, множество работ посвящено сомнениям, что их вообще можно найти, и объясняет, почему это так.

Одна из двух основных гипотез (которые не противоречат друг другу напрямую) упирает на малые размеры и малую численность, а следовательно, редкость ранних многоклеточных животных.

Вторая, более содержательная, сконцентрирована на тафономическом объяснении. Предположительно, природные условия в докембрийское время не обеспечивали быструю фоссилизацию многоклеточных. Пока что, однако, показано, что бесскелетные животные, такие как медузы, актинии, кольчатые черви, могут фоссилизироваться в широком спектре условий (см. статью Как медуза может стать каменной). Так что если трактовки кембрийского взрыва так или иначе связаны с неподходящими условиями захоронения, то либо условия должны были быть совсем уж необычными, либо использованные модельные объекты — желетелые и черви — не соответствуют тем, что населяли планету до кембрия.

Российская группа палеонтологов и биологов под руководством Елены Наймарк из Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН провела эксперименты по тафономии Пластинчатых. Идея была в том, чтобы изучить специфику захоронения многоклеточных, устроенных проще, чем черви и желетелые, на которых велись прежние эксперименты. Ученые предполагали изучить, что и в каком виде может остаться от трихоплакса в ископаемой летописи.

Запланированные эксперименты включали несколько этапов: проверку принципиальной возможности быстрой консервации и фоссилизации трихоплакса, ход посмертных преобразований тела трихоплакса, влияние на посмертную трансформацию различных летальных факторов, действующих при быстром захоронении мягкотелых многоклеточных, а также отдельным блоком — морфология следов, которые может оставить на осадке многоклеточное животное, не имеющее мышечных клеток (это тоже предмет пристального интереса палеонтологов, изучающих докембрийскую жизнь).

Хотя все эти этапы были на должном статистистическом уровне выполнены, уже на первом их них ученые столкнулись с неожиданным препятствием. Внезапно оказалось, что любые исследования мертвых тел трихоплаксов трудны, так как эти тела чрезвычайно неустойчивы. Мертвые трихоплаксы очень быстро, в течение минут, распадаются на отдельные клетки. В режиме ускоренной съемки этот процесс выглядит как взрыв тела: оно мгновенно превращается в облако клеток (см. , на котором показано, как трихоплакс распадается при действии летальной концентрации азида натрия; в воду добавлен также эозин, который окрашивает мертвые клетки в розовый цвет: хорошо видно, как от тела сначала понемногу, затем все разом отделяются мертвые розовые клетки).

В экспериментах наглядно продемонстрировано, что быстрый распад тел трихоплакса не зависит от природы летального фактора. Тела одинаково быстро «взрывались» и при добавлении в воду азида натрия (летальный химический агент), и при освещении ультрафиолетом (летальный физический агент).

Обратившись к другому представителю пластинчатых, Hoilungia, ученые выяснили, что и это животное быстро, хотя и немного медленнее, чем трихоплакс, распадается на облако отдельных клеток. Также быстро деградируют в облако клеток и ювенильные стадии трихоплакса. Экспериментаторы проверили, не связан ли быстрый распад тел с неподходящим субстратом, и проследили за деградацией трихоплакса на поверхности бактериального мата, на котором он обычно культивируется. Но и там наблюдалась всё та же картина — распад на облако отдельных клеток.

Специалисты, ведущие культуры Placozoa, знают, что мертвые тела трихоплаксов не приходится каждый день собирать со дна культуральных чашек, они куда-то сами деваются. Но отмечают это, как малозначащее наблюдение. Теперь ясно, что это наблюдение вовсе не малозначащее, оно дает подсказку, как могли ускользнуть от палеонтологов предшественники богатой докембрийской фауны. Тела, гистологически подобные трихоплаксу, не могли, по-видимому, сохраниться в ископаемой летописи, так как они быстро, в течение минут, распадались на отдельные клетки. За такое время отмершее тело оказывается за пределами действий агентов консервации и фоссилизации, а будь эти клетки найдены, невозможно доказать, что это остатки многоклеточных животных.

Обнаруженный тип быстрого посмертного распада многоклеточных животных ставит по-новому вопрос о появлении кембрийского разнообразия. Какие структуры многоклеточного животного и какие его биохимические свойства обеспечивают удержание целостности тела во временных рамках фоссилизации? С такой точки зрения явление кембрийского взрыва пока не исследовали, между тем она выглядит перспективно и требует участия специалистов разных областей биологии.

P.S. Возможно, что и до «кембрийского взрыва» разнообразие животных было велико, просто соответствующих целостных следов не осталось – животные после смерти слишком быстро распадались на отдельные клетки, не оставляя «цельных трупиков».
 
Тогда возникает вопрос: а был ли вообще «кембрийский взрыв» разнообразия? Ведь получается, что на границе кембрия (и до, и после) разнообразие видов животных было сопоставимо в количественном отношении, но сильно различалось в качественном отношении. Может, более корректно обозвать это явление сменой «архитектуры» организмов животных?
 
То есть, до кембрия у животных была одна «архитектура» (и разнообразие видов с такой «архитектурой» было большим), а после наступления кембрия у животных стала другая «архитектура» (и разнообразие видов с новой «архитектурой» тоже было большим). А вот следов (окаменевших «цельных трупиков») от животных со старой «архитектурой» не осталось, поскольку «цельных трупиков» не было –  после смерти животных оставались только кучи отдельных клеток, принадлежность которых (даже если они окаменеют) к конкретной особи трудно идентифицировать.

[ArefievPV]

Жизнь вышла из слизи: почему теория «первичного бульона» безнадежно устарела
https://www.ixbt.com/live/science/zhizn-vyshla-iz-slizi-pochemu-teoriya-pervichnogo-bulona-beznadezhno-ustarela.html

Учебники биологии десятилетиями кормили нас одной и той же историей. Сначала был «первичный бульон» — водоем, полный химических веществ. Потом ударила молния (или активировались вулканы), молекулы соединились, и внезапно появилась первая клетка, окруженная мембраной.

У этой теории есть основательный недостаток: разбавление.

В открытом водоеме молекулы не сталкиваются друг с другом достаточно часто, чтобы создать сложные структуры. Термодинамика работает против сложности в больших объемах воды. Если вы хотите построить жизнь, вам не нужен бульон. Вам нужна структура.

Новое исследование, опубликованное в ChemSystemsChem (2025), предлагает кардинально иной взгляд. Жизнь зародилась не в воде и не в готовых клетках. Она началась в гелях.

Почему теория «первичного бульона» не работает математически?

Химия требует близость реагентов. Чтобы аминокислоты собрались в белки, а нуклеотиды в РНК, они должны находиться рядом достаточно долго. В «первичном бульоне» концентрация необходимых веществ ничтожно мала. Шанс, что правильные молекулы встретятся и образуют устойчивую связь, стремится к нулю.

Более того, вода — это парадокс. Она нужна для жизни, но она же разрушает биологические молекулы через процесс гидролиза. В чистой воде длинные цепочки молекул распадаются быстрее, чем собираются.

Здесь на сцену выходят пребиотические гели.

Гель — это сеть сшитых полимеров или минеральных частиц, удерживающая воду в своей структуре. Исследователи Тони Ц. Цзя и Кухан Чандру утверждают, что именно гели решили фундаментальные физические проблемы, с которыми не справился бы водоем.

Как гель заставляет химию работать?

Гелевая матрица выполняет работу, которую позже возьмут на себя клеточные мембраны, но делает это без сложного биологического аппарата.

Вот факты, подтвержденные физической химией:

1. Пространственное ограничение и скученность — внутри геля движение молекул ограничено. Полимерная сетка создает эффект «скученности». Это меняет термодинамику. Поскольку доступного объема меньше, эффективная концентрация реагентов растет. Реакции, которые в воде шли бы тысячу лет, в геле могут произойти за часы.

2. Селективная фильтрация — гель работает как сито. Он может пропускать маленькие ионы, но удерживать крупные органические молекулы. Исследования показывают, что глинистые минералы (например, монтмориллонит) могут избирательно накапливать аминокислоты на своей поверхности благодаря электростатическому притяжению. Гель не просто держит вещества вместе — он отбирает нужные.

3. Защита от внешней агрессивной среды — ранняя Земля была таким себе филиалом ада. Ультрафиолетовое излучение выжигало все на поверхности, так как озонового слоя еще не существовало. Гель решает и эту проблему. Минеральные компоненты или органические полимеры в составе геля блокируют ультрафиолет, защищая хрупкие молекулы внутри. Кроме того, при высыхании на поверхности геля образуется плотная корка, которая сохраняет влагу внутри, предотвращая полное высыхание.

Может ли слизь иметь метаболизм?

Самая смелая часть гипотезы касается энергии. Живая система должна быть неравновесной — она потребляет энергию, чтобы поддерживать порядок. Как это делает кусок геля?

Авторы описывают механизмы, превращающие гель в активную материю:

• Хемомеханическое сопряжение: некоторые химические реакции (например, реакция Белоусова-Жаботинского) вызывают колебания. Гель может циклически набухать и сжиматься в зависимости от окислительно-восстановительного состояния. Это примитивный насос. Он втягивает питательные вещества и выталкивает отходы.
• Использование света: если в гель включены металлические наночастицы (например, сульфиды железа или цинка, доступные на ранней Земле), они могут работать как плазмонные антенны, улавливая солнечную энергию и локально нагревая матрицу для ускорения реакций.

Это уже прото-метаболизм. Система, которая дышит и питается, не имея ни одной клетки.

Переворот в эволюции: от геля к биопленке, а не наоборот

Классическая биология учит: сначала появились клетки, потом они объединились в колонии (биопленки).

Авторы исследования снова переворачивают последовательность. Сегодня 80% бактерий живут не свободно, а в биопленках — слизистых матрицах, которые они сами строят. Биопленки защищают их от антибиотиков, хищников и пересыхания.

Гипотеза «Gel-First» (сначала был гель) предполагает следующий путь:

• Пребиотический гель: геохимическая структура накапливает молекулы и запускает примитивный обмен веществ.
• Прото-пленка: внутри геля формируются отдельные компартменты (мембраны или капли фазового разделения).
• Клетки: эти компартменты становятся достаточно автономными, чтобы покинуть гель и отправиться в свободное плавание.

В итоге получается, что свободно плавающая клетка — это не начало эволюции. Это специализированная ячейка, которая отделилась от безопасной гелевой базы, чтобы колонизировать новые территории.

Мы ищем не там? Последствия для астробиологии

Если эта гипотеза верна, мы неправильно ищем инопланетную жизнь.
Марсоходы и зонды ищут следы клеток или сложные окаменелости. Но если жизнь начинается с гелей, нам нужно искать «Ксено-пленки». Это могут быть макроскопические налеты на скалах, состоящие из экзотических полимеров, кремния или других элементов, специфичных для конкретной планеты.

Такие структуры не будут выглядеть как привычная нам жизнь. Они будут выглядеть как грязь, слизь или минеральные наросты. Но внутри этой грязи может идти активный химический цикл, который мы рискуем пропустить.

Источник: ChemSystemsChem

P.S. Есть параллели между данной гипотезой и моими представлениями – например, между пребиотическим гелем и протоплазменной формой жизни можно выявить много сходных черт. Да и с тем, что свободно плавающая клетка появилась позже, чем колония, тоже согласен (кстати, по моим представлениям, аналогом протоплёнки можно считать протоклеточную форму жизни).

[ArefievPV]

Иммунные клетки лечат мышцы с помощью синапсов
https://www.nkj.ru/news/56584/
Макрофаги стимулируют в больных мышечных волокнах полезную электрическую активность, вкачивая в них кальций по синапсоподобным соединениям.

Иммунитет не только уничтожает бактерии с вирусами и больные клетки, он также помогает залечить повреждения, образовавшиеся в результате болезни или травмы. Участвуют в этом самые разные иммунные клетки, в том числе макрофаги, которые одними из первых реагируют на неприятности. Обычно о макрофагах говорят, что они блуждают по тканям и в прямом смысле съедают всё подозрительное, от бактерий до обычного молекулярного мусора и отмерших клеток; они же стимулируют воспаление, когда проблемы оказываются серьёзными. Но, кроме того, они помогают некоторым тканям регенерировать и расти.

Сотрудники Детской больницы Цинциннати изучали взаимодействие макрофагов с повреждёнными мышцами у мышей. Восстанавливаться мышцам помогают ионы кальция, которые необходимы для электрической активности и которые служат сигналами для важных внутриклеточных процессов. Известно, что макрофаги влияют на электрическую активность сердечных клеток, буквально прилипая к ним и напрямую передавая им ионы кальция. При этом между макрофагами и клетками сердца образуется так называемый щелевой контакт, который и обеспечивает прямой перенос нужных веществ. Исследователи рассчитывали обнаружить такой же контакт между макрофагами и скелетными мышечными волокнами. Но оказалось, что тут образуется не щелевой контакт, а нечто вроде синапса.

Под синапсами обычно имеются в виду особого рода соединения между нейронами, а также между нейронами и другими клетками, которым они передают свои сигналы (мышечными, железистыми и пр.). Есть ещё иммунологический синапс – временный контакт между некоторыми иммунными клетками, когда они активируются в ответ на угрозу. Но в статье в Current Biology говорится, что в случае макрофагов и мышц речь идёт именно об «электрическом синапсе»: в макрофагах активировались гены, необходимые для создания такого синапса, через который передаётся нервный импульс. Через него макрофаги вливали в мышечные клетки ионы кальция, и через 10–30 секунд в мышцах начиналась повышенная электрическая активность. Это, в свою очередь, стимулировало прирост мышечных волокон.

Если макрофаги не могли использовать специфический синаптический механизм (например, если в их мембранах не было синаптических белковых комплексов, через которые наружу выводятся пузырьки с нужным веществом), то повышенной электрической активности в больных мышцах не было, и восстанавливались они хуже. Вряд ли тот межклеточный контакт, который образуется между макрофагами и мышцами, представляет собой настоящий синапс – всё-таки макрофаги от нейронов сильно отличаются – и называть образующуюся структуру лучше синапсоподобной. Тем не менее, никаких таких синапсоподобных структур у иммунных клеток не наблюдали (иммунологический синапс – это всё же другое). Ну, а дальнейшие исследования покажут, образуют ли синапсы человеческие макрофаги, и можно ли эту способность у них стимулировать какими-нибудь медицинскими препаратами.

[ArefievPV]

Земная жизнь стала сложной на миллиард лет раньше, чем считалось
https://naked-science.ru/article/biology/zemnaya-zhizn-stala-slozh
Животные, растения и грибы — родственники, отличающиеся от остальной известной жизни однотипным устройством клеток. Долгое время ученые считали, что общий предок этих трех групп жил не более двух миллиардов лет назад и появился благодаря симбиозу с поглощаемыми им бактериями. Новые данные генетиков показали, что это революционное событие произошло совсем иначе.Современные эукариоты, в которых входят животные, растения, грибы и протисты, согласно новой работы сформировали сперва ядро, и лишь затем, причем очень не сразу, получили и митохондрии.

Земные организмы делятся на прокариот, лишенных клеточного ядра, и эукариот — типа нас, у которых почти все клетки имеют ядро, то есть отделенную мембраной от остальной клетки центральную часть с плотно упакованной молекулой ДНК. Ядро дает своим обладателям массу преимуществ: ДНК здесь может быть намного длиннее, чем у прокариот. Например, в ядрах человеческих клеток, несмотря на диаметр в несколько микрометров, содержится ДНК с общей длиной двух цепочек (если их выпрямить) в пару метров. Средняя длина ДНК у бактерий или архей (две группы прокариот) обычно не больше пары миллиметров, в тысячу раз меньше.

Соответственно, эукариоты потенциально могут быть полноценно многоклеточными, формировать сложные организмы. Прокариоты хотя формально и могут образовывать колонии, но несопоставимо более простые. Поэтому появление эукариот — важнейший момент в эволюции всей земной жизни: от предельной простоты она совершила скачок к сложности. Но когда это произошло и по какому сценарию?

Авторы новой научной работы, которую они опубликовали в журнале Nature, решили ответить на этот вопрос с помощью метода перенастроенных молекулярных часов. Обычный метод молекулярных часов оценивает древность тех или иных генетических событий исходя из модели, в которой ошибки при размножении изменяют те или иные генетические черты организма с одинаковой скоростью.

Перенастроенные молекулярные часы — иная модель эволюции организмов, в которых учитывается разная скорость накопления генетических изменений в разных группах. Например, вирус гриппа или ВИЧ эволюционирует существенно быстрее остальных вирусов, а те — быстрее многоклеточных организмов.

Опираясь на этот метод, исследователи искали такие гены эукариот, что несут следы удвоений в момент возникновения общего предка всех эукариот. В результате ученые пришли к выводу, что само это событие случилось существенно раньше, чем считали до сих пор: не 1,5-2 миллиарда лет назад, а 2,2-2,9 миллиарда лет назад. Причем разброс в последних цифрах обусловлен не неточностями датирования, а тем, что черты современных эукариот накапливались у общего предка всех них постепенно. Сначала, почти 2,9 миллиарда лет назад, появились гены, отвечающие за наличие клеточного ядра. И только затем, примерно 2,2 миллиарда лет назад, появились следы удвоения генов, связанных с митохондриями.

Почему это важно? Дело в том, что до 2,4 миллиарда лет назад в атмосфере нашей планеты практически не было кислорода. До сих пор гипотезы происхождения эукариот опирались на идею, что толчком к их появлению стала кислородная атмосфера. При наличии в воздухе сильнейшего окислителя метаболизм живых существ может очень серьезно ускориться. Казалось логичным, что более энергетически «богатая» среда сделала актуальным увеличение длины ДНК вплоть до тысячи раз (общий объем клеток эукариот сходно превосходит бактерий и архей).

Но теперь картина изменилась: получается, что общий предок эукариот получил ядро (и возможность резкого генетического усложнения) за полмиллиарда лет до того, как атмосфера стала хотя бы немного кислородной. Если отсутствие кислорода не мешало такому событию, тогда почему это случилось именно 2,9 миллиарда лет? Ведь жизнь, по современным представлениям, появилась порядка четырех миллиардов лет назад, всего через несколько сот миллионов лет после возникновения планеты.


Эволюция предков эукариот по данным новой работы. Слева направо: сперва предок-архея усложнялся, сформировал ядро, защищавшее ДНК, затем, после появления в атмосфере кислорода, поглотил бактерию-предка митохондрий и пришел к тому облику эукариотической клетки, что мы наблюдаем и в нашу эпоху  / © Dr Christopher Kay

Новые данные не просто отодвигают дату появления сложнейшей ветви жизни на Земле на миллиард лет назад, хотя это само по себе весьма значимо. Они изменили и последовательность эволюции последнего общего предка всех животных, растений и грибов.

До новой работы была популярна «митохондриальная» гипотеза возникновения эукариот: за счет пожирания внешних клеток (фагоцитоз) эукариоты приобрели живущих внутри них бактерий-симбионтов, из которых возникли митохондрии наших клеток. Митохондрии дали эукариотам важную способность использовать кислород для метаболизма — черту, которая уже была 2-3 миллиарда лет назад у бактерий, но отсутствовала у эукариот до захвата ими бактерий-симбионтов.

Митохондрии исключительно важны для нашего эволюционного успеха: они используют АТФ, основное «топливо» сложных организмов, в 18 раз эффективнее, чем наши клетки могут использовать АТФ без вовлечения митохондрий.

Теперь картина изменилась. Эукариоты не сперва приобрели симбионтов-митохондрий, а потом уже оформили клеточное ядро, позволяющее строить сложный организм из длинной ДНК, а, напротив, сначала приобрели клеточное ядро и лишь через сотни миллионов лет захватили бактерий, давших им возможность стать энергоэффективнее.

Исходный предок эукариот в новой работе вырисовывается клеткой-археей. Это одноклеточные без ядра, как и бактерии, но сильно отличающиеся от них биохимически. Археи не паразитируют на неархеях и живут за счет окислительно-восстановительных химических реакций. Некоторые даже используют как источник энергии солнечный свет, но, в отличие от бактерий или растений, не получают при этом кислород.

Конкретно те археи, от которых произошли мы, были сложнее типичных современных архей, а объединение их возможностей со способностью бактерий использовать кислород (митохондрии) позволило им быть еще и энергоэффективнее в кислородной среде.

[ArefievPV]

Природа обречена врать: почему дезинформация — неизбежная цена эволюции
https://www.ixbt.com/live/science/priroda-obrechena-vrat-pochemu-dezinformaciya-neizbezhnaya-cena-evolyucii.html

Рыба дергается. Её сосед дергается. Через секунду весь косяк несётся прочь от угрозы, которой не существует. Кто-то увидел блик на воде.

За последние десять лет слово «инфодемия» стало привычным фоном нашей жизни.
Мы привыкли считать фейк-ньюс, теории заговора и вирусную ложь проклятием цифровой эпохи, побочным эффектом социальных сетей и человеческой психологии. Но новое исследование биологов из Корнельского университета предлагает сменить точку зрения. Дезинформация — это не изобретение человека. Это древнейший эволюционный механизм, встроенный в саму архитектуру жизни: от сигнальных молекул бактерий до стай перелетных птиц.

Любая социальная система — будь то чат в мессенджере, колония муравьев или ваша собственная иммунная система — работает по принципу обмена данными. И, как выясняется, искажение этих данных является неизбежным статистическим следствием того, как устроена коммуникация в живой природе.

Байесовская ловушка

Чтобы понять биологию лжи, нужно сначала договориться о терминах. В человеческом мире мы привыкли делить информацию на «правду» и «ложь» в зависимости от намерений говорящего. В биологии намерения вторичны.

Авторы исследования, опубликованного в Journal of the Royal Society Interface, предлагают строгое математическое определение. Живой организм — это агент, который обладает внутренним убеждением о состоянии внешнего мира. Когда агент получает сигнал, он обновляет свои убеждения.

• Если сигнал сдвигает картину мира агента ближе к реальности — это информация.
• Если сигнал сдвигает картину мира дальше от реальности — это дезинформация.

Это различие важно. Птица, кричащая об опасности, когда хищника нет, транслирует дезинформацию, даже если она искренне ошиблась, увидев тень. И математика показывает: чем сложнее сеть общения, тем выше вероятность, что система начнет генерировать галлюцинации.

Три источника биологической лжи

Природа изобрела фейки за миллиарды лет до появления письменности. Исследователи выделяют три механизма, рождающих хаос в биологических сетях.

1. Шум и случайность. Вспомним рыбу в косяке. Она видит лишь то, что происходит перед носом, и реагирует на движение соседа. Если сосед дернулся из-за блика на воде, а не из-за хищника, сигнал пошел по цепочке. Контекст («это был просто блик») теряется мгновенно, остается только действие («бежим!»). В итоге весь косяк совершает маневр уклонения от несуществующей угрозы.

2. Испорченный телефон. При передаче сигнала через цепочку посредников ошибка накапливается экспоненциально. Это классическая детская игра, но в масштабах эволюции она смертельно опасна. В биологических сетях каждый участник не просто передает сигнал, он его интерпретирует (декодирует) и переизлучает заново. Малейшее смещение в «функции декодирования» у одного агента может превратить полезный сигнал в шум или ложную тревогу для всех остальных.

3. Коллективное искажение. Это самый интересный и опасный эффект. Социальные группы склонны к бистабильности — состоянию, когда группа «застревает» в одном режиме поведения, игнорируя изменения среды. Если достаточно большая часть стаи (или электората) поверила в ложный сигнал, создается мощная обратная связь. Индивид, получая сигналы от соседей, начинает игнорировать свои собственные органы чувств. Возникает «коллективная инерция»: среда уже изменилась, опасность миновала (или наоборот, появилась), но группа продолжает действовать по старой, ошибочной программе.

Эволюция обмана: от птиц до бактерий

Иногда дезинформация — это не ошибка, а оружие. В природе существует понятие дисинформации (аналог преднамеренной лжи).

Классический пример — дронго, птицы, обитающие в Африке. Они умеют мастерски имитировать тревожные крики других видов. Дронго ждет, пока сурикат или другая птица поймает добычу, а затем издает фальшивый сигнал «Воздух! Орел!». Жертва бросает еду и прячется, а дронго забирает обед.

Но ложь встречается и на микроуровне. Бактерии используют химические сигналы для оценки плотности своей популяции (чувство кворума). Некоторые виды научились подделывать эти молекулы, чтобы заставить конкурентов думать, что их слишком много, и замедлить размножение.

Ваше тело — жертва фейк-ньюс

Самая неприятная аналогия, которую проводят авторы исследования, касается нашего собственного организма. Иммунная система — это, по сути, гигантская децентрализованная социальная сеть. Т-клетки и макрофаги постоянно обмениваются сообщениями (цитокинами) о состоянии тканей.

Аутоиммунные заболевания — это классический пример каскада дезинформации. Одна клетка ошибочно принимает белок собственного тела за врага и посылает сигнал тревоги. Соседние клетки, доверяя «социальному сигналу» больше, чем собственной проверке, подхватывают панику. Начинается цитокиновый шторм. Организм бомбит сам себя, потому что система коммуникации внутри него попала в ловушку самоподтверждающейся лжи.


Мультистабильность и системный риск в модели социального обучения.
(A) Цена конформизма. График показывает среднюю эффективность агентов в зависимости от параметра социальности ( ω s ω s ). Этот параметр определяет баланс: верит ли агент своим глазам или повторяет за соседями. Зеленый ромб (A1): Низкая социальность. Агенты слишком независимы и часто ошибаются в одиночку. Оранжевый треугольник (Оптимум): Идеальный баланс между личным опытом и доверием к группе. Точность максимальна. Красный круг (A3): Избыточная социальность. Возникает «коллективная инерция» — группа реагирует на изменения среды с опасным запозданием. Зона коллапса ( ω s > 0.57 ω s >0.57 ): При очень высокой связности популяция «застревает» (lock-in) на одном действии и полностью перестает реагировать на реальность.
(B, C) Механика «застревания» (Гистерезис). Цветные линии показывают явление бистабильности: группа может находиться в двух разных состояниях при одних и тех же условиях среды, в зависимости от своей предыстории. Важно: Черные пунктирные линии показывают поведение в сетях без обратной связи (ациклических). Там гистерезис исчезает. Это доказывает, что именно взаимное влияние и эхо-эффект внутри группы создают риск системной ошибки.
Автор: Ling-Wei Kong et al. Источник: royalsocietypublishing.org

Системный риск и уроки для человечества

Главный вывод биологов: чем более социальной и связанной становится система, тем выше риск системного коллапса из-за дезинформации.

В моделях показано, что существует критическая точка связности. До определенного момента обмен информацией помогает группе выживать (эффект «мудрости толпы»). Но если связей слишком много, а агенты слишком сильно полагаются друг на друга, система теряет чувствительность к реальности. Она начинает жить в выдуманном мире. Для популяции бизонов это может закончиться миграцией в ледяную ловушку. Для финансового рынка — пузырем и крахом.

Мы боремся с фейками, проверяя факты. Но биология говорит: дело не в содержании сообщений. Дело в архитектуре сети. В том, как сигналы распространяются и усиливаются.

В конечном итоге, дезинформация — не сбой. Это плата за связность.

Источник: Journal of the Royal Society Interface

[ArefievPV]

Многоклеточные превратили случайную заминку при чтении ДНК в механизм синхронизации
https://naked-science.ru/article/biology/mnogokletochnye-prevratil
Биологи выяснили, что сложная система регуляции генов у животных возникла не на пустом месте, а путем модификации древнего несовершенства молекулярных машин. Новое исследование показало, что предки многоклеточных организмов научились использовать естественное замедление ферментов на старте считывания ДНК как жесткий тормоз, необходимый для синхронного запуска генетических программ.

Негативный фактор элонгации NELF с РНК-полимеразой II и ДНК, во время паузы, изображения на основе криоэлектронной микроскопии / © Bonnie G. Su & Seychelle M. Vos

В клетках млекопитающих и мух процесс транскрипции (считывание информации с гена) имеет странную особенность. Фермент РНК-полимераза II садится на ДНК, проходит 20-60 нуклеотидов и замирает, ожидая химической команды для продолжения. У одноклеточных организмов вроде дрожжей или бактерий такого строгого контроля нет, и их полимераза работает без остановок. Оставалось загадкой, в какой момент эволюции возникла эта «пауза» и какие молекулярные детали для нее понадобились.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Structural & Molecular Biology, попробовали восстановить хронологию событий. Для этого применили метод сверхточного картирования PRO-seq.

Ученые проанализировали работу полимеразы у 20 видов организмов, представляющих два миллиарда лет эволюции: от архей и кишечной палочки до грибов, морских анемонов и человека. Сравнительный анализ показал, что «протопауза» появилась еще у одноклеточных эукариот: фермент не останавливался намеренно, а просто буксовал на старте из-за физических препятствий на молекуле ДНК. У животных появляются новые белковые субъединицы комплекса NELF, которые превратили вялое скольжение в жесткую фиксацию.

Чтобы доказать функциональность этого «тормоза», авторы научной работы провели эксперимент на стволовых клетках мышей. Они генетически модифицировали их так, чтобы иметь возможность мгновенно разрушать белок NELF, и подвергли клетки тепловому шоку. В норме при перегреве срабатывает белок-командир HSF1: он экстренно снимает полимеразы с паузы, запуская лавинообразный синтез защитных веществ.

Однако в клетках с разрушенным тормозом спасательная операция провалилась. Без удерживающего фактора полимеразы не ждали сигнала на старте, а хаотично «просачивались» вперед по гену. Когда пришел сигнал тревоги, активировать было некого: ферменты разбрелись по дистанции, синхронного синтеза не получилось.

Как показало это исследование, механизм паузы работает как стартовые колодки для спринтера. Он позволяет держать гены в состоянии взведенной пружины, чтобы в нужный момент — при развитии эмбриона или стрессе — запустить их мощно и синхронно. Сложность многоклеточной жизни построена на усовершенствовании древних молекулярных ошибок.

P.S. Пример того, как могла появиться согласованная реакция...

[ArefievPV]

Как клетка решает, частью чего она станет: геометрия восстанавливает траектории развития организма
https://www.ixbt.com/live/science/kak-kletka-reshaet-chastyu-chego-ona-stanet-geometriya-vosstanavlivaet-traektorii-razvitiya-organizma.html

Одной из главных задач наук о жизни остается понимание механизмов дифференциации — процесса, при котором универсальная стволовая клетка принимает решение стать нейроном, кардиомиоцитом или клеткой кожи. Эта область всегда опиралась на концептуальные модели, самой известной из которых является «эпигенетический ландшафт» Конрада Уоддингтона. В этой модели развитие представляется как движение точки по наклонной поверхности с разветвленными желобами: клетка движется от неустойчивого состояния к устойчивому под действием внутренних регуляторных сил.

В общем, звучит довольно абстрактно. Новая работа Кадзумицу Маехары и Ясуюки Окавы, опубликованная в Nature Communications, переводит эту абстракцию на язык строгой математики, позволяя не просто предполагать, но точно вычислять траектории, скорость и точки принятия решений клеточных популяций.
...
Источник: Nature Communications

[ArefievPV]

Эволюция — бесконечная гонка: новое исследование бросает вызов 60-летней теории
https://thespaceway.info/nature/29380-jevoljucija-beskonechnaja-gonka-novoe-issledovanie-brosaet-vyzov-60-letnej-teorii.html

Исследование Мичиганского университета, опубликованное 14 ноября в Nature Ecology and Evolution, бросает вызов нейтральной теории молекулярной эволюции, господствующей уже почти 60 лет. Авторы новой работы предполагают, что организмы не достигают стабильной адаптации, а вместо этого постоянно «преследуют» меняющуюся окружающую среду.

Парадокс полезных мутаций

Эволюционный биолог Цзяньчжи Чжан и его команда обнаружили: полезные мутации происходят гораздо чаще, чем считалось ранее — более 1% от общего числа мутаций. Это на порядки выше, чем допускает нейтральная теория.

Однако природные популяции эволюционируют медленнее, чем должны при такой частоте полезных мутаций. Этот парадокс исследователи объясняют новой концепцией — адаптивным отслеживанием с антагонистической плейотропией.

«Мы утверждаем, что результат был нейтральным, но процесс не был нейтральным, — говорит Чжан. — Природные популяции не полностью адаптированы к среде, потому что среда меняется очень быстро, и популяции всегда догоняют эти изменения».

Что такое нейтральная теория?

Нейтральная теория молекулярной эволюции, предложенная Мотоо Кимурой в конце 1960-х годов, утверждает, что подавляющее большинство мутаций на молекулярном уровне нейтральны по отношению к естественному отбору — ни полезны, ни вредны. Согласно этой теории, движущей силой эволюционных изменений является в основном случайный дрейф генов, а не отбор.

Команда Чжана проверила это с помощью глубокого мутационного сканирования дрожжей и кишечной палочки (E. coli). Ученые искусственно обеспечили тысячи мутаций в определенных генах и отслеживали их эффекты на протяжении многих поколений.

Эксперимент: постоянство против изменчивости

Исследователи осуществили экспериментальную эволюцию с двумя группами дрожжей на протяжении 800 поколений:

Первая группа эволюционировала в постоянных условиях;

Вторая циклически проходила через 10 различных питательных сред каждые 80 поколений.

Результат поразителен: в меняющейся среде полезные мутации не успевали закрепиться в популяции до того, как условия снова менялись. Мутация, бывшая полезной в одной среде, часто становилась бесполезной или даже вредной в следующей.

«Хотя мы наблюдаем множество полезных мутаций в данной среде, у них нет шанса закрепиться, — объясняет Чжан. — Когда их частота увеличивается до определенного уровня, среда меняется. Полезные мутации, накопленные в старой среде, могут стать вредными в новой».

Что это значит для человека?

Исследование предполагает, что выводы выходят за пределы микробных систем. Чжан полагает, что гены человека могут быть плохо приспособлены к современным условиям, поскольку наш вид эволюционировал в совершенно иной среде

Популяции, возможно, никогда не достигают полной адаптации — среда имеет свойство меняться быстрее, чем происходит полная генетическая оптимизация.

Ученые признают, что их выводы пока основаны на данных об одноклеточных организмах. Следующий шаг — проверить, сохраняются ли эти закономерности у многоклеточных видов, включая человека.

[ArefievPV]

Ботаники обнаружили у растений систему раннего оповещения о нападении бактерий
https://naked-science.ru/article/biology/botaniki-obnaruzhili-u-ra
Ученые опровергли представление о медленной химической реакции флоры на инфекции, выяснив, что растения передают сигнал тревоги стремительными электрическими импульсами. Оказалось, что для активации этой «нервной системы» используются не профильные противомикробные вещества, а гормоны, которые раньше считались ответственными исключительно за защиту от насекомых.

Более ста лет назад у растений была открыта SAR (Systemic Acquired Resistance, системная приобретенная устойчивость) — аналог иммунной памяти у животных. Растения в ответ на атаку патогена вырабатывают салициловую кислоту, она накапливается в листьях и стеблях, и клетки всего организма вырабатывают защитные белки. На это уходит не менее 24 часов. Однако недавние исследования показали, что защитные реакции во всем организме растения наблюдаются уже в течение трех-четырех часов после заражения. Каким образом растение реагирует на угрозы так быстро?

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Plants, обратили внимание на ген JISS1, связанный с жасмонатами — веществами, которые участвуют в реакции растений на физические травмы. Например, когда их рвут, жуют звери или грызут насекомые. Ранние исследования тех же авторов показали, что ген JISS1 экспрессируется в растениях, подвергшихся заражению бактериями. Ученые предположили, что ген JISS1, жасмонаты и быстрое реагирование могут быть связаны.

Ученые провели эксперименты с модельным растением, резуховидкой Таля (Arabidopsis thaliana). Они изменили ее геном, соединив промотор гена JISS1 (индикатор стресса) с люциферазой, заставив растение светиться в момент опасности.

К листьям резуховидки подключили электроды, чтобы проверить, не использует ли растение для передачи данных что-то быстрее химии. Генетики также отключали у подопытных растений рецепторы к разным гормонам и глутаматные каналы, чтобы найти, кто именно запускает сигнал тревоги. Подопытные растения заражали бактериями Pseudomonas syringae и давили пинцетом, имитируя укусы.

Оказалось, сигнал запускало не накопление салициловой кислоты. Светящийся биосенсор, связанный с геном JISS1, показал, что сигнал тревоги покидает зараженную зону уже через 30 минут, распространяясь по внутренним каналам клеток (эндоплазматическому ретикулуму). Именно жасмонаты запускали каскад электрических волн амплитудой в 100 милливольт. Деполяризация длилась около двух часов, а сами сигналы бежали по растению подобно нервному импульсу. Более того, для передачи этого сигнала растение использовало глутаматные рецепторы — прямой аналог тех, что работают в мозге человека при передаче информации между нейронами.

Растения не тратят драгоценные минуты на выяснение личности врага. Атака бактерий воспринимается ими как физическая рана, и они используют универсальную, быструю жасмонатно-электрическую сеть, чтобы привести весь организм в боевую готовность еще до того, как начнется специфическая химическая защита.

[ArefievPV]

Живые вычисления: зачем инженеры изучают электрические свойства грибного мицелия
https://www.ixbt.com/live/science/zhivye-vychisleniya-zachem-inzhenery-izuchayut-elektricheskie-svoystva-gribnogo-miceliya.html

Современная электроника практически полностью опирается на кремниевые технологии. Однако по мере роста требований к энергоэффективности, устойчивости к повреждениям и экологичности ученые все чаще исследуют альтернативные вычислительные среды.

Одним из таких объектов неожиданно стал грибной мицелий — разветвлённая сеть нитей, обеспечивающая рост и питание грибов. Эксперименты показали, что эта биологическая структура способна проводить электрические сигналы и демонстрировать поведение, аналогичное элементам вычислительных систем.

Что такое мицелий и почему он интересен исследователям

Мицелий — это основная «рабочая» часть гриба, скрытая от глаз. Он состоит из тонких нитей — гиф, которые образуют сложную пространственную сеть внутри субстрата (почвы, древесины или другого питательного материала). Через эту сеть гриб транспортирует воду, ионы и органические вещества.

С инженерной точки зрения мицелий представляет интерес как естественная разветвлённая проводящая среда.

Внутри гиф постоянно протекают ионные токи, а электрическая активность меняется в ответ на внешние воздействия — механические, химические или температурные. Это делает мицелий удобной моделью для изучения распределённых вычислений без централизованного управляющего элемента.

Электрическая активность грибов и первые вычислительные эксперименты

Активные исследования в этой области начались в конце 2010-х годов. Одним из ключевых центров стала лаборатория профессора Эндрю Адамацки в Университете Западной Англии. В его работах изучались электрические импульсы в мицелии съедобных грибов, включая вешенку (Pleurotus ostreatus).

Эксперименты показали, что сигналы распространяются по сети грибных гиф не хаотично, а по устойчивым траекториям, формируя повторяющиеся паттерны (устойчивые, повторяющиеся маршруты распространения сигналов). При определённых конфигурациях электродов и стимуляции такие паттерны можно интерпретировать как функциональные аналоги логических операций. Речь идет не о цифровой логике в классическом смысле, а о физическом поведении распределённой системы, где результат определяется взаимодействием множества локальных процессов.

Мемристивные свойства мицелия

Особый интерес у инженеров вызвало обнаружение мемристивного поведения грибной ткани.

Мемристор — это элемент, сопротивление которого зависит от истории приложенного напряжения, то есть он «помнит» предыдущие состояния.

В экспериментах мицелий гриба шиитаке сначала выращивали в контролируемых условиях, а затем подвергали дегидратации. После высушивания структура сохраняла сложную сеть гиф, но становилась стабильным биоматериалом. При подаче электрических сигналов выяснилось, что его сопротивление изменяется в зависимости от ранее поданных импульсов. Это позволяет рассматривать грибной мицелий как биологический аналог мемристора — базового элемента нейроморфных сетей, имитирующего работу синапса.

Важно подчеркнуть: такая «память» не является цифровой. Это аналоговое поведение, где информация кодируется не нулями и единицами, а изменением физических параметров материала.

Ограничения по скорости и стабильности

С практической точки зрения грибные структуры существенно уступают кремниевой электронике. Рабочие частоты мицелия находятся в диапазоне килогерц, тогда как современные микросхемы работают на гигагерцах. Кроме того, биологические материалы чувствительны к влажности, температуре и деградации со временем.

Поэтому грибной мицелий не рассматривается как замена процессоров, оперативной памяти или логических микросхем. Его ценность заключается не в производительности, а в принципе работы — распределённом, адаптивном и энергоэффективном.

Потенциальные области применения

Исследователи рассматривают мицелий как основу для специализированных систем: сенсоров окружающей среды, экспериментальных нейроморфных элементов и адаптивных контроллеров. Такие системы могут быть полезны там, где важна устойчивость к повреждениям, низкое энергопотребление и способность к самоорганизации, а не высокая скорость вычислений.

Кроме того, грибные сети используются как физическая модель для изучения альтернативных архитектур вычислений — в частности, тех, которые ближе к принципам работы биологических нейронных систем.

Итог

Исследования грибного мицелия показывают, что вычислительные свойства могут возникать в природных структурах без кремния, транзисторов и тактовых генераторов. Хотя до практических биокомпьютеров ещё далеко, эти работы расширяют представления о том, как в принципе могут быть устроены вычислительные системы. В перспективе идеи, заимствованные у грибных сетей, могут повлиять на развитие энергоэффективной и адаптивной электроники, даже если сами грибы так и останутся в лабораториях.

[ArefievPV]

Ученые впервые напечатали 3D-объекты внутри живых клеток
https://naked-science.ru/article/hi-tech/3d-vnutri-kletki
Исследователи из Словении напечатали трехмерную фигурку слона и узоры наподобие штрихкода внутри живых клеток, не внося изменений в ДНК. Ранее это считалось невозможным.

3D-печать активно используется в разных сферах науки и производства. Например, с помощью специальных принтеров можно создавать органы для трансплантации, продукты питания и детали для космических кораблей.

Специалисты из Института Йожефа Стефана в Словении разработали технологию, позволяющую печатать 3D-объекты внутри клеток живого организма. Статья по этой теме появилась в научном журнале Advanced Materials.

Сначала в клетку вводили каплю фоторезиста — жидкого полимерного светочувствительного материала, который затвердевает под воздействием лазера. Однако в основном такие вещества токсичны, а клеточная мембрана (тонкая эластичная оболочка) может разорваться после инъекции, так как затвердевание происходит везде, куда попадает излучение.

Чтобы перечисленных проблем не возникло, авторы статьи выбрали биосовместимый, наименее токсичный материал, а также использовали метод двухфотонной полимеризации — «заставили» фоторезист затвердевать только в том случае, если на него одновременно воздействуют два луча. Это позволило работать с каплей внутри клетки постепенно: ученые слой за слоем, сверху вниз формировали необходимый силуэт с помощью лазера, не повреждая остальную часть клетки.

После завершения печати остатки фоторезиста растворялись, и внутри клетки оставался только созданный объект. Таким образом команда ученых смогла напечатать трехмерную фигурку слона высотой 10 микрометров и узоры, внешне напоминающие штрихкод. Выжили после манипуляции около 50% клеток, причем некоторые из них продолжили делиться и передали напечатанный объект одной из дочерних клеток.


Исследователи вводили в клетку каплю светочувствительного материала и с помощью лазера формировали нужный объект / © Maruša Mur et al., Advanced Materials

Авторы статьи планируют в дальнейшем улучшить разработанную технологию, в частности сделать так, чтобы после печати больше клеток оставалось живыми. Команда предполагает, что для этой цели подойдет водорастворимый фоторезист на основе гидрогеля: он способен распространяться по всей клетке, а значит даст возможность печатать более крупные и сложные объекты в любом месте внутри нее.

Применять 3D-печать внутри клетки можно будет для доставки лекарств в организм, для создания внутриклеточных маркеров в рамках медицинских исследований, изучения взаимодействия клеток с искусственными структурами. Кроме того, разработка может способствовать развитию методов клеточной терапии.

[ArefievPV]

Появление нанопланктона при динозаврах сделало вулканы королями земного климата
https://naked-science.ru/article/geology/poyavlenie-nanoplanktona
Считается, что гигантские вулканические цепи — древние и мощные регуляторы климата Земли, выбрасывающие углекислый газ из ее недр. Авторы нового исследования поставили эту гипотезу под сомнение. Оказывается, роль вулканов как главного природного «отопителя» планеты — относительно недавнее явление. Ключ к разгадке ученые нашли не в раскаленной магме, а среди микроскопических существ.

Климат Земли за сотни миллионов лет неоднократно менялся: то наступали «ледниковые эпохи», то «парниковые эффекты». Эти сдвиги напрямую зависели от концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего углекислого газа (CO₂).

Долгое время вулканы считались одним из древнейших и постоянных источников такого газа. Особенно это касалось вулканических дуг — протяженных цепей вулканов, которые формируются там, где тектонические плиты сходятся и одна плита уходит под другую. Яркий пример — Японские острова и Анды.

Однако модель углеродного цикла древней Земли показала иную картину. Выяснилось, что доминирующую роль в выбросах углекислого газа вулканические дуги получили относительно недавно.

Международная группа геологов под руководством Бена Матера (Ben Mather) из Мельбурнского университета в Австралии смоделировала тектоническое движение плит и связанные с ним процессы за последние 500 миллионов лет, чтобы понять их роль в углеродном цикле. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications Earth and Environment, указали на ключевой переломный момент, который произошел почти 100 миллионов лет назад.

Моделирование показало, что на протяжении большей части истории Земли основной выход углекислого газа проходил не через вулканические дуги, а через рифты — крупные тектонические разломы в земной коре протяженностью от сотен до тысячи километров. Этот процесс происходил как на суше, так и в океане, например вдоль срединно-океанического хребта или в районе Восточно-Африканской рифтовой долины.

Матер объяснил, что тектонические плиты постоянно движутся. В некоторых местах они не сталкиваются, а расходятся в разные стороны. Когда это происходит, верхний твердый слой планеты трескается и истончается. Под ним лежит горячее расплавленное вещество, которое больше почти ничего не прикрывает.

В этот момент магма поднимается и застывает, образуя новую океаническую кору. Одновременно наружу выходит углерод (C), который раньше был заперт внутри Земли. Он попадает в океан и атмосферу.

Сколько именно углерода выходит при таком процессе, зависит от двух вещей. Первая — длина разлома: чем протяженнее, тем больше мест, откуда он может выходить. Вторая — скорость расхождения плит: чем быстрее они расходятся, тем активнее идет выброс.

При этом сам механизм почти не менялся на протяжении огромных отрезков времени. Рифты стабильно выпускали углекислый газ миллионы и сотни миллионов лет, без резких скачков, в отличие от вулканических дуг, роль которых как главного «отопителя» планеты сильно выросла гораздо позже. Ситуация начала меняться лишь 100 миллионов лет назад. Причина связана с жизнью в океане.

Ученый объяснил, что приблизительно 150 миллионов лет назад важным и распространенным компонентом океанских экосистем стал нанопланктон — организмы с пластинами из карбоната кальция (CaCO₃), в состав которого входит и углерод. После смерти эти микроскопические существа оседали на дно и со временем образовали там гигантские залежи карбоната кальция.


a) Потоки углерода в зонах субдукции и вулканических дуг. Зелено–синим цветом обозначен объем углерода, поступающего и перерабатываемого в глубоководных желобах. Оранжевым цветом обозначен выброс в атмосферу. Объем углерода, высвобождаемого на срединно-океанических хребтах (СОХ), континентальных рифтах и вулканических дугах;
b) Карбонатные платформы. Распространение карбонатных платформ (зеленый), активные платформы (светло-зеленый), древние, неактивные платформы (темно-зеленый). В этой модели активные и неактивные платформы учитываются одинаково. Общая площадь карбонатных платформ показана в современном, кумулятивном состоянии и включает только сохранившиеся и картированные структуры. Первоначально их площади были больше, так как часть пород подверглась эрозии и погребению;
c) Взаимодействие зон субдукции и карбонатных платформ. Участки, где зоны субдукции пересекаются с карбонатными платформами. В этих районах вулканические дуги характеризуются повышенными выбросами углерода (фиолетовый). Расплавы, формирующиеся в зоне субдукции, взаимодействуют с карбонатными платформами континентальных дуг на малой глубине. Это приводит к растворению CO₂ в магме и ее последующему активному дегазированию, что создает дополнительный выброс углерода;
d) Ключевые климатические эпохи / © Ben Mather

По мере движения тектонических плит океаническая кора погружалась в мантию Земли — этот процесс называется субдукцией. Вместе с тектонической плитой в недра планеты уходили и залежи карбоната кальция, оставленные нанопланктоном. Основная часть углерода в составе карбоната кальция смешивалась с расплавленным веществом мантии, однако заметная доля возвращалась на поверхность через извержения вулканических дуг.

Таким образом, вулканические дуги превратились в гигантские «трубы», перекачивающие древний морской углерод из зон субдукции обратно в океан и атмосферу. Модели показали, что этот механизм заработал на полную мощность лишь в последние 100 миллионов лет.

До распространения нанопланктона ситуация выглядела иначе. Вулканические дуги выбрасывали сравнительно мало углекислого газа, поскольку в океанической коре просто не существовало столь мощного углеродного резервуара. По оценкам исследователей, по сравнению с тем, что было 150 миллионов лет назад сегодня вулканические дуги выбрасывают на 2/3 больше углекислого газа.

Геолог Алан Коллинз (Alan Collins) из Аделаидского университета в Австралии отметил, что подобные модели критически важны для понимания эволюции климата. По его словам, состав океанических осадков менялся по мере появления новых форм жизни, использующих разные химические элементы. Особую роль сыграло постепенное доминирование зоопланктона с карбонатными оболочками, которое радикально перестроило углеродный цикл планеты.

Выводы исследования команды Матера показали, что климатическая роль вулканов непостоянна: она напрямую зависит от жизни в океане и движения тектонических плит. То, что сегодня кажется фундаментальным природным механизмом, на самом деле сформировалось сравнительно недавно.

P.S. Для биосферы возврат углерода в биогенный круговорот, это не просто благо, это жизненная необходимость. Получается, что этот возврат долгое время обеспечивался в основном рифтами и в меньшей степени вулканами (это потом они нарастили мощность возврата).
 
Мне кажется, что к процессу возврата недавно подключился человек. Ведь сжигание человеком ископаемых углеводородов – это, по сути, тоже возврат захороненного углерода в биогенный круговорот. То есть, для биосферы, это благо.
 
Да, возможен дополнительный парниковый эффект, вследствие накопления в атмосфере углекислого газа из-за сжигания. Думаю, такая добавка, по сравнению с естественными процессами, не очень большая.
 
Но, опять-таки, для самой биосферы в целом (не для отдельных видов или даже биоценозов, и не для человечества, а для биосферы в целом), разве это плохо? В истории Земли бывали температуры и повыше – биосфера вполне себе процветала при этом.
 
Да и до бесконечности такая добавочная температура расти не будет – сначала либо «сдохнут» используемые технологии, основанные на сжигании углеводородов, либо исчезнет сама человеческая цивилизация, и в атмосферу перестанет поступать дополнительный углекислый газ в массовом количестве.

[ArefievPV]

Древнейшие позвоночные развили четыре камероподобных глаза уже полмиллиарда лет назад
https://naked-science.ru/article/paleontology/drevnejshie-pozvonochnye
Третий глаз, который есть у некоторых ящериц, похоже, происходил от четвертого и третьего, когда-то имевшихся у самых первых позвоночных, по совместительству наших предков. К такому неожиданному выводу пришли палеонтологи, изучившие остатки странных существ из кембрийского периода.

Все сухопутные амфибии, рептилии, млекопитающие и динозавры (включая птиц) произошли от рыб (через древних кистеперых). А те, в свою очередь, — от самых первых позвоночных. Ими считают род миллокунмингий — в частности Haikouichthys ercaicunensis и Myllokunmingia fengjiaoa. Они жили в кембрии, около 518 миллионов лет назад и известны по сланцевым отложениям из Китая. Их относят к древнейшим известным позвоночным.

Авторы новой работы в Nature тщательно исследовали остатки десяти этих существ и пришли к необычному выводу: они имели сразу четыре глаза камероподобного типа (такие же у современных позвоночных, включая нас). На остатках они выглядят как четыре черных пятна, расположенных спереди, по бокам головы.

До сих пор крайнюю пару пятен интерпретировали как глаза, а среднюю пару пятен — как носовой мешок. У обоих таксонов более крупные парные латеральные ранее темные пятна интерпретировали как глаза, тогда как среднюю пару интерпретировали как носовой мешок (зачаток обонятельного органа позвоночных).

Палеонтологи с помощью рентгеновского излучения и сложных типов спектроскопии показали, что все четыре пятна имеют близкий химический состав. А электронная микроскопия продемонстрировала наличие там продолговатых или цилиндрических микротелец от 200 до 1200 нанометров в длину.

Такие объекты могут быть только меланосомами, специализированными органеллами клеток, которые встречаются у позвоночных в радужке глаза. А вот в обонятельных органах их наличие весьма маловероятно.

Ученые отметили, что анатомия шишковидного тела в мозге у этих существ симметричная, а у более поздних позвоночных — ассиметричная. У некоторых ящериц шишковидное тело имеет ограниченную светочувствительность, образуя что-то вроде «глаза» на затылке. Четкого зрения у него нет, но он позволяет ощущать резкое изменение освещенности сверху от животного (например, когда на него пикирует птица). Исследователи предполагают, что исходно глаза в средней части головы у миллокунмингий были полноценными, с хрусталиком и радужкой.

Почему же они исчезли и сегодня глаз у нас только два? Авторы предположили, что самые первые позвоночные, не имевшие модных в кембрийском периоде твердых внешних пластин, были серьезно уязвимы для хищников той эпохи. Чтобы спастись, им нужно было зрение с максимально широким полем.

По мере вымирания господствующих в кембрии хищников позвоночные сами стали более активными хищниками (первые миллокунмингии были фильтраторами). Поэтому актуальность зрения «во все стороны» у них упала, и дополнительная пара глаз оказалась не нужна. Лишь у ящериц «третий глаз», основанный на шишковидном теле мозга, стал чем-то вроде напоминания о куда более древних и при этом полноценных третьем и четвертом глазах.

[ArefievPV]

К сообщению:

Без пыли нет жизни: доказано, что органика рождается прямо внутри космических частиц
https://www.ixbt.com/live/science/bez-pyli-net-zhizni-dokazano-chto-organika-rozhdaetsya-pryamo-vnutri-kosmicheskih-chastic.html

Жизнь начала зарождаться до рождения Земли: подтверждено спонтанное формирование ее основ в глубоком космосе
https://www.ixbt.com/live/science/zhizn-nachala-zarozhdatsya-do-rozhdeniya-zemli-podtverzhdeno-spontannoe-formirovanie-ee-osnov-v-glubokom-kosmose.html

Существует термодинамическое противоречие, ставящее под сомнение классические модели возникновения жизни в водной среде. Жидкая вода, являясь универсальным растворителем для биологических процессов, на этапе предбиологической эволюции действует как деструктивный фактор: она способствует гидролизу — разрушению связей между аминокислотами, а не их формированию. Этот химический барьер делает спонтанную сборку пептидных цепочек в гипотетическом «первичном бульоне» ранней Земли энергетически невыгодным и маловероятным событием.

Однако новое исследование международной группы физиков предлагает альтернативный сценарий, переносящий процесс синтеза за пределы планетных атмосфер. Экспериментальные данные свидетельствуют, что сборка сложной органики эффективно протекает в условиях глубокого вакуума и экстремально низких температур, где отсутствие жидкого растворителя становится определяющим фактором успеха реакции.

Проблема водной среды

Сначала важно разобраться, что за химическое препятствие стоит перед зарождением жизни. Белки состоят из пептидов — цепочек аминокислот. Химическая связь между двумя аминокислотами (пептидная связь) образуется в реакции конденсации, побочным продуктом которой является молекула воды.

Это создает термодинамическое противоречие, известное как «водный парадокс». Если жизнь зарождалась в водной среде (в так называемом «первичном бульоне»), то согласно закону действующих масс, избыток воды должен сдвигать химическое равновесие в обратную сторону. В воде пептидные связи стремятся разрушаться (гидролиз), а не образовываться. В современных организмах эту проблему решают специализированные ферменты и потребление энергии АТФ, но в пребиотическом мире таких механизмов еще не существовало.

Авторы нового исследования предположили, что природа могла обойти это ограничение, перенеся процесс синтеза в среду, где жидкая вода отсутствует полностью — в глубокий вакуум межзвездного пространства.


Верхняя панель (Top panel): Схема звездной эволюции. Показаны этапы, на которых, согласно современным представлениям, формируются аминокислоты. Данное исследование фокусируется на двух финальных стадиях (коллапс облака и образование протозвезды), где вещество подвергается наиболее интенсивной энергетической обработке.
Нижняя панель (Bottom panel): Механизм реакции, открытый в данном исследовании. Под воздействием ионного облучения (имитация космической радиации) глицин превращается в глицилглицин — простейший дипептид, при этом выделяется вода. Процесс проиллюстрирован двумя способами: Слева: как это происходит физически на поверхности межзвездных ледяных пылинок. Справа: в виде химического уравнения. Зеленым цветом выделено образование пептидной связи — ключевого элемента для сборки белков в космических условиях.
Автор: Alfred Thomas Hopkinson et al. Источник: www.researchgate.net

Экспериментальное моделирование космоса

Для проверки гипотезы ученые использовали установку, способную воссоздать условия, царящие в плотных молекулярных облаках и протопланетных дисках. В качестве исходного материала был выбран глицин — простейшая и наиболее распространенная во Вселенной аминокислота.

Тончайший слой глицина был нанесен на подложку в вакуумной камере и охлажден до температуры 20 Кельвинов (минус 253 градуса Цельсия). При такой температуре тепловое движение молекул практически останавливается, и классические химические реакции становятся невозможными. Однако в космосе материя не находится в покое: она постоянно подвергается бомбардировке заряженными частицами.

Исследователи имитировали это воздействие, облучая замороженный глицин пучками протонов. В эксперименте использовались два энергетических режима:

• Низкие энергии (10 кэВ): имитация воздействия солнечного ветра — потока частиц от молодой звезды.
• Высокие энергии (1 МэВ): имитация галактических космических лучей, пронизывающих межзвездное пространство.

Доказательство через изотопный анализ

Главная сложность подобных экспериментов — доказать, что зафиксированные продукты реакции возникли именно в ходе синтеза, а не были занесены извне. Если в ходе облучения глицина образуется пептид, должна выделиться молекула воды. Но обнаружить следовые количества воды в вакуумной установке недостаточно — всегда есть риск, что это остаточная атмосферная влага.

Чтобы исключить ошибку, физики применили метод изотопного замещения. Они использовали синтезированный глицин, в котором обычные атомы легкого водорода были заменены на дейтерий (тяжелый водород). Использовались две вариации: частично дейтерированный (D3-глицин) и полностью дейтерированный (D5-глицин).

Логика эксперимента заключалась в том, что если под действием протонного пучка молекулы глицина соединяются друг с другом, то выделяющаяся «вода» должна состоять из атомов, входивших в состав исходного вещества. Следовательно, приборы должны зафиксировать появление тяжелой воды (D₂O). Именно это и показали результаты масс-спектрометрии и инфракрасной спектроскопии: по мере облучения в образце росла концентрация тяжелой воды и появлялись характерные спектральные линии, соответствующие пептидным связям.


a) Инфракрасные спектры (FTIR) трех изотопных версий глицина, нанесенных на подложку из ZnSe при температуре 20 K (до облучения): Обычный глицин (синий цвет). Полностью дейтерированный D5-glycine (красный цвет). Частично дейтерированный D3-glycine (зеленый цвет). b), c) и d) Изменения в спектрах этих веществ под воздействием бомбардировки протонами с энергией 10 keV. Визуальный ключ: Чем темнее линия на графике, тем большую дозу облучения получил образец (от начала эксперимента до финала при 6 x 10¹⁵ H⁺ cm⁻²).
Расшифровка панелей:
b) Показывает образование продуктов распада глицина: углекислого газа (CO₂), цианат-ионов (OCN⁻) и угарного газа (CO) во всех трех образцах.
c) Ключевое доказательство: График фиксирует появление тяжелой воды (D₂O) при облучении дейтерированного глицина (D5 и D3). Это подтверждает, что вода синтезируется непосредственно из вещества образца, а не является внешним загрязнением.
d) Показывает образование обычной воды (H₂O), которое наиболее заметно в эксперименте с частично дейтерированным D3-glycine.
Автор: Alfred Thomas Hopkinson et al. Источник: www.researchgate.net

Механизм твердофазного синтеза

Полученные данные позволили детально описать процесс, происходящий на поверхности космических пылинок.

Когда высокоэнергетический протон врезается в слой замерзшего глицина, он не просто нагревает вещество, а вызывает каскад ионизаций. Протон разрывает химические связи внутри молекулы, выбивая электроны и создавая свободные радикалы — крайне реакционноспособные фрагменты молекул с неспаренными электронами.

В газовой фазе или в жидкости такие радикалы быстро прореагировали бы с чем угодно и распались. Но в твердой ледяной матрице при температуре близкой к абсолютному нулю подвижность молекул ограничена. Радикалы оказываются заперты в определенных положениях. Это создает условия для специфической рекомбинации: углерод карбоксильной группы одной молекулы связывается с азотом аминогруппы соседней молекулы.

Результатом становится образование глицилглицина — простейшего дипептида. Исследование показало, что этот процесс эффективно идет и при низких энергиях (солнечный ветер), и при высоких (космические лучи), что делает его универсальным для различных областей космоса.

Неожиданная сложность: прекурсоры ДНК

Анализ продуктов реакции преподнес исследователям сюрприз. Помимо дипептидов, в образцах было обнаружено вещество N-формилглицинамид. Это молекула более сложной структуры, и ее наличие имеет критическое значение для теорий происхождения жизни.

Дело в том, что N-формилглицинамид является важным промежуточным звеном в биосинтезе пуринов — класса молекул, к которым относятся аденин и гуанин. Это буквы генетического кода, составляющие основу ДНК и РНК.

Таким образом, эксперимент показал, что космическая радиация способна запускать параллельный синтез компонентов сразу для двух главных подсистем жизни: структурной (белки) и информационной (генетический материал). Ранее считалось, что столь разные классы соединений требуют различных условий для формирования.


Данные масс-спектрометрии (ESI-MS), подтверждающие образование новых сложных молекул после облучения.
a), b), c) Общие спектры масс для трех видов исходного вещества: обычного (недейтерированного) глицина, D3-глицина и D5-глицина.
d), e), f) Детальный обзор тех же образцов в диапазоне масс m/z от 133 до 138. Именно в этом окне находятся следы искомых пептидов. Ключевые маркеры: Исходный материал: Остатки непрореагировавшего глицина видны как пики m/z = 76 (на графиках a и b) и m/z = 78 (на графике c). Доказательство синтеза: Образовавшийся дипептид (глицилглицин) четко фиксируется на пиках m/z = 133 (графики d и e) и m/z = 137 (график f).
Автор: Alfred Thomas Hopkinson et al. Источник: www.researchgate.net

Астрофизический контекст и выводы

Работа датских и венгерских физиков меняет представление о хронологии возникновения жизни. Традиционно считалось, что сложные молекулы начали формироваться только после того, как Земля остыла и на ней появились океаны. Теперь этот временной горизонт сдвигается на миллионы лет назад, в эпоху формирования Солнечной системы.

Согласно полученным данным, синтез пептидов происходит:

• В плотных молекулярных облаках — гигантских скоплениях газа и пыли, из которых рождаются звезды.
• В протопланетных дисках — вращающихся структурах вокруг молодых звезд, где формируются планеты.

В этих регионах космическая пыль покрыта слоями льда из воды, аммиака, метана и простейших аминокислот. Галактические лучи непрерывно обрабатывают эти льды, превращая их в химические реакторы. По мере того как из пыли и газа формируются кометы и астероиды, они уже содержат внутри себя запас сложных полимеров.

Это означает, что на раннюю Землю в период поздней тяжелой бомбардировки выпадали не просто вода и минералы. Кометы доставляли на планету уже готовый конструктор из дипептидов и прекурсоров нуклеотидов. Низкие температуры космоса играли роль консерванта, сохраняя эти молекулы от распада до момента попадания в благоприятную среду планетарного океана.

Данное открытие устраняет необходимость объяснять, как именно в первичном океане Земли преодолевался термодинамический барьер для синтеза первых пептидов. Вероятно, этот этап был пройден еще до того, как планета сформировалась, а земная жизнь воспользовалась результатами химической эволюции, произошедшей в холодном вакууме межзвездного пространства.

Источник: researchgate

P.S. На мой взгляд, эти две новости отчасти повышают актуальность гипотезы Армена Мулкиджаняна.

https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg250332.html#msg250332

Армен Мулкиджанян «Первое глобальное потепление и происхождение жизни»



Небольшой навигатор по лекции:

В навигаторе расписано всё по пунктам, важные фразы и слова выделены.

А здесь комментарии к лекции Армена Мулкиджаняна:

https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg250335.html#msg250335

Несколько цитат из других сообщений (в качестве комментариев к лекции).

[ArefievPV]

Палеонтологи выделили ранее неизвестное вымершее царство древних гигантов
https://naked-science.ru/article/paleontology/prototaxites
Крупнейшие живые организмы девонского периода — прототакситы — не относились ни к грибам, ни к растениям, ни к лишайникам. Комплексный химический и структурный анализ помог выявить, что это ранее неизвестная и полностью вымершая ветвь биологической эволюции.

Научное сообщество спорило о природе этих загадочных существ более 165 лет. Ископаемые остатки, получившие название «прототакситы», впервые нашли еще в середине XIX века. Эти организмы доминировали в наземных экосистемах планеты в период от 420 до 370 миллионов лет назад.

Пейзаж древней Земли тогда выглядел инопланетно: привычных лесов не существовало, а растительность представляла собой лишь мхи и примитивные кустарники высотой не более метра. Над этой равниной возвышались гигантские столбы прототакситов, достигавшие восьми метров в высоту и метра в ширину. Они напоминали огромные стволы без веток, листьев и корней, закрепленные в почве луковицеобразным основанием.

Долгое время палеонтологи пытались вписать этих гигантов в существующее древо жизни. Сначала их считали предками хвойных деревьев, затем — гигантскими водорослями, а в последние десятилетия основной теорией стала принадлежность к царству грибов. Предполагалось, что это плодовые тела огромных грибов, питавшихся мертвой органикой. Эта версия объясняла многие странности строения, но оставляла вопросы о том, как мягкая грибная ткань могла удерживать такой исполинский вес или не быть съеденной.

Новое исследование окончательно разрушило грибную теорию, предложив вместо нее еще более удивительный сценарий. Статью об этом опубликовали в журнале Science Advances.

Ученые сфокусировались на образце вида Prototaxites taiti, найденном в кремнистых отложениях Райни в Шотландии. Эта локация уникальна для палеонтологии благодаря горячим минеральным источникам, которые сотни миллионов лет назад законсервировали ткани живых существ с детализацией вплоть до отдельных клеток. Такая сохранность позволила авторам научной работы провести прямое сравнение прототаксита с окаменелостями настоящих грибов и растений, найденных в том же куске породы.

Сначала исследователи с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии заглянули внутрь окаменевших тканей прототаксита. Они увидели сверхсложную систему переплетенных трубок, которая кардинально отличалась от строения грибницы. Тело организма состояло из трех разных типов каналов: тонких, средних и толстых, имеющих кольцевые утолщения.

Трубки соединялись в сложные узлы, названные медуллярными пятнами. Функционально эти хабы напоминали альвеолы в легких млекопитающих или капиллярные клубки: они служили центрами активного обмена веществ и транспорта ресурсов. Такая трехмерная архитектура не встречается ни у одного из известных видов грибов — ни древних, ни современных.

Далее ученые задействовали химический анализ с использованием машинного обучения (ATR-FTIR-спектроскопия), чтобы найти характерные молекулярные следы. Клеточные стенки всех известных грибов содержат хитин и бета-глюканы. В процессе окаменения эти вещества распадаются на специфические соединения, которые сохраняются в камне. Искусственный интеллект обучили различать химические сигнатуры древних растений, бактерий и грибов.

Анализ показал, что окаменелости реальных грибов из шотландского месторождения действительно содержат следы хитина. Однако в образцах прототаксита эти маркеры отсутствовали полностью. Химическая подпись прототаксита была уникальна и не совпадала ни с одной известной группой.

Исследователи также проверили образцы на наличие перилена — пигмента, который вырабатывают грибы-аскомицеты. В окружающей породе вещество присутствовало, но в тканях прототаксита его не оказалось. Это исключило возможность, что прототакситы были гигантскими лишайниками или симбиозом гриба и водоросли. Клеточная стенка загадочных гигантов имела принципиально иной состав, отличный от хитинового панциря грибов или целлюлозного каркаса растений.

Совокупность структурных и химических различий привела ученых к выводу о необходимости пересмотреть классификацию. Прототакситы признали представителями отдельного, неизвестного ранее царства эукариотической жизни. Эта группа существ нашла собственный путь к многоклеточности и гигантизму, создав уникальную биологическую инженерию для вертикального роста и транспортировки веществ. Они были гетеротрофами, то есть потребляли готовую органику из богатых почв девонского периода, но делали это способом, отличным от грибного.

Открытие изменило представление о биоразнообразии древней Земли. В девонском периоде существовала еще одна принципиально иная форма жизни. Эта таинственная цивилизация неподвижных гигантов процветала десятки миллионов лет, но в итоге проиграла эволюционную гонку и исчезла без следа, не оставив прямых потомков в современном мире. Загадка, мучившая науку полтора столетия, разрешилась обнаружением потерянного мира биологии.