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.