Интересные новости и факты (биология, химия)

[ArefievPV]

Голова морского слизня отбросила тело и отрастила новое
https://nplus1.ru/news/2021/03/09/elysia-cf-marginata

Морские слизни из рода Elysia научились отбрасывать старое тело и отращивать на основе головы новое. Ранее столь экстремальные виды регенерации у организмов со сложным строением были неизвестны. Как отмечается в статье для журнала Current Biology, вероятно, избавляясь от большей части организма, элизии борются с паразитами. Старое тело не отращивает новую голову и со временем погибает, а голова выживает без сердца и пищеварительной системы — по-видимому, благодаря фотосинтезу с помощью хлоропластов из съеденных водорослей.

Многие животные обладают удивительными способностями к регенерации. Среди самых известных примеров — некоторые ящерицы, которые умеют восстанавливать отброшенный хвост, и аксолотли, неотенические личинки мексиканских амбистом (Ambystoma mexicanum), заново отращивающие утерянные конечности. Еще шире регенерация распространена среди беспозвоночных: так, морские звезды из рода Linckia могут вырастить новое тело на основе оторванного луча, а губки возрождаются, даже если их протереть на мелкой терке.

Новый пример экстремальной регенерации обнаружили японские биологи Саяка Мито (Sayaka Mitoh) и Йоити Юса (Yoichi Yusa) из Женского университета Нары. В центре их внимания оказались морские слизни из рода Elysia, которые известны благодаря способности встраивать в ткани хлоропласты съеденных водорослей и с их помощью получать энергию за счет фотосинтеза. Наблюдая за представителями видового комплекса Elysia cf. marginata, которые содержались в неволе, ученые обнаружили, что у некоторых особей головы самопроизвольно отделяются от тела, содержащего сердце, почки, кишечник и репродуктивные органы. Через некоторое время головы отращивают новые тела.

В общей сложности Мито и Юса описали шесть таких случаев. Головы начинали самостоятельно двигаться сразу после аутотомии, а раны на них затягивались в течение суток. Головы молодых (от 226 до 336 дней с момента вылупления) особей в течение нескольких часов приступали к кормлению предложенными водорослями. В течение семи дней они начинали отращивать новые сердца, а спустя двадцать суток полностью восстанавливали тела. Впрочем, более старым особям пережить аутотомию не удавалось: их головы не питались и умирали в течение десяти суток. Интересно, что одна элизия в течение жизни прошла через этот процесс дважды.

Ни одно из обезглавленных тел не смогло отрастить себе новую голову. При этом тела оставались живыми на протяжении нескольких месяцев и двигались в ответ на стимулы (все это время, их, вероятно, поддерживал фотосинтез в хлоропластах). В конце концов они, однако, бледнели, погибали и разлагались.

Похожее поведение было отмечено у родственного вида морских слизней — Elysia atroviridis. Из 82 особей, которые содержались в лаборатории, три отбросили тела — и в двух случаях успешно отрастили себе новые. Как и у E. cf. marginata, обезглавленные тела E. atroviridis двигались, а их вскрытие показало наличие паразитических рачков-копепод из рода Arthurius. Еще 39 зараженных паразитами особей утратили фрагменты тела — и у тринадцати они регенерировались. Для сравнения, из 64 специально пойманных слизней, свободных от паразитов, ни один не отбросил тело.

Мито и Юса обнаружили у обоих видов слизней необычную анатомическую деталь — поперечный желобок, опоясывающий основание головы. Биологи предположили, что он представляет собой линию, по которой происходит аутотомия. Чтобы проверить эту идею, они провели эксперимент с шестью представителями особями E. cf. marginata. Основание головы каждого моллюска в районе желобка обвязали тонкой нейлоновой нитью. В результате у пяти особей через 16-18 часов после начала опыта ткани вокруг нити начали разлагаться, а через 18-22 часа голова отделилась от тела, составлявшего 80-85 процентов всей массы организма. У шестой особи нить сместилась и на отторжение головы ушло девять дней. При этом когда Мито и Юса имитировали атаку хищника, например, зажимали пинцетом тела слизней или разрезали их параподии, отбрасывания тела не происходило.

Авторы отмечают, что некоторые виды морских слизней могут отбрасывать фрагменты тела, чтобы спастись от хищника. Однако утеря большей части организма, включая сердце и другие внутренние органы, до сих пор не отмечалась среди брюхоногих моллюсков и других животных со сложным строением.

Как головам элизий удается выжить без тела, пока неясно; возможно, в этом им помогают хлоропласты съеденных водорослей, обеспечивающие их энергией на время регенерации, пока пищеварение остается невозможным из-за отсутствия кишечника.

Кроме того, пока неясно, зачем этим морским слизням вообще отбрасывать тело целиком. Аутотомия обычно используется для защиты от хищников, однако у элизий она происходит слишком медленно для этого. Кроме того, благодаря покровительственной окраске и токсичности врагов у них немного. По мнению Мито и Юсы, элизии могут терять тела, чтобы избавиться от заселивших их паразитов, которые снижают репродуктивный успех хозяев. На это указывают наблюдения за E. atroviridis. Впрочем, есть вероятность, что аутотомия помогает слизням избавиться от накопленных токсичных веществ или позволяет спастись, если они запутаются в водорослях.

Способность отбрасывать хвост появилась у рептилий уже в далеком прошлом. Согласно недавнему исследованию, лишаться хвоста при нападении хищника умели уже рептилии капториниды, жившие 289-286 миллионов лет назад.

[ArefievPV]

Биспецифичные антитела помогают Т-клеткам распознавать раковые клетки по точечным мутациям
https://elementy.ru/novosti_nauki/433786/Bispetsifichnye_antitela_pomogayut_T_kletkam_raspoznavat_rakovye_kletki_po_tochechnym_mutatsiyam

Исследователям из университета Джонса Хопкинса удалось опознать и обезвредить раковые клетки по их специфичным внутренним белкам, отличающимся от нормальных белков заменой всего одной аминокислоты. Это было сделано при помощи иммунотерапии биспецифичными антителами, которые четко узнавали эти клетки со сломанным белком p53 и призывали к ним Т-киллеров. При этом здоровые клетки с обычным вариантом этого белка, которых в организме гораздо больше, полностью игнорировались. Пока этот подход опробован только in vitro и на мышах, но в будущем он может серьезно продвинуть лечение раков с поломками в белке p53.


Рис. 1. Схема получения синтетических антител. Иммуноглобулины G (IgG) — самый распространенный тип антител в организме человека. У каждой молекулы IgG есть два идентичных участка (scFv, single chain variable fragments, показаны зеленым и красным), которыми она может «поймать» антиген, против которого рассчитана, — отсюда и подпись bivalent monospecific. Если изолировать эти участки от разных антител и сшить их между собой (ScDb — single chain diabody), то можно сконструировать синтетическое антитело, которое будет узнавать сразу два разных антигена (scDb-Fc, буквы «Fc» означают Fragment crystallizable region — кристаллизующийся фрагмент иммуноглобулина, это «ножка» антитела). При помощи таких биспецифичных антител можно, например, связывать между собой клетки опухоли и иммунной системы — для этого нужно, чтобы антитело распознавало по одному белку, характерному для опухолевых и иммунных клеток. Схема подготовлена на основе рисунка с сайта izi.uni-stuttgart.de

Как работают биспецифичные антитела

На клеточном уровне в организме основные борцы с раковыми клетками — это Т-киллеры. Стандартная последовательность событий при иммунном ответе выглядит следующим образом:
•Характерный для опухолевой клетки белок разрезается на кусочки (как и другие белки) и выставляется в составе комплекса ГКГС (главный комплекс гистосовместимости) на поверхности клетки;
•Т-киллеры при помощи молекул TCR (T-клеточный рецептор) проверяют содержимое ГКГС других клеток;
•Рецепторы TCR у Т-киллеров разные, и только в случае, если рецептор идеально подошел к содержимому ГКГС (как ключ к замку), он передает сигнал об этом на расположенный рядом рецептор CD3;
•CD3 передает сигнал внутрь клетки и запускает активацию Т-киллера;
•это приводит к выбросу перфоринов и гранзимов, они делают дырки в мембране больной клетки, отравляют ее и клетка погибает.

Биспецифичные антитела работают как переходники между молекулами антигена на поверхности раковой клетки и Т-клеточным белком CD3. В отличие от обычных антител они могут узнавать не одну, а сразу две или даже три цели и связывать их. Одним из своих хвостов биспецифичное антитело цепляется к антигену раковой клетки, а другим — к рецептору CD3 иммунной клетки. Это активирует Т-клетку: она выбрасывает гранзимы и перфорины, которые портят мембрану раковой клетки, и та погибает.

При этом антигенные «предпочтения» Т-киллера не играют никакой роли: активация идет в обход его TCR. Это существенно увеличивает количество потенциальных убийц для опухолевой клетки.

Кроме того, биспецифичные антитела могут находить молекулы неоантигенов не только в комплексе с ГКГС, но вообще везде на поверхности клеток. Для детекции раковой клетки по ее внутренним белкам это не принципиально — они все равно появляются только на ГКГС, но для поиска по поверхностным структурам это существенно увеличивает количество доступных мишеней.


Механизм работы биспецифичного антитела при охоте на клетку с мутантным белком p53. Связываясь одним концом с мутантным кусочком p53 на ГКГС клетки, а другим — с рецептором CD3 Т-клетки, антитело активирует Т-клетку. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Обсуждаемые работы — вне зависимости от того, насколько исследованные в них антитела окажется возможным использовать на практике, — продемонстрировали целый ряд важных моментов. Впервые была показана возможность иммунотерапии для ключевых внутриклеточных неоантигенов, p53 и RAS. Их мутантные кусочки попадают на поверхность клетки в очень небольших количествах, но несмотря на это их удалось обнаружить при помощи биспецифичных антител и вызвать иммунный ответ. И хотя эти целевые пептиды отличаются от нормальных всего на одну аминокислоту, этого достаточно, чтобы антитела не путали их между собой. Разумеется, до применения таких биспецифичных антител в медицинской практике еще очень далеко, первый шаг к этому уже сделан.

[ArefievPV]

Бактерии на бумажной подложке выполнили логические операции
https://nplus1.ru/news/2021/03/22/bacterial-logic-gates

Биологи собрали из бактерий логические операторы. Исследователи посадили на бумажную подложку разные группы бактерий таким образом, чтобы поток выделяемых ими веществ заставлял группу бактерий вывода светиться (сигнал «1») или не издавать свечение (сигнал «0»). В зависимости от расположения групп бактерий относительно друг друга ученые получили операторы «И», «ИЛИ», «НЕ» и «исключающее ИЛИ», а также привели пример аналогового вычисления. Авторы работы, опубликованной в Nature Communications, предполагают, что подобные схемы могут лечь в основу простых портативных биосенсоров.

Чтобы проверить систему в качестве биосенсора исследователи добавили в питательную смесь соединения ртути в разных концентрациях. Видимый ответ — количество засветившихся групп бактерий-репортеров и их расстояние от бактерий, который производили сигнальную молекулу — позволил оценить концентрацию ртути.

Далее исследователи перешли к созданию более сложных схем, комбинируя имеющиеся элементы. Например, из двух колоний, постоянно вырабатывающих сигнальную молекулу и двух колоний, которые разрушают сигнал в присутствии либо арабинозы, либо ангидротетрациклина, получился логический оператор «ИЛИ». Похожим образом авторы собрали операторы «И», «НЕ» и «исключающее ИЛИ». Авторы работы также показали системы, воспринимающие два или три сигнала входа.

Напоследок исследователи попробовали показать возможность аналогового вычисления: они создали бактериальную версию полосового фильтра — элемента, который пропускает составляющие, находящиеся в некоторой полосе частот.

В вычислительные машины ученые пытаются превратить не только группы клеток, но и отдельные клетки сами по себе или даже просто молекулы ДНК. Например, биологи превратили в компьютеры все те же кишечные палочки, а биохимики записали информацию на молекулы на ДНК с одноцепочечным разрывом.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Кишечную палочку превратили в биокомпьютер
https://nplus1.ru/news/2016/07/22/e-coli-compute

Разрывы ДНК кишечной палочки стали битами информации
https://nplus1.ru/news/2020/04/17/dna-punch-card

[ArefievPV]

Найден организм, у которого нет белков для репликации ДНК
https://www.popmech.ru/science/news-683513-nayden-organizm-u-kotorogo-net-belkov-dlya-replikacii-dnk/?from=main_middle

Биологи обнаружили одноклеточный организм, который выживает без большей части молекул, необходимых для репликации ДНК. Исследователи пока не знают, как этому эукариоту удается выживать и размножаться.

У этого одноклеточного организма нет семи белков, необходимых для репликации ДНК. Но как он тогда делится? Ответ на этот вопрос биологи пока не нашли
 
Репликация ДНК имеет фундаментальное значение для размножения, поэтому считалось, что системы репликации ДНК присутствуют у всех непаразитических видов эукариот. Но новое открытие показывает, что это не так. Канадские исследователи из Университета Далхаузи обнаружили, что у микроорганизма вида Carpediemonas membranifera нет большей части молекул, необходимых для репликации ДНК.
 
Авторы работы считают, что это одноклеточное должно иметь пока неизвестный науке механизм, позволяющий ему копировать свою ДНК. В рамках своего исследования биологи решили изучить этого эукариота, живущего в донных отложениях в среде с низким содержанием кислорода. Для этого ученые секвенировали его геном. Они были удивлены, когда обнаружили, что у Carpediemonas membranifera отсутствуют несколько генов, в том числе те, что кодируют белки, запускающие репликацию ДНК.
 
Сначала исследователи подумали, что это ошибка оборудования или протокола исследования. Поэтому они целый год повторяли секвенирование и анализировали экспериментальные данные. Но всякий раз биологи не находили у одноклеточного нужных генов. Авторы работы показали, что у C. membranifera есть полимеразы — ферменты, которые копируют одну нить ДНК, чтобы создать новую генетическую молекулу. Но для дальнейших этапов репликации клетке требуются еще шесть белков, которые образуют пререпликационный комплекс (origin recognition complex/ORC), и фермент Cdc6. Все они отсутствуют у C. membranifera.
 
Наиболее вероятное объяснение существованию такого организма заключается в том, что у него есть еще один механизм для запуска репликации ДНК. Отсутствие стандартной системы репликации — не единственная странность микроорганизма. У C. membranifera также отсутствуют белки, которые помогают перемещать ДНК при делении клеток. Ученые пока не знают, как этот эукариот делится, но будущие исследования помогут пролить свет на механизм этого процесса.
 
Препринт работы опубликован на сервисе bioRxiv.org.

[ArefievPV]

Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
https://nplus1.ru/news/2021/03/25/clamp-your-rna

Промотор-зависимое копирование РНК рибозимом с зажимом

Канадские ученые методом эволюции в пробирке создали РНК-фермент (рибозим), способный уcтойчиво воспроизводить молекулы РНК после специфического распознавания их промотора. Это вносит существенный вклад в поддержку гипотезы зарождения современной жизни на Земле на основе РНК. Отчет об исследовании опубликован в журнале Science.

Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). Суть этой гипотезы состоит в том, что на заре эволюции первой сложной биомолекулой, способной к самовоспроизведению и катализу, была рибонуклеиновая кислота (РНК). Ее мономеры — нуклеотиды — могли образовываться в ходе химических реакций без участия живых систем, в 2020 году Томонори Тотани (Tomonori Totani) предложил статистическую модель ее случайного возникновения во Вселенной. Позже РНК эволюционировала в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), лучше подходящую для хранения генетической информации, а ее соединения с пептидами — рибонуклеопротеины — в белки, лучше выполняющие каталитические, транспортные, структурные и сенсорные функции. Наследниками мира РНК в современных организмах считаются рибосомы, чья рибозимная активность отвечает за процесс трансляции, а также универсальное производство и хранение энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ) и функционирование рибонуклеотидов в качестве коферментов и сигнальных молекул.

Предложены и альтернативные теории зарождения жизни на Земле. Также не исключено, что РНК-жизнь была не первой, но оказалась наиболее успешной. Тем не менее гипотеза мира РНК в настоящее время доминирует в науке, хотя и в ней есть немало пробелов. Один из них — объяснение возникновения полимеразных рибозимов (синтезирующих РНК на матрице РНК), которые обладают достаточной процессивностью (способностью присоединять последовательные мономеры без высвобождения получающегося полимера). Существующие попытки их создания in vitro особым успехом не увенчивались из-за низкой аффинности таких рибозимов к матрице.

Петер Унрау (Peter Unrau) и Разван Кожокару (Razvan Cojocaru) из Университета Саймона Фрейзера предположили, что РНК-полимеразный рибозим может частично гибридизироваться со специфичным праймером, который напоминает бактериальный сигма-фактор инициации транскрипции, обеспечивающий связывание РНК-полимеразы с промоторами определенных генов. Такой аналог скользящего зажима в открытой конфигурации мог бы находить матричную одноцепочечную РНК и после ее фиксации отделять праймер от сайта его связывания с рибозимом, переводя зажим в закрытую форму и обеспечивая процессивность. По схожему принципу работают бактериальные ДНК-зависимые РНК-полимеразы.

Чтобы проверить свою гипотезу, авторы работы оттолкнулись от известного РНК-полимеразного рибозима B6.61, состоящего из каталитического лигазного ядра и дополнительного домена, обеспечивающего присоединение нуклеозидтрифосфатов (мономеров нуклеиновых кислот). В исходную молекулу внесли изменения, добавив к ней праймер-связывающий сайт, вставляя случайные последовательности до получения 1013 вариантов биомолекулы и удалив лишнюю последовательность из дополнительного домена. Полученный пул молекул подвергли 30 циклам направленной селекции, отсеивающей неспецифичные к матрицам варианты и выделяющей работоспособные зажимы и высокую процессивность.

Путем дальнейшей эволюции в пробирке под действием различных мутагенов исследователи получили функциональный РНК-полимеразный рибозим с зажимом (clamping polymerase, CP). В ряде экспериментов он успешно определял промоторы заданных РНК-матриц, связывался с ними и эффективно производил их копии подобно тому, как работают ДНК-зависимые РНК-полимеразы прокариот.


Инициация транскрипции полимеразным рибозимом с зажимом (сверху) и бактериальной ДНК-зависимой РНК-полимеразой (в центре). Внизу — вторичная структура открытого и закрытого зажима

«Эта РНКовая полимераза обладает многими характеристиками современных белковых полимераз; она эволюционировала так, чтобы распознавать РНК-промотор и процессивно копировать РНК. Полученные результаты подразумевают, что схожие рибозимы на ранних стадиях развития жизни могли приобрести столь же сложные биологические свойства», — пояснил Унрау.


СР процессивно удлиняет множественные праймеры на одном типе промотора


Селективность промотора, обеспеченная синтезом специфичного праймера на основе последовательности праймер-связывающего домена СР

«Путем изучения фундаментальной сложности жизни в лабораторных условиях, мы можем начать оценку вероятности того, насколько другие планеты, такие как Марс, имели или до сих пор имеют потенциал для поддержания жизни», — добавил он.

Ранее исследователям уже удавалось использовать «эволюцию в пробирке» для синтеза РНК-полимеразных рибозимов, но не обладающих зажимом и ограниченных по точности синтеза. Также различные научные коллективы показали, что синтезу нуклеотидов при возникновении жизни способствовала цикличная смена влажности, а подходящей подложкой для синтеза из них РНК могла служить глина.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Возникновение глины связали с зарождением жизни
https://nplus1.ru/news/2017/04/11/claylife

Циклическая смена влажности помогла синтезу нуклеозидов в РНК-мире
https://nplus1.ru/news/2019/10/03/rnaworld

Рибозим справился с синтезом своего предка
https://nplus1.ru/news/2020/01/28/bravernaworld

[ArefievPV]

Биологи определили кроличий ген хождения на передних лапах
https://nplus1.ru/news/2021/03/26/rabbits-on-forelimbs

Одна из пород домашних кроликов известна нарушениями в координации движений: чтобы компенсировать недостаточную синхронизацию задних лапок, кролики при ходьбе полностью поднимают заднюю часть и передвигаются только на передних. Биологи нашли ген, соответствующий этому расстройству и показали, что он влияет на формирование вставочных нейронов в спинном мозге животных. Работа опубликована в PLOS Genetics.

Хорошо скоординированные движения конечностями для животных – вопрос жизни и смерти (и успешного размножения). Обработка получаемой информации (визуальной, слуховой, вестибулярной) и соответствующие двигательные команды, посылаемой нервной системой, формируют походку животного. Расположенная в спинном мозге нейронная сеть – центральный генератор упорядоченной активности – управляет ритмом движений, активностью мышц-сгибателей и разгибателей, а также координирует движения правых и левых конечностей. Многие млекопитающие могут менять свою походку в зависимости от необходимой скорости и рельефа, выбирая ходьбу, рысь или галоп. Походка различается у разных видов животных: кто-то передвигается на двух конечностях, кто-то на четырех; кто-то чередует правые и левые конечности, у кого-то их движения синхронизированы (например, во время прыжков у зайцев или кенгуру).

Исследователи часто интересуются биомеханикой, морфолофологическими и физиологическими адаптациями, которые характеризуют разные способы передвижения у животных. Однако генетические и молекулярные механизмы, которые объясняют различия между движениями отдельных особей и представителями разных видов, редко попадают в поле зрения ученых.

Среди млекопитающих кролики и зайцы особенно выделяются своим скачкообразным способом передвижения. Их передние лапы сгибаются и разгибаются поочередно, а задние – синхронно, вместе, с большей амплитудой, что и позволяет этим животным прыгать. Одна из пород одомашненных кроликов, альфорский прыгун (sauteur d'Alfort), известна своим странным способом передвижения. Когда таким кроликам требуется небольшая скорость, они слишком сильно поднимают свои задние лапы. На большой же скорости задние лапы не синхронизируются, и альфорские прыгуны так и не могут прыгать. Расстройство сильно снижает эффективность передвижения, и кролики по-особому адаптировались: ради длительной или более быстрой ходьбы животные стали поднимать свои задние лапы и ходить только на передних, как акробаты. К сожалению, это не единственная проблема, с которой сталкиваются представители породы. Кролики рождаются слепыми из-за дисплазии сетчатки. Фенотип альфорских прыгунов, который включает в себя особенности походки и поражения глаз, контролируется одной-единственной аутосомной рецессивной аллелью (s^am).

Ученые из Университета Порту и Уппсальского университета под руководством Лейва Андерссона (Leif Andersson) изучили генетический механизм, лежащий в основе необычной походки альфорских прыгунов. Исследователи провели эксперимент, который позволяет определить генетические маркеры, связанные с тем или иным мутантным фенотипом. Альфорских прыгунов скрестили с особями другой породы и провели полногеномное секвенирование второго поколения потомства.

Внимание ученых привлек один участок, который был свойственен прыгунам, и который, предположительно, должен был содержать искомую мутацию. Участок размером 5,4 миллионов пар нуклеотидов подробно проанализировали на предмет единичных замен, вставок или удалений нукледотидов, а также более крупных структурных изменений. Оказалось, что мутация в гене RORB приводит к неправильному сплайсингу, то есть неправильному формированию зрелой матричной РНК, по которой синтезируется соответствующий белок. Этот же участок гена оказался консервативным: его нашли еще у 70 плацентарных животных, генетическая информация которых была доступна авторам работы. Также известно, что мыши с удаленным геном Rorb тоже испытывают проблемы с сетчаткой и координацией движений: у них проявляется «утиная» походка.

Дальнейшие эксперименты показали, что у кроликов с этой мутацией сильно снижено количество нейронов с белком RORB (по сравнению со здоровыми). У мышей с такой же мутацией RORB играет  роль в дифференциации клеток фоторецепторов в сетчатке и определенных слоев неокортекса. Авторы работы показали, что у кроликов RORB вовлечен в процесс дифференциации вставочных нейронов в спинном мозге. Вероятно, это нарушение и приводит к плохой координации движений животных.

Мутации в одном гене нередко приводят неожиданным изменениям в организме животных. Не всегда эти мутации вредны: так, замена одного нуклеотида помогла арктическим сапсанам увеличить дальность миграций, а мутация в единственном гене сделала мышей умными и смелыми.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Мутация единственного гена сделала мышей умными и смелыми
https://nplus1.ru/news/2015/08/17/brave-smart-mice

Замена единственного нуклеотида помогла арктическим сапсанам увеличить дальность миграций
https://nplus1.ru/news/2021/03/05/falco-peregrinus

[ArefievPV]

Насекомые позаимствовали гены у растений
https://www.nkj.ru/news/41067/
 

Белокрылки защищаются от растительных токсинов с помощью гена, который сами стащили у растений много миллионов лет назад.

Мы не можем поделиться с другим человеком собственными генами. Точнее, можем, но для этого нужно родить ребёнка, который их унаследует. Но вот так, чтобы встретиться на улице, пожать друг другу руку и с рукопожатием получить себе в геном один-два гена – такое у нас невозможно.

Зато возможно у бактерий. Они передают генетическую информацию не только по вертикали, то есть по линии предок–потомок, но и по горизонтали, то есть просто друг другу, вне процесса размножения. Это называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). Бактерии могут передавать и принимать чужую ДНК в ходе особого процесса, который называется конъюгацией, или же когда одна клетка поглощает другую, или же просто подбирая из окружающей среды ДНК, оставшуюся от другой клетки. Ген «осваивается» на новом месте и начинает работать на благо нового хозяина. Также горизонтальный перенос генов распространён у архей, хотя  механизмы его у них другие.

Что до животных, растений, грибов, то ещё совсем недавно считалось, что у них горизонтальный перенос генов случается очень и очень редко, если вообще есть. Но со временем стали появляться данные, что на самом деле он у них не так уж и редок. Так, мы писали о том, что грибы неоднократно заимствовали гены бактерий, благодаря чему смогли наладить симбиоз с растениями, а некоторые виды грибов даже научились с помощью бактериальных генов чувствовать гравитацию. Есть множество примеров того, как бактериальные гены заимствовали растения, членистоногие и едва ли не человек.

Но у бактерий позаимствовать ген, может быть, не так уж трудно. А вот были ли случаи, когда один сложный многоклеточный организм заимствовал ген у другого сложного многоклеточного? Как раз такой случай описан в статье в Cell, посвящённой табачной белокрылке. Это насекомое распространено буквально повсеместно, и особенно хорошо знакомо тем, кто занимается сельским хозяйством – потому что табачная белокрылка считается одним из самых опасных вредителей. Её личинки кормятся более чем на 600 видах растений, и не просто высасывают их сок, но и заражают растения множеством вирусов. Бывали случаи, когда белокрылка с вирусами полностью уничтожала урожай.

Сотрудники Китайской сельскохозяйственной академии обнаружили в геноме табачной белокрылки ген BtPMaT1. Тот же ген нашли ещё у двух видов белокрылок. Самое странное было в том, что ген BtPMaT1 до сих пор считался сугубо растительным. Объяснить это можно было либо тем, что ген BtPMaT1 был у общего предка растений и насекомых, но потом за миллионы лет эволюции растения его сохранили, а животные потеряли, за исключением трёх белокрылок. Но между растениями и насекомыми лежит огромная эволюционная пропасть, и такое развитие событий – что ген со времён общего растительно-животного предка почему-то остался только у единичных насекомых, которые, кстати говоря, не самые примитивные животные на свете – такое развитие событий авторы работы сочли неправдоподобным.

Альтернативой оставался горизонтальный перенос генов. Белокрылки с растительным геном возникли около 35 млн лет назад. Но у них есть близкородственные виды, которые сформировались около 80 млн лет назад, и у этих родственников растительного гена нет. Очевидно, ген появился у них между 80 и 35 млн лет. Как именно насекомые сумели встроить растительный ген в свою ДНК, пока неясно. Возможно, свою роль тут сыграли какие-нибудь вирусы, которые могут встраиваться в клеточную ДНК – правда, тогда придётся предположить, что эти вирусы более-менее нормально чувствовали себя как в растительных, так и в животных клетках, а предположить такое довольно сложно.

Но, так или иначе, белокрылки позаимствовали у растений весьма полезный для себя ген. Дело в том, что у растений есть разные системы защиты от вредителей. В частности, они могут синтезировать токсичные для насекомых фенолгликозиды. Но чтобы токсины не повредили самому растению, в растительных клетках есть специальный фермент, который расщепляет токсичные молекулы. Ген BtPMaT1 как раз этот фермент и кодирует.

Чтобы проверить, действительно ли BtPMaT1 защищает белокрылок от яда, исследователи ввели в растения томатов специальную молекулу, которая отключала ген BtPMaT1 – отключающая молекула попадала в насекомых , когда они сосали сок из растения. Из 2500 белокрылок, которые кормились на таком томате, не выжила ни одна. А из тех, которые кормились на обычном томате, погибло только 20%.

Это второй случай горизонтального переноса генов от растения к насекомым. Первый был описан в сентябре прошлого года в Scientific Reports, и тоже на примере белокрылок. Однако насчёт того растительного гена осталось много неясного – не очень понятно, зачем он понадобился насекомым. С новыми белокрылками и геном BtPMaT1 как раз всё намного яснее – он действительно им полезен. Возможно, борьба с белокрылками теперь станет успешнее: можно либо целенаправленно отключить у них этот ген, либо вывести новые сорта растений с модифицированным токсином, против которого защита белокрылок окажется бессильной.

P.S. Ссылки на информацию, о которой упоминается в заметке:

Грибы поселились на растениях благодаря бактериальным генам
https://www.nkj.ru/news/24664/
Горизонтальный перенос гена от бактерий к грибам на корнях растений происходил не менее пятнадцати раз.

Сколько бактериальных генов уместится в одном человеке?
https://www.nkj.ru/news/26035/
В геноме людей и высших животных можно найти много генов, которые пришли к ним от низших организмов и продолжают работать на благо своих новых хозяев.

[ArefievPV]

Дегазация глубинных магм разогрела климат перед вымиранием динозавров
https://nplus1.ru/news/2021/03/30/decan

Выбросы CO₂ из магм в нижней части земной коры запустили позднее маастрихтское потепление, предшествовавшее мел-палеогеновому вымиранию. К такому выводу пришли ученые из Нью-Йоркского университета, измерив концентрации диоксида углерода в расплавных включениях в ранних базальтах Деканских траппов. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

На протяжении истории Земли длительная вулканическая дегазация часто приводила к глобальным климатическим сдвигам и экологическим катастрофам. В геологической летописи это иллюстрируют эпизоды формирования крупных магматических провинций, внутриплитных областей внедрения огромных объемов магмы (до миллиона кубических километров) за короткий отрезок времени (первые миллионы лет). Излияние лав из таких провинций происходило синхронно с массовыми вымираниями фанерозоя. Извержение Сибирских траппов 252 миллиона лет назад считают триггером пермского вымирания, а образование Центрально-Атлантической магматической провинции 201 миллион лет назад — триасово-юрского.

Потепление, охватывающее 300 тысяч лет перед мел-палеогеновым вымиранием 66,05 ± 0,08 миллиона лет назад, известно как позднее маастрихтское потепление. В это время температура Мирового океана выросла на 3-4 градуса, что отражено в палеотемпературных записях в морских отложениях. Потепление совпадает с началом излияния Деканских траппов на полуострове Индостан. Это крупная магматическая провинция сложена базальтовыми покровами общей мощностью до двух километров. За пять миллионов лет из трещин вытекло по разным оценкам от 0,6 до 1,3 × 106 кубических километров лавы. Свежеобразованные траппы покрывали территорию в 1,5 миллиона квадратных километров, но за десятки миллионов лет эрозионные процессы урезали площадь провинции до размера Ханты-Мансийского автономного округа.

Группа геологов под руководством Андреса Наваа (Andres Navaa) из Нью-Йоркского университета решила проверить гипотезу «спускового крючка»: мог ли ранний деканский магматизм вызвать позднее маастрихтское потепление. Для ответа на поставленный вопрос исследователи измерили концентрации CO₂ в расплавных включениях в кристаллах оливина и количественно оценили выбросы диоксида углерода во время раннего деканского магматизма. Под ранним магматизмом исследователи подразумевают изверженные до мел-палеогеновой границы лавы, которые составляют 25 процентов всего объёма Деканских траппов.

Углекислый газ — один из главных летучих компонентов магматических расплавов. Но оценка объемов его выброса из базальтовых магм затруднена, поскольку насыщение CO₂ и дегазация начинаются на глубинах, близких к границе Мохоровичича. Единственный источник информации о летучих компонентах в родоначальных магмах это включения расплавов. Запертые внутри кристаллов карманы магмы могут сохранять исходные объемы углекислого газа благодаря низкой скорости диффузии CO₂.

Для определения концентрации углекислого газа в деканских магмах исследователи отобрали 43 образца базальтовой лавы в Западных Гатах. Включения расплавов в магнезиальных оливинах имели средний размер 20 микрон, одну десятую объема которых занимали пузырьки газа. Концентрации CO₂ в стеклообразной застывшей части включения были измерены методом масс-спектрометрии вторичных ионов, а в пузырьках — конфокальной рамановской спектроскопии.

Газовые пузыри в расплавных включениях содержат CO₂ на порядок больше (60-11740 ppm), чем стекло (19-404 ppm). Исходя из содержаний H₂O и CO₂ во включениях, было определено минимальное давление захвата расплавов, от 0,1 до 8 килобар. Это означает, что кристаллы оливина запирали в себе карманы магмы на глубинах до 30 километров. Однако начальные концентрации CO₂ в магме, посчитанные с помощью микроэлементов Ba и Nb, указывают на более глубинную дегазацию. По мнению авторов, обогащенные CO₂ магмы, вероятно, достигали насыщения углеродом у нижней границы земной коры.


Эволюция геологической структуры Деканских траппов объясняет изменения в объеме выброшенного СО₂.

Во время ранних стадий излияний Деканских траппов магматический бюджет CO₂ не был постоянным. Концентрации CO₂ в 1 процент по массе в ранних расплавах упали до 0,3 процента в лавах, излившихся перед мел-палеогеновой границей. Предполагая, что объем Деканских траппов составляет 600 тысяч кубических километров, исследователи оценили общее количество выброшенного в атмосферу CO₂ в 1000-6000 гигатонн. Эти цифры значительно ниже аналогичных оценок для Центрально-Атлантической магматической провинции (100 000 гигатонн) и Сибирских траппов из-за меньшего объема провинции на Индостане.

Рассчитанные объемы CO₂ позволили пересмотреть взаимосвязь между деканским магматизмом и поздним маастрихтским потеплением. Результаты моделирования в LOSCAR (Long-term Ocean Sediment CArbon Reservoir) показали, что эмиссии CO₂ во время излияний лавы недостаточно для объяснения масштабов потепления: максимальный нагрев при таком сценарии составляет 1 градус Цельсия. Однако если учесть выбросы диоксида углерода из интрузивных магм, модель хорошо описывает климатические сдвиги в 2-4 градуса в конце мелового периода.

Ранее мы рассказывали о противоречащих датировках Деканских траппов и резком похолодании на границе мел-палеогена из-за удара астероида.

P.S. Дополнительно ещё несколько ссылок:

Динозавры начали превентивное вымирание за десятки миллионов лет до астероида
https://nplus1.ru/news/2016/04/19/decline

Сажа в небе вызвала 18-месячную «ночь» и стала причиной вымирания динозавров
https://nplus1.ru/news/2017/08/23/kpg-climate-change

Геологи подтвердили причастность деканских извержений к вымиранию динозавров
https://nplus1.ru/news/2019/02/22/extinction

[ArefievPV]

Земля получила стабильную кислородную атмосферу позже, чем считалось
https://www.popmech.ru/science/news-685103-zemlya-poluchila-stabilnuyu-kislorodnuyu-atmosferu-pozzhe-chem-schitalos/?from=main_3

Стабильный рост содержания кислорода в атмосфере Земли позволил многим формам жизни на планете эволюционировать. Теперь оказалось, что этот процесс начался на 100 миллионов лет позже, чем считали исследователи.

Концентрация кислорода в атмосфере нашей планеты повышалась скачками. Оказалось, что самый первый и самый масштабный из них произошел на 100 миллионов лет позже, чем считалось
 
Впервые заметное повышение количества кислорода в атмосфере Земли началось около 2,43 миллиарда лет назад — этот поворотный период в истории Земли получил название кислородной катастрофы. Несмотря на то, что в результате этого события в атмосферу Земли попало гигантское количество O₂, уровень этого газа все еще был намного ниже, чем сегодня. Но это событие резко изменило химический состав поверхности планеты и подготовило почву для последующего развития жизни.
 
Анализируя породы из Южной Африки, которые образовались в океане во время кислородной катастрофы, исследователи обнаружили, что ранняя оксигенация атмосферы была недолговечной, и после этого события уровни кислорода в атмосфере Земли были нестабильны. Новая работа показала, что на самом деле насыщение атмосферы кислородом, после которого его концентрация была стабильно высокой, произошло на 100 миллионов лет позже, чем считалось ранее.
 
Новые результаты также предполагают прямую связь между колебаниями концентрации кислорода в атмосфере и концентрации парниковых газов. Новые данные показывают, что стабилизация уровня кислорода на самом деле произошла после последнего крупного ледникового периода, а не до него. Ранее это было главной загадкой, мешающей ученым понять связь количеством O₂ в атмосфере ранней Земли и климатической нестабильностью.

Исследовательская группа дала периоду с 2,43 по 2,33 миллиарда лет назад название Великого эпизода окисления. Он положил начало 1,5-миллиардному периоду последующей климатической и экологической стабильности. После этого случился второй эпизод роста концентрации кислорода и нестабильности климата в конце докембрийского периода, когда установилась нынешняя концентрация O₂ в атмосфере.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

[ArefievPV]

Как зубы чувствуют холод
https://www.nkj.ru/news/41076/

Зубные клетки реагируют на резкий холод с помощью собственного температурного рецептора.

Зубы болят от холода потому, что у них повреждена эмаль – из-за бактерий ли, или из-за пищевых кислот. В эмали образуются впадины, полости, выемки, которые делают зубы сверхчувствительными к низкой температуре. Связь между повреждениями эмали и повышенной чувствительностью к холоду была известна давно, но как именно зубы его чувствуют, долгое время оставалось загадкой.

Предполагалось, что здесь всё дело в крохотных каналах с жидкостью, которые пронизывают зуб: от перепада температуры жидкость двигается, и вот это движение жидкости воспринимается как холодовая боль. Но всё упирается в то, где у зубов холодовые рецепторы. Всё-таки зубы – не кожа, обычных терморецепторов на эмали у них нет, и в дентине, который лежит под эмалью, тоже нет. Но где-то они должны быть.

Любой рецептор – это белок (или комплекс белков), который встроен в мембрану сенсорной клетки и который работает как ионный канал. Рецептор реагирует на определённые воздействия – например, на понижение температуры. Когда становится холодно, белок-рецептор открывает поток ионов между наружной и внутренней стороной мембраны. Электрические параметры мембраны из-за этого мгновенно меняются, и возникает электрохимический импульс, который бежит к мозгу.

Около пятнадцати лет назад сотрудники Медицинского института Говарда Хьюза обнаружили ионный канал TRPC5, который оказался сверхчувствителен к холоду. Но обнаружили его как ген и соответствующий ему белок. Где в теле находится TRPC5, было неясно. Точно не в коже: мыши, у которых выключали ген TRPC5, продолжали чувствовать холод. Но тут кто-то вспомнил, что есть ещё один орган, который чувствует холод – это зубы.

Дальнейшие эксперименты на мышах показали, что TRPC5 действительно находится в зубах: у животных с отключённым геном TRPC5 никаких болевых сигналов в ответ на холод от зубов не передавалось. Точно также не было болевых сигналов, если ионный канал TRPC5 блокировали химически, чтобы он не работал. Кстати, вещества, что блокируют канал TRPC5, содержатся в гвоздичном масле – в старые (да и не в очень старые) времена его широко использовали, чтобы снять зубную боль.

Вместе с коллегами из Университета Эрлангена – Нюрнберга и других научных центров исследователи опубликовали статью в Science Advances, в которой говорится, что рецептор TRPC5 несут на себе клетки одонтобласты. Они сидят на границе между пульпой зуба и дентином; собственно, одонтобласты дентин и производят. У них есть длинные отростки, которые заполняет канальцы внутри дентина – те самые канальцы, о которых шла речь выше. Канальцы вместе с отростками одонтобластов могут достигать эмали. И если эмаль повреждена, отросток клетки легко почувствует резкий холод с помощью рецептора TRPC5. Одонтобласты соединены с нейронами, и потому сразу отправляют болевой импульс в мозг.

Конечно, лучше всего, когда сам следишь за зубами и не допускаешь, чтобы бактерии и кислота разрушали их эмаль. Но зубы у всех разные, и у кого-то они всю жизнь остаются плохими, несмотря на все усилия. Может быть, с новыми данными об одонтобластах и их рецепторах у нас появятся эффективные средства, которые позволят людям с холодочувствительными зубами спокойно есть мороженое.

[ArefievPV]

Искусственные клетки с минимальным геномом смогли нормально поделиться
https://nplus1.ru/news/2021/03/31/JCVI-syn30126

Биологи определили гены, которых не хватало бактериальным клеткам с минимальным искусственным геномом JCVI-syn3.0, чтобы нормально делиться. Недостающие семь генов добавили в геном одноклеточных организмов, которые назвали JCVI-syn+126. Клетки смогли нормально поделиться, сохраняя морфологические характеристики в поколениях. Открытие набора генов, необходимого для деления бактерий, позволит подробнее изучить этот процесс на молекулярном уровне и может оказаться полезным для создания других искусственных штаммов. Исследование опубликовано в журнале Cell.

Первый одноклеточный организм с полностью искусственным геномом создали в 2010 году. Для этого в клетках бактерии микоплазма разрушили всю ДНК и заменили на геном, который полностью синтезировали искусственно. Новый организм назвали JCVI-syn1.0 — в честь института Дж. Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute), где создали клетки. Геном JCVI-syn1.0 имел длину около миллиона пар оснований и 901 ген.

Позже исследователи попытались определить, сколько и каких генов будет достаточно для существования клеток с искусственным геномом. Постепенно уменьшая количество ДНК, исследователи создали клетки с минимальным геномом — JCVI-syn3.0. В самом простом синтетическом геноме содержалось уже 473 гена, которые тоже позволяли клеткам нормально существовать. Однако новые клетки не могли правильно делиться — дочерние клетки оказались разных форм и размеров, тогда как их предшественники JCVI-syn1.0 оставались одинаковыми и шарообразными.

Биологи из технологического института Массачусетса под руководством Джеймса Пеллетье (James F. Pelletier) определили, каких генов недоставало JCVI-syn3.0, чтобы правильно делиться. Для этого они перепроверили каждый сегмент генома JCVI-syn1.0, которые сокращали для получения JCVI-syn3.0. Оказалось, что удаление одного из сегментов (шестого) вызывало у JCVI-syn1.0 такие же нарушения деления, как и у JCVI-syn3.0, в то время как сокращение других сегментов не влияло на форму и размер дочерних клеток.

В этом сегменте содержалось 76 генов, и биологи последовательно проверили, как на клетки влияет последовательное удаление их кластеров. Так им удалось определить один из кластеров, роль которого в делении уже была показана. Его добавление в геном JCVI-syn3.0 восстанавливало ее способность к делению. В этом кластере содержалось 19 генов, из которых 3 кодировали рибосомную РНК, а еще 16 — белки, которые разделили по схожести на 8 групп.

Последовательное добавление групп в геном JCVI-syn3.0 показало, что для нормального деления нужны семь генов. Штамм с ними назвали JCVI-syn3.0+126 — по номерам групп, к которым принадлежали гены. Из них всего два уже изучены (их функция связана как раз с делением), а остальные пять — пока функционально не охарактеризованы. Авторы считают, что это открытие позволит подробнее изучить деление бактерий на молекулярном уровне и может оказаться полезным для создания других искусственных штаммов.

Искусственные клетки создают не только на основе бактериальных, но и из простых мембранных шариков с ДНК, порами и ферментным аппаратом для синтеза белка. В них гораздо меньше генов и воспроизводиться они не умеют. Недавно такие клетки даже научили химически общаться с клетками млекопитающих, что может помочь для доставки лекарств по организму.

[ArefievPV]

Биологи составили метаболический портрет последнего общего бактериального предка
https://nplus1.ru/news/2021/04/02/lbca

Ученые восстановили метаболический портрет последнего общего бактериального предка – группы бактерий, от которой, предположительно, позже произошли все бактерии на Земле. Древняя бактерия была автотрофом и обладала формой бациллы (палочки). Среди современных бактерий самым близким родственником предковой формы исследователи назвали класс Clostridia. Результаты анализа опубликованы в Communications Biology.

Среди всех клеток на Земле бактерии не только самые распространенные, но и самые разнообразные с точки зрения физиологии и метаболизма. Бактерии считаются самыми древними клеточными существами. Изотопные следы позволяют отследить автотрофов до 3,9 миллиарда лет назад. Основываясь на универсальности генетического кода, хиральности аминокислот и общих свойства метаболизма, ученые предполагают, что когда-то существовал последний универсальный общий предок – популяция организмов, которая затем разделилась на археи и бактерии. В свою очередь, у всех архей и всех бактерий было по своему общему предку.

Благодаря филогенетическим реконструкциям известно, что универсальный общий предок был термофильным анаэробом. И филогеномика, и геологические исследования указывают, что последний общий предок архей, в свою очередь, был метаногеном (организмом, который образует метан как побочный продукт метаболизма) или подобным ему анаэробным автотрофом. Предок архей фиксировал углерод через путь Вуда-Льюнгдаля (восстановительный Ацетил-Коа путь). Однако про общего бактериального предка почти ничего не известно. Скорее всего, он был анаэробом, потому что кислород появился позже него в земной атмосфере как продукт метаболизма цианобактерий. Однако горизонтальный перенос генов, который позволяет бактериям обмениваться наследственной информацией друг с другом, сильно затрудняет подробную реконструкцию образа бактериального предка: его потомки обменивались генами на протяжении четырех миллиардов лет.

Команда биологов из Университета Генриха Гейне под руководством Вильяма Мартина (William F. Martin) предложила для реконструкции предковой бактерии сравнивать метаболические пути организмов.

Ученые проанализировали 5443 референсных бактериальных генома и выбрали те 1089 из них, которые принадлежали анаэробным организмам. Оставшиеся геномы кодировали почти 2,5 миллиона белковых последовательностей. Эти последовательности ученые разделили на 114 тысяч семейств, 146 из которых привлекли особенное внимание исследователей: как минимум в 90 процентах всех проанализированных геномов присутствовали 122 семейства из 146. Почти половина этих генов была задействована в обработке информации, синтезе белка или имела другие структурные функции, остальные же соответствовали как минимум одной реакции метаболизма, представленной в киотской энциклопедии генов и геномов.

Данные анализа показали, что предковая бактериальная клетка обладала почти полным метаболическим путем глюконеогенеза. Реакция, катализируемая ферментом пируваткиназой, обратима у эукариотов и бактерий, и скорее всего, пируваткиназа снабжала клетку фосфоенолпируватом для дальнейшего синтеза аминокислот и пептидогликанов. Также с бактериальным предком связали еще несколько киназ и ферментов, задействованных в процессе деления клетки, сортировке и деградации белков.

Полученный учеными предположительный список белковых семейств бактериального предка составил тесно связанную метаболическую сеть из 243 веществ. Из 130 возможных реакций, только одна оказалась не связана с остальными. Такая метаболическая сеть позволила бы произвести 48 из 57 необходимых для жизни прокариотов метаболита: 20 аминокислот, по четыре основания ДНК и РНК, восемь универсальных кофактора, глицерол-3-фосфат как прекурсор жиров и 20 аминоацилированных транспортных РНК. Для полного комплекта не хватает «заряженных» тРНК для нескольких аминокислот и двух кофакторов. При помощи компьютерного алгоритма ученые сначала добавили все реакции, не кодируемые геномом предполагаемого бактериального предка, а затем убрали все лишние, до тех пор, пока не стал возможен синтез всех необходимых метаболитов при минимальном наборе реакций. Для этого понадобилось только девять дополнительных генов, и семь из них кодируют аминоацил-тРНК-синтетазы. Возможно, в бактериальной предковой клетке аминоацил-тРНК-синтетазы действовали несколько случайным образом, с невысокой специфичностью присоединяя к тРНК аминокислоты.

Получившаяся система не самодостаточна, но и бактериальный предок, в свою очередь, должен был получить определенный набор генов от общего универсального предка. Метаболизм такой бактериальной клетки основан на трех важных узлах: превращении аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ) и соответствующего энергетического обмена; переносе водорода при помощи НАДФ; и осуществляемой при помощи ацилпереносящего белка реакции, как важного центра углеродного обмена – синтеза жирных кислот.

Также биоинформатические анализ позволил исследователям определить самых близких современных родственников древней бактерии. Ими оказались бактерии класса Clostridia. Это противоречит результатам некоторых предыдущих работ, основанным на методах белковой филогении. Проведенное исследование также поддерживает гипотезу о том, что грамотрицательные бактерии произошли от грамположительных.

Восстановление картины метаболизма по геномам помогает ученым не только реконструировать портреты не дошедших до наших дней одноклеточных организмов, но и изучать современные, но не поддающиеся культивированию в лабораторных условиях бактерии. Так, секвенирование позволило биологам описать необычное микробное сообщество, обитающее на дне соленого озера.

P.S. Ссылка в дополнение:

Микробы на дне соленого озера рассказали о древних биогеохимических циклах
https://nplus1.ru/news/2017/11/17/life-on-la-brava

[ArefievPV]

Культура у животных — не редкий курьез, а вездесущее явление
https://elementy.ru/novosti_nauki/433801/Kultura_u_zhivotnykh_ne_redkiy_kurez_a_vezdesushchee_yavlenie

Рис. 1. Разнообразие проявлений культуры у животных. A — у горбатых китов обнаружены культурные традиции, связанные со звуковой коммуникацией и маршрутами сезонных миграций (см.: Острова Кермадек — место культурного обмена у горбатых китов, «Элементы», 09.10.2019). B — произвольные традиции в социальном поведении. В одном сообществе шимпанзе на глазах у исследователей родилась забавная традиция засовывать в ухо травинку (см.: Шимпанзе учатся друг у друга, «Элементы», 15.10.2014). У капуцинов наблюдали появление обычая засовывать друг другу пальцы в рот или нос при общении. C — юные капуцины наблюдают, как взрослые колют орехи камнями. Наибольшее внимание уделяется самым искусным мастерам. D — у десятков видов птиц обнаружены песенные диалекты, которые могут быть весьма устойчивыми, но при этом всё же меняются со временем, что может способствовать видообразованию (см.: Конформизм на страже традиции: песни болотной зонотрихии могут не меняться столетиями, «Элементы», 25.07.2018). E — выбор добычи у бонобо. В соседних сообществах бонобо различаются охотничьи традиции: разные группы охотятся на разную дичь. Различия не удается объяснить экологической целесообразностью, потому что всё это происходит на одной и той же территории (групповые участки пересекаются). F — на нескольких видах рыб было показано, что неопытные особи учатся узнавать хищников и избегать их, наблюдая за поведением сородичей. G — плодовые мушки учатся друг у друга выбирать тот или иной субстрат для откладки яиц. У птиц подобное поведение ведет к появлению «традиционно предпочитаемых» мест гнездования. H — шмели, которых экспериментаторы научили добывать угощение необычным способом (вытягивая кормушку за веревочку), становятся образцами для подражания, создавая традицию (см.: Шмели перенимают новые знания от товарищей, «Элементы», 31.10.2016). У приматов и птиц такое тоже наблюдалось. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Культура, понимаемая как устойчивое наследование поведенческих признаков путем социального обучения, уже лет 70 как не считается уникальной особенностью человека. В последние два десятилетия в изучении культуры животных наблюдается быстрый прогресс, связанный с разработкой новых экспериментальных методов и масштабными проектами по наблюдению за дикими животными в природе. Выяснилось, что культурные явления чрезвычайно широко распространены у млекопитающих, птиц, рыб и даже некоторых беспозвоночных. Культурные традиции животных охватывают разные виды поведения от сезонных миграций и добычи пропитания до звуковой коммуникации и выбора брачных партнеров. Растущее понимание роли культуры в жизни животных требует пересмотра некоторых положений эволюционной теории и поведенческой экологии. Становится ясно, что при планировании природоохранных мер нужно заботиться о сохранении не только генетического, но и культурного разнообразия животных.

Слово «культура» в зависимости от контекста может нести разный смысл, порой довольно расплывчатый. Биологи, однако, называют культурой нечто вполне конкретное: совокупность неврожденных способов поведения (поведенческих традиций), которые передаются путем социального обучения от одних особей к другим, в том числе от старших к молодым, и благодаря этому сохраняются в ряду поколений (см.: Ж. И. Резникова, 2009. Социальное обучение у животных; Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции, «Элементы», 03.12.2018).

Например, культурными традициями обычно признаются лишь те способы поведения, которые есть в одних сообществах, но отсутствуют в других. При этом заведомо упускаются из виду «культурные универсалии», а ведь они тоже могут быть у обезьян.

Кроме того, если у традиции есть очевидное экологическое объяснение, приматологи обычно не решаются вслух назвать ее традицией. В итоге остаются незамеченными культурные адаптации к местным условиям. А ведь это один из самых интересных и важных аспектов культуры. В общем, не исключено, что, изучая культуру животных, мы пока видим лишь верхушку айсберга (C. Schuppli, C. P. van Schaik, 2019. Animal cultures: How we’ve only seen the tip of the iceberg).

Разработать удобную и всех устраивающую классификацию форм социального обучения оказалось нелегко, так что эта тема остается запутанной. Дело усложняется тем, что, кроме самих этих форм, есть еще множество дополнительных средств или «стратегий» социального обучения, позволяющих повысить его адаптивную ценность. Их стали всерьез изучать лишь недавно. Одна из таких стратегий — конформизм (склонность копировать не всякое поведение, а лишь практикуемое большинством особей в группе). В общем случае это неплохая идея. Ведь поведение, используемое большинством, очевидно, уже много раз проверено на практике. Склонность к конформизму замечена у приматов, птиц (см.: Культурные традиции у птиц основаны на социальном обучении и конформизме, «Элементы», 08.12.2014) и вроде бы даже у насекомых (Дрозофилы учатся друг у друга и хранят культурные традиции, «Элементы», 03.12.2018).

Кроме конформизма, есть и другие потенциально выигрышные стратегии социального обучения (R. L. Kendal et al., 2018. Social learning strategies: Bridge-building between fields). Например, можно учитывать собственное состояние («копируй чужие действия, если сам не знаешь, как поступить»), характеристики модели для подражания («повторяй действия высокоранговых особей»; «подражай старшим, но не младшим») или результативность чужих поступков («имитируй чужое поведение, если видишь, что оно принесло успех»).

Эволюционным биологам еще предстоит осознать все следствия, вытекающие из признания важности социального обучения и культурных традиций в животном мире. Ведь социальное обучение — это фактически новая форма наследственности (см.: Теория двойной наследственности), а культурная эволюция — новая форма эволюции, которая «выросла» из биологической (генетической), но не сводится к ней.

Предполагается, что культурно наследуемые поведенческие признаки могут эволюционировать подобно признакам, обусловленным генетически: на основе случайной изменчивости (неточного копирования), наследственности (социального обучения) и естественного отбора, то есть избирательного выживания и размножения тех вариантов поведения, которые, в силу своих культурно наследуемых особенностей, обладают лучшими шансами на выживание и размножение (рис. 2). Уайтен воздерживается от употребления слова «мем» (как и многие работающие в этой области специалисты), хотя ссылку на «Эгоистичный ген» Докинза он всё-таки в свою статью вставил. Уловить, чем отличаются «поведенческие признаки» на рисунке 2 от мемов, нелегко. Хотя при желании, конечно, можно.

Рис. 2. Формы культурной эволюции. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Уайтен не забывает упомянуть и про два важнейших отличия культурной эволюции от генетической. Во-первых, культурно наследуемая информация передается не только вертикально (от родителей к потомкам), но и горизонтально (между сверстниками), и «наклонно» (от старших, но не родственных особей). У одного индивида может быть много «культурных родителей». Такая независимость передачи культурно наследуемых поведенческих признаков (раз уж автор не хочет называть их просто мемами) от генетического наследования открывает широкий простор для «эгоистической» эволюции этих признаков. Иначе говоря, поведение может распространиться не потому, что оно полезно индивидам (или их генам), а просто потому, что оно привлекает внимание, легко запоминается и, допустим, вызывает положительные эмоции, никак не связанные с пользой для организма. Впрочем, об этом аспекте культурной эволюции автор не упоминает.

Во-вторых, культурно наследуемые признаки, в отличие от врожденных, могут приобретаться и модифицироваться в течение всей жизни. При этом способы, сроки и стратегии их приобретения сами могут эволюционировать (генетически и культурно). Это открывает массу интересных теоретических возможностей, пока еще мало разработанных.

Возможно, самый важный для эволюционной теории вывод состоит в том, что классические модели в принципе не могут дать полного и адекватного описания эволюционных процессов у многих видов животных. Если социальное обучение и культурные традиции действительно так широко распространены в животном мире, то это придется учитывать в эволюционных моделях. Рассматривать две эволюции, генетическую и культурную, в отрыве друг от друга — плохая идея, потому что они влияют друг на друга множеством способов. Уайтен выделяет шесть аспектов генно-культурной коэволюции (подробнее см. в обзоре H. Whitehead et al., 2019. The reach of gene-culture coevolution in animals):

P.S. Статья большая, не стал всё сюда тащить (итак много получилось).

Парочка замечаний в сторону.

Генетическая информация тоже может распространяться горизонтально (например, ГПГ в микробно-вирусных сообществах).

Жду, когда же придут к мысли, что любой вид существует в форме социума. Давно эту идею "педалирую" (можно глянуть, например, здесь:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,9509.msg212244.html#msg212244).

[ArefievPV]

Ученые обнаружили почти полное отсутствие эволюции у одной из бактерий
https://nplus1.ru/news/2021/04/13/bacteria-denied-evolution

Ученые проанализировали геномы глубинных бактерий Candidatus Desulforudis audaxviator из образцов, собранных в разные годы в разных точках планеты: в Азии, Южной Африке и Северной Америке. К удивлению исследователей, представители разных популяций очень мало отличались друг друга. Маловероятно, что Candidatus Desulforudis audaxviator смогли преодолеть такие большие пространства по воздуху или по воде, а значит, их геном оставался стабильным на протяжении многих миллионов лет. Работа опубликована в The ISME Journal.

Современные представления об эволюции бактерий в большинстве основаны на изучении геномов небольшого количества быстро изменяющихся видов, в основном – патогенов и симбионтов человека. Микроорганизмы, выращиваемые в лабораторных условиях, не обделены питательными веществами, смена поколений у них происходит в считанные дни или даже минуты, и для накопления нуклеотидных замен или приобретения генов им достаточно нескольких лет.

Почти неизученные до недавнего времени, глубинные микроорганизмы занимают около 10 процентов всей биомассы на планете. Среди них есть много еще не охарактеризованных видов. Многие из них выживают на небогатых энергией ресурсах, и смена поколений происходит раз в несколько месяцев, а порой и десятков лет. Бактерии Candidatus Desulforudis audaxviator, которые были обнаружены глубоко под землей, стали одними из модельных микроорганизмов для изучения жизни в таких условиях.

Исследователи ожидали обнаружить генетические различия между геномами бактерий из разных популяций, признаки приспособления к местным условиям окружающей среды. К их удивлению, геномные последовательности оказались практически идентичными между собой. Средняя идентичность нуклеотидов в попарных сравнениях превышала 99,5 процентов.

Места обитания популяций Candidatus Desulforudis audaxviator, участвовавших в исследовании, разделены уже как минимум 55 миллионов лет: тогда Северная Америка отделилась от Евразии. Африка же отделилась от суперконтинента Лаврентии 165 миллионов лет. Разделение популяций Candidatus Desulforudis audaxviator могло произойти во времена расколов суперконтинентов, и получается, что эти бактерии демонстрируют выдающуюся стабильность своего генома.

Ученые попытались выяснить, в чем же причина почти отсутствия эволюции у этих бактерий. Candidatus Desulforudis audaxviator редко формируют споры (то есть почти постоянно метаболически активны), и период удвоения у них – не больше десяти лет. Авторы также не увидели в геномах бактерий признаков сильного селективного отбора. Вероятное объяснение – хорошо развитые механизмы репарации ДНК. Геном Candidatus Desulforudis audaxviator кодирует как минимум семь таких систем. Кроме того, у этих бактерий есть белки, которые связываются с ДНК: возможно, они тоже снижают темпы мутирования. И напоследок, две из трех полимераз (ферментов, осуществляющих синтез ДНК) бактерии не удалось проанализировать в лабораторных условиях – вероятно, они обладают высокой точностью.

Candidatus Desulforudis audaxviator – хемоавтотрофы, которые питаются продуктами радиолиза (процесса разложения воды под действием ионизирующего излучения). Ранее ученые показали, что морской грунт катализирует радиолиз и помогает прокормиться морским бактериям.

P.S. Ссылка в дополнение:

Разложение воды под действием ионизирующего излучения накормило морские бактерии
https://nplus1.ru/news/2021/03/03/radiolysis-feeds-bacteria

[ArefievPV]

Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга
https://nplus1.ru/news/2021/04/16/harpegnathos-saltator

Рабочие особи индийских прыгающих муравьев Harpegnathos saltator способны превращаться в размножающихся самок — так называемых гамэргат. Они живут дольше простых рабочих, однако мозг у них при этом уменьшается. Американские энтомологи установили, что при обратном переходе муравьи восстанавливают утраченный объем мозга. Это позволяет бывшей гамэргате успешно добывать пищу в качестве рабочего-фуражира. Кроме того, они возвращают и ряд других характеристик рабочих особей. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B.

Муравьиная колония — сложно устроенное сообщество, у каждого члена которого есть определенные обязанности. В большинстве случаев матка отвечает за производство яиц, а бесплодные рабочие самки снабжают ее пищей и защищают. Однако у некоторых видов муравьев, в первую очередь примитивных, взрослые рабочие могут превращаться в размножающихся самок и производить потомство. Таких особей называют гамэргатами.

Энтомологи давно заинтересовались гамэргатами как редким и наиболее ярким примером межкастового перехода у эусоциальных насекомых. За годы исследований им удалось выяснить, например, что, превращение бесплодной самки в размножающуюся связано с эпигенетическими изменениями и начинается с активации яичников. Кроме того, оказалось, что гамэргаты живут дольше обычных рабочих, зато их мозг после начала размножения уменьшается.

Команда специалистов во главе с Клинтом Пеником (Clint A. Penick) из Школы медицины Нью-Йоркского университета решила выяснить, может ли гамэргата вернуть прежний объем мозга, если вновь станет обычной рабочей особью. У других эусоциальных насекомых подобные изменения, сопровождающие переход из одной касты в другую, обычно необратимы. Например, у медоносных пчел (Apis mellifera), которые меняет профессию с няньки на фуражира, мозг становится крупнее — но при обратном переходе не уменьшается.

Согласно предыдущим исследованиям, объем мозга гамэргат H. saltator на 26 процентов ниже, чем у обычных рабочих особей. В эксперименте Пеник цифры оказались похожими: у особей из контрольной группы общий объем мозга был на 19 процентов меньше, чем у рабочих-фуражиров. В то же время гамэргаты, вновь ставшие рабочими, почти не отличались по этому параметру от фуражиров. Объем центральной части мозга (с учетом грибовидных тел) в контрольной группе также оказался на 15 процентов ниже, чем у фуражиров, и на 20 процентов меньше, чем у гамэргат, вновь ставших бесплодными. Иными словами, отказавшись от способности размножаться, бывшие гамэргаты смогли вернуть себе прежний объем мозга (впрочем, не полностью: объем зрительных долей у них остался промежуточным между гамэргатами и фуражирами).

По словам Пеника и его коллег, изменения объема мозга, наблюдавшиеся у гамэргат H. saltator, напоминают те, что известны для некоторых позвоночных — например, обыкновенных бурозубок (Sorex araneus). Мозг этих насекомоядных уменьшается в преддверии зимы и вновь увеличивается весной, что позволяет им экономить энергию в трудные времена. Авторы соглашаются с высказывавшейся ранее гипотезой, согласно которой благодаря сокращению объема мозга гамэргаты могут перенаправлять освободившиеся ресурсы на производство яиц. Однако муравьи, вернувшиеся в статус рабочих-фуражиров, вынуждены участвовать в сборе корма за пределами гнезда — и для этого им жизненно необходим крупный мозг. К счастью, у них есть способ увеличить его. Это же относится к изменениям в объеме ядовитых желез (фуражирам требуется более мощное химическое оружие, чем сидящим в гнезде гамэргатам) и поведении.

P.S. Ссылка в дополнение:

Бурозубки со сжатым на зиму мозгом пошли против известных правил метаболизма
https://nplus1.ru/news/2020/04/29/shrinking-shrews