Древние микроорганизмы показали, что жизнь появилась в гидротермальной среде

28 Июля 2016 в 19:05, Илья Хель 4 159 просмотров 10

Источники

Вопрос «как именно началась жизнь?» являет собой одну из величайших загадок современной науки. В то время как большинство ученых считает, что все формы жизни развились от общего примитивного древнего микроорганизма, на этом детали обрываются. Какого рода генами обладала эта форма жизни и где проживала? Новое исследование, опубликованное в Nature Microbiology, проливает свет на происхождение и развитие этого древнего организма.

Опытные ученые, заинтересованные в происхождении жизни, обычно решают эту проблему двумя различными способами. Один из них — это подход снизу вверх, когда они пытаются представить, как давно появилась жизнь, а затем воссоздать основные этапы ее зарождения в лаборатории. Альтернативный подход — сверху вниз — заключается в анализе и «обрубании» современных клеток, чтобы упростить их и вывести ключевые этапы в эволюции сложности клетки.

Информатики, которые пытаются решить этот вопрос, эксплуатируют огромные объемы данных, появившиеся в результате революции — секвенировании ДНК. Она наводнила ученых информацией о геномах организмов, от бактерий до людей. В них может скрываться информация о последовательностях ДНК примитивных клеток — первых клеток на планете, которые использовали современный генетический код — которые были переданы через миллиарды поколений.

«Последним универсальным общим предком» гипотетически является одна из самых первых клеток, от которой произошла вся жизнь на Земле. Отношения между этим предком и современными организмами часто визуализируются в виде эволюционных деревьев, первые известные примеры которых идут еще от Чарльза Дарвина.

рРНК

Секвенирование ДНК обеспечивает прекрасную и высоко количественную меру генетической связанности, которая пронизывает всю биологию. Один и тот же код из четырех оснований А, C, G и T используют практически все организмы на планете. Поэтому, в принципе, его можно было бы использовать для построения эволюционных деревьев всей жизни. Мы знаем, что определенные гены существовали на заре клеточной жизни и были унаследованы всеми последующими формами жизни. За четыре миллиарда лет, копии, например, одного небольшого гена 16S rRNA постепенно менялись в процессе случайных мутаций в отдельных родословных, которые привели к разным формами жизни. Из этого следует, что у каждой из них есть характерная последовательность, которая будет похожей у недавно развившихся организмов, но все больше отличаться в родословных, которые появлялись раньше на эволюционном отрезке.

Первые анализы этих «универсальных» последовательностей ДНК, проведенные около 30 лет назад, привели к серьезным изменениям в нашей оценке разнообразия жизни на Земле, и особенно — разнообразия одноклеточных организмов без ядер (прокариот). Они также выделили целый новый домен прокариотической жизни, который нынче называется археями.

Попытки разработать поистине универсальные деревья, которые будут определять происхождение всех современных клеток от их последних универсальных предков, ограничивались рядом технических проблем. Одна из проблем состоит в большом числе групп, которые отделялись друг от друга с самого начала жизни. Более того, бактерии также могут обмениваться генами между собой, из-за чего сложнее определить их происхождение.

Водородоеды?

Микробы

В рамках нового исследования ученые использовали хитроумный передовой метод организации секвенированных генов прокариот в семьи. Затем поискали сходства и закономерности по всем бактериальным группам и обнаружили небольшой набор генов, который присутствовал как у архей, так и у бактерий. Ученые смогли показать, что эти гены, вероятнее всего, были унаследованы напрямую от общего предка и не были получены в процессе обмена.

Этот результат имеет важное значение, поскольку определяет конкретные группы бактерий (клостридий) и архей (метаногенов), которые несут ранние версии этих генов, и указывает, что они очень древние и могут быть похожи на самые первые организмы, которые привели к появлению отдельных родословных бактерий и архей.

Что еще более важно, природа генов, которые сохранились, рассказывает удивительную историю о среде, в которой жил их последний предок — включая и то, как он получал энергию. Исследование показывает, что мир, населенный этими организмами четыре миллиарда лет назад, сильно отличался от нашего. Доступного кислорода в нем не было, но если верить генам, общий предок получал энергию из водорода, производимого, по всей видимости, геохимической активностью земной коры. «Инертные» газы, включая диоксид углерода и азот, предоставляли основные строительные блоки для производства всех клеточных структур. Железо было доступно в изобилии, а отсутствие кислорода не превращало его в нерастворимую ржавчину, поэтому этот элемент использовался ферментами в первой клетке. Некоторые из генов, как полагают, участвовали в адаптации к высоким температурам, что говорит о другом: организмы развивались в гидротермальной среде — похожей на современные гидротермальные жерла или горячие источники, где до сих пор с удовольствием обитают бактерии.

К сожалению, не имея машины времени, мы не можем непосредственно проверить эти результаты. Но такая информация представляет большой интерес, особенно для ученых, которые пытаются воссоздать формы примитивной жизни. Подумать страшно, что наши первые предки (самые первые) вполне обходились без кислорода.

Древние микроорганизмы показали, что жизнь появилась в гидротермальной среде

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

10 комментариев

  1. Vladimir Matveev

    Владимир Матвеев. Основной вопрос науки о происхождении жизни: мембрана или фаза? (Доклад на 2-ой Всероссийской конференции по астробиологии «Жизнь во Вселенной: физические, химические и биологические аспекты», Пущино 5-9 Июня, 2016): https://youtu.be/n3I21xlIBvI
    Скачать слайды: http://www.bioparadigma.spb.ru/conf/Matveev-2016-The.great.basic.question.of.science.on.origin.of.life_Slides.pdf
    Сайт конференции: http://cryosol.ru/astrobiology-2016.html
    Доклад основан на материале статьи: Матвеев В.В. (2016) Сравнение фундаментальных физических свойств клеточных моделей (протоклеток) и живых клеток свидетельствует о необходимости новой научной дисциплины – протофизиологии.
    Полный текст русской версии статьи: http://www.bioparadigma.spb.ru/files/Matveev-2016-Protophysiology.Rus.pdf

    • DenDobriy

      "Структура модели Ходжкина-Хаксли оказалась не чувствительной (инвариантной) к физическим, химическим и структурным различиям сравниваемых объектов, вероятно, потому, что их общей субстратной основой являются белки".
      Владимир, а с чего это вы взяли,что общей субстратной основой этой модели являются именно белки???
      По поводу калиевых прудов. Если высокая концентрация ионов К катализирует протеинообразование, соответственно мы можем предположить,что вероятность образования любого специфического белка намного выше, чем в области с низким содержанием ионов К. Далее, при наличии, любого компартмента(пусть будет мембрана, насколько я понимаю,в природе самопроизвольная сборка мембраноподобных структур-вещь элементарная), сохранять высокую скорость образования протеинов, можно добиться простым ограничением скорости диффузии ионов К. Т.е. речь идет не об активном и достаточно сложном механизме помпы К-Na, а о пассивном механизме ограничения диффузии одного единственного иона К. Далее, высокая концентрация ионов К и отсутствие ионов Na, следует предположить ситуация исключительная и ограниченная во времени. Происходит постепенное снижение ионов К и одновременно появляется большой избыток ионов Na, чему протоструктура успешно противостоит благодаря наличию мембраны и механизму ограничения диффузии ионов К. Остается вопрос, как были задействованы ионы Na?
      Что думаете?

      • Vladimir Matveev

        Материал микросфер Фокс назвал протеиноидами, т.е. полимерами сходными с белками. Поэтому точнее было бы сказать: субстратом микросфер являются белковоподбные полимеры. Действительно, микросферы Фокса являются наиболее исследованными моделями клеток в силу их большого сходства с живыми клетками.
        Да, липидная мембрана плохо проницаема для ионов. Ограничение скорости диффузии будет иметь место. Однако через 2, 10 или 20 часов всё равно установится диффузионное равновесие. Даже 20-ти часов маловато для возникновения жизни. С другой стороны, микросферы Фокса аккумулируют калий и способны удерживать его сколь угодно долго. У микросфер Фокса нет липидных мембран. У меня к Вам, как к стороннику мембран, много вопросов. Вы найдете их в моей статье: http://www.bioparadigma.spb.ru/files/Matveev-2016-Protophysiology.Rus.pdf

        • DenDobriy

          Я не сторонник.Это был просто закономерный вопрос. Согласен, ограниченная диффузия сама по себе ничто. Но я предложил всего лишь один из множества вариантов формирования механизма контроля. Сильно сомневаюсь,что помпа появилась сразу в законченном виде во всей своей красе. Скорей всего это был многоэтапный длительный процесс И первым этапом могло быть ограничение диффузии в т.ч. Могу предложить и вариант который нравится вам. Например, есть мнение что рибосомы являются депо цинка. Давайте искать белки, которые хорошо депонируют К

    • DenDobriy

      Забыл спросить. Тут пишут про водородную помпу. Что было раньше К-помпа или водородная?

      • Vladimir Matveev

        В своей статье я изложил свои доводы против мембранного подхода и соответствующих насосов, какими бы они ни были. Никто еще не наблюдал в лаборатории спонтанного образования из аминокислот каких-либо помп! По этой причине, вопрос о том, какой насос возник раньше повисает в воздухе...

        • DenDobriy

          Очевидно, тут два варианта. Либо это невозможно в принципе(вы в это верите?), либо условия опытов что-то не учитывают.

          • Vladimir Matveev

            Есть мнение, что спонтанное образование насосов возможно, но это край редкое событие. Сколько ждать второго пришествия? :)

  2. uran

    Т.е. что-то когда-то произошло рядом с чем-то, это расшатало равновесие чего-то, а потом возникло новое нечто и т.д. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.