Космологические и комбинаторные основания редкости жизни в наблюдаемой вселенной

[dzver]

Проблема в том, что мы не можем уверенно идентифицировать таксоны бактерий, это всё же не многоклеточные, которые имеют массу морфолоических признаков, да ещё и находятся в относительно молодых геологических слоях. Можно было бы пытаться восстановить деврево прокариот по молекулярным данным, но и здесь нас ждёт облом, в частности, из-за огромного влияния горизонтальнго переноса (см. выше).

Опять же - если генетическим анализом можно нарисовать генеалогическую сеть - то, хотя это и сеть а не "дерево" - на ней должно быть направление времени.
Остается проблем масштаба - но возможно, на это также есть какие-то генетические маркеры - я не знаю.

Размер геномов свободноживущих прокариот заключён в очень узком интервале, протяжённость которого, по сути, покрывает лишь один порядок величины. Кроме того, например, попытка восстановления генома общего предка всех архей приводит к  выводу, что размер его генома не сильно отличался от размера генома типичной современной архейной клетки, или был даже больше него.

Ну вот - три точки - значит тенденция не экспоненциальная - а даже, может быть, с каком-то месте и убывающая - для полмассы биосферы земли

[Combinator]

Опять же - если генетическим анализом можно нарисовать генеалогическую сеть - то, хотя это и сеть а не "дерево" - на ней должно быть направление времени.
Остается проблем масштаба - но возможно, на это также есть какие-то генетические маркеры - я не знаю.

Увы, проблема масштабирования молекулярных часов решается лишь их калибровкой по реальным данным...

Ну вот - три точки - значит тенденция не экспоненциальная - а даже, может быть, с каком-то месте и убывающая - для полмассы биосферы земли

Делать вывод о форме кривой по трём точкам это, я бы сказал, весьма самонадеяно.
Тем не менее, да, мир прокариот, последние несколько миллиардов лет похоже, в основном, находится в стазисе.

[dzver]

Увы, проблема масштабирования молекулярных часов решается лишь их калибровкой по реальным данным...

Все данные реальны - на то и данные... Но, если их нельзя определить - жаль - тогда и с репрезентативности исследования, по данного параметра плохо... ; )

Делать вывод о форме кривой по трём точкам это, я бы сказал, весьма самонадеяно.
Тем не менее, да, мир прокариот, последние несколько миллиардов лет похоже, в основном, находится в стазисе.

Возражаю против слова "стазис" ; )
Эволюция/отбор для прокариот шли все время - то, что при этом геном не увеличивался - не "стазис", как не стазис и то если для какой-то эволюционной ветке, когда-то остановился растеж носа ; ) Да и вообще-то, может геном оптимизировался по отношению эффективность/длина (eсли нет палеонтологические данные - и без них нельзя - то вообще откуда нам знать не был ли он намного избыточнее м/у скажем 3.5 и 1 млрд лет назад). Также не вижу, почему упрощению нельзя оказаться в неких ситуаций эволюционным предимством... разве что сокращает гибкость/резерв мутабельности/вариативности...

[Combinator]

Возражаю против слова "стазис" ; )
Эволюция/отбор для прокариот шли все время - то, что при этом геном не увеличивался - не "стазис", как не стазис и то если для какой-то эволюционной ветке, когда-то остановился растеж носа ; ) Да и вообще-то, может геном оптимизировался по отношению эффективность/длина (eсли нет палеонтологические данные - и без них нельзя - то вообще откуда нам знать не был ли он намного избыточнее м/у скажем 3.5 и 1 млрд лет назад). Также не вижу, почему упрощению нельзя оказаться в неких ситуаций эволюционным предимством... разве что сокращает гибкость/резерв мутабельности/вариативности...

Согласен, "стазис" в данном случае не самое удачное слово. Несомненно, упрощение часто может оказаться эволюционным преимуществом, особенно, если вид живёт сотни миллионов лет примерно в одних и тех же условиях (тем более, что конкуренция типа хищник-жертва в мире прокариот по сути отсутствует) .
По внешнему виду некоторые отпечатки бактерий, которые дошли до нас в породах архея, весьма напоминают определённые таксоны современных бактерий (скажем, цианобактерии), хотя уверенно об этом говорить, учитывая качество материала,  конечно нельзя.  Кстати, в древнейших породах архея находят и акритархи, которых некоторые палеонтологи вообще склонны относить к вымершим одноклеточным водрослям, то есть, к эукариотам. В общем, откровенно говоря, покамест про микробную жизнь времён архея гораздо больше вопросов, чем ответов...

[alex_semenov]

По поводу динамики эволюции жизни.
Я все же позволю вставить свои пять копеек.
Я все же склонен всю историю жизни на планете Земля делить на ДВЕ разные истории.
Первая начинается с зарождения (которое, как я полагаю, скорей всего случилось именно на Земли). КАК? Гипотез много. Все они шатки. Но похоже, что на самой ранней стадии первейшая жизнь очень активно усложнялась (в результате чего простейшая полностью исчезла, а скорей всего всосалась в сложнейшую). Итог этой борьбы - тот самый "стазис" "посередине истории"  в течении миллиардов лет.
Да. Он выглядит странно, если всю историю жизни рассматривать как единый непрерывный, закономерный процесс... Но если разбить на два "независимых", то все становится на свои места.
То есть археи и прокариоты научились таки бороться с мутациями (обуздали разнообразие). Они взяли верх над энтропией случайных мутаций. Эволюция "проиграла".
Динамика удлинения (усложнения? накопление мусора?) жизни на планете Земля все же имеет форму Г-кривой. И уже 3-2 миллиарда лет назад она выходит на асимптотический участок. Предел совершенства. Жизнь победила, СТАБИЛИЗИРОВАЛАСЬ.
И так продолжается до начала кислородной катастрофы. То есть прокариоты успешные замкнули биологические циклы, стабилизировали себя (это главная цель жизни- достигнуть экстремума устойчивости, баланса, равновесия на вечные времена)... но разомкнули геофизические цикли. Стали планетарным ГЕОЛОГИЧЕСКИМ явлением.
И тут начинается совсем другая жизнь.
Ситуация все еще остается мутной. Но картинка вырисовывается следующим образом. Углекислый газ из атмосферы стал исчезать, нарушился термический баланс и планета опрокинулась в ледниковый мир. Вся замерзла на десятки миллионов лет, что опять таки запустило массу непрятных для жизни процессов (например пополнение атмосферы отравой - абиогенным кислородом).



Что там случилось дальше - все еще в темноте. Но Земля оттаяла, а результатом стали резкие эволюционные изменения и эвкариоты (до сих пор представлявшие из себя уродливые маргинальные формы жизни) получили свое пространство для ВЗРЫВНОГО роста и развития. 



По сути можно говорить о зарождении новой жизни, шаг, котолрый НИКАК не связанн со всей предыдущей эволюцией. Он не был детерминирован (предопределен) всей предыдущей динамикой прокариот. Это была катастрофа, "внешний", планетарный толчок, который опять таки случился на грани фола.
(жизнь на планете вряд ли погибла бы но она могла так навсегда и остаться бактериальной, найдя новое экологическое равновесие с геологией планеты теперь уже навсегда).
Но случилось очередное чудо. Появилась новый взрывной процесс  и новая Г-образная кривая роста "сложности" НОВОЙ жизни. Второй раз реализовывался найденный потенциал. Многоклеточность, кембрийский взрыв,  освоение новой среды (суши) растениями и насекомыми…
Но и он пройдя бурный период достиг своего асимптотического потолка.
Вот посмотрите.



Кривуля несколько устаревшая (уже) но в целом картина вряд ли сильно поменялась. Пика своей биомассы жизнь на планете достигла в палеозое-мезозое. Именно перед той самой катастрофой с замерзанием Земли. А потом (последний миллиард лет!) биомасса быстро уменьшается.
Возникает ощущение, что эвкариоты воспользовались неким ресурсом, накопленным прокариотами и по мере его исчерпания  вынуждены были непрерывно эволюционировать (подстраиваться).
Другой фактор - многоклеточная жизнь (по сутит тоненькая пленочка-надстройка над миром бактерий) стала чувствительней к геологическим и космическим катастрофам. Освоив сушу она покинула более инертный океан и стала подвергаться всем напястям большого космоса.

В итоге, как мне кажется,  мы имеем две Г-образные кривые поставленные одну на другую. При желании из них можно "выгнуть"  ОДНУ сплошную экспоненту с длинным хвостом за пределы истории Земли. Но это, на мой взгляд, очень искусственный ход.

Кстати. Сказки что если человек исчезнет с лика Земного в один момент, то, мол, жизнь продолжит эволюционировать и породит ему замену - сказки (да, очень красивые, не спорю. И поучительные!). У биосферы Земли во-первых осталось не более миллиарда лет (Солнце будет светить все сильней и сильней и в конце концов сделает условия на планете не совместимыми с жизнью). Во-вторых масса биосферы, видимо все так же упорно будет снижаться.
В связи с последним наше появление в середине данного этапа можно рассматривать как спасительное "геологическое" явление. Сжигая нефть и уголь (за пару веков), мы ведь возвращаем выпавшую за последний миллиард лет биомассу в планетарный кругооборот.
Возможно, только в этом и есть наше мировое назначение?
Вернуть часть выпавшей биомассы в оборот и … исчезнуть?
(Эта мысль высказана у Переслегина в "Научно обоснованный конец света").
Хотя вряд ли это сильно изменит общий ход событий.

Еще одно замечание. Чем Г-образная кривая, отличается от S-образной (логистической)?
Всякая ли Г есть только верхушка S (Комбинатор тут об этом как-то что-то пытался сказать)?
Если начало процесса "чудесное" то НЕТ.
Хотя любое чудо должно очень долго вызревать.
Тогда ДА.

[Combinator]

Я все же склонен всю историю жизни на планете Земля делить на ДВЕ разные истории.
Первая начинается с зарождения (которое, как я полагаю, скорей всего случилось именно на Земли). КАК? Гипотез много. Все они шатки. Но похоже, что на самой ранней стадии первейшая жизнь очень активно усложнялась (в результате чего простейшая полностью исчезла, а скорей всего всосалась в сложнейшую). Итог этой борьбы - тот самый "стазис" "посередине истории"  в течении миллиардов лет.

Тут сразу возникает вопрос - а куда делись все следы той самой "первейшей" жизни? Если судить по отпечаткам, то 3.49-3.50 млрд. лет назад на Земле ВНЕЗАПНО И СРАЗУ появилось довольно богатое разнообразие бактерий. Почему в вышележащих слоях вообще ничего нет? По идее, в них, как минимум, должны были бы содержаться следы эволюции от ЛУКА до наблюдаемого в архее разнообразия таксонов прокариот.

[alex_semenov]

Тут сразу возникает вопрос - а куда делись все следы той самой "первейшей" жизни? Если судить по отпечаткам, то 3.49-3.50 млрд. лет назад на Земле ВНЕЗАПНО И СРАЗУ появилось довольно богатое разнообразие бактерий. Почему в вышележащих слоях вообще ничего нет? По идее, в них, как минимум, должны были бы содержаться следы эволюции от ЛУКА до наблюдаемого в архее разнообразия таксонов прокариот.

Самая здравые объяснения:

1. Самая раня жизнь (допустим мир РНК) так быстро эволюционировал в более сложную (и устойчивую к мутациям) жизнь на основе ДНК и белков, что не успел оставить заметных следов.

2. Новая, ДНК-белковая жизнь оказалась настолько лучше приспособлена для выживания, что истребила более хилую преджизнь без всякого следа (нечто подобное случилось с всеми степными обезьянами - родственниками гоминидов. Они все исчезли! Остались только лесные обезьяны- крайне дальние родственники которым не нужно было делить с человеками разумными среду обитания)

3. Еще версия. Первая жизнь на самом деле "ВСОСАЛАСЬ" в ДНК-белковую жизнь. Во всяком случае сторонники мира РНК очень активно отстаивают эту точку зрения.

В любом случае, в самом начала именно взрывной характер эволюции первой жизни и Г-образная кривуля как раз прекрасно описывает ОТСУТСТВИЕ следов преджизни. Жизнь как бы появилась мгновенно "из ниоткуда".

Почему, скажем, мир РНК должен был очень быстро эволюционировать? Да потому что не было ДНК с ее репарацией ошибок. А ошибки  происходят с частотой, примерно, 1 на 1000 скопированных нуклеотидов. Чудовищная скорость мутация! РНК-цепочки длиной в 1000-10 000 нуклеотидов (длинней вряд ли были возможны) должны были очень быстро мутировать (каждое поколение 1-10 мутаций). И только когда жизнь научилась бороться с этой напастью (ДНК и белки) процесс эволюции пошел куда медленней (хотя носители информации смогли стать длинней, чем энтропия ошибок не применула воспользоваться опять, взяв свою дань). При этом вряд ли жизнь научилась бороться  с ошибками при копировании скачком. Было постепенное накопление "суммы технологий", которое и привело к плавной, красивой Г-образной кривой динамики ее "развития".
Где-то так.
Во всяком случае с этой стороны я не вижу больших проблем у данногй гипотезы.

ЗЫ. Судя по самым последним научно-популярным публикациям, никакого ЛУКИ и не было.  В начале был очень активный обмен генетической информацией. Сотрудничество в том раннем мире явно преобладало над борьбой. И причина, возможно, одна. У преджизни был один общий враг - быстрые мутации. Не до жиру-быть бы живым. А вот когда появляетя  ДНК... общего врага победили, тогда каждый  стал сам за себя...

[ВадимZero]

Если судить по отпечаткам, то 3.49-3.50 млрд. лет назад на Земле ВНЕЗАПНО И СРАЗУ появилось довольно богатое разнообразие бактерий.

Что в этих отпечатках, позволяет судить о том что это именно бактерии?

[dzver]

alex_semenov
Этот рассказ звучит убедительно.

[Combinator]

По поводу реальности "классического" мира РНК сейчас вообще есть определённые сомнения. Почитайте, что об этом думает, например, LUKA.
Это во первых. Далее, даже если он в реальности существовал, должны были быть хоть какие-то промежуточные этапы. Невозможно представить себе переход от набора самореплицирующихся  молекул РНК сразу к множеству таксонов прокариотических клеток уровня, скажем, цианобактерий, без неких промежуточных этапов.

ЗЫ. Судя по самым последним научно-популярным публикациям, никакого ЛУКИ и не было.  В начале был очень активный обмен генетической информацией. Сотрудничество в том раннем мире явно преобладало над борьбой. И причина, возможно, одна. У преджизни был один общий враг - быстрые мутации. Не до жиру-быть бы живым. А вот когда появляетя  ДНК... общего врага победили, тогда каждый  стал сам за себя...

В том, что ЛУКА реально был, мало кто сомневается. Его реальное существования подтверждается, в частности, гомологичностью большого числа белков (включая мембранные белки), присутствующих у всех прокариот. Многие из этих белков абсолютно необходимы для клеточной формы жизни. Так что, споры ведутся лишь о степени вляиния горизонтального переноса на эволюцию жизни на ранних этапах. Другими словами, имеет ли смысл и на этих этапах говорить о дереве, или интенсивный горизонтальный перенос неизбежно превращает всё в сеть. Но даже если договриться, что не имеет смысла рассматривать эволюционные треки отдельных таксонов бактерий, всё равно сеть на пути от мира РНК до сообщества бактерий неминуемо должна была пройти через некоторые промежуточные этапы, причём на этих этапах РНК в качестве средства хранения информации уже должна была быть вытеснена ДНК. Бактерия с геномом, основанным на РНК, это нонсенс.

[Combinator]

Что в этих отпечатках, позволяет судить о том что это именно бактерии?

Морфологические признаки, их схожесть с более молодыми отпечатками, классификация которых не подвергается сомнению, обнаружение в этих же районах строматолитов, являющихся остатками бактериальных матов.

[L_Pt]

Тут сразу возникает вопрос - а куда делись все следы той самой "первейшей" жизни? Если судить по отпечаткам, то 3.49-3.50 млрд. лет назад на Земле ВНЕЗАПНО И СРАЗУ появилось довольно богатое разнообразие бактерий. Почему в вышележащих слоях вообще ничего нет? По идее, в них, как минимум, должны были бы содержаться следы эволюции от ЛУКА до наблюдаемого в архее разнообразия таксонов прокариот.

А существуют ли эти «вышележащие» (может вы хотели сказать – нижележащие, т.е. более древние) слои?
Из катархея до нас осадочные слои не дошли.  Наверное,так как вся поверхность была переплавлена в архее в мантии, ибо была более тяжелая чем выплавляющиеся базальты.

[Combinator]

А существуют ли эти «вышележащие» (может вы хотели сказать – нижележащие, т.е. более древние) слои?
Из катархея до нас осадочные слои не дошли.  Наверное,так как вся поверхность была переплавлена в архее в мантии, ибо была более тяжелая чем выплавляющиеся базальты.

Да, существуют начиная от пород возрастом 3.8 млрд. лет (например, формация Исуя в Гренландии).
 

[L_Pt]

Да, существуют начиная от пород возрастом 3.8 млрд. лет (например, формация Исуя в Гренландии).

Формации Исуя – это уже самый ранний архей.
И уже про нее пишут, что там в графите есть характерное для биоты разделение изотопов углерода С¹²/С¹³.
Ну а непосредственно следов прокариот нет, ибо условия графитизации их сохранению неблагоприятны.

[Combinator]

Формации Исуя – это уже самый ранний архей.
И уже про нее пишут, что там в графите есть характерное для биоты разделение изотопов углерода С¹²/С¹³.

В последнее время появились свидетельства, что облегчённый кероген в данной формации просочился туда из более молодых слоёв, см., например здесь: http://www.nature.com/nature/journal/v418/n6898/full/nature00934.html или здесь: 
http://jgs.lyellcollection.org/content/166/2/335.abstract

Ну а непосредственно следов прокариот нет, ибо условия графитизации их сохранению неблагоприятны.

Вы об этом где-то читали, или это просто Ваша гипотеза?

[L_Pt]

Вы об этом где-то читали, или это просто Ваша гипотеза?

Нигде непосредственно про Исуя не читал, но однозначно знаю что образование графита из неорганики должно происходить при температуре выше 1000 С.

[Combinator]

Вы об этом где-то читали, или это просто Ваша гипотеза?

Нигде непосредственно про Исуя не читал, но однозначно знаю что образование графита из неорганики должно происходить при температуре выше 1000 С.

Понятно. Но и пород с графитом возрастом старше 3.52 млрд. лет, по которым не было бы подозрений в их абиогенном происхождении, насколько я знаю, обнавружено не было. См., например: http://www.realfuture.org/wordpress/wp-content/uploads/2009/06/Harnmeijer_Chapter6.pdf

[Скеп-тик]

Понятно. Но и пород с графитом возрастом старше 3.52 млрд. лет, по которым не было бы подозрений в их абиогенном происхождении, насколько я знаю, обнавружено не было.

Так и пород такого возраста - кот наплакал. Пару кв км на всю Землю. А найти следы лужи (именно лужи, с распресненой проточной водой) на таком геологическом отрезке невозможно, осадков на миллиметры. Постоянные же  водоемы были чудовищьно токсичны из-за металлов - отсутствие кислорода не осаживало ни марганец, ни железо, ни ванадий.
  Еще о РНК-репликации. Для этого нужна энергия, а взять её РНК неоткуда. Поэтому репликация должна возникнуть в цепочках в несколько десятков звеньев. Такой длинны хватит, чтобы осадить несколько аминокислот и синтезировать белок. Который при удачном стечении обстаятельств  окажется фоточувствительным и начнет "колбасить" РНК, вызывая присоединение новых и новых случайных звеньев. Рост  в конце концонцов стряхнет белок, ультрафиолет разрежет цепочку, и две цепочки (разные абсолютно) проделают синтез-фокус снова. Постепенно длинна белковой цепочки будет удлинятся, стабилизируя удачное "ядро" РНК. Это не мутации, это перебор комбинаций десятков нуклеокислот с сотней аминокислот (а не четыре-двадцать, как сейчас) за секуны, с миллиардами параллельных проб. И где-то там уже "кто-то" присоединил сахар...

[Combinator]

Так и пород такого возраста - кот наплакал. Пару кв км на всю Землю.

Не могу согласиться с данным утверждением. Только наиболее древняя часть формации Исуя уже больше 50 кв. километров...

А найти следы лужи (именно лужи, с распресненой проточной водой) на таком геологическом отрезке невозможно, осадков на миллиметры. Постоянные же  водоемы были чудовищьно токсичны из-за металлов - отсутствие кислорода не осаживало ни марганец, ни железо, ни ванадий.

Лужа на то она и лужа, что она сегодня есть - завтра нет. Или Вы уже готовы сжать все этапы эволюции от первых органических молекул до бактерий в пару-тройку недель?
Кстати, большинство мэйнстримовских теорий возникновения жизни в настоящее время предпологает, что процесс как раз происходил в геотермальных источниках на дне океана.

Еще о РНК-репликации. Для этого нужна энергия, а взять её РНК неоткуда. Поэтому репликация должна возникнуть в цепочках в несколько десятков звеньев. Такой длинны хватит, чтобы осадить несколько аминокислот и синтезировать белок. Который при удачном стечении обстаятельств  окажется фоточувствительным и начнет "колбасить" РНК, вызывая присоединение новых и новых случайных звеньев. Рост  в конце концонцов стряхнет белок, ультрафиолет разрежет цепочку, и две цепочки (разные абсолютно) проделают синтез-фокус снова. Постепенно длинна белковой цепочки будет удлинятся, стабилизируя удачное "ядро" РНК. Это не мутации, это перебор комбинаций десятков нуклеокислот с сотней аминокислот (а не четыре-двадцать, как сейчас) за секуны, с миллиардами параллельных проб. И где-то там уже "кто-то" присоединил сахар...

Если честно, почти ничего не понял. Вы не могли бы дать ссылку на оригинальную публикацию?

[Скеп-тик]

Оригиналов нет. Есть отдельные картинки для разминки:
http://elementy.ru/news/431625
Для усидчивых:
 http://elementy.ru/news?theme=2395410
на неделю чтения.

древняя часть формации Исуя уже больше 50 кв. километров...

Поробуйте встретить на такой площади слона. Не розового, в любой точке Земли

Вы уже готовы сжать все этапы эволюции от первых органических молекул до бактерий в пару-тройку недель?

Ну не до бактерий, но до самосохраняющихся ассоциаций из трех сотен различных молекул - современного месяца достаточно для самой первой дождевой лужи на Земле.

большинство мэйнстримовских теорий возникновения жизни в настоящее время предпологает, что процесс как раз происходил в геотермальных источниках на дне океана.

Вот тут не согласен. Чтобы синтезировать хотя бы глюкозу, хлорофиллу надо десять невесомых фотона, хемосинтетику - десять молекул H₂S с молярной массой 34, которые надо доставить к каталитическому центру, а затем удалить инертную серу. Сейчас хемосинтетики процветают в богатой готовой (от трупов фотосинтетиков) органикой среде. Здесь одной молекулы сероводорода уже хватит вырезать большой кусок готового белка или чужого генома для собственных нужд.