Экспериментальная оценка вероятность зарождения жизни

[OratorFree]

Честно говоря я предполагал написать топик в поддержку идеи "неомазуризма". Т.е. подробно, разложив все по полочка объяснить устами цифр почему мы одни. Но в процессе подготовки материала, наткнулся на момент (подробность), которая позволяет предположить, что при некоторых исходных данных (а какие они на самом деле - неизвестно), вероятность случайного появления жизни (речь о гипотезе РНК-мира) даже на отдельной планете может оказаться близкой в единице.

Начну собственно с этой подробности. Как говорится следите за руками.

Что бы оценить количество возможных попыток при рождение новых УЕЖ (условных единиц жизни[протожизни]) в земном "Солярисе" нужно было за что-то зацепиться в своих рассуждениях. Я использовал для это песню группы "Чайф" - "Бутылка кефира, полбатона".  Кефир вполне себе жизнепригодная среда, которую можно сравнить с первичным бульоном. Как известно КОЕ кефира 10^7/гр.. Вот от этого и оттолкнёмся. Полагая, что УЕЖ множились со скоростью близкой к делению прокариот, примем время появления нового поколения УЕЖ  1000 сек (16 мин). Т.е. за секунду в одном грамме земного океана "Солярис" появлялось 10^4 УЕЖ. Количество воды (бульона) в этом океане эпоху катархея-архея было меньше нынешнего (см. график ниже) примерно 10^23 гр.



Таким образом появления новых поколений УЕЖ составляло в земном "Солярисе" - 10^4 * 10^23 = 10^27 УЕЖ/сек.

В году у нас 3,15 * 10^7 сек. Предполагая, что процесс мог длиться 1 млрд. лет. получаем 3,15*10^16 сек., или округляя в сторону оптимизма  10^17 сек.
Таким образом количество попыток "Соляриса" создать одну из "удачных" версий УЕЖ составит за миллиард лет на одной планете ~10^(27+17)=10^44 (попытки). Это цифра очень велика. Интуитивно ясно, а расчеты это подтверждают, что это означает при единичной вероятности появления "удачного" УЕЖ более или равно 10^-44, вероятность появления жизни близка к единице на отдельно взятой планете. Поправка на размер Галактики ~10^10 жизнепригодных планет, честно говоря несущественна при данном раскладе.

Далее вернемся разбору статьи Мазура (Кто не читал - она есть здесь)
Одним из первых откликов на статью Мазура, был такой - с чего автор взял, что из всей генеральной совокупности полимеров РНК есть только один, могущий дать старт молекулярной эволюции. Замечание справедливо. Конечно не все случайно "собранные" полимеры РНК - проявляют каталитическую активность, но не одна единственная тоже. Лично я пришел к выводу, что длина полимера, могущего стать стартом для молекулярной эволюции может быть много меньше той, что задал в своей статье В.А. Мазур. В частности, как выяснилось исходная рибосома имела длинну около 200 нуклеотидов ( См. статью : http://elementy.ru/news/431013 )

Расчет для данной длины УЕЖ  дает размер генеральной совокупности всех вариантов [УЕЖ] 10^120.

Учитывая, что количество вариантов комбинаций дающих "старт" жизни может любым (каким именно пока неизвестно),

[приведем] расчет в виде графика, позволяющий понять, что определенном количестве N - рибозим (и описанных в сам начале количестве попыток) возможно появление жизни на отдельной планете с вероятностью почти единица приведен ниже. Расчет велся по формуле Бернулли для варианта "хотя бы одно удачное событие" в серии независимых испытаний:

P=1-(1-p)^m (p-вероятность единичного события, m - число испытаний/попыток)

На графике не сами значения, а их десятичные логарифмы. Иначе отобразить невозможно, из-за большого диапазона получаемых чисел.
По оси абцисс логарифм количества потенциально активных рибозим, по оси ординат конечная вероятность после попыток "сборки" на ранеей Земле за 1 млрд. лет (см. выше). Кроме того, что бы не вводила в заблуждений интуиция. 10^80, это намного меньше 50% от 10^120 . Это всего 10^-40 доля - невероятно малое количество на само деле.
Ну и на всякий случай - "ноль" это логарифм единицы.


Ну и теперь о заголовке. Почему он такой. Суть в том, что в данной ситуации появляется теоретическая возможность экспериментально оценить вероятность зарождения жизни. Для этого нужно методами математической статистики по выборкам оценить, каково на самом деле количество каталитически активных РНК в генеральной совокупности всех вариантов сочетаний в нуклеополимерах. Т.е. фактически вероятность зарождения жизни можно оценить эксперементально.

P.S.
Жаль, что теперь для меня теперь опять начал существовать парадокс Ферми.
Без него жизнь была проще. 

UPDATE 15:45 Мск

Пожалуй добавлю несколько соображений по поводу того какая может быть методология у такого эксперимента. Как вариант конечно.
Генератор случайных чисел выдает серию случайных последовательностей нуклеотидов. Рандомизация должна быть серьезной, разумеется. Далее имеющимися на сегодня методами, проверяется теоретическая возможность этих "виртуальных" РНК оказаться рибозимом (читал, что это возмозможно на сегодня). А далее собирается "потенциально активный" РНК и проверяются его свойства в прямо эксперименте. Так можно обработать довольно большой массив вариантов. 


 
UPDATE 20:30
Присоединил исходную табличку для построения графика.

[Nucleosome]

хм... интересно. но сразу несколько поправок:
во-первых - что-то как-то график как-то не очень - уж очень плавная дегазация и заполнение океанов, которое ещё и продолжится и вообще нафиг затопит чуть ли не всю сушу через миллиард лет... штук 15 антакртид разлить по Земле! но это собственно детали. важнее другое - весь объём мирового океана даже если его настолько мало как вы приняли (чёрт знает какой рельеф был 4 млрд лет назад, но следы тяжёлой бомбардировки наверное ещё были, хотя с другой стороны из-за явно большей активности недр сгладится они могли быстрее, но и накидать горы эта активность тоже...), не принимал участие в создании жизни, конечно если это были отдельные моря-озёра-лужи раскиданные где попало, то часть объёма заключённого в прибрежную муть будет выше нынешнего, но наверняка не всё. тут даже не столь важно, в какой именно среде возникала жизнь, а то что её нужны были некие более-менее замкнутые пузырьки, где можно было бы накопить наработанное, а не рассеять его сразу в океанских водах. и тут подходит третье возражение - самое существенное: конечно, если считать по принципу всё или ничего - что на первый взгляд кажется логичным - или удваивается или нет. то этой проблемы в общем-то и нет - появился первый репликатор, и всё, давай присоединяй к себе всё то, что синтезирует под действием молний и т. д. океан. однако на деле вряд ли всё так - для синтеза нужно во-первых иметь стабильность цепочки (на время пока не удвоишся), во-вторых, подтащить нуклеотиды, в третьих - разъеденится. и всё это могли делать разные молекулы - один увеличивали сродство к нуклеотидам, другие - стабильность, третьи рвали, скорее всего изначально не было как такого разделения, а были только "липикие концы" - то есть одночепочные и свободные, которые затем достраивались до полной. и вот тут уже именно необходимость быть всем вместе и жизненно необходима. с одной стороны это уменьшает доступный объём и весьма существенно - если посчитать сколько сейчас подобной "мутной воды" от общего объёма, доля будет ничтожной, но с другой делает подсчёт вероятностей попросту невозможным - так, те кто увеличивали сродство к свободным нуклеотидам или их олигомерам могли быть просто достаточно случайно слепившимся пептидом - у нуклеиновых кислот и белков есть неспецифичное сродво (то етсь независящие от последовательности обоих), стабильность тоже могли повышать какие совсем короткие отрезки налипая по сторонам... такие вещи называются гиперциклами. так что в целом вероятность видимо растёт, поскольку отсекает некоторые необходимые свойства от одной цепочки давай возможность  блочной сборки первого репликатора, а не в лоб.

[OratorFree]

во-первых - что-то как-то график как-то не очень

Это из книги Сорохтина, Ушакова "Развитие Земли".
Что было под рукой, то и использовал. Если есть ссылка на другие данные, можно будет пересчитать, для меня не суть важно. Но цифры (по воде в катархее -архее) скорее всего у разных источников близкие.

По остальному. Для моей оценки не важен реальный механизм "генерации" УЕЖ. Мне важно сколько потенциально могло произойти переборов вариантов случайный (абиогенезным) способом до появления репликаторов. Была ли эта сборка внутри коацерватных капель или в градиентных потоках. Важен масштаб.

В процессе размышления, у меня даже появилась собственная версия.
Натолкнуло вот это :
Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек
Там авторы эксперементировали с не РНК, а с ДНК.
И мне подумалось, а был ли РНК мир? Ведь броуновскому хаосу все равно, что цеплять к нуклеотиду рибозу или дезоксирибозу. Как говорится, что водка, что шрапнель - лишь бы с ног валило.

  Так, это мог бы ДНК/РНК -мир. Где шел обмен между ДНК и РНК нитями. И первым осмысленным абиогенезом могла быть рибосома. Которая была записана на спирали ДНК, которая и хранила её код. Считываемый в градиентных потоках. А это рибосома штамповала протеины из любого мусора, который ей попадался (в смысле обрывков РНК), т.е. например обрывочно снятая с  ДНК та же рибосома. А протеины возможно налипали на вышедший  из градиентного потока ДНК и появился таким образом первый вирус, защищенный на случая пересыхания родного болотца. А далее по списку благоприятная среда, формирование рибосомы, протеины ну и мутации разумеется.
  Но должен был появится КОД. О котором я собственно и рассуждал в стартовом топике.
   

 

[recloner]

Касательно эксперимента, как понимаю нужно будет смоделировать около 10^44 вариантов?

[OratorFree]

Касательно эксперимента, как понимаю нужно будет смоделировать около 10^44 вариантов?

Это самый худший случай (граница сверху).*  Может оказаться, что и выборке, например, 10^9 окажется тысяча вариантов саморепликантов и/или РНК со свойствами рибосомы. На сегодня вообще ничего не известно об этом множестве. Я уж точно ничего не знаю.

*По-моему я запутался. Сейчас разберусь - отпишусь.


Для того, чтобы единичная вероятность равнялась 10^-44, при размере генеральной совокупности 10^120, число "Активных рибозим" должно быть 10^76  (См. *.xls табличку во вложении стартовому топику.) А вот размер выборки нужно смотреть отдельно. Букварь нужно читать по матем. статистике. Последний раз я его держал в руках в году эдак 86-м.

[recloner]

А вот размер выборки нужно смотреть отдельно.

так нет же. Выборка и будет равна тем самым 10^44. Позитивные результат для выборки 10^9  будет означать что жизнь появляется за сутки в любой луже. Что вроде как противоречит ранее сделанным экспериментам.

[Nucleosome]

Для моей оценки не важен реальный механизм "генерации" УЕЖ. Мне важно сколько потенциально могло произойти переборов вариантов случайный (абиогенезным) способом до появления репликаторов. Была ли эта сборка внутри коацерватных капель или в градиентных потоках. Важен масштаб.

хм... но ведь не поняв или обрисовав первого нельзя приступитько второму, потмоу что не ясно просто тупо что считать - вероятность сборки полиптида или только РНК. одной или нескольких. кстати, для ясности - я не сторонник "РНК мира", и полагаю, что роль РНК (или лучше сказать полинуклеотида) была хоть и ключевой - только они одни достоверно известно что могут удваиваться, но не всеобемлющей если можно так выразится - то есть всё остальное было не только средой для репликации, а принимало в этом процессе самое активное участие.

Что вроде как противоречит ранее сделанным экспериментам.

в целом да - оценить вероятность сверху можно - если конечно допустить что наши представления об условиях на ранней Земле верны.

[-Юрий-]

...вероятность случайного появления жизни (речь о гипотезе РНК-мира) даже на отдельной планете может оказаться близкой в единице.

А кому нужны эти доказательства? Наукой уже доказано, и эксперименты давно проводились успешные. А для религии всё равно все доказательства по барабану. Им ни чем не докажешь.

[OratorFree]

А кому нужны эти доказательства? Наукой уже доказано, и эксперименты давно проводились успешные. А для религии всё равно все доказательства по барабану. Им ни чем не докажешь.

Не понял комментария.

[Ly_S]

Сколько потребуется лет,для образования,так сказать,кефира?

[-Юрий-]

Не понял комментария.

Это так, мысли  вслух, особо над этим комментарием не стоит задумываться.

[OratorFree]

Сколько потребуется лет,для образования,так сказать,кефира?

Скорее "понадобилось". Граница катархея - архея 4 млрд. лет до нашей эры. Примерно в это время появляется жидкая вода (это и есть появление "кефира", надеюсь вы понимаете, что это только эфемеризм, такой же как "первичный бульон"   ) на Земле. Вот где-то в это время в небольшом количестве воды и происходили процессы зарождения жизни. Появление "кирпичиков" жизни произошло скорее всего в конце катархея. Период это был кратким. Конец поздней метеоритной бомбардировки. Когда Земля начала уже остывать, а высыхающие лужи стали превращаться в озера и потом моря и океаны, вопрос рождения жизни был уже в руках самой зарождающейся жизни, если бы не успела, то опоздала бы. Не произошла бы инкапсуляция молекулярной жизни в LUKA - жизнь бы перестала существовать.

Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы — нуклеотиды, белки, липиды.

....Джон Сазерленд с коллегами теперь представляют себе этот древнейший жизнеродный водоем гораздо яснее, чем кто бы то ни было. Эта теплая лужа стала обрастать реалистичными химическими подробностями. Химики поместили ее во времена катархея, когда наша планета испытывала на своей шкуре все тяжести поздней метеоритной бомбардировки. Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита — железо-никелевого фосфида — при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она — теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция — всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

[Юрий Б.]

Вообще-то, если за УЕЖ считать любой самореплицирующийся молекулярный комплекс - тогда минимальный размер УЕЖ очень мал.

Порядка нескольких атомов.

Это делает вероятность появления УЕЖ близкой к единице.

Собственно, как раз и наблюдалось спонтанное появление таких УЕЖ в эксперименте.

[OratorFree]

Вообще-то, если за УЕЖ считать любой самореплицирующийся молекулярный комплекс - тогда минимальный размер УЕЖ очень мал.

Порядка нескольких атомов.

Это делает вероятность появления УЕЖ близкой к единице.

Собственно, как раз и наблюдалось спонтанное появление таких УЕЖ в эксперименте.

Там речь о моносахаридах. Это только "кирпичик" жизни. Органическая молекула. Сырьё. Как нуклеотиды, аминокислоты, полифосфаты. Открыли химическую реакцию их появления, хорошо. Есть и более серьезные открытия по "кирпичикам". Например группы Сазерленда. Я уже давал ссылки.

Повторю :
Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК:  http://elementy.ru/news/431082
Цианосульфидный протометаболизм — верный путь к земной жизни (Сазерленд):  http://elementy.ru/news/432438

Вы попробуйте мысленно представить, как события могут развиваться дальше. А дальше после появления моносахаридов что?
А ничего. Они ничего не могут. Не способны эволюционировать.

Более того, все гораздо хуже. У РНК-мира мира тоже нет перспектив, ИМХО, если начинаешь размышлять. Предположим случилось чудо - появился РНК - репликант и он реплицируется, мутирует, реплицируется. Увеличивается его выживаемость при высушивании лужиц с первобытным бульоном, растет в размере и повышает свою стабильность. А дальше? Как она создала ДНК и вдруг из саморепликанта превратилась в рибосому? В её естественной эволюции нет такого направления и не может быть (не видится если более корректно, но категоричной форме лучше звучит для возможности оспорить  )

Так, что скорее всего и гипотеза РНК-мира не верна. Она просто тупиковая.
Но самое интересное, что ДНК способна к саморепликации с рождения, какой бы бессмысленный код не содержала. Через бесферментную денатурацию. Вот здесь провели интересный эксперимент :

Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек : http://elementy.ru/news?newsid=432432 (желательно прочесть хотя бы по диагонали)

Что сдвинуло меня на более вменяемую, ИМХО, форму гипотезы. Не было РНК-мира. Был смешаный ДНК/РНК - аминокислотный мир. Поскольку первоначальному броуновскому физико-химическому хаосу было все равно, что "клеить" к нуклеотиду рибозу или дезоксирибозу, а может и фруктозу. В общем хаос и свобода. ДНК - могла реплицировать в приведенных выше условиях, а так же собирать аналогично нити РНК. И весь это бессмысленный хаос продолжался, пока, например, после гигантского перебора вариантов (см. стартовый топик) не появилась у ДНК последовательность кода, при реплицировании которого на РНК появилась первая примитивная рибосома. Косвенным подтверждение, что это было именно так служит то, что ядро рибосомы это РНК, а не белок.

Т.е. она очень древняя, добелковая структура. ( Тайна происхождения рибосом разгадана? http://elementy.ru/news/431013 , статья упоминалась в стартовом топике )

Ну, а далее эта рибосома начала производить белки из всего РНК-мусора, что попадался. После пересыхания лужиц она конечно гибла, разрушалась. Выживал только ДНК её породивший. Который возможно был защищен белковой оболочкой, как это у современных вирусов. Сначала конечно из "белкового мусора", а позже в результате мутации ДНК, ДНК уже "носила с собой" код на свой собственный "костюмчик", что бы пережить периоды высыхания. Скорее всего, это была защита от УФ, который как мы знаем очень быстро разрушает ДНК. Посему "голенькие" ДНК вымирали ну и т.д.
Вот в этой схеме, уже есть шансы на дальнейшую эволюцию. Но это уже не гипотеза РНК-мира. Это гипотеза ДНК/РНК/икс-НК систем. 

[Nucleosome]

Как она создала ДНК и вдруг из саморепликанта превратилась в рибосому?

элементарно! на неё стали налипать пептиды, а она обрела каталитеческую активность для поддержания их стабильности. как создала ДНК тут уж совсем просто - стыковались к ней мононуклеотиды с другим сахаром. собственно это вы и пишите:

Не было РНК-мира. Был смешаный ДНК/РНК - аминокислотный мир.

Порядка нескольких атомов.

то есть мономоеров наверное? а то из нескольких атомов ничего путного не сварганить

[OratorFree]

...собственно это вы и пишите:

Ну мой вариант это скорее ДНК - мир, а не РНК-мир. Где жизнь начинается с рибосомы, порожденной ДНК. Там не нужен РНК - репликант. Реплицируется ДНК. Но не появись рибосома, не было бы жизни.

[Nucleosome]

Но не появись рибосома, не было бы жизни.

точнее аппарата по синтезу протеинов по шаблонам нуклеиновых кислот. я вообще считаю, что началом жизни можно считать момент когда НК стала катализровать синтез пептидной связи, а поли- (или олиго-) пептиды стали катализровать удвоение НК.

[OratorFree]

Думал куда приткнуть эту "странную" новость, решил, что сюда можно в контексте "возможностей зарождения жизни".

Планетологи из США и Германии изучили возможные формы экстремальной жизни, которые могут присутствовать на отличных от Земли планетах и их спутниках. В частности, ученые допустили существование на Титане гигантских долгоживущих организмов. Результаты исследований авторы опубликовали в журнале Life, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Государственного университета штата Вашингтон.

На примере экстремальных организмов, присутствующих на Земле, планетологи рассмотрели возможные физические и химические особенности существования внеземных форм жизни. По мнению ученых, инопланетные организмы, в случае их реальности, могут отличаться набором специфических приспособлений для выживания в экстремальных (для большинства земных организмов) условиях.

Русскоязычный источник : Лента: На Титане допустили существование гигантских долгоживущих организмов

Жаль, что по-английски ни бум-бум. А то интересно было бы почитать в первоисточнике, какие такие "возможные физические и химические особенности существования внеземных форм жизни" рассмотрели планетологи. Что так смело постулировали. Там, что возможно существование белков и ДНК?

[OratorFree]

, а поли- (или олиго-) пептиды стали катализровать удвоение НК.

Ну лично я эту функцию оставил во "второй корзине" учения о зарождении жизни. Это для меня несколько "темновато". Там же во второй корзине биогенный[слово написано верно] синтез аминокислот, нуклеотидов, сахаров, АДФ-АТФ и инкапсуляция организма в мембранную оболочку. Как, каким образом это произошло, как эволюция "предвосхитила"  конец "бульонной эпохи" - вопрос завернутый в загадку. 

Мне в связи с этим приходит в голову аналогия : человечество и биосфера. Биосфера наш "бульон". Как мы будем инкапсулироваться, когда "эпоха бульона"  закончится? Что бы выжить далее уже без него. "Все своё носить с собой".

[Проходящий Кот]

Где-то проскакивала информация, что при заморозке образуются очень длинные цепочки ДНК.
При разморозке такая случайная ДНК вполне может начать размножаться и стать началом жизни.....