Необходимые условия для возникновения жизни (абиогенеза)

[Maki]

О! Я, в своё время сформулировал для себя определение: жизнь - это самовоспроизводящаяся открытая система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. А сейчас выражаюсь проще: это химический автомат.

Понятие "самовоспроизводящийся", полагаю, следует оставить.

Я, прочитав эту статью, задумался: а не могли ли все остальные молекулы эволюционировать с таких вот простых реакционных центров? Если первые организмы были пусть сложными химическими автоматами, но состоящими из сравнительно простых молекул, вероятность самозарождения жизни путём успешной самосборки существенно повышается!

Эволюция подразумевает самокопирование. А кроме нуклеиновых полимеров, никакие молекулы к этому, насколько мне известно, неспособны. То, что рибозим-мутант начал взаимодействовать с аминокислотами, и всё это вылилось в итоге в укладку белка, кажется мне более вероятным сценарием.

Я лично думаю, что уже первые самостоятельно живущие организмы /хотя насколько они были самостоятельными? вопрос/, представляли собой протоклетки, включавшие и белки, и нуклеиновые кислоты. Самовоспроизводящиеся рибозимы, которые современная наука считает предками жизни, дали начало другой её ветви - вирусам.

Можно предположить, что РНК-вирусы и рибосомы - прямые родственники. Загадка появления клеток и ДНК, конечно же, гораздо сложнее.

Да, ну тут есть одна проблема: такие системы, как и рибозимы выглядят полностью самодостаточными. Зачем им белки?

Вопрос был не ко мне, но прокомментирую. Может быть мы пока слишком мало знаем о взаимодействии рибозимов и аминокислот? Если выяснится, что рибозимы способны провоцировать полимеризацию аминокислот, а получившиеся олигопептиды стабилизируют рибозимы - вот нам и повод для эволюции, в итоге которой появилась клетка.
И, да, пока я набирал сообщение - в теме появился новый ответ:

Не столько стабильную, сколько тесную и стабилизирующую РНК - именно для этого прежде всего нужны те же рибосомальные белки (в рибосоме они составляют примерно половину её массы): все реакции трансляции в рибосоме выполняются молекулами РНК, а вот белки их стабилизируют и повышают эффективность работы.

Так что, возможно, переход рибозима от простой саморепликации к синтезу простейших олигопептидов, стабилизирующих рибозим - действительно "первый шаг" к преодолению порога Эйгена.

[Rattus]

Понятие "самовоспроизводящийся", полагаю, следует оставить.

Как уже много раз писал - и его недостаточно будет. Обменом информацией, энергией и информацией и неживые объекты занимаются - причём поддерживая состояние метастабильности термодинамического неравновесия (т.е. гомеостаз): холодильник, лазер, турбулентный поток (от циклона до воронки в ванной), как известно. А просто самовоспроизводятся любые цепные автокаталитические процессы: от ядерной реакции до простого химического взрыва.
Главный критерий, отличающий живые системы от неживых - это процесс копирования массива информации - т.е. последовательности такой длины, что её самовозникновение в данной среде практически исключено.

возможно, переход рибозима от простой саморепликации к синтезу простейших олигопептидов, стабилизирующих рибозим

Не только стабильность конкретной молекулы. Катализ самых разных отдельных специфических реакций для процесса репликации и повышение её точности ничуть не менее важны.

Можно предположить, что РНК-вирусы и рибосомы - прямые родственники.

Рибосомная РНК не кодирует никаких белков, а РНК-вирусы очень даже. Кроме того современных рибосомных РНК как минимум две и достаточно длинных: порядка 2,5 и 1,5 тысяч нуклеотидов. Даже малой рРНК Карлу Вёзе оказалось достаточно, чтобы 35 лет назад выстроить родословную всех более-менее крупных ветвей всех клеточных форм жизни. В отношении вирусов ничего такого не показано, хотя геномов и методик их сравнения теперь накоплено на порядки больше чем ко времени работ покойного Вёзе.

Загадка появления клеток и ДНК, конечно же, гораздо сложнее.

Загадка появления ДНК на самом деле гораздо проще: у бактерий и архей она синтезируется ферментами тоже разного, но судя по всему вирусного происхождения.

Слушайте, Вам так лень прочитать наконец черновики глав книги Никитина уже более пяти лет как выложенные в ЖЖ, где всё это подробно расписано и на которые я давал ссылки чуть не с самого момента своего появления тут вместо того, чтобы писать в ноосферу свои сиюминутно возникающие мысли и отвлекать Нас от более продуктивной работы?

[Rattus]

Понятие "самовоспроизводящийся", полагаю, следует оставить.

Как уже много раз писал - и его недостаточно будет. Обменом информацией, энергией и информацией и неживые объекты занимаются - причём поддерживая состояние метастабильности термодинамического неравновесия (т.е. гомеостаз): холодильник, лазер, турбулентный поток (от циклона до воронки в ванной), как известно. А просто самовоспроизводятся любые цепные автокаталитические процессы: от ядерной реакции до простого химического взрыва.
Главный критерий, отличающий живые системы от неживых - это процесс копирования массива информации - т.е. последовательности такой длины, что её самовозникновение в данной среде практически исключено.

возможно, переход рибозима от простой саморепликации к синтезу простейших олигопептидов, стабилизирующих рибозим

Не только стабильность конкретной молекулы. Катализ самых разных отдельных специфических реакций для процесса репликации и повышение её точности ничуть не менее важны.

Можно предположить, что РНК-вирусы и рибосомы - прямые родственники.

Рибосомная РНК не кодирует никаких белков, а РНК-вирусы очень даже. Кроме того современных рибосомных РНК как минимум две и достаточно длинных: порядка 2,5 и 1,5 тысяч нуклеотидов. Даже малой рРНК Карлу Вёзе оказалось достаточно, чтобы 35 лет назад выстроить родословную всех более-менее крупных ветвей всех клеточных форм жизни. В отношении вирусов ничего такого не показано, хотя геномов и методик их сравнения теперь накоплено на порядки больше чем ко времени работ покойного Вёзе.

Загадка появления клеток и ДНК, конечно же, гораздо сложнее.

Загадка появления ДНК на самом деле гораздо проще: у бактерий и архей она синтезируется ферментами тоже разного, но судя по всему вирусного происхождения.

Слушайте, Вам так лень прочитать наконец черновики глав книги Никитина уже более пяти лет как выложенные в ЖЖ, где всё это подробно расписано и на которые Мы давал ссылки чуть не с самого момента своего появления тут вместо того, чтобы писать в ноосферу свои сиюминутно возникающие мысли и отвлекать Нас от более продуктивной работы?

Там, кстати, и ещё одна версия происхождения белкового синтеза описана:
"...древняя рибосома, скорее всего, синтезировала пептиды случайного состава без помощи мРНК. Мог ли такой примитивный белковый синтез как-то улучшать выживание рибозимов?
В поисках возможной функции белков, не зависящей от последовательности, исследователи обратили внимание на механизм связывания многих белков с РНК: там образуются водородные связи между альфа-спиралью и 2' гидроксилами рибозы, торчащими в малый желобок двуспиральной РНК. Со стороны белка связь образуют карбонильные группы пептидной цепи, а боковые цепи аминокислот не участвуют. Альфа-спираль в малом желобке закрывает 2' гидроксильные группы, что защищает РНК от многих неприятностей. С атаки на эти группы начинается гидролиз РНК щелочами, ионами металлов и ферментами-РНКазами, и пептид случайной последовательности или гомополимер одной аминокислоты уже обеспечивает заметную защиту. В мире РНК с появлением эффективно самокопирующихся рибозимов нуклеотиды оказались дефицитным ресурсом, и некоторые рибозимы стали получать их, гидролизуя соседей. В таких условиях защитный пептид мог обеспечить большое приемущество, и, что более важно, спровоцировать «гонку вооружений». «Хищные» рибозимы стали приобретать пептидазную активность, «жертвы» отвечали на это изменением и усложнением состава аминокислот в защитных пептидах. На этом пути добавление любой новой аминокислоты в арсенал пептидного синтеза было подхвачено отбором.
...
Существуют три основных идеи происхождения связи между аминокислотами и нуклеотидными триплетами. Это «застывшая случайность», оптимизация на минимум ошибок белкового синтеза и соответствие путей биосинтеза аминокислот кодонам либо антикодонам.

Теория «застывшей случайности» заявляет, что соответствие аминокислот и кодонов установилось случайно, а потом таким и осталось, потому что любое изменение нарушит структуру сразу многих белков и приведет к гибели клетки. Очевидно, это почти ничего не объясняет.

Теория оптимизации утверждает, что генетический код устроен так, чтобы при самых частых ошибках трансляции аминокислоты заменялись на химически похожие. Ошибки трансляции происходят при неточном соответствии кодона мРНК антикодону тРНК и следуют своим закономерностям: ошибка в третьем нуклеотиде вероятнее, чем в первых двух; перепутать A с G или U с C проще, чем пурины с пиримидинами. Как видно из таблицы генетического кода, многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами — последний нуклеотид часто неважен вовсе. Подсчитано, что базовый генетический код по оптимальности в 1/1000 долю лучших из возможных, но он не самый лучший. Например, если стоп-кодон UGA станет кодировать триптофан, помехоустойчивость кода возрастет. Эта теория объясняет многие особенности генетического кода, но не все.

Теория соответствия кодонов и путей синтеза утверждает, что биосинтез аминокислот когда-то катализировался молекулами РНК, причем для разных аминокислот — своими, и части их последовательности стали кодонами либо антикодонами. Пути биосинтеза аминокислот действительно коррелируют с кодонами. Например, три аминокислоты, синтезируемые в одну стадию из альфа-кетокислот — аланин, аспартат и глутамат — все имеют кодоны, начинающиеся с G. В одной из лучше разработанных версий теории это объясняется так: синтез аминокислот происходил после присоединения предшественника к 2' гидроксилу рибозы олигонуклеотида, первые три нуклеотида которого дали начало кодону. В этом случае аминогруппа гуанина оказывается на подходящем расстоянии, чтобы катализировать (через стадию основания Шиффа) восстановительное аминирование альфа-кетокислот."

[otu K.]

а позвольте вставить в ваш научный спор мнение шамана? исследование жизни рано или поздно придёт к изучению взаимодействия  между двумя очень большими молекулами, а это ровно то же что и исследования внутри молекулы, то есть скрыто принципом неопределённости.
умный генетик на Компьютерре сказал, что для роста организма необходим широкий канал информации. продолжая его мысль, широкий канал информации необходим и для самой жизни, и тут мне вспоминается опыт по исследованию магнитного поля, когда всевозможные проводники тока были соединены в единую цепь (есть в берклеевском курсе, не помню подробностей) именно циркуляция информации это жизнь, её остановка смерть. по крайней мере это справедливо для трупа... 

[Maki]

вместо того, чтобы писать в ноосферу свои сиюминутно возникающие мысли и отвлекать Нас от более продуктивной работы?

Ну мы, положим, не только отвлекаем, но и подбрасываем, по мере возможности, всякое интересное.
Например, вот ещё свежачок по магнитному полю в катархее.

За ссылки спасибо. Особенно любопытен обзор на тему Днк. Хотелось бы уточнить некоторые моменты:
"...получается, что у LUCA репликативная вилка функционировала без ДНК-зависимой ДНК-полимеразы, но ДНК уже существовала. Скорее всего, это говорит о гетеродуплексном ДНК-РНК геноме в кольцевой форме. Древняя репликативная вилка, соответственно, включала в себя обратную транскриптазу и ДНК-зависимую РНК-полимеразу. ДНК-РНК гетеродуплексы прочнее, чем РНК, и могли достигать длины 200 тысяч нуклеотидных пар".
Правильно ли я понял, что в на каком-то этапе, у ранних прокариот в РНК-геномах начали появляться вставки ДНК, которые по мене эволюции постепенно увеличивались в размерах и несли всё больше и больше информации?
Если так - то всё становится довольно логично.

а позвольте вставить в ваш научный спор мнение шамана? исследование жизни рано или поздно придёт к изучению взаимодействия  между двумя очень большими молекулами, а это ровно то же что и исследования внутри молекулы

Какой же тут спор? Rattus специалист в области молекулярной биологии, и не грех позадавать ему вопросы.
Что касается шаманства - две "очень большие молекулы" давно открыты и изучены. Вот одна молекула. Вот вторая молекула. А вот и взаимодействие между ними.
Объём информации хранится и передаётся в этой системе весьма приличный.

[otu K.]

и несли всё больше и больше информации?

вопрос шамана: а кому она была нужна, эта всё большая информация? можете показать, каким образом эта избыточная информация влияла хоть на что-нибудь?

[otu K.]

Что касается шаманства - две "очень большие молекулы" давно открыты и изучены. Вот одна молекула. Вот вторая молекула. А вот и взаимодействие между ними.

там нет параграфа о побудительных причинах и целеполагании...

[Maki]

вопрос шамана: а кому она была нужна, эта всё большая информация? можете показать, каким образом эта избыточная информация влияла хоть на что-нибудь?

Избыточная информация возникает совершенно случайно. Часто она никак не влияет на химическую реакцию, часто из-за неё реакция прекращается, но иногда эта информация оказывается для реакции полезной, и закрепляется в последующих реакциях. Так эволюционирует наша углеродная химия. От простого к сложному.

Что касается шаманства - две "очень большие молекулы" давно открыты и изучены. Вот одна молекула. Вот вторая молекула. А вот и взаимодействие между ними.

там нет параграфа о побудительных причинах и целеполагании...

Их там нет и быть не может. У жизни нет никаких причин и никаких целей. Это просто химическая реакция, которая при определённых условиях началась самопроизвольно, и, постепенно усложняясь, продолжается до сих пор. Предшествовали ей реакции синтеза разнообразных углеродных соединений. А этой реакции - формирование химических элементов в двух нейтронных звёздах, которые затем столкнулись и взорвались, образовав материал для формирования солнечной системы. Эти звёзды - возникли из водорода, который появился при возникновении Вселенной. А уж как она возникла, и есть ли в этом какой-то смысл или цель - вопрос недоступный ни наукам, ни религиям, ни человеческому знанию вообще.

[otu K.]

А уж как она возникла, и есть ли в этом какой-то смысл или цель - вопрос недоступный ни наукам, ни религиям, ни человеческому знанию вообще.

Э-э-э... Вы наверное думаете, что каждому шаману непременно нужно прочитать курс лекций по естествознанию...
тайна жизни недоступна хотя бы из невозможности изучать "интимные" взаимодействия между сложными молекулами. а вот условия возникновения жизни вполне можно установить и изучить...

[Maki]

тайна жизни недоступна хотя бы из невозможности изучать "интимные" взаимодействия между сложными молекулами

Откуда такой вывод?

[otu K.]

именно из интимности. не удастся встромить никакой сенсор между...

[Maki]

именно из интимности. не удастся встромить никакой сенсор между...

А что, без "сенсора между", химики бессильны? Все химические элементы имеют раз и навсегда заданные свойства. И сложность заключается только в понимании некоторых пространственных само и взаимодействий длинных молекул. Но, в принципе, уже многое можно рассчитать на компьютере. Правда некоторое пока - сложновато... Но наука и с этим справится.

[otu K.]

Но наука и с этим справится.

судя по тому, что я вижу в современной квантовой электродинамике, справится очень и очень нескоро... не при моей жизни наверное. ещё простейшие задачи не решены, куда там подступаться к интимным взаимодействиям. а что, "секс начинается с молекул" неплохо звучит...

[Maki]

судя по тому, что я вижу в современной квантовой электродинамике

А что такого драматического, применимо к сложным молекулам, вы в ней видите?
Репликация и трансляция у них происходят весьма чётко и с чисто цифровым качеством. Ваше многолетнее физическое тело - лучшее тому подтверждение.
А "квантовый шум"... Ну, возможно он отвечает за ваш рак, гениальность вашего сына, или ваши необычные мысли. Но это ведь не отменяет строгих законов химии?

[Rattus]

а позвольте вставить в ваш научный спор мнение шамана?

Сомневаюсь, что от этого будет какой-то смысл.

для роста организма необходим широкий канал информации. продолжая его мысль, широкий канал информации необходим и для самой жизни

И он у них вполне есть. Просто потому, что все молекулы там взаимодействуют параллельно, и даже когда скорость единичного такого взаимодействия на порядки меньше граничной и даже тактовой частоты современных транзисторных чипов - суммарно получается всё равно эффективнее.

Правильно ли я понял, что в на каком-то этапе, у ранних прокариот в РНК-геномах начали появляться вставки ДНК, которые по мене эволюции постепенно увеличивались в размерах и несли всё больше и больше информации?

Конечно же неправильно. Гетеродуплекс - это та же двойная спираль, только одна цепь - это ДНК, а комплиментарная ей - РНК. Чистых РНК-геномов неизвестно длиннее 30 тысяч нуклеотидов, а одна молекула ДНК может нести миллионы у прокариот и до миллиарда в хромосоме эукариот. Когда число генов подходило к пределу и для гетеродуплекса, появились независимо у уже разошедшихся бактерий и архей системы репликации полностью двухцепочечной ДНК и все ограничения были сняты разом, а та бывшая геномная РНК по сути фрагментировалась на матричные РНК отдельных генов, получаемые в процессе транскрипции. Возможно как-то так.

Что касается шаманства - две "очень большие молекулы" давно открыты и изучены. Вот одна молекула. Вот вторая молекула. А вот и взаимодействие между ними.

Судя по контексту (что для шизофазии шаманизма делать не так уж легко) - не совсем эти, а в модельном предельном случае - исходно тот самый рибозим-репликаза, копирующий кодирующую её РНК - т.е. "курица и яйцо". Проблема такой модели, кроме всего вышеперечисленного, однако, ещё и в том, что и антисмысловая РНК не будет пассивно лежать, как ДНК, а тоже свернётся и тоже начнёт проявлять какую-то активность - и прежде всего относительно её полимеразы из такой же РНК. В общем также как одним инструментом нельзя изготовить такой же инструмент из того же материала - так и полная и достаточно точная репликация более-менее длинной и специфичной РНК сильно вряд ли может быть ограничена всего двумя молекулами одной хиральности.

а кому она была нужна, эта всё большая информация? можете показать, каким образом эта избыточная информация влияла хоть на что-нибудь?

Она нужна для адаптации к более широкому диапазону условий чем исходный (и далеко не вечный) "райский суп". Эта "избыточная" информация несёт новые функциональные гены, которые и обеспечивают эту самую адаптацию. Механизм последовательного наращивания сложности вполне описан и называется цикл Дарвина-Эйгена:
"уровень точности репликации в данной точке эволюционной траектории ограничивает объем информации, которая может быть закодирована в геноме. Таким образом, на первый взгляд рост сложности генома представляется невозможным. Однако комбинация естественного отбора и генетического дрейфа превращает этот, казалось бы, порочный круг в (казалось бы) бесконечную спираль возрастающей сложности (цикл Дарвина – Эйгена в терминологии Д. Пенни; Penny, 2005). Даже малые приобретения в точности репликации идут системе на пользу, хотя бы потому, что они увеличивают число жизнеспособных копий генома и тем понижают репродукционные издержки. Сам по себе большой геном является скорее обузой для системы из-за высоких репродукционных издержек. Однако умеренное увеличение генома, такое как дупликация частей генома или рост вследствие рекомбинации, способно закрепляться в малых популяциях. Репликаторы, обладающие достаточно высокой точностью, могут использовать этот случайно закрепленный и изначально бесполезный генетический материал для эволюции новых функций, не срываясь при этом с «обрыва Эйгена» (рис. 12-1б). Среди этих новых, улучшающих приспособленность функций будут и повышающие точность репликации, что позволяет затем увеличить объем кодируемой информации. Таким образом, цикл Дарвина – Эйгена повторяет себя в спиральной прогрессии, приводя к непрерывному увеличению размера генома."

тайна жизни недоступна хотя бы из невозможности изучать "интимные" взаимодействия между сложными молекулами

Только для того, кто совершенно незнаком с современными методами структурной химии и биологии.
Структуру самих молекул теперь вполне можно изучить. А их докинг между собой после того - смоделировать. Это, конечно, непростые задачи и пока не дают сходу решения для всех случаев, но очень многое уже вполне ясно. Даже нетривиальные квантовые эффекты в отдельных биомолекулах вполне находятся порой.

судя по тому, что я вижу в современной квантовой электродинамике

Она "современная" уже лет 40 как. КЭД - давным-давно вполне завершённая и исключительно надёжная теория, достаточная для любых практических применений в нынешнем мире. Как и, к примеру, ньютоновская механика. То, что она сама по себе не описывает исчерпывающе движение даже трёх тел - не значит, что есть какие-то неучитываемые ею фундаментальные закономерности, а значит лишь то, что для решения задач такой сложности не хватает вычислительной мощности и подходящих оптимизирующих алгоритмов. Только и всего.

Репликация и трансляция у них происходят весьма чётко и с чисто цифровым качеством.

Причём скорость, точность и энергоэффективность процессов передачи информации внутри клетки вполне посчитаны и измерены давно (см. первую ссылку).

[otu K.]

Причём скорость, точность и энергоэффективность процессов передачи информации внутри клетки вполне посчитаны и измерены давно

однако вопросов остаётся немало. что именно заставляет какую-нибудь молекулу выполнять или не выполнять какую-нибудь функцию? откуда она узнаёт, что пора приступить к обязанностям ? вот про информацию такого рода совсем мало))

[Rattus]

что именно заставляет какую-нибудь молекулу выполнять или не выполнять какую-нибудь функцию?

http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4748.html

откуда она узнаёт, что пора приступить к обязанностям?

http://www.xumuk.ru/biochem/118.html

[otu K.]

Rattus
это всё увёртки. откуда узнаётся, что должна запуститься "Аллостерическая регуляция"

[otu K.]

а при делениях клетки подобных вопросов вообще море))

[Rattus]

откуда узнаётся, что должна запуститься "Аллостерическая регуляция"

Из стуктурных наблюдений и биохимических экспериментов.

это всё увёртки

Это всё реальная биохимическая наука. А обскурантизм в этом разделе карается.

а при делениях клетки подобных вопросов вообще море

Вам кто-то мешает прочитать современные учебники и статьи по этой теме и задать возникшие вопросы по конкретным неясным моментам?