текст в разделах: • Эволюция Земли

Дата создания: 2021-02-08 (№ 19)
А. Я. Мулкиджанян. «Первое глобальное потепление и происхождение жизни»

Армен Яковлевич Мулкиджанян. Доктор биологических наук, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, в.н.с. НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ
3:15 – жизнь оказалась древнее геологической летописи.
5:41 – слайд «Жизнь – это взаимодействие трёх типов кодируемых биополимеров – ДНК, РНК и белков».
6:06 – слайд «ДНК и РНК состоят из нуклеотидов».
6:35 – слайд «Молекулы РНК могут как образовывать двойные спирали, так и сворачиваться в клубки».
7:07 – слайд «Молекулы ДНК образуют двойные спирали генов».
7:47 – слайд «Белки – полимеры из аминокислот, связанных пептидными связями».
9:01 – слайд «Какие биополимеры были первыми? ДНК? РНК? Белки?».
9:34 – слайд «Молекулы РНК способны осуществлять все основные функции, свойственные как ДНК, так и белкам».

10:08 – слайд «Концепция первичности РНК была предложена Андреем Николаевичем Белозерским в 1957 г.».
11:03 – слайд «При полимеризации биополимеров выделяется вода». В воде реакция полимеризации сама по себе (без участия ферментов, без подвода энергии) не идёт (воду надо убирать) и в воде биополимеры рано или поздно распадаются (реакция гидролиза).
11:57 – слайд «На каждой стадии сборки цепочки РНК выделяется по молекуле воды».
12:28 – слайд «В присутствии воды биополимеры распадаются». Водный парадокс: спонтанное, не требующее энергии образование белков или полинуклеотидов (РНК, ДНК) не может идти в воде.

13:04 – слайд «Откуда могли взяться первые рибонуклеотиды».
13:41 – слайд «Формамид – «свободноживущая пептидная связь»».
14:10 – слайд «Откуда могло взяться много формамида на древней Земле?».
14:28 – слайд «Из формамида, нагревая его с разными катализаторами, можно получать азотистые основания и аминокислоты». Формамидный мир.
15:50 – слайд «Sutherland: 2015: Образование предшественников РНК, белков и липидов в единой сети реакций».
16:29 – слайд «Николас Худ и соавторы получили аденин, гипоксантин и гуанин, просто освещая формамид УФ-светом».
17:15 – слайд «Цианид, формамид и формат аммония легко превращаются друг в друга».

17:18 – слайд «Освещение смеси различных рибонуклеотидов и рибонуклеозидов УФ-светом приводило к разрушению различных копродуктов, оставляя только, активированные фосфатными группами пиримидиновые нуклеотиды РНК».
17:50 – слайд «Активированные нуклеотиды способны полимеризироваться даже в воде».
18:28 – слайд «УФ-кванты, очевидно, участвовали в отборе природных азотистых оснований, устойчивость которых повышалась при соединении в двухспиральные полимеры – образование первых РНК-подобных полимеров шло на солнечном свету».

19:15 – возврат к слайду «Цианид, формамид и формат аммония легко превращаются друг в друга». Это всё одна сеть реакций.
20:23 – слайд «Где жили первые клетки?». Обозначает раздел (часть) лекции.
20:33 – слайд «Ионный состав цитоплазмы очень сильно отличается от химии природных водоёмов. Во всех клетках калия больше, чем натрия; клетки содержат большие количества фосфата и переходных металлов, таких как Zn, Fe, Mn.». Насколько эти свойства древние?
23:15 – слад «Проникнуть в прошлое можно, спускаясь по веткам дерева жизни».
23:39 – слайд «Три домена жизни: бактерии, археи, эукариоты».

24:36 – слайд «LUCA». Примерно 60 «вездесущих» белок-кодирующих генов указывают на существование общего предка всех клеточных организмов – LUCA (Евгений Кунин).
25:23 – слайд «Древние белки LUCA». По этим белкам можно прийти к заключению, что суть LUCA (его ядро) была – это машина по синтезу белка, а вовсе не машина, которая отвечает за наследственность. Видимо, для LUCA способность синтезировать белки была очень важна.
26:52 – слайд «LUCA». Ионный состав цитоплазмы похож в бактериях и археях, хотя они и разошлись более 3,4 млрд. лет назад.
27:19 – слайд «Неорганические ионы в белках LUCA. Далее говорит более подробно (со слайдами).
28:34 – слайд «Мембраны первых клеток должны были быть полупроницаемыми». Первые клетки должны быть в равновесии со средой, в том, что касается ионов и малых молекул. То есть, можно прийти к умозаключению, что состав тогдашней внешней среды был такой же, как нынешний состав цитоплазмы клеток.

29:16 – слайд «Macallum: Поскольку цитоплазма клеток содержит больше ионов K+, чем Na+, первые клетки могли возникнуть в богатой калием среде. Где на древней Земле могла найтись такая среда?».
29:34 – слайд «Ни в каких древних морских или океанских системах калия не могло быть больше, чем натрия. Первые клетки не могли развиться в морской воде».
30:02 – слайд «Остаются континентальные геотермальные системы, где можно использовать и энергию солнечного света, и геотермальную энергию».
30:27 – слайд «Континентальные геотермальные системы». Цирконивые гранулы образовались 4,4 – 4,2 млрд. лет назад в континентальных гранитных расплавах.

30:49 – слайд «На суше геотермальная жидкость, поднимаясь, начинает кипеть и разделяется на две фазы – жидкую и газообразную, паровую. У них разный химический состав. Паровая фаза обогащена летучими веществами, такими как CO2, H2S и NH3.
31:11 – слайд «Места выхода геотермального пара называются геотермальными полями».
Геотермальный пар содержит больше калия, чем натрия.
31:57 – слайд «Бескислородные геотермальные поля». Первые организмы могли развиться в удалённых от фумарол, прохладных прудах геотермального конденсата.
32:30 – слайд «Независимость от климата». На геотермальных полях поддерживалась, как в инкубаторе, постоянная среда, не зависящая от смены времён года.
32:57 – слайд «Органические молекулы: могли приносится геотермальным паром (образуясь в горячей породе в реакции Фишера-Тропша) и фотосинтезироваться на гранулах ZnS.
33:20 – слайд «Абиогенный фотосинтез: факты». Эффективность выше, чем для природного фотосинтеза, основанного на хлорофилле. Причём, современные бактерии умеют таким небиологическим фотосинтезом пользоваться.
34:57 – слайд «Цинковый мир?!» Но где взять столько цинка?
А существовали ли эти замечательные бескислородные геотермальные поля?
36:18 – слайд «Характерные для геотермальных полей минералы нашли в Пилбаре (Австралия), там же, где и останки древнейших микробных сообществ (3,5 млрд. лет)».

36:54 – слайд «Унифицированный синтез всех четырёх нуклеотидов с металлическим цинком, как восстановителем и катализатором».
37:58 – слайд «Переход от первых репликаторов к первым клеткам: биологические данные». Обозначает раздел (часть) лекции и озвучивает модель.
38:35 – слайд «Эволюция рибосомы была реконструирована четырьмя разными методами». Немного рассказывает об авторах реконструкций.
40:07 – слайд «РНК-мир». Некодируемый синтез полипептидов. Кодируемый синтез полипетидов.
41:33 – слайд «РНК-мир был!». В этом РНК-мире была прото-рибосома, которая, усложняясь со временем, синтезировала случайные пептиды, состоящие, в основном, из остатков глицина. Зачем были нужны такие пептиды?

42:05 – слайд «Переход от первых репликаторов к первым клеткам: геологические данные».
42:23 – слайд «Версия 1: Репликаторы и первые клетки были разнесены в пространстве».
Богатый различными веществами пар конденсировался и высыхал на поверхностях минералов, способных катализировать реакции синтеза. Часть конденсата стекала в водоёмы, в которых и могли обитать первые клетки.
43:08 – слайд «Версия 1: Репликаторы и первые клетки были разнесены в пространстве».
Что заставляло РНК-организмы усложнятся?

43:45 – слайд «Версия 2: Репликаторы и первые клетки были разнесены во времени».
44:02 – слайд «Sutherland: 2015: Жизнь как следствие метеоритного удара».
44:42 – слайд «Di Mauro, Saladino et al., 2016: Переход от богатых формамидом к водным средам».
45:04 – слайд «Проблемы со сценариями метеоритных кратеров». Испарение воды обеспечивается высокой температурой, губительной для РНК-полимеров. Недолгое время остывания кратера.

А что, если метеорит был очень большой?
45:59 – слайд «Модель ударного формирования Луны, как образец мегаимпакта».
47:12 – слайд «Химические элементы различаются своей летучестью». Умеренно летучие элементы конденсируются при температурах 650 – 1250оК. Из них, цинк даже обзывают «летучим металлом».
47:59 – слайд «Луна потеряла свои летучие элементы, включая большую часть умеренно летучих Zn, K и Na.
48:26 – слайд «Потеря летучих (элементов) объясняется образованием раскалённого атмосферного диска, например, синестией.
49:16 – слайд «После мегаимпакта атмосфера и гидросфера Земли потерялись полностью».
Жизнь возникла на сухой Земле. Оставалась, медленно остывающая силикатная атмосфера, в термальном равновесии, с покрытой расплавленной магмой, поверхностью Земли.

51:03 – слайд «При остывании системы атмосфера/поверхность Земли до 1600оК идёт «кремниевый дождь»».
51:16 слайд «При температуре ниже 1100оК поверхность Земли твердеет, что сопровождается высвобождением растворённых в магме летучих (элементов) в атмосферу.
51:31 – слайд «После образования коры остывание Земли идёт благодаря вулканическим системам». Поскольку образовалась силикатная корочка, внутренне тепло Земли стало «прорываться» сквозь эту корочку (корочка трескалась, в корочке появлялись каналы – «дырочки») наружу.
51:43 – слайд «Оставшиеся в атмосфере компоненты, с температурой конденсации меньше 1000оК выпадают теперь на твёрдую кору, образуя «надкорку» из умеренно летучих компонентов».
52:11 – слайд «Очерёдность осаждения умеренно летучих определялась температурой их конденсации. Последним осаждался цинк и его соединения.». То есть, одними из последних, осаждались цинк и сера.
52:41 – слайд «Осаждение минералов из газовой фазы».

53:00 – слайд «На Землю «выпал» не только «свой» цинк, выброшенный импактом в атмосферу, но и большая часть лунного цинка. Потерявшая атмосферу Земля была не только «оцинкованной», но и сухой.». Атмосфера начинает нарабатываться заново за счёт работы вулканов.
53:44 – слайд «Модель эволюции сухой Земли была проанализирована и рассчитана в 1977 г. советскими учёными Львом Мухиным и Василием Морозом».
54:04 – слайд «Эволюция «сухой» Земли (Мухин и Мороз, 1977)».
54:55 – слайд «Вулканические газы несут цианистые соединения».
55:29 – слайд «Вулканы выбрасывают много фосфорных соединений».
Возникновение жизни на сухой, холодной, пост-импактной Земле, потерявшей атмосферу?
56:35 – слайд «Вулканы давали фосфорные и цианистые соединения, геотермальные поля обеспечивали среду богатую Zn, K, NH4+, H2S и органическими соединениями».
56:57 – слайд «Жидкими могли оставаться вещества только с высокой температурой кипения – это формамид, глицерин, органические и жирные кислоты.
В этой безводной среде могли спонтанно образовываться нуклеотиды, соединятся в РНК-подобные полимеры, окружавшими себя примитивными мембранами.
Высокая концентрация Zn, S, Р, К в «надкорке» способствовала катализу и фотохимическим превращениям».
Уточняет – «это была жидкость, но не водная или с очень малым количеством воды».
57:48 – слайд «По мере разогрева Солнца, накопления CO2 и роста атмосферного давления, появлялась жидкая вода. Вода препятствовала накоплению амидных и органических соединений, замедляла работу рибозимов и гидролизовала их. РНК-организмам – для поддержания привычной для них среды – надо было найти замену формамиду».
Вода является ядом для этих первых организмов (лектор использует слово клетка).
58:44 – слайд «Фомамид – «свободноживущая пептидная связь». Пептидная цепочка – полимер из формамидных групп». По сути, это способ накопления формамида (в виде полимеров) в клетке.
59:20 – слайд «РНК-организмы научились связывать между собой случайные аминокислоты. Мембраны предотвращали потерю формамидных цепочек – полипептидов.

Концентрация пептидных групп в современных клетках составляет 10 молей.
Формамидный мир сохранился внутри наших клеток.»
59:52 – слайд «Эволюция «сухой» Земли (Мухин и Мороз, 1977)».
CO2 растворялся в воде, взаимодействовал с горными породами (выветривание) и связывался как карбонат кальция, что уменьшало парниковый эффект. Поэтому средняя температура на Земле не могла превысить температуру таяния льда.
Такой прохладный режим, обеспечивающий стабильность РНК, мог держаться сотни миллионов лет, пока термальное излучение Солнца не достигло 80% от нынешнего. К этому времени началась тектоника плит, поглотившая «цинковый мир».
1:00:43 – слайд про петлю обратной связи между количеством CO2 и его нейтрализацией тающей водой.
1:01:13 – слайд «Сценарий возникновения жизни на сухой, холодной, пост-импактной Земле, потерявшей атмосферу:
обеспечивает безводные условия и «формамидный мир» при умеренных температурах,
описывает переход от РНК-репликаторов к первым клеткам,
объясняет преобладание цинка в древних ферментах,
придаёт смысл некодируемому синтезу пептидов первыми рибосомами».


Армен Яковлевич Мулкиджанян
Доктор биологических наук, Dr.rer.nat.habil., профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, в.н.с. НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ, профессор Оснабрюкского университета, ФРГ.