Живите същества са според законите на термодинамиката това, което адвокатите са към законите на обществото

страници

Четвъртък, 8 ноември 2012 г.

Живот = Хранене + Връзка + Възпроизвеждане + Еволюция +. Сътрудничество

взаимоотношения

Като деца често ни учат, че основните функции на живота са храненето, връзката и размножаването. По-късно научаваме, че еволюцията също трябва да бъде добавена. Е, в уравнението има нов термин: сътрудничество.

Когато те ни говорят за сътрудничество в биологичен контекст, ние веднага се сещаме за симбиоза като тази на отшелническия рак и анемоната, или тази, образувана между гъбички и водорасли в лишеите. Можем да мислим и в кооперативни термини, когато говорим за еволюция от едноклетъчни до многоклетъчни организми. Последните имат различни адаптивни предимства като разделяне на задачите: храносмилателен тракт, неврони, мускули, гамети и др. Можем дори да мислим за сътрудничество и споделяне на задачи на вътреклетъчно ниво. По този начин ДНК носи генетична информация, протеините са тези, които извършват каталитични реакции, а липидите тези, които образуват мембрани. Ясно е, че сътрудничеството позволява развитието на сложност.

Очевидно е, че живо същество "прави" поредица от неща, които го разграничават от неживата материя. Така че е логично да се приеме, че първото живо същество, появило се на тази планета преди няколко милиарда години, също е направило същото като сегашните. Е, изглежда, че той също представи способността за „сътрудничество“ като присъща собственост.

Една от настоящите хипотези, които се опитват да обяснят как животът е могъл да възникне на тази планета, е известна като „РНК свят”. РНК молекулата е способна едновременно да изпълнява две жизненоважни функции: може да съхранява генетична информация и да изпълнява каталитични функции като рибозими. По време на период от историята на тази планета е имало молекули на РНК, способни да се самовъзпроизвеждат и са мутирали, еволюирайки във форми с по-голяма ефективност на самовъзпроизвеждането. С течение на времето ролята на пазител на генетичната информация преминава към ДНК и каталитични функции към протеините. РНК остана като вид Харон, свързващ двата свята (или на „момчето от фотокопиите“, ако искаме да го изразим по по-прозаичен начин).

Очевидно все още има много пропуски за попълване на тази хипотеза. Започва да се разбира как пребиотичната химия е могла да е породила нуклеотиди, мономерите на РНК и как те са могли да образуват малки полимери. На експериментално ниво изборът на най-ефективната РНК в репликационен процес беше проверен благодарение на експериментите с фаг Q b, проведени от Manfred Eigen и неговата група. Те просто поставят няколко молекули РНК с различни последователности, фагова репликаза и нуклеотиди в епруветка. Според условията за репликация, понякога най-ефективната последователност е една, а друг път е друга. Това беше идеален пример за биохимична естествена селекция в епруветка. Малката вирусна РНК се държеше като истински "егоистичен ген".

В експериментите на Eigen РНК не се самовъзпроизвежда, тя се нуждае от ензим с протеинова природа. И тук засега се появява нерешен проблем. РНК с рибозимна активност, способна на самовъзпроизвеждане, изисква дълга и сложна молекула, много повече, отколкото изглежда възможно при сегашните познания за пребиотичната химия. Има и друг проблем: самовъзпроизвеждащата се РНК трябва да има достатъчно ниска степен на мутация, за да не загуби информацията, която носи, и в същото време да се състезава за ресурси срещу други „паразитни“ РНК, които могат да се възползват от нейните способности.

Неотдавнашна работа, публикувана в Nature, изглежда е намерила отговор на проблема. В предложения сценарий, самовъзпроизвеждащите се РНК не само правят копия на себе си (молекулярен егоизъм), но също така са способни да действат върху други „репликиращи се РНК“, създаващи хиперцикъл. Това физическо свойство възниква спонтанно, не е необходимо да се проектират молекулите, за да се направи това. Използваната експериментална система е рибозим от бактерията Азоаркус, който има способността да се самосглобява, когато е фрагментиран. Този рибозим може да бъде мутиран, така че да има „егоистични“ варианти, които само да сглобяват собствените си фрагменти, а не тези от друг вариант. Или могат да се появят и различни варианти на фрагменти от споменатия рибозим, които могат да действат съвместно върху други варианти. Тоест, рибозим 1 помага за сглобяването на рибозим 2, който действа върху сглобяването на рибозим 3 и това от своя страна помага за сглобяването на рибозим 1.

Това, което са открили, е, че ако се установи един от тези кооперативни хиперцикли, РНК, които са част от тях, могат напълно да изместят РНК, които само се сглобяват егоистично. Тоест, молекулярното сътрудничество между малки РНК фрагменти може да помогне за появата на по-дълги и по-сложни РНК. И това е физическо свойство, присъщо на този тип самоорганизиращи се системи. Както винаги в науката, добрият отговор повдига много нови въпроси. Например, как се развиват тези кооперативни мрежи с течение на времето? Нараства ли сложността на хиперцикъла с ефективността, която показва, или опростява? Как тези пребиотични РНК взаимодействат с други молекули в тяхната среда? Как се състезаваха с други РНК? и очевидно как е възникнал първият хиперцикъл на РНК?

И защо трябва да има три или повече компонента на хиперцикъл, за да работи по-добре? Могат да се зададат хиперцикли от двама. Например, рибозим 1 помага за сглобяването на рибозим 2, който от своя страна помага за сглобяването на рибозим 1. Такъв прост хиперцикъл също е стабилен. И ако оставим еволюцията да действа, това, което откриваме, е, че рекомбинацията започва да играе роля и може да се появят молекули, които са по-ефективни за репликация от първоначалните. Проблемът с два компонента е, че има ограничение, тъй като свойствата на самовъзпроизвеждането и рибозима никога не могат да бъдат пренебрегнати, така че системата е доста чувствителна към ефекта от мутации, които влошават генетичната информация и които не позволяват една от двете функции . Хиперцикъл от три или повече компонента позволява да има по-голям брой комбинации и следователно повече степени на свобода и по-малък риск мутацията да загуби едно от двете свойства. Не само това, наличието на повече играчи позволява възможността да се появяват дори нови свойства. Това е разпределения на домашните на молекулярно ниво.

Авторите предполагат, че създаването на тези кооперативни мрежи може да позволи синтеза на малки РНК благодарение на действието на рибозим и от своя страна тези малки РНК могат да позволят репликацията на споменатия рибозим. Предимство на този тип система е, че тя не изисква ковалентни връзки за развитие на големи макромолекулни структури.

Този запис участва в XXXVI карнавал по физика, който е домакин Нулева гравитация, в XIX карнавал по химия, който е домакин Прочетете моето обяснение и през XVIII карнавал по биология, домакин в Любопитна амеба

Attwater J, & Holliger P (2012). Произход на живота: Кооперативният ген. Nature, 491 (7422), 48-9 PMID: 23075847

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ и Lehman N (2012). Спонтанно формиране на мрежа между кооперативни репликатори на РНК. Nature, 491 (7422), 72-7 PMID: 23075853