Дополнение к статье: "Первые организмы", А.ДЖ.КЕРНС-СМИТ, http://groh.ru/gro/si/si.html

20.04.2011г. 17:42:55

У Кернса-Смита есть два важных предположения, которые вполне укладываются в модель эволюции минеральных катализаторов (правда сам Кернс-Смит в данной статье и не пытался провести мостик между минералами и органическим метаболизмом):
1. Воспроизводство различных конкурирующих стурктур минералов (правда не глины, а железо-серных минералов), которые по разному катализировали архаичный метаболизм (вроде архаичного цикла Кребса), и, в частности, синтез собственных лигандов - например, тиоэфиры. Синтезируемые лиганды во многом определяли эффектвность катализа архаичного метаболизма. С дальнейшим расширением и усложнением метаболизма появлялись всё новые лиганды (сахара, аминокислоты, короткие пептиды), которые позволяли оптимизировать действие минеральных катализаторов.
Поскольку предполагается, что уже на этом этапе было возможно воспроизводство минеральных структур и опосредованных ими архаичных циклов, то можно говорить о дарвиновской эволюции.
2. Идея так называемого генетического захвата: "Вначале существовали лишь «голые» гены, состоявшие из какого-то не известного нам первичного генетического вещества, которые эволюционировали таким образом, что стали контролировать условия окружающей их среды путем управления образованием все более сложных, окружающих их фенотипов". Эта идея сформулирована в самом общем виде, но в рамках рассматриваемой модели она может быть уточнена как передача наследования стурктур, важных для выживания от минералов, к самим архаичным циклам, и далее к коротким олигомерам и полимерам (РНК).
Вообще термин "генетический захват" надо будет принять на вооружение.



21.04.2011г. 10:02:03

На некоторое время забудем об эволюции, выживаемости и т.п., тем более, когда говориться о кристаллах и минералах. Интерес представляет вопрос не семантический и феноменологический, а физический: Что сподвигнуло (источник) замены некоторых частей в минеральных (абиогенных) комплексах на биологические компоненты? Сама А.ДЖ.КЕРНС-СМИТ на этот вопрос не отвечает, а только предлагает гипотезу формирования минерально-биологической биоты. То есть хотелось бы найти, понять ту движущую силу, которая демонстрирует весь этот процесс с заменой, превращая физику в феноменологию.



21.04.2011г. 10:20:17

Здесь дело в существовании обратной положительной связи между эффективностью катализатора и синтезируемыми этими катализаторами лигандами.
Кратко - есть сам кристалл. Есть его активная форма, образованная его связыванием с лигандами - например, разные протоферредоксины. Здесь лиганд играет ключевую роль в эффективности катализа самого же лиганда (или его предшественника в синтезе).
В статье приведены ссылки, где были получены искуственные протоферредоксины, с различными лигандами - и они отличаются по эффективности и специфичности катализа.

Если у нас есть два разных протоферредоксина, обеспечивающие катализ различных лиганднов (или их предшественников), отличающиеся друг от друга эффективностью использования имеющихся общих ресурсов для синтеза (молекулярный водород, метан, тиолы, аммиак и др.), то преимущество получают те формы, которые "раскручивают" те циклические реакции, которые эффективнее синтезируют более эффективные лиганды по сравнению с альтернативными формами.
Фактически данное объяснение полностью укладывается в модель гиперциклов (чито математическая модель, эффективность которой продемонстрирована в некоторых лабораторных экспериментах) - когда конкурируют циклические реакции, в которых синтезируются альтернативные катализаторы.
Конкуренция за ресурсы между гиперциклами оказывается неизбежной.

21.04.2011г. 10:35:17

Для LUCA:
В твоей статье «Автотрофное термофильное происхождение жизни» фраза: «…существует очень крутой температурный, химический и электрохимический градиенты, которые могли стать движущей силой…» и в ней же цитата из Рассела: «…активную роль играют солнечная энергия, энергия гравитационных взаимодействий и энергия радиоактивного превращения элементов…» дают представление об источнике, но не объясняют механизм преобразований и формирования градиентов до процессов замены в абиотических комплексах на биологические компоненты. Это не вопрос, а заметки на полях.


22.04.2011г. 9:49:24

Сначала о том, как НЕПОСРЕДСТВЕННО используется энергия прокариотами.
В самом общем виде, все процессы, способные служить источником энергии для прокариот при хемосинтезе - это реакция вида А → Б + е (электрон).
Любые современные хемоавтотрофы используют энергию для синтеза органики, которая извлекается ими благодаря переносу электронов от восстановителей (например, молекулярного водорода) на акцептор электронов, например Fe(III)
Другими словами, нужен хороший восстановитель (двухвалентное железо, молекулярный водород) и нужен акцептор электронов (трёхвалентное железо, диоксид углерода).
Все окислительно-восстановительные превращения - по существу перемещения электронов.
Перенос электронов чаще всего сопряжён с переносом водорода. И здесь просматривается один важный момент - в биохимических процессах, перенос водорода по существу осуществляется путём РАЗДЕЛЬНОГО транспорта протонов и электронов.
Протоны выделяются в среду или поглощаются из неё в клетку (или в гипотетические архаичные компартменты), а электроны обязательно должны быть переданы на сооствествующие молекулы (акцепторы). Именно этот ключевой момент учитывается в схеме гипотетического сопряжения переноса электронов и протонов на рис. 5 данной статьи.

Поэтому говоря об источниках энергии необходимо разделить то, что используется опосредованно (солнечная и др.) и непосредственно (окислительно-восстановительный и кислотно-щелочной градиенты).

Протонный и окислительно-восстановительный градиент между минеральными мембранами позволяют непосредственно поглощать свободную энергии путём фиксации СО и СО2.
Для этого необходим перенос электронов на СО2 (восстановление до СО) и приток (молекулярного водорода, позволяющий связывать СО). Поскольку ключевыми в катализе такого рода реакций у современных хемоавтотрофов являются железо-серные и железо-никелевые-серные активные центры, то вполне уместен поиск минеральных аналогов этих центров и экспериментальное подтверждение таких возможностей (см. разбор экспериментов Хубера и Вехтерхойзера).
Если говорить о солнечной энергии, то уже писалось о:
1. фотолитическом окислении Fe(II) до Fe(III), то есть образование акцептора электронов (об этом указано в этой статье, а подробнее об этом в статье, которая пишется "Метаболизм и геохимические циклы). В рамках данной модели этот процесс совершенно необходим.

2. Фотовозбуждение ZnS, энергия которого даёт возможность запустить одну из двух критических реакций ВЦТК (Реликтовые составляющие современного метаболизма. С чего он мог начаться? и в Автотрофном происхождении жизни). Роль этого процесса совершенно непонятна, возможно он и не важен был.

3. Об абиогенном происхождении фотосистем только планирую написать (обзоры есть в статьях Рассела). Там тоже есть свои минеральные корни.

Если говорить о температурном градиенте, то он оказывается важным для протекания реакций, связанных с фиксацией углерода (при 100 градусах, см. опыты Хубера и Вехтерхойзера) с образованием тиоэфиров и тиолов. Тогда как реакции архаичного метаболизма (наподобие архаичного ВЦТК) требуют более низких температур.

Если говорить об энергии радиоактивного распада и гравитационных взаимодействиях, то здесь воздействие опосредованное - они важны в функционировании так называемой конвенкционной ячейки в верхних слоях океанической литосферы, важной для возникновения ключевых с точки зрения рассматриваемой модели щелочных гидротерм.
Здесь энергия действительно используется, но опосредованно. Подробности - в готовящейся статье "Метаболизм и геохимические циклы".

P.S.
Организмы так устроены, что у них нет энергетического бартера, а есть валюты (протонный градиент и АТР, который предположительно возник позднее).
Одна из современных универсальных энергетических валют - протонный градиент - это ОДНОВРЕМЕННО и окислительно-восстановительный, и кислотно-щелочной градиент (его просто складывают в виде химического и электрохимического потенциалов)


22.04.2011г. 13:14:13

Заметки на полях. Промежуточный итог. Существую источники (потоки) энергии с непонятным градиентом, это космическое (радиационное) излучение и гравитация. Преобразуясь в структуры вещества, они формируют вторичные источники, которые в результате взаимовлияния создают два потока, понятные градиенты: протонный и электронный, а те в свою очередь, сливаясь на разных этапах этого процесса, формируют биоту. Примерно такая схема.

22.04.2011г. 14:28:26

Верно, именно так. И этой биотой, были некие сети циклических реакций, в которых фиксация углерода (прежде всего) и возможно другие реакции энергетически "подкармливались" этими самыми протонным и электронным градиентами.

22.04.2011г. 14:56:48

Уместно вспомнить, что все источники энергии для фиксации углерода, которые используют хемоавтотрофы - неорганической природы: они окисляют серу, сульфиды, металлы, ионы аммония и нитриты - доступные источники, нередко абиогенной природы.
Метаболизм оказался "заточенным" под использование именно этих источников энергии для фиксации углерода, а не, скажем, брожения в "первичном бульоне".



24.04.2011г. 7:33:25

Натолкнулся, казалось бы, на обычные чисто сельскохозяйственные факты: увеличению растворимости почвенных минералов способствуют выделения корнями растений оксалата, малата, цитрата и сукцината. Таких статей можно встретить немало. Вот, например, http://www.plantphysiol.org/content/85/2/315.short.
Но обратите внимание! Это ведь интермедиаты цикла Кребса!
Если почитать геологические статьи, то выясняется, что именно эти молекулы способствуют растворению минералов и переводу их в виде настоящих или коллоидных растворов. Вот, например, http://www.essc.psu.edu/~brantley/publications/effectsof.pdf
Статей можно найти немало. Достаточно в поисковике набрать словосочетание "ligand controlled dissolution"
Получается, что предположение об исключительной древности (если не первичности) восстановительного цикла Кребса автоматически означает растворение переходных металлов лигандами (ligand controlled dissolution) было неизбежным процессом. Это привело, во-первых, к переводу в раствор целого ряда переходных металлов - никеля, меди, вольфрама, молибдена и др. (и железа в том числе). Во-вторых, эти новые координационные соединения - богатейший источник катализаторов (в катализе есть даже раздел, посвящённые координационному катализу).


06.05.2011г. 16:07:41