Жизнь до Земли Алексей Шаров Лаборатория Генетики, Национальный Институт Старения, Валтимор, США

Жизнь до Земли
Алексей Шаров
Лаборатория Генетики, Национальный
Институт Старения, Валтимор, США
План Доклада
1. Рост функциональной сложности в эволюции механизмов (закон
Мура) и живых организмов
2. Экспоненциальный рост сложности генома в эволюции
3. Почему функциональная сложность агентов растет
экспоненциально?
4. Экстраполяция роста сложности генома показывает, что жизнь
старше Земли
5. Происхождение жизни, начиная с простых функциональных
наследуемых молекул
6. Возможные пути заселения Земли бактериями из космоса
7. Пост-геномный рост сложности: эпигенетика, нервная система,
человеческая цивилизация. Грозит ли нам технологическая
сингулярность?
Организмы и механизмы
Механизмы это инструменты,
полезные для людей
Организмы автономны и
автопоэтичны (само-исправление и
самовоспроизведение)
Стирание границ:
Организмы продуцируют
молекулярные механизмы
(рибосомы, РНК полимеразы)
S. Dali
Механизмы усовершенствуются,
некоторые из них автономны,
обучаемы и способны
восстанавливать повреждения
А. Астрин
Возможно получение синтетических
организмов (Venter)
Часовой механизм
Био-молекулярный
механизм
ДНК
3,000,000,000
нуклеотидов
Интроны
Ген
Промотер
Экзоны
иРНК
ДНК
РНК полимераза
Регуляция клеточных процессов
ДНК
Синтез белка
иРНК
Гистоны регулируют гены
Транскрипционный
фактор
Эволюция Технологий: Рост Сложности
Деление
бактерий
Деление
эукариотической клетки
Закон Мура: Сложность Компьютерных
Технологий Растет Экспоненциально
Количество транзистеров в процессоре удваиволось каждые 2 года
(18 мес. согласно D. House)
С какой скоростью растет сложность
живых организмов?
Поскольку структуры и функции живых организмов закодированы в
ДНК, длина генома должна коррелировать с уровнем функциональной
сложности организмов.
Парадокс “величины С”:
Величина С = размер генома (количество гаплоидной ДНК в 1 клетке)
У некоторых саламандр количесто ДНК в 40 раз больше чем у человека, а
у амебы - в 200 раз больше чем у человека.
Новое определение сложности генома (Adami et al. 2000):
Сложность измеряется длиной функциональной и
неповторяющейся части генома
Сложность генома увеличивалась
экспоненциально, анологично закону Мура
Размер генома, Log10(bp)
10
Млекопитающие
Рыбы
Черви
Прокариоты
Протисты
5
Весь геном
Функциональный геном
без повторов
0
-4
-3
-2
-1
0
Время происхождения, млрд. лет
Время удвоения сложности генома = 376 М. лет
Sharov AA. 2006. Genome increase as a clock for the origin and evolution of life. Biol
Direct. 2006 Jun 12;1:17. http://home.comcast.net/~sharov/pdf/GenomeIncrease.pdf
Рост сложности генома отличается в
разных группах организмов
Размер генома, Log10(bp)
10
LUCA
5
Животные
Растения
Протисты
Прокариоты
0
-4
-3
-2
Время происхождения, млрд. лет
-1
0
Возможно некоторое ускорение экспоненциального роста
сложности (гипер-экспоненциальный рост)
10
Млекопитающие
Земли
Рыбы
Черви
5
Эукариоты
Прокариоты
Возраст
Размер генома, Log10(bp)
Обратная экстраполяция роста
сложности генома
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
Весь геном
Функциональный
геном без повторов
-3
-2
-1
Время происхождения, млрд. лет
0
• Возраст жизни оценивается в 9,7 миллиардов лет
• Жизнь примерно вдвое старше Земли
• Земля вероятно была заселена бактениями из космоса (панспермия)
Насколько правомерна обратная
экстраполяция роста сложности?
Вопросы:
1. Почему сложность растет экспоненциально
вместо того чтобы меняться случайно?
2. Могла ли эволюция жизни начаться с молекул
функционально эквивалентных одному
нуклеотиду?
3. Если жизнь старше Земли то как организмы
могли выжить в космосе во время
межзвездного переноса?
Почему рост сложности следует
экспоненциальному закону?
Евгений Кунин считает что сложность не следует никаким
закономерностям и может внезапно увеличиваться (напр. во время
происхождения жизни на Земле)
1. Принцип градуализма:
Функциональная сложность дочерних систем меньше
или сравнима со сложностью родительских систем
... потому что требуется значительное время чтобы приобрести
совершенно новую функцию методом проб и ошибок; вероятность
одновременного появление многих новых функций очень мала
Следствие:
Сложность эволюционирующих систем может быстро
уменьшиться но не можен быстро увеличиться
Теория прерывистой эволюции
(Gould and Eldredge)
В 1972 г. Гоулд и Элдредж опубликовали статью о
прерывистой эволюции (punctuated equilibrium).
Противоречит ли эта концепция принципу градуализма?
1. Гипотеза прерывистой эволюции не доказана, так как резкие
изменения фауны и флоры могли быть разультатом размножения и
расселения давно существующих малочисленных таксонов
2. Гипотеза прерывистой эволюции основана на данных о
морфологических изменениях в сравнительно коротких
интервалах времени; эти изменения не сопоставимы с медленным
и постепенным процессом усложнения организации
3. Возможно что живые организмы способны достаточно быстро
менять морфологию на основе существующих эпигенетических
механизмов с минимальными изменениями генома
Почему рост сложности следует
экспоненциальному закону?
2. Положительная обратная связь
dy
= c y
dx
(1) Существующие гены выполняют функции которые полезны для
сохранения всех остальных генов, включая вновь появившихся
(2) Новые гены как правило возникают как копии (или комбинации)
существующих генов
(3) Сложные геномы обеспечивают большое разнообразие
потенциальных функциональных ниш, которые могут быть заняты
новыми генами (напр. за счет разнообразия органов, тканей, типов
клеток, метаболических и сигнальных сетей).
Похожие механизмы положительной обратной связи вызвали
экспоненциальный рост компьютерной технологии (закон Мура)
Могла ли эволюция жизни начаться с молекул
функционально эквивалентных одному нуклеотиду?
Большинство популярных моделей происхождения жизни
дают отрицательный ответ на этот вопрос
1. Модель РНК-мир (RNA-world) предполагает что жизнь
началась с само-реприцирующихся молекул РНК (Gilbert,
1986)
2. Модель авто-каталитического множества пептидов
(Kauffman, 1986)
Проблемы:
• Нет метаболизма для продукции нуклеотидов (или
аминокислот);
• Нет мембраны чтобы предотвратить диффузию;
• Нет функций помимо авто-катализа.
Примеры авто-катализа в моделях
происхождения жизни
Бутлерова реакция
(formose reaction)
Обратный цикл Кребса
(Morowitz 2000)
Автокатализ NADP+
(Wächtershäuser 1988)
Formaldehyde
Glycol
aldehyde
Glyceraldehyde
Ribose
Ribulose
Dihydroxyketone
Aspartic
acid
Примеры функциональных компонентов в
моделях происхождения жизни
“Хемотон” (Gánti 1971)
“Авто-клетка”
(Deacon 2006)
“Сладкий кристалл”
(Ferris 1996)
Template
duplication
Metabolism
Membrane
production
Нет метаболизма
для производства
мономеров
Требует сложных
органических ресурсов
Нет связи с живой клеткой
Модель автокаталитических коэнзимов
“Коэнзимный мир”: коэнзимы заселили углеводородные
микрокапли*)
Почему коэнзимы?
1. Первые функциональные молекулы
должны быть катализаторами
2. Они должны быть мономерами
3. Многие коэнзимы в клетках похожи
на нуклеотоды (CoA, NAD, ATP).
Исходные коэнзимы могли быть
предшественниками современных
коэнзимов и нуклеотидов
Почему углеводород?
1. Насыщенные углеводороды – наиболее
распространенные органические
молекулы во вселенной
2. Жидкие углеводороды ожидаются на
земно-подобных планетах (Marcano et
al. 2003)
3. Жидкие углеводороды синтезируются
абиогенно в гидротермальных
источниках (Holm and Charlou 2001,
Proskurowski et al. 2008)
4. Углеводородные микрокапли самоорганизуются в водной среде и могут
служить источником углерода для
автокаталитических процессов.
*) Согласно гипотезе: Sharov (2009). IJMS, 10(4): 1838-1852.
Модель автокаталитических коэнзимов
Начальные этапы “Коэнзимного мира”
Углеводородная
микрокапля
Коэнзим
Жирная кислота
Sharov (2009). IJMS, 10(4): 1838-1852.
Наследование и эволюция в
коэнзимном мире
Эволюция
Новые автокаталитические коэнзимы
могли появиться путем модификации
старых коэнзимов или путем de-novo
синтеза
Пример
модификации
Размножение и комбинаторное
наследование
Исходный
коэнзим
катализ
CH3
Модифицированный
коэнзим
Такое наследование я называю комбинаторным поскольку наследственные
единицы (коэнцимы) передаются независимо друг от друга (идея была
предложена Szathmáry (1999).
Наследование и эволюция в
коэнзимном мире
Как сохранить полный набор коэнзимов
при размножении?
Модель
стохастического
корректирования
(Szathmáry 1999)
Коэнзимы вынуждены кооперировать (аналогично генам)
поскольку они могут выжить только будучи компонентами целой
системы
Появление полимерных
коэнзимов
Пример
полимеризации
Наследование порядка
мономеров
катализ
катализ
A+B
ABABABAB
A+B
ABABABAB
A+B
AАBВAАBВ
Примитивное “само-копирование”
Универсальная дупликация
полимеров
Универсальная дупликация = не зависящая от
последовательности мономеров
Стадия 0
Полимеры:
случайные или
с повторами
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 4
Соединение
полимеров;
возникновение
комплементарности
Комлементарное
удлиннение
некоторых
специфических
полимеров
Универсальная
дупликация
полимеров
Возникновение двуслойной
мембраны
Углеводородная
микрокапля
(мицелла)
Вода
Вода
“Сахар”
Вода
Двуслойная
мембрана
Полезность мембраны:
Необходимые компоненты:
1.
Увеличение поверхности при ограниченном
количестве углеводородов / жирных кислот
1.
Молекулы типа “сахара” могли служить для
поддержания осмоса
2.
Создание внутренней полости для хранения
ресурсов и для перемещения метаболизма
вовнутрь
2.
Аналоги фосфолипидов укрепляли
мембрану
Схема гипотезы происхождения жизни
Несколько
одиночных
коэнзимов
Один коэнзим
I
II
Терминальное
окисление
углеводородов
Полимеризвция
коэнзимов
III
Утилизация
углеводородов
для синтеза
Универсальная
дупликация
IV
Углеводный
метаболизм
Предполагаемые функции
Образование
цитоплазмы
Как организмы могли выжить в космосе
во время межзвездного переноса?
1. Бактериальные споры выживают в суровых условиях и при заморозке могут
сохранять жизнеспособность миллионы лет (Lambert, et al., 1998, Katz,
2012).
2. Споры бактерий внутри астероидов и комет могут выжить несмотря на
радиацию (Wallis and Wickramasinghe, 2004).
3. Крупные астероиды и блуждающие планеты могут содержать активных
бактерий. Температура близкая к 0 Со может поддерживаться за счет
естественной радиоактивности; возможный источник энергии метаболизма –
хемосинтез.
4. Гипотеза переноса активных бактерий привлекательна поскольку живые
бактерии могут восстанавливать поврежденную последовательность ДНК
(Johnson, et al., 2007). В спорах ДНК не восстанавливается.
5. Обсуждается гипотеза, что Солнечная система образовалась из остатков
взорвавшейся сверхновой звезды (Joseph, 2009). Остатки планет могут нести
миллиарды бактериальных спор и даже живых хемо-синтезирующих
бактерий (Gordon and Hoover, 2007).
Какие выводы следуют если допустить
космическое происхождение жизни?
1. Прошло порядка 5 миллионов лет эволюции прежде чем появились
бактериальные клетки (поскольку сложность накапливается медленно).
2. Гипотеза независимого многократного происхождения жизни на разных
планетах Солнечной системы исключается
3. Живые бактерии очень похожие на земные присутствуют на других пранетах
и спутниках Солнечной системы. Анализ их разнообразия и эволюции
позволит доказать общее происхождение земных и вне-земных бактерий.
4. Гипотеза преднамеренного завоза жизни на Землю вне-земными
цивилизациями (Crick and Orgel, 1973) исключена. Цивилизация требует
высокой сложности организмов и потому цивилизаций не существовало во
время формирования Земли (т.к. не хватало времени для накопления
сложности).
5. Уравнение Дрейка, предсказывающее числа цивилизаций в галактике,
ошибочно поскольку оно не учитывает динамику роста сложности в
эволюции.
Компоненты: количество разумных цивилизаций, количество звёзд, образующихся в год, доля
звёзд с планетами, количество планет с подходящими условиями, вероятность зарождения
жизни на планете с подходящими условиями, вероятность возникновения разума при наличии
жизни, время жизни цивилизации.
Какие выводы следуют если допустить
космическое происхождение жизни?
6. Условия в которых возникла жизнь возможно не сходны с условиями на
древней Земле. Поэтому попытки связать происхождение жизни с
конкретными земными минералами и геологическими параметрами наивны.
7. Поиски условий происхождения жизни должны учитывать мега-космические
процессы, такие как распределение химических элементов и динамика
образования планет в первоначальных звездных системах.
8. Попытки воспроизвести возникновение жизни в лаборатории затруднены
фактором динамики сложности. В частности, исключено само-зарождение
организмов с уровнем сложности прокариот. Реально получить только очень
простые системы с коэнзимной наследственностью (если правильно угадать
условия), которые даже отдаленно не напоминают земные организмы.
Рост функциональной сложности мозга
опережает рост сложности генома
Функциональная сложность многоклеточных животных (количество
функций) существенно превышает сложность генома
Дополнительные информационные системы:
Brain volume, log10(cm3)
1. Эпигенетическая память (модификация гистонов, метиляция
ДНК, и т.п.)
2. Внеядерная память (прионы, цитоскелет, модификация
мембраны, внеклеточный матрикс)
3. Иммунная память
4. Нервная память (динамика синаптических связей)
3.2
Homo sapiens
3.1
Объем мозга Гоминид
увеличивался экспоненциально
Peking H. erectus
Sangrian H. erectus
3
2.9
Период удвоения = 2.1 мил. лет
(в 180 раз быстрее чем геном)
Homo habilis
2.8
Paranthropus
2.7
Australopithecus
2.6
2.5
-4
-3
-2
-1
Time (million years)
0
Перспективы роста сложности
цивилизации человека
В книге “Сингулярность близка“, Рэй Курзвейл
предсказывает быстрое вытеснение
человеческой цивилизации компьютерными
технологиями. По его оценке, это произойдет
примерно в 2045 году.
Курзвейл аппелирует к закону Мура и
утверждает что ускорение само-развития
технологий следует экспоненциальной кривой.
Критерий сингулярности: компьютерный
искусственный интеллект превзойдет
суммарный интелект человечества
Насколько обоснованы утверждения Курзвейла?
Экспоненциальный рост не
приводит к сингулярности
Сингулярная
точка
y = exp(2x)
y=
1
1-x
Экспоненциальный рост сложности может продолжаться очень
долго (если отсутстуют непреодолимые ограничения)
Нет фактов указывающих на приближение к сингулярности.
Информационные и технологические
показатели удваиваются за 13-42 лет
Число патентов
Время удвоения = 42 лет
Число публикаций
Время удвоения = 13 лет
Показатели комьютерной и биомолекулярной технологий завышают
скорость усложнения цивилизации
Плотность транзисторов в компьютерах удваивается за 18-24 мес.
Эффективность секвинирования ДНК (bp/$) удваивается за 20 мес.
1. Отдельные отрасли могут развиваться ускоренно за счет
направленного пере-распределения ресурсов (акции, займы)
2. Плотность транзисторов и эффектовность секвинирования ДНК
не полностью отражают сложность соответствующих
технологий: небольшое усовершенствование может
существенно увеличить продуктивность.
Технология не замещает а дополняет
биологические функции человека
Компьютеры действительно вытеснили некоторые профессии:
• Телефонистки
• Машинистки, корректоры
• Стрелочники
• Сборщики корпуса автомобилей
Но они создали большое колическво новых профессий:
• Программисты
• Интернет-дезайнеры
• Администраторы компьютеров
• Сборщики компьютеров
Компьютеры специализирваны на решение узкого набора функций
Живой организм и даже одна клетка обладает гораздо более
широким спкктром функций, которые пока немыслимо осуществить
технологически:
•
•
•
•
Само-воспроизведение, само-сборка, само-восстановление
Минитюризация информационных процессов до индивидуальных молекул
Энергетическая эффективность фотосинтеза, метаболизма
Эвристическое мышление, интуиция
Так что в обозримом будущем компьютеры будут не более чем
помошниками человека. Ожидаемые новшества:
• Интерфейс мозга и компьютера
• Усовершенствованный интеллект
Выводы
1. Жизнь основана на молекулярной технологии, и ее сложность растет
экспоненциально подобно компьюторной технологии (закон Мура)
2. Функциональную сложность живых организмов можно оценить по
длине неповторяющейся и функциональной части генома
3. Геномная сложность растет экспоненциально в эволюции с удвоением
за 376 миллионов лет
4. Обратная экстраполяция роста геномной сложности указывает на
возраст жизни = 9.7 миллиардов лет
5. Поскольку возраст жизни больше возраста Земли, приходится
допустить заселение Земли бактериями из космоса, принесенными на
астероидах, кометах и обломках планет
6. Жизнь началасть с простых молекул, функционально эквивалентных
нуклеотидам или коэнзимам
7. Пост-геномная эволюция включает более быстрые процессы такие как
усложнение мозга у животных и развитие цивилизации человека
8. Нет оснований ожидать наступления “сингулярности” предсказанной
Курзвейлом