Обмен веществ примеры из жизни: Как улучшить обмен веществ в организме — что делать, чтобы наладить метаболизм, продукты нормализующие пищеварение

Ученые объяснили универсальный для животных и растений закон, связывающий скорость обмена веществ и массу организма, — закон Клайбера

Закон, который объясняет, почему у мыши и у слона сердце бьется примерно одинаковое количество раз за жизнь, только при этом слон живет около 70 лет, а мышь — один год, и почему животные и растения маленького размера достигают зрелости раньше, чем крупные организмы, — закон Клайбера — наконец объяснен.

Закон Клайбера (метаболический закон 3/4) — биохимическое правило, связывающее скорость основного обмена (минимальное количество энергии, необходимое организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности в состоянии относительного психического и физического покоя) и массу организма. Закон был сформулирован швейцарским ученым Максом Клайбером в начале 1930-х годов.

На основе наблюдений Клайбер вывел формулу, говорящую, что для подавляющего большинства живых организмов скорость основного обмена пропорциональна массе их организма в степени 3/4.

Таким образом, если масса одного животного больше массы другого в 100 раз, то скорость основного обмена у него будет выше примерно в 31,6 раза.

Закон Клайбера объясняет, почему, например, у мыши и слона сердце бьется примерно одинаковое количество раз за жизнь, только при этом слон живет около 70 лет, а мышь — один год, а животные и растения маленького размера достигают зрелости раньше, чем крупные организмы. Благодаря закону можно рассчитать дозу лекарства, необходимую человеку, после тестирования препарата на грызунах. Однако до сих пор не было ясно: почему закон Клайбера работает? Живые организмы имеют самую разнообразную форму тела, массу, площадь поверхности…

Как может формула Клайбера отражать метаболический процесс всех животных и растений?

Группа ученых из США, Швейцарии и Италии под руководством Джайанта Банавара и Тодда Кука (Мэрилендский университет в Колледж-Парке) сумела объяснить закон Клайбера. С полным отчетом о работе исследователей можно ознакомиться в журнале

PNAS.

В качестве объектов для сравнения исследователи взяли растение (дерево) и животное (тигра). Среди схожих черт ученые выделили наличие клеток, отвечающих за метаболизм, механизм транспортировки энергии, а также наличие внешних покровов, обменивающихся энергией с окружающей средой.

Принципиальные отличия в строении организмов растений и животных заключаются в следующем: дерево неподвижно, его масса распределяется неравномерно (большая часть сосредоточена в корнях, стволе и ветвях), площадь поверхности и занимаемое деревом пространство примерно равны. Задача дерева заключается в том, чтобы преобразовывать солнечный свет в энергию, и вне зависимости от размера растения питательные вещества в нем перемещаются с постоянной скоростью.

Посчитав отношение между массами разных видов растений и скоростью их метаболизма, ученые подтвердили: они соответствуют закону Клайбера.

Что касается тигра, то он подвижен, масса его тела распределена равномерно. Тигр получает пищу извне, при переработке которой организм выделяет тепло. Животному необходимо избавляться от излишнего тепла, однако простого охлаждения через поверхность тела будет недостаточно: в отличие от растения площадь поверхности тела животного значительно меньше, чем занимаемое им пространство.

Если бы площадь тела была единственным фактором, который влияет на охлаждение организма, то в случае с животными степень пропорциональности скорости обмена к массе была бы не 3/4, а 2/3.

Очевидно, что для того, чтобы закон Клайбера был справедлив как для животных, так и для растений, необходимо найти еще один недостающий значимый фактор. Ранее исследователями предлагались такие варианты, как площадь поверхности внутренних органов или степень разветвленности кровеносных сосудов. Группа Джайанта Банавара и Тодда Кука выяснила: недостающим звеном является скорость перемещения питательных веществ в организме (у животных сформировались кровеносная система и сердце, перекачивающее кровь со скоростью, необходимой для нормального функционирования организма).

Ученые посчитали эту скорость и установили, что она равняется массе тела в степени 1/12. Получив эти данные, исследователи поняли, что сумели полностью объяснить закон Клайбера. Амос Маритан, итальянский ученый, принимавший участие в исследовании, комментирует: «Иногда элегантный ответ оказывается верным. Растения и животные имеют разное происхождение, однако они приходят к одному и тому же результату благодаря конвергентной эволюции».

Что нужно знать о канцерогенах

Природа, или, как часто говорят, «тайна» рака, до конца не раскрыта.

Сложность задач, стоящих перед онкологией и трагичность многих жизненных ситуаций заставляет онкологов, вирусологов, эпидемиологов, специалистов в области молекулярной биологии и других дисциплин активизировать свои усилия, которые бы дали возможность не только обнаружить неизвестные ранее причины возникновения опухолей, но и, зная эти причины, разработать способы их профилактики.

Рак – многопричинное заболевание, при котором масса факторов приводят к единому результату – злокачественному превращению клетки. Ученые заглянули во многие тайны опухолевого роста, они узнали и описали многие свойства раковых клеток,  но основная причина перерождения здоровой клетки в злокачественную до сих пор остается невыясненной. Вопрос о причинах возникновения опухоли – один из наиболее острых и спорных в современной медицинской науке. Действие внешней среды на человека, а также внутренние нарушения функций организма создают условия для опухолевого роста. Влияние окружающей среды на человека, как правило, комплексное и, тем не менее, среди большого количества факторов должны быть выделены ведущие и второстепенные. Общепризнано, что 80-90% случаев онкологических заболеваний человека обусловлено действием факторов окружающей среды и особенностями образа жизни. Выявление, уменьшение и, по возможности, прекращение воздействия таких факторов на человека непременно приведет к снижению риска развития опухолей.

Установлено, что рак возникает под влиянием: 1) химических веществ; 2) ионизирующей радиации и ультрафиолетового облучения; 4) вирусов; 5) механических травм и многих других причин. Все эти факторы были названы канцерогенами. Вероятность развития рака определяют не только время и интенсивность действия канцерогенного агента, но и состояние организма.

Канцерогены подстерегают нас в пище и воде, канцерогенным может быть воздух нашего жилища или производственного помещения. Канцерогенные вещества, способные озлокачествить здоровые клетки организма, могут находиться в бытовой химии и парфюмерии. Они могут быть жидкими, газообразными, действовать на нас совершенно невидимыми, определяемыми только специальной аппаратурой излучениями и полями (ионизирующие излучения, электромагнитные поля). Удивительно, но канцерогенное влияние могут оказать даже солнечные лучи, без которых невозможна жизнь на Земле.

Вряд ли  в нашей повседневной жизни удастся полностью исключить контакт с канцерогенными веществами, но свести к минимуму их пагубное воздействие в наших силах. Для  этого надо лишь иметь представление о том, какие факторы являются опасными и как избежать их воздействия.

• Химические канцерогены

То, что некоторые химические вещества способны инициировать возникновение опухоли, известно давно. История изучения влияния некоторых химических веществ на возникновение злокачественных опухолей насчитывает более 200 лет.

Пока до конца неизвестно, каким образом канцерогены заставляют нормальную клетку приобрести свойства, характерные для злокачественного роста, каков тот первый стимул, начальное воздействие, которое делает клетку измененной, еще не опухолевой, но уже «не нормальной». Ответить на этот вопрос, значит, понять природу рака. За последние годы исследователи приблизились к решению этой задачи, раскрыв некоторые механизмы химического канцерогенеза.

Химические канцерогены представляют собой различные по структуре органические и неорганические соединения. Они присутствуют в окружающей среде, являются продуктами жизнедеятельности организма или метаболитами живых клеток.

Некоторые из канцерогенов обладают местным действием, другие оказывают влияние на чувствительные к ним органы независимо от места введения. Существуют канцерогены, активные сами по себе (прямые канцерогены), но большинство нуждается в предварительной активации (непрямые канцерогены). Имеются вещества, которые усиливают воздействие канцерогенов. Воздействие химических канцерогенов на живой организм чрезвычайно разнообразно.

Еще в 1775 году в Англии описаны случаи рака кожи у трубочистов. В то время для чистки дымоходов использовали мальчиков 7 – 8 лет, так как их размеры позволяли пробраться внутрь трубы. Мальчики годами залезали в дымоходы и очищали их от сажи. А в 20-25 лет у многих из них возникал рак кожи мошонки. Затем обратили внимание на рак кожи у дорожных рабочих, рак легких у рабочих газовой промышленности, цветной металлургии, асбестовых предприятий, на опухоли мочевого пузыря у рабочих анилинового производства. Все эти наблюдения заставляли задуматься над тем, почему у представителей различных профессий возникают некоторые формы злокачественных опухолей, какие вещества вызывают рак, почему опухоли возникают после длительного воздействия?

Значительно позже английским исследователям удалось выделить из каменноугольной смолы новое соединение, относящееся к полициклическим ароматическим углеводорода — 3,4-бензпирен, при нанесении на кожу которого, развивается хроническое воспаление с переходом в рак.

Это был первый канцероген, структура которого была установлена. Бензпирен считается одним из самых активных и опасных канцерогенов.

Полициклические ароматические углеводороды образуются при сгорании органических веществ в условиях высокой температуры и являются весьма распространенными загрязнителями внешней среды. Они присутствуют в воздухе, в воде загрязненных водоемов, в саже, дегте, минеральных маслах, жирах, фруктах, овощах и злаках.

Канцерогенным действием обладают нитрозамины, ароматические амины и амиды, некоторые металлы, асбест, винилхлорид, афлатоксины и  другие химические вещества.

Нитрозамины токсичны, обладают мутагенным и тератогенным воздействием, более 300 из нескольких сотен исследованных  вызывают канцерогенный эффект. Во внешней среде нитрозамины в небольших количествах находятся в пищевых продуктах, травах, пестицидах, кормовых добавках, загрязненной воде и воздухе. Кроме этого, они поступают в организм с табаком, косметикой и лекарствами. В готовом виде из внешней среды человек поглощает незначительное количество нитрозаминов. Значительно большее количество нитрозаминов, синтезируется в организме из нитритов и нитратов в желудке, кишках, мочевом пузыре. Нитриты  и нитраты содержатся в злаках, корнеплодах, безалкогольных напитках, добавляются как консерванты в сыры, мясо и рыбу. В последние годы содержание их резко (в 5-10 раз) повысилось в картофеле.

Ароматические амины и амиды находят широкое применение  в производстве анилиновых красителей, фармацевтических препаратов, пестицидов. Они приводят к возникновению рака мочевого пузыря.  Одно из этих соединений  использовалось длительное время в некоторых зарубежных странах  как пищевой краситель. Его добавляли к маргарину и сливочному маслу, чтобы они имели свежий летний вид. После установления канцерогенных свойств у этого красителя его запретили.

Асбест – волокнистый силикат, используемый в строительстве. Опасны свободные волокна асбеста. Их обнаруживают в воздухе жилых помещений. Устойчивость к кислотам позволяет использовать асбест при изготовлении виниловых обоев, изделий из бумаги, текстиля, а также напольных покрытий, труб, шпаклевки, замазки. Специалисты считают, что рабочий на асбестовом производстве через 20 лет может заболеть раком легкого. У работающих с асбестом наблюдается повышенная частота рака легкого, гортани, плевры, брюшины, изредка – злокачественных опухолей желудочно-кишечного тракта.

Винилхлорид входит в состав распространенных сортов пластмасс, используемых в медицине, строительстве и при изготовлении товаров широкого потребления. Среди лиц, занятых на производстве винилхлорида, повышена заболеваемость печени,  опухолями легкого, лейкозами.

Бензол и его производные также обладают канцерогенными свойствами. Продолжительный контакт с бензолом способствует возникновению лейкозов.

 Канцерогенны — соединения мышьяка, никеля, хрома, кадмия. Длительная работа с этими металлами может привести к возникновению рака верхних дыхательных путей и легких. Мышьяк, кроме этого, вызывает рак кожи, а кадмий, хром и их соединения – рак предстательной железы и мочеполовых органов. Тяжелые металлы поступают в окружающую среду с производственными выбросами и сточными водами промышленных предприятий. Источником их является и автотранспорт. Установлено, что при хранении картофеля в гараже (достаточно частое явление) в корнеплодах увеличивается содержание тяжелых металлов, в частности свинца. Отмечены случаи развития рака анального канала и промежности при употреблении газет в качестве туалетной бумаги. Канцерогенным эффектом обладает свинец, входящий в состав типографской краски.

Опасным канцерогеном является афлатоксин — токсин плесневого грибка. Это гриб распространен повсеместно, но в условиях жаркого климата в больших количествах выделяет ядовитые вещества. Афлатоксины в больших дозах ядовиты и вызывают гибель животных, а в малых — опухоли печени. Этот грибок может поражать злаки, отруби, муку, орехи. Главная опасность состоит в том, что при термической обработке продуктов, пораженных этим грибком, токсин, который он выделяет в продукт, не разрушается. Заподозрить наличие афлатоксина в продуктах можно по  горькому вкусу. Например, орехи начинают горчить.

Развитие науки и производства постоянно приводит к появлению новых химических соединений, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно важно знание тех соединений, с которыми приходится сталкиваться человеку.

В этом смысле большой интерес вызывает химический состав пищевых продуктов и соединений, получаемых при различной кулинарной обработке продуктов питания. С характером питания прямо или косвенно связано возникновение рака пищевода, желудка, кишечника, печени, поджелудочной, молочной и предстательной желез, тела матки, яичников и легкого. В пище содержится более 700 соединений, в том числе около 200 полициклических ароматических углеводородов, аминоазосоединения, нитрозамины, афлатоксины и др. Каналы заражения продуктов питания химическими канцерогенами бесконечны. Они могут попасть в пищу из синтетической упаковки, внутренней поверхности консервных банок, с этикеток, на которые расходуется типографская краска. «Нечаянное» заражение возможно на складе или во время транспортировки. Канцерогены могут образовываться во время неправильного хранения и кулинарной обработки продуктов. Содержание канцерогенов в пище повышается при неумеренном использовании азотосодержащих минеральных удобрений и пестицидов, а также при загрязнении ими атмосферного воздуха и питьевой воды.

Наибольшее значение для человека имеет загрязнение пищи полициклическими ароматическими углеводородами, нитрозаминами и их предшественниками (нитритами и нитратами), пестицидами, а на отдельных территориях – афлатоксинами.

Химические канцерогены в организме животных подвергаются интенсивным метаболическим процессам и быстро распадаются, поэтому в свежих мясных и молочных продуктах содержание их невелико. В значительно большем количестве они образуются при кулинарной обработке пищи.

 Бензпирен обнаруживают при пережаривании и перегревании жиров, в мясных и рыбных консервах, в копченостях после обработки пищи коптильным дымом.

В одной из сельских зон Польши отмечалась высокая заболеваемость раком желудка. Специалисты заинтересовались обычаями приготовления пищи в этом регионе. Оказалось, что хозяйки растапливают на вместительной сковородке свиное сало, а затем в течение недели или дольше неоднократно подогревают остатки жира и жарят на нем мясо и овощи. При частом нагревании до больших температур на чугунной сковороде свиной жир изменяет свою структуру, образуются вещества, которые обладают канцерогенной активностью и в основном — бензпирен.

Нитрозамины в небольшом количествах содержатся во многих продуктах: копченом, вяленом и консервированном мясе и рыбе, темном пиве, некоторых сортах колбас, сухой и соленой рыбе, маринованных и соленых овощах, пряностях, отдельных молочных продуктах. Обработка коптильным дымом, пережаривание жиров, засолка и консервирование ускоряют образование нитрозаминов. В противоположность этому хранение продуктов при низкой температуре резко замедляет их образование.

Нитриты и нитраты содержатся в продуктах в значительно большем количестве. Пища является основным источником их поступления в организм.

В сельском хозяйстве используются азотсодержащие, калийные и фосфорсодержащие минеральные удобрения. Калийные и фосфорные удобрения не представляют канцерогенной опасности. Опасны азотсодержашие удобрения, которые в организме трансформируются в нитраты, нитриты, а затем в нитрозамины.

Канцерогенным действием обладают также многие пестициды. Большинство пестицидов являются химически стойкими соединениями, хорошо растворимыми в жирах. Благодаря этому они накапливаются в растениях, тканях животных и человека. Применение пестицидов с высоким содержанием нитрозаминов создает определенную опасность для работников сельского хозяйства.

Какие еще факторы могут представлять опасность для человека? Это, в первую очередь пыль, загрязняющая жилье.

Многочисленные исследования показали, что копоть и пыль помещений являются носителями канцерогенных веществ, а пыль, собранная на улице, вызывает злокачественные опухоли у лабораторных животных.  Вот почему необходима влажная тщательная уборка помещений. Особую опасность в быту представляет газовая плита. Продукты неполного сгорания газа при отсутствии хорошей вентиляции загрязняют воздух помещений, происходит накопление смолистых продуктов, содержащих все тот же бензпирен.

Канцерогенные соединения, попадая в окружающую среду, вступают в круговорот сложных и многообразных превращений. Они поглощаются и нейтрализуются некоторыми видами бактерий, имеющимися в воздухе, воде, почве, разрушаются под действием ультрафиолетового излучения. Клетки печени человека также могут разрушать канцерогенные вещества, что в значительной степени зависит от особенностей организма и характере питания.

 Но для уменьшения степени опасности не следует полагаться на благоприятное стечение естественных факторов, а лучше разрушать канцерогенные вещества и не допускать их выхода во внешнюю среду.

• Эндогенные канцерогены

Следует отметить, что помимо канцерогенов, которые поступают в организм человека с воздухом, водой, продуктами питания, существуют вещества, которые образуются в самом организме и обладают высокой канцерогенностью. Это, так называемые, эндогенные канцерогены. В настоящее время уже можно говорить о существовании нескольких классов эндогенных канцерогенов. К ним относятся, в частности, продукты распада и превращения желчных кислот, нарушенного метаболизма тирозина и триптофана. Изучены условия, способствующие образованию этих соединений. Особую роль в этом процессе играют гиповитаминозы, сезонный недостаток аскорбиновой кислоты (витамин С), гормональный дисбаланс, наследственные нарушения аминокислотного обмена. При этом следует принимать во внимание только длительные нарушения метаболизма.

• Физические канцерогены

К физическим канцерогенным факторам относятся альфа-, бета-, гамма — и рентгеновское излучения, потоки протонов и нейтронов,  ультрафиолетовое  излучение, радон, механические травмы.

Ионизирующая радиация обладает универсальным канцерогенным действием, но в патологии человека значение ее немного меньше, чем химических канцерогенов. Основными источниками излучения для населения являются естественный фон, как земной, так и космический, искусственные источники, такие как ядерные испытания в атмосфере, ядерные аварии, ядерные производства, облучение при диагностическом обследовании и лечении.

Не только прямое действие лучей является канцерогенным, но не менее опасным является попадание в организм радиоактивных изотопов. Попав в организм, радий во многом ведет себя подобно кальцию: он проникает в кости и прочно там оседает. Однако, в отличие от кальция разрушает костную ткань. Постепенно накапливаются изменения, ведущие к развитию злокачественной  опухоли.

Многочисленные исследования доказали безоговорочное канцерогенное начало ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение в высоких дозах вызывает рак у людей, лишь несколько видов опухолей никогда не связывали с ионизирующим излучением. Частота таких злокачественных опухолей возрастает по мере повышения дозы облучения.  Действие высокодозного излучения может вести к повреждению клеток и ДНК с последующей гибелью клетки, а низкие дозы могут приводить к мутациям, увеличивающим риск рака. Вполне вероятно, что под удар попадает не только наследственный аппарат клетки, но и обмен веществ, и тогда опухолевая трансформация возникает как бы вторично.

Вызывают определенное беспокойство и дозы излучения, получаемые населением при прохождении различных диагностических процедур.  К таким обследованиям относятся проведение маммографии на предмет выявления опухолей молочной железы, компьютерной томографии, радиоизотопных исследований.  Надо отметить, что суммарная доза при диагностических исследованиях мала по сравнению с естественным излучением, а преимущества несомненны.

Установлено, что вдыхание воздуха, содержащего радон и его продукты, приводит к воздействию радиоактивного излучения, в основном на клетки бронхиального эпителия. Радон является второй наиболее важной причиной развития рака легкого после курения. В основном, воздействие радона на человека происходит в домах, особенно в пыльных помещениях, где радон оседает на частицы пыли. Повышенный радиационный фон в жилищах особенно опасен для курильщиков; у них вероятность развития опухоли возрастает более чем в 25 раз.  Главными источниками радона являются почва, строительные материалы, грунтовые воды.

Старайтесь проверить свое жилье с помощью специалистов на наличие радона в помещениях, где вы живете, и по возможности обезопасить себя.

Теперь обратимся к другому виду радиации — солнечным лучам. Мысль о том, что они могут вызывать рак, кажется кощунственной. Солнце – источник жизни на Земле, а коричневый загар миллионов отдыхающих издавна рассматривался как признак здоровья.

Солнечные лучи — мощный источник различных излучений, среди которых важную роль играет ультрафиолет. В малых дозах ультрафиолет необходим для человеческого организма, но в больших может вызвать серьезные заболевания и даже послужить причиной рака. Накопилось сотни наблюдений, свидетельствующих о том, что солнечная радиация способна вызывать рак кожи у человека. Сейчас можно считать установленной связь между распространением рака кожи, интенсивностью и длительностью воздействия солнечных лучей.

Обычно опухоли возникают на частях тела, незащищенных одеждой, у людей, длительное время находящихся на открытом воздухе, в тех районах и странах, где солнце светит долго и сильно. Опухоли чаще всего развиваются на коже лица, носа, реже на кистях рук. Особо нужно подчеркнуть, что дети, у которых кожа особенно уязвима, подвергаются гораздо большей опасности, чем взрослые.

Для предотвращения развития рака кожи необходимо стараться уменьшить общее воздействие солнца в течение всей жизни, особенно чрезмерное солнечное воздействие и солнечные ожоги.

Необходимо отметить, что неграмотное использование соляриев небезопасно, так как в них человек подвергается УФ излучению, подобному солнечному.

Все сказанное не означает, что нужно отказаться от поездок на юг, от купания в море, пребывания на пляже, просто от солнечных ванн. Подобные запреты не нужны. Нужно разумное, можно сказать, уважительное отношение к солнцу. Наслаждаясь солнышком, теплом, давайте помнить не только о полезном, оздоравливающем действии солнечных лучей, но и о тех неприятностях, которые могут возникнуть в случае злоупотребления ими. Онкологическим больным и лицам, прошедшим лечение по поводу онкологического заболевания, категорически не рекомендуется длительное пребывание на солнце.

Многочисленные электромагнитные поля, возникающие в наших квартирах при работе бытовой техники, компьютеров, радиотелефонов и буквально пронизывающие наше жилище, также  небезопасны. Поэтому, чем больше техники в доме, тем выше риск, особенно при непродуманном расположении приборов. По данным  ряда американских исследований у детей, проживающих в домах вблизи линий электропередачи, в 2,5 раза выше риск развития лейкемии. Для взрослого населения такой закономерности не выявлено.

Сотовые телефоны и пульты дистанционного управления генерируют электромагнитные поля. Использование мобильной связи и ее возможное отрицательное влияние на здоровье привлекают все большее внимание общественности. Сообщения об увеличении частоты возникновения опухолей головного мозга среди пользователей мобильных телефонов, описание подобных случаев в прессе позволили предположить возможность наличия определенной стимуляции опухолевого роста. Этот факт наряду с возросшим стремлением населения стать абонентами сотовой связи усиливает обеспокоенность среди населения. Излучение от мобильных телефонов не является ионизирующим. Многочисленные эпидемиологические исследования показали отсутствие значительной взаимосвязи между развитием опухолей головного мозга и использованием мобильных телефонов, независимо от длительности пользования и  типа телефона.

Несколько слов о травме — грубом механическом повреждении — как одном из способов физического воздействия, который при определенных условиях может приводить к образованию опухолей. Опухоль  возникает в зонах, подвергающихся постоянной травматизации, на ожоговых рубцах, рубцующихся хронических язвах. Во всех этих случаях происходит хроническое раздражение, которое считается общим свойством всех видов канцерогенеза.

Риск развития рака многократно возрастает у лиц с грубыми деформирующими ожоговыми и травматическими рубцами на коже и хроническими остеомиелитическими свищами, рак слизистой полости рта – при хронической травме ее кариозными зубами и протезами и др.

         Полностью отрицать роль травмы в возникновении злокачественных опухолей нельзя. Просто травма значительно реже вызывает опухоли, чем другие канцерогенные воздействия.

• Биологические канцерогены

Вирусы, являющиеся биологическими канцерогенами, так же как химические и физические могут служить внешними сигналами, влияющими на внутренние закономерности и процессы, контролирующие деление клеток в организме.

 Всех волнует вопрос, не являются ли опухоли инфекционным заболеванием в полном смысле этого слова? Французский онколог Шарль Оберлинг писал: если бы рак был действительно заразной болезнью, то следовало бы ожидать, что им в первую очередь должны болеть медики – врачи, хирурги, медсёстры, то есть все те, кто постоянно соприкасается с раковыми больными, не принимая каких-либо мер предосторожности. Но рак встречается среди медиков не реже и не чаще, чем среди представителей любой другой профессии. Более того, в отличие от туберкулёза и других заразных болезней он не передаётся членам семьи заболевшего.

Существует группа вирусов (онковирусов), которые долго находятся в латентном состоянии и активируются под воздействием различных факторов, как физических, так и химических. Они заставляют здоровую клетку работать по собственному сценарию. Клетка «забывает» о своих функциях и начинает бешено размножаться.

Сегодня эпидемиологическими исследованиями установлена связь некоторых форм рака у человека с определенной вирусной инфекцией.

Некоторые предраковые процессы, в частности доброкачественные опухоли, возникают под действием вирусов. Кандилома – остроконечная бородавчатая опухоль, располагающаяся на наружных половых органах или вблизи них, представляет собой несомненное вирусное заболевание. Такие заболевание гортани как папилломы, также возникают под действием вируса. Контагиозный моллюск – это опухоли, иногда одиночные, но чаще множественные, располагающиеся на коже, чаще у детей и учащихся. Это серьезное заболевание требует немедленного лечения, так как при длительном существовании может перейти в рак. Заболевание это, бесспорно, вирусного происхождения.

Эти предраковые заболевания, если их предоставить самим себе, не лечить, могут через некоторый промежуток времени стать почвой для возникновения рака.

Определено несколько вирусов, ассоциируемых с опухолями человека.

Это вирусы гепатита В и С, вирус Эпштейн-Барр, вирус  герпеса и папилломавирус. Вирус иммунодефицита человека инфицирует и убивает Т-лимфоциты, снижая таким образом, активность иммунной системы. ВИЧ не трансформирует клетки, однако его наличие увеличивает риск развития саркомы Капоши, Неходжкинской лимфомы, и, возможно рака у молодых людей.

Люди, носители этих вирусов, имеют в три, десять раз больше шансов заболеть раком, чем все остальные.

Мы надеемся, что после знакомства с этой брошюрой  читатель разделит мнение авторов о том, что присутствие канцерогенов в окружающей среде не свидетельствует о неизбежности возникновения рака. Множество людей живут спокойно, избегая злокачественных опухолей, хотя обитают в том же «море канцерогенов». Несомненно, существует принципиальная возможность предупредить рак. Обнаружить канцерогены — это значит начать борьбу с ними. Канцерогены могут действовать на организм человека в любой период его жизни. Поэтому выявление и устранение возможного воздействия на организм человека различных канцерогенных факторов на протяжении всей его жизни является непременной составляющей профилактики рака.

Бычкова Г.Ю., Трич М.В.

Влияние алкоголя на организм человека

Алкоголь — это бесцветная спиртсодержащая жидкость, оказывающая успокаивающее и подавляющее действие на центральную нервную систему. Употребляется внутрь преимущественно в виде пива, вина или крепких напитков.

Мало кто из людей задумывается, что алкоголизм – это очень тяжелое заболевание, вызываемое систематическим принятием спиртных напитков.

Его симптомами являются постоянная потребность в алкоголе, психические, соматические и неврологические нарушения, уменьшение физической активности, снижение умственной работоспособности, деградация личности. У людей, страдающих алкоголизмом, места проживания не содержатся в надлежащем порядке, как и внешний вид их самих.

В  небольших дозах алкоголь оказывает действие стимулятора, который помогает снять напряжение в мышцах и расслабиться. Но проблема в том, что мало кто может удержаться на уровне малых доз потребления. Если доза алкоголя повышается, то его действие становится прямо противоположным. Алкоголь в больших дозах оказывает действие депрессанта, который угнетает психику, ослабляет волю человека, а также вызывает потерю интереса человека к своей жизни.

У женщин-алкоголиков в 2,5 раза больше, чем у здоровых непьющих женщин, различных заболеваний в области гинекологии, в основном ведущих к бесплодию.

Мозг является самым активным потребителем энергии. Отрицательное действие алкоголя на мозг связано с нарушением доступа кислорода к нейронам в результате алкогольной интоксикации. Алкогольное слабоумие, развивающееся при длительном употреблении алкоголя, является результатом гибели мозговых клеток.

Необратимые последствия интенсивного употребления алкоголя: повреждения мозговых функций, обусловленные поражением клеток коры больших полушарий — «думающей» области головного мозга. Вскрытие умерших даже в относительно молодом возрасте алкоголиков часто показывает существенное истощение мозга, особенно коры больших полушарий.

Вредное воздействие алкоголя сказывается на всех системах человеческого организма (нервной, кровеносной, пищеварительной). В настоящее время доказана пагубная роль алкоголизма в развитии острых и хронических заболеваний.

 

Болезни сердечно-сосудистой системы занимают ведущее место в структуре смертности населения. Под влиянием алкоголя поражается сердечная мышца, что ведет к тяжелым заболеваниям и смерти. При рентгеновском обследовании обнаруживается увеличение объема сердца, которое развивается не у всех больных, страдающих хроническим алкоголизмом, но может встречаться у больных со сравнительно небольшим алкогольным стажем. Даже у здоровых людей после большой дозы алкоголя могут проявляться нарушения сердечного ритма, но они постепенно самопроизвольно исчезают. Злоупотребление алкоголем способствует развитию и прогрессированию гипертонической болезни, ишемической болезни сердца, часто является непосредственной причиной инфарктов.

Болезни системы внешнего дыхании. Дыхание — синоним жизни. Это вдох и выдох, которые регулярно чередуются. Дыхательный процесс состоит из четырех этапов, и нарушение любого из них ведет к серьезному расстройству дыхания. У больных, страдающих 1-й стадией хронического алкоголизма, отмечается некоторая стимуляция функции внешнего дыхания: возрастает минутный объем дыхания, дыхание учащается. По мере развития болезни дыхание ухудшается, могут возникать различные заболевания (хронический бронхит, трахеобронхит, эмфизема легких, туберкулез). Часто алкоголь сочетают с табаком. При одновременном воздействии этих двух ядов их вредное влияние еще более возрастает. Табачный дым повреждает структуру альвеолярных макрофагов — клеток, защищающих легочную ткань от органической и минеральной пыли, обезвреживающих микробы и вирусы, уничтожающих погибшие клетки. Табак и алкоголь представляют серьезную угрозу для здоровья.

Желудочно-кишечная патология.

Больные хроническим алкоголизмом часто жалуются на нарушения деятельности желудочно-кишечного тракта, так как слизистая желудка первой воспринимает ядовитое воздействие алкоголя. При исследовании у них выявляют гастрит, язвенные болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. С развитием алкоголизма нарушается функция слюнных желез. Развиваются и другие патологические изменения.

Печень занимает особое положение среди органов пищеварительной системы. Это главная «химическая лаборатория» организма, которая выполняет антитоксическую функцию, участвует почти во всех видах обмена веществ: белковом, жировом, углеводном, водном. Под действием алкоголя функции печени нарушаются, что может привести к циррозу (перерождению) печени.

Дети алкоголиков, особенно если мать употребляла спиртное во время зачатия и беременности, могут родиться больными, слабыми, а также иметь ряд физических и умственных отклонений.

Любопытно то, что ни один алкоголик не признает никогда себя таковым, он до конца своих дней будет внушать себе и окружающим то, что он сможет отказаться от пьянства в любой момент или станет себя оправдывать в том, что именно сегодня уникальный повод выпить, когда нельзя отказаться и так далее. Или существует глубокое заблуждение в том, что все творческие люди любили выпить и, тем не менее, добились успеха. Сказок и оправданий можно придумать массу, но все эти доводы – простой самообман.

Белая горячка — самая тяжелая форма алкогольной интоксикации. Она дает 1-2% смертных исходовдаже при интенсивном медикаментозном лечении, а без лечения смертность может достигать 20%. Для белой горячки характерны галлюцинации, помрачение сознания и дезориентация; при этом отмечаются дрожь, возбуждение, учащенный пульс, высокое кровяное давление и лихорадка. Многие люди, имеющие алкогольную зависимость, в период детоксикации («сухой период») нуждаются в медицинской помощи. Этот период может длиться от одно го-двух дней до недели.

Продолжительность жизни.

Систематическое употребление алкоголя приводит к преждевременной старости, инвалидности; продолжительность жизни лиц, склонных к пьянству, на 15-20 лет короче средней статистической.

Человек, страдающий алкоголизмом, обманывает и себя, и других, а его жизнь является постоянной игрой с судьбой.

В гостях нет необходимости употреблять спиртные напитки, можно находиться в дружественной атмосфере и за чашечкой чая.

Осмыслив данную информацию, каждый из нас может определить, какой  жизненный путь выбрать для себя. И если это трезвая жизнь — это похвала Вам и Вашему окружению.

Источник информации: отдел организации медико-профилактической работы и психологической помощи.

Источник фотографий: отдел организации медико-профилактической работы и психологической помощи.

 

Кого таблетки лечат, а кого калечат? | Культура и стиль жизни в Германии и Европе | DW

Если лекарство подходит мужчине, то это еще не значит, что оно обязательно поможет и женщине. По результатам целого ряда исследований, проведенных немецкими учеными, в том числе, из Института гендерных исследований в медицине при центре Charité, немало медикаментов воздействуют на организмы представителей противоположных полов совершенно по-разному. Причина тому — гормональные и генетические различия между женщинами и мужчинами.

Мы вместе, но мы — разные

Многие немецкие производители лекарств не делят пациентов на мужчин и женщин — придерживаясь установки, что медикаменты, дескать, действуют на всех одинаково. А к участию в клинических исследованиях в Германии, как, впрочем, и во многих других странах, вообще чаще привлекают мужчин, чем женщин — помимо прочего, из-за того, что во время менструальных циклов, а также в период беременности у представительниц слабого пола сильно колеблется уровень гормонов, а это может внести путаницу в результаты исследования.

Так что при расчете дозировки лекарства для взрослого человека ориентиром обычно служит среднестатистический мужчина, масса тела которого равна 80 килограммам. Между тем среднестатистическая женщина весит всего 65 килограммов. Не говоря о различиях в обмене веществ и структуре тканей тела. Так, в крови женщин циркулирует много эстрогенов — гормонов, влияющих на механизм действия различных лекарственных препаратов.

А еще в женском организме процентное содержание жира выше, чем в мужском, в связи с чем в нем накапливается больше жирорастворимых субстанций. Да и женский желудочно-кишечный тракт работает медленнее, чем мужской. А это оборачивается тем, что некоторые лекарственные вещества дольше задерживаются в организме и больше влияют на его состояние. Иными словами, целый ряд препаратов, эффективно воздействующих на мужчин, недостаточно помогают женщинам. Приведем наиболее характерные примеры.

Ингибиторы АПФ

Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента — это группа природных и синтетических химических соединений, применяемых, среди прочего, для лечения и профилактики сердечной и почечной недостаточности, а также для снижения артериального давления. Как показали исследования, женщинам они помогают меньше, чем мужчинам. К тому же, прием таких лекарств чреват для представительниц прекрасного пола побочными реакциями — в частности, приступами сухого кашля и головными болями.

Аспирин

Ацетилсалициловая кислота — одно из наиболее часто назначаемых лекарств в мире и считается основным препаратом, применяемым для профилактики как первичного, так и повторного инфаркта миокарда, а также инсульта.

Но, как оказалось в результате одного из недавних исследований, более действенно она все-таки помогает мужчинам. А вот женщин, не достигших 60-летнего возраста, прием аспирина от первичного инфаркта совсем не спасет. Правда, справедливости ради надо отметить: риск инсульта у представительниц слабого пола это лекарство существенно снижает.

Бета-адреноблокаторы

Бета-адреноблокаторы — это важная группа препаратов, назначаемых пациентам с гипертонией и болезнями сердца. Но у женщин в связи с их приемом могут возникнуть проблемы. Дело в том, что лекарства, способствующие снижению артериального давления, разлагаются у них в печени медленнее, чем у мужчин. В результате такие кардиоселективные мета-блокаторы, как метопролол, оказывают на женщин более интенсивное воздействие и провоцируют опасные побочные эффекты: усталость, головокружение, снижение притока крови к рукам и ногам, заставляя конечности чувствовать онемение и холод.

Дигиталис

Дигиталис, препарат, синтезируемый из наперстянки красной, длительное время считался важнейшим лекарством для лечения кардиологических заболеваний. Но, как выяснили ученые, действие этого медикамента избирательно. Дигиталисная интоксикация чревата серьезными осложнениями, вплоть до летального исхода. В группе риска, в первую очередь, женщины.

Ибупрофен и парацетамол

Эти препараты, обладающие болеутоляющим, противовоспалительным и жаропонижающим действием, женский организм воспринимает иначе, чем мужской. Представительницам прекрасного пола они помогают лишь в течение короткого времени. И для того, чтобы на более длительный срок снять болезненные ощущения, женщины вынуждены увеличивать их дозировку — тем самым сильно рискуя причинить ущерб своим почкам.

Морфины и опиаты

Эти наркотические препараты, используемые в медицине для купирования сильных болей, значительно менее эффективны для женщин, чем для мужчин, поскольку в головном мозге у женщин содержится гораздо меньше опиоидных рецепторов, блокирующих передачу болевых сигналов от нервных клеток в клетки головного мозга. Но если повысить дозировку, то таких побочных эффектов, как потеря сознания, тошнота, рвота, практически не миновать.

Антидепрессанты и успокоительные

Ученые обнаружили, что антидепрессанты из группы селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (СИОЗС) более интенсивно воздействуют на женщин репродуктивного возраста, чем на мужчин — в том числе, усиливают их сексуальное влечение.

А вот прием таких успокоительных средств, как диазепам, нитразепам, оксазепам, чреват для женщин увеличением веса. Не говоря о том, что эти препараты тормозят функции центральной нервной системы и замедляют реакцию.

Виагра

Это лекарство, известное также как силденафил, — самый известный на рынке препарат, используемый для повышения потенции. Причем виагра популярна как среди мужчин, так и женщин. Правда, некоторые представительницы прекрасного пола принимают ее не только для того, чтобы улучшить качество своей сексуальной жизни. Медицинские эксперименты показали, что силденафил может помочь бесплодным женщинам забеременеть.

Происхождение жизни: гипотеза управляемого метаболизма

Возникновение менеджмента

Как и в случае с другими уровнями организации, соответствующее управление могло преодолеть барьер сотрудничества, с которым сталкивались самопроизводящие организации молекулярных видов. . Но что привело бы к появлению менеджмента в переходе от неживого к жизни? И какими характеристиками должен обладать менеджмент, чтобы эффективно управлять молекулярными организациями?

Главными кандидатами на роль первых менеджеров являются эволюционирующие коалиции полимеров, таких как РНК, которые обладают способностью каталитически вмешиваться в организации молекулярных видов (Stewart 1995, 2000, 2014).Первоначально РНК или другие коалиции могли просто грабить содержимое коллективно автокаталитических организаций, используя их для содействия собственному воспроизводству, а затем переходя к грабежу других организаций (например, используя в качестве « пищи » содержимое автокаталитической организации, которое включает в себя составляющих молекулы РНК). Важно отметить, что эти коалиции не участвовали бы во внутренних каталитических взаимодействиях и отношениях, которые имели место внутри организаций, которые они использовали.Коалиции динамично стояли бы вне организаций и присваивали бы необходимые им ресурсы [более подробно о природе этих отношений см. Salthe (1985)]. Способность делать это, вместе с их способностью к развитию и их потенциалом каталитического вмешательства в организации в одностороннем порядке, дала бы им потенциал для контроля и управления организацией в качестве протометаболизма.

Что может побудить эту РНК или другие коалиции реализовать свой потенциал стать менеджерами? Зачем им использовать свою силу, чтобы преодолеть барьер сотрудничества? Что привело бы к переходу от грабителей к менеджерам? Коалиции могли бы добиться преимущества, если бы открыли способы использовать свои развивающиеся каталитические способности для повышения производительности организации и управлять ею как протометаболизмом.Это связано с тем, что коалиции, которые могут повысить продуктивность организаций, могут получить от них большую выгоду для собственного использования. Наличие барьера для сотрудничества предоставило коалициям огромный потенциал для повышения своей приспособленности, делая именно это. Коалиции могут найти способы вмешательства в организации для поддержки совместных молекулярных видов, которые вносят вклад в продуктивность организации, но в противном случае не будут поддерживаться. Кроме того, они могут подавлять побочные реакции и других безбилетников, снижающих производительность (например,грамм. разложив первый катализатор в цепочке побочных реакций или предпочтительно поддерживая альтернативные процессы в организации, которые не вызывали побочных реакций).

Выбор будет отдавать предпочтение коалициям РНК, которые управляют химическими организациями таким образом, чтобы увеличить выгоды, которые они могут получить от организаций. В результате коалиции будут все больше отходить от простого грабежа и уничтожения организаций. Коалиции будут постепенно становиться более эффективными менеджерами, при этом каждая коалиция будет управлять определенной организацией как протометаболизмом, повышая продуктивность организации и увеличивая ресурсы, которые коалиция могла бы собирать на постоянной основе.Совпадение интересов могло бы возникнуть между коалицией и протометаболизмом, которым она управляла. Эта эволюционная последовательность в целом аналогична историческому переходу, который претерпели монгольские племена: они начинали как грабители, которые разрушали другие общества, а затем перешли к новым завоеваниям и грабежам. Но в конце концов монголы стали правителями завоеванных ими обществ, внедрив системы управления (менеджмента), которые повысили производительность обществ. Вместо того, чтобы разграбить общество однажды, они могли бы извлекать из него увеличенный поток выгод на постоянной основе.

Развитие управленческих способностей дало РНК «силу жизни и смерти» над белками, которые поддерживаются или подавляются ее каталитическими способностями. РНК имела право определять, могут ли эти белки существовать как члены организации. В основополагающей книге Мейнарда Смита и Сатмари (1995) об эволюционных переходах не удалось признать критическую важность использования власти менеджерами для обеспечения основных эволюционных переходов, включая переход от неживого к жизни.Мейнард Смит и Сатмари вместо этого утверждали, что использование власти таким образом в значительной степени ограничивается человеческим уровнем организации в форме вооруженной силы и / или консенсуса, навязанного большинством. Хотя это правда, что РНК не была вооружена, тем не менее, она могла обрести значительную власть над организацией. Именно эта сила позволила РНК преодолеть барьер кооперации.

Переход от химии к жизни

Эффективное развивающееся управление (будь то РНК или иное) позволило бы самопроизводительным организациям перейти от неживой химии к жизни.Как мы видели, неуправляемые, самостоятельно производящие химические организации могли исследовать только серьезно ограниченное пространство возможностей. Но эффективное, развивающееся управление изменило бы все. Это открыло огромные новые области возможностей для самопроизводящих организаций, позволяя им выйти далеко за рамки того, что возможно благодаря неуправляемым химическим взаимодействиям и процессам. Менеджмент открыл дверь к совершенно новым и доселе неизвестным организациям материи, которые сами производились.Для этого он контролировал химические процессы и манипулировал ими таким образом, чтобы они служили функциям и целям организации. Природа и функционирование составляющих организации больше не определялись только химией. Теперь они были продиктованы эволюционными потребностями организации в целом.

При комплексном отслеживании последствий составные части самопроизводящих организаций будут стремиться адаптироваться таким образом, чтобы это служило интересам организации. Как следствие, управляемые организации будут иметь тенденцию развиваться и адаптироваться как единое целое, способное развивать все характеристики индивидуальности.Напротив, неуправляемые автокаталитические организации походили на экосистемы — они могли содержать автокаталитические циклы и процессы, но не могли развиваться как индивидуумы (всестороннее управление и фиксация последствий являются предпосылками для полного проявления индивидуальности). В интересах своей индивидуальности управляемые организации могли исследовать новое обширное пространство возможных организационных форм, отношений, процессов и подсистем. Они не могли возникнуть в результате обычных химических процессов без надлежащего управления.С переходом к жизни на планете возник новый вид химии: управляемая химия. Управление было ключом к переходу от неживого к жизни.

С термодинамической точки зрения, менеджмент способствовал появлению в химических организациях совершенно новых видов материальных процессов, которые могли более эффективно рассеивать градиенты энергии. То же самое относится и к возникновению каждого последующего уровня живой организации: управление, которое делает возможным более широкое сотрудничество на каждом уровне, позволяет создавать новые, скоординированные процессы, которые усиливают рассеяние градиентов энергии.Кульминацией этой серии явлений, вероятно, станет возникновение кооперативного глобального образования. Если он возникнет, он будет активирован менеджментом, охватывающим всю планету (Stewart 2014). В сочетании с иерархией управления, действующей на более низких уровнях, это глобальное управление организует биосферу в целом для создания новых процессов в масштабе планеты, которые более эффективно рассеивают градиенты энергии. Многие из этих процессов будут управляться человеческими и технологическими силами.

Здесь также стоит отметить, что центральной функцией аппарата ДНК (и РНК до него) было не хранение информации. Его основное значение в эволюции жизни состояло в том, чтобы служить в качестве управления, которое позволяло преодолеть барьер сотрудничества, отделяющий химию от жизни. Хранение информации связано с основной функцией аппарата ДНК / РНК, которая заключается в управлении. Эффективное управление требует памяти.

Какой вид управления будет предпочтительнее при отборе?

Как мы видели, индивидуальный отбор, действующий на менеджеров, имел тенденцию к тому, чтобы менеджмент преодолел барьер сотрудничества, стоящий перед протометаболизмом.Но каковы конкретные характеристики, которые потребуются руководству, чтобы позволить ему максимально полно преодолеть барьер и получить преимущество при отборе? Какими формами управления можно было бы управлять наиболее эффективно?

Ограничения менеджеров, состоящих только из автокаталитических сетей

Основная функция менеджмента — преодолеть барьер сотрудничества, поддерживая молекулярные разновидности и процессы, которые полезны для организации, и подавляя побочные реакции и другие бесполезные процессы, которые не являются .Отбор будет благоприятствовать управлению, которое адаптировало свои меры контроля, чтобы гарантировать, что соответствующие молекулярные виды поддерживаются на оптимальном уровне, чтобы гарантировать стабильность и эффективность при изменении обстоятельств. В идеале эффективные менеджеры должны быть способны катализировать образование любого метаболического полимера, который может принести пользу организации. Менеджеры, которые были ограничены в своей способности катализировать полезные реакции в метаболизме, будут иметь тенденцию быть менее эффективными, чем те, которые не были так ограничены. Насколько эффективными были бы менеджеры, если бы они состояли только из автокаталитических сетей полимеров, в которых полимеры не самовоспроизводились посредством процесса, основанного на шаблонах (т.е. менеджеры, которые состояли только из сетей полимеров, которые были воспроизведены / воспроизведены только посредством коллективного автокатализа)?

Вполне возможно, что подходящие автокаталитические сети таких «управляющих полимеров» могут обладать некоторой способностью управлять протометаболизмом. Рассмотрим прото-метаболизм, включающий сети других полимеров (метаболических полимеров) и низкомолекулярные автокаталитические циклы и процессы. Вероятно, некоторые из членов управленческой автокаталитической сети могли бы катализировать по крайней мере некоторые полезные реакции в протометаболизме.Однако такие автокаталитические сети были бы очень ограничены в своих возможностях управления. Это связано с тем, что их возможность развития будет сильно ограничена по двум причинам: во-первых, они не смогут развиваться и исследовать пространство возможностей посредством процесса «копирования с ошибками». Во-вторых, как и все неуправляемые автокаталитические сети, они полностью столкнутся с препятствием для сотрудничества. Этот барьер для сотрудничества ограничит их изучение лишь небольшой части пространства каталитических возможностей и, следовательно, пространства полезных управленческих вмешательств.Было бы много мыслимых управляющих полимеров, которые могли бы катализировать полезные реакции в протометаболизме, которые не были бы устойчивыми в автокаталитической сети из-за барьера кооперации. Поскольку такие управленческие сети не смогут катализировать образование многих потенциально полезных метаболических полимеров, они не смогут реализовать многие полезные меры управления.

Например, рассмотрим менеджера, состоящего из автокаталитической сети (коалиции) молекул РНК, которые не самовоспроизводятся индивидуально посредством процесса, основанного на шаблонах.РНК управляет протометаболизмом, катализируемым белками. Из-за барьера сотрудничества, с которым сталкивается эта управленческая сеть, будет много видов молекул РНК, которые не будут устойчивыми в сети — их образование не будет катализироваться другими членами сети. Скорее всего, это будет включать в себя множество молекул РНК, которые могут катализировать образование определенных белков, которые могут быть полезны в протометаболизме, но не являются устойчивыми в протометаболизме из-за барьера кооперации, с которым сталкивается метаболизм.Эти метаболические белки могли бы, например, катализировать полезные реакции или способствовать созданию полезных структур, если бы они были способны сохраняться в протометаболизме благодаря поддержке соответствующей управляющей РНК. По этим причинам менеджеры, состоящие только из автокаталитических сетей РНК или других полимеров, не могут полностью преодолеть барьер сотрудничества, с которым сталкивается протометаболизм.

Превосходство управления с использованием цифрового кода

Учитывая серьезно ограниченные возможности управления менеджерами, состоящими только из автокаталитических сетей, существует ли другой тип молекулярной системы, которая не разделяет этих ограничений? Мы увидим, что если молекулярная система должна всесторонне управлять протометаболизмом, она должна иметь как минимум две характеристики:

1. а)

   В принципе, он должен обладать потенциалом для создания относительно неограниченного диапазона вмешательств в организацию, которой он управляет.

2. (б)

   Успех любого данного варианта вмешательства должен зависеть только от его вклада в организацию в целом, а не, например, от его способности внутренне конкурировать с другими вариантами.

Как мы видели, первое из этих требований не может быть выполнено менеджерами, состоящими только из автокаталитических сетей управленческих полимеров, которые реплицируются только коллективно и неспособны к самовоспроизведению на основе шаблонов.Однако его может удовлетворить управленческий полимер, который самовоспроизводится индивидуально посредством процесса копирования, приводящего к случайным ошибкам. В принципе, репликация и мутация такого управляющего полимера могла бы полностью исследовать пространство всех возможных комбинаций мономеров, которые могли бы быть включены в , такой управляющий полимер (это предполагает, что управляющий полимер связан с каталитическими механизмами). которые позволяют всем вариантным полимерам также самовоспроизводиться индивидуально.Однако, хотя ослабление этого предположения меняет детали аргументации, выдвинутой ниже, это не меняет его выводов о преимуществах управления с цифровым кодированием).

Поскольку такой управляющий полимер мог бы (в принципе) дать начало любому возможному полимеру такого рода посредством последовательностей мутаций, у него был бы потенциал для обнаружения и использования всех возможных каталитических эффектов, которые могут быть получены с помощью такого типа полимера . Например, такой менеджер, включающий полимеры РНК, мог бы (в принципе) обнаружить и использовать любой полимер РНК, который оказал благоприятное каталитическое действие на некоторые аспекты протометаболизма, которым он управляет. E.грамм. катализируя образование полезного белкового фермента. Конечно, на практике многие полимеры не будут обнаружены в какой-либо конкретной популяции управляемого протометаболизма. Это происходит потому, что, например, соответствующие мутации могут никогда не возникнуть, или потому, что конкретный управляющий полимер может быть достигнут только через последовательность мутаций, каждая из которых не является жизнеспособной. Однако это опять же не нарушает центральной направленности аргументации, выдвигаемой в этом разделе.

Может ли такая способность производить какой-либо управленческий полимер обеспечивать комплексное управление, по крайней мере в принципе? Рассмотрим метаболизм, который включает автокаталитическую сеть метаболических полимеров, таких как белки.Сможет ли менеджер, состоящий из самовоспроизводящихся РНК-полимеров, всесторонне преодолеть барьер кооперации для сети этих метаболических полимеров? Для этого менеджер должен иметь возможность катализировать на оптимальном уровне образование любого возможного метаболического полимера. Но это было бы невозможно. Хотя менеджер может (в принципе) производить любую возможную молекулу из управляющих полимеров , которые составляют его, могут быть полезны метаболических полимеров, образование которых не катализируется ни одним из них.

Как можно организовать менеджера, чтобы он в принципе мог катализировать производство любого возможного метаболического полимера? Управляющий мог бы сделать это, если бы управляющие полимеры служили шаблонами для производства метаболических полимеров, так что последовательность мономеров определялась последовательностью мономеров в управляющих полимерах. Поскольку способ воспроизведения управляющих полимеров (копирование с ошибками) может, в принципе, производить любой вариант управляющего полимера с любой последовательностью и длиной мономеров, такой процесс трансляции может (в принципе) производить любой возможный метаболический полимер (при условии, что что все метаболические мономеры кодируются управляющими полимерами).Рассмотрим снова пример менеджера, состоящего из полимеров РНК, которые самовоспроизводятся и служат в качестве шаблонов для производства метаболических полимеров белков. При таком расположении последовательность мономеров в полимере РНК будет действовать как цифровой код для последовательности мономеров в белках (Wilden 1980; Hoffmeyer and Emmeche 1991). В принципе, это могло бы стать основой для системы, способной производить любой возможный белок на оптимальном уровне с течением времени.

Второе требование для всестороннего управления состоит в том, что успех любого варианта вмешательства должен зависеть только от его вклада в организацию.Это условие было бы нарушено, если бы управляющие полимеры могли самовоспроизводиться независимо и, следовательно, конкурировать друг с другом. Если это произойдет, вариант, который произвел метаболический полимер, который был очень полезен для организации, мог бы оказаться вне конкуренции и неспособен сохраниться в менеджере или неспособен производить метаболический полимер на оптимальном уровне. Это , гораздо более ограниченная версия барьера сотрудничества, с которым сталкиваются автокаталитические сети, и его можно было бы преодолеть гораздо проще.

В частности, конкуренцию между управляющими полимерами можно было бы предотвратить, если бы все полимеры были ограничены таким образом, чтобы они могли воспроизводиться только вместе, как единое целое. Например, все управленческие полимеры могут быть связаны вместе, чтобы сформировать единое целое (например, единую хромосому), которое реплицируется как единое целое (Maynard Smith and Szathmáry 1993) [это аналогично на уровне человеческой организации единственному королю, правящему общества и связан строгими договоренностями о наследовании (Stewart 2000)].В качестве еще одного примера, который охватывает стандартный митоз и мейоз, управляющие полимеры могут быть связаны вместе с образованием небольшого количества объектов (опять же, например, хромосом), которые затем ограничиваются дополнительными механизмами, которые гарантируют, что они реплицируются вместе только тогда, когда клетка воспроизводится. , а затем только как единое целое (Ettinger 1986) [на уровне человеческого общества это аналогично конституции и связанным с ней мерам, которые ограничивают парламент (Stewart 2000)].

Таким образом, менеджеры, состоящие только из автокаталитических сетей несамовоспроизводящихся полимеров, не смогут преодолеть барьер сотрудничества, с которым сталкиваются протометаболизм, которым они управляют.Это связано с тем, что барьер сотрудничества, с которым сталкивается сама управленческая сеть, не позволяет ей поддерживать многие процессы, которые были бы очень полезны для протометаболизма. Однако это ограничение не распространяется на менеджер, состоящий из самовоспроизводящихся полимеров, которые сами способны катализировать метаболические полимеры, такие как белки. В принципе, такой менеджер сможет исследовать пространство всех возможных управленческих саморепликаторов. Но нет никакой гарантии, что управляющие саморепликаторы будут способны катализировать все возможные метаболические полимеры (например,грамм. РНК далеко не в состоянии катализировать образование всех возможных белков). Только менеджер, состоящий из самовоспроизводящихся полимеров, последовательность мономеров которых служит для определения последовательности мономеров в метаболических полимерах, может достичь этого (в принципе). Следовательно, менеджеры должны использовать цифровой код, если они хотят всесторонне преодолеть барьер сотрудничества, с которым сталкивается «аналогичный» протометаболизм молекулярных видов. «Аналогичные» менеджеры не могут этого сделать. Кроме того, необходимы дополнительные меры, чтобы ограничить управленческих саморепликаторов, чтобы предотвратить конкуренцию между ними на основе других критериев, кроме успеха вмешательств, которые они инициируют.

По этим причинам переход от неживого к жизни должен был подождать появления менеджмента, воплотившего такой цифровой код. До того, как появилось управление с цифровым кодированием, вероятно, возникли слои менее эффективных и менее эволюционирующих форм управления, основанных на « аналоговой информации », образующих иерархии управления (это могло включать уровни управления, состоящие из автокаталитических сетей несамовоспроизводящихся РНК, а также сети пептидов / белков или других полимеров).Возможный захват метаболизма, основанного на аналогии, управлением, основанного на цифровой информации, на человеческом уровне аналогичен процессуальному переописанию, которое происходит во время человеческого развития, когда процедурное знание переопределяется и расширяется декларативным знанием (Karmiloff-Smith 1992).

Цифровые устройства, воплощенные в генетическом аппарате, впоследствии были адаптированы эволюцией для преодоления барьера сотрудничества на других уровнях организации, например. обеспечить распределенное внутреннее управление, которое поддержало появление многоклеточных организаций, а также поддержало появление организаций многоклеточных организмов, таких как сообщества насекомых.Лишь с появлением сложных человеческих обществ новый вид цифрового кода появился в форме языка (Hoffmeyer and Emmeche 1991).

4 Какую роль играет жизнь в метаболизме планеты Земля? | Роль теории в развитии биологии XXI века: катализатор преобразовательных исследований

Ниже приведен неисправленный машинно-читаемый текст этой главы, предназначенный для предоставления нашим собственным поисковым системам и внешним системам богатого, репрезентативного для каждой главы текста каждой книги с возможностью поиска.Поскольку это НЕПРАВИЛЬНЫЙ материал, пожалуйста, рассматривайте следующий текст как полезный, но недостаточный прокси для авторитетных страниц книги.

4 Какую роль играет жизнь в метаболизме планеты Земля? В течение первых 3 миллиардов лет истории Земли вся жизнь была ограничена океан и был полностью микробиологическим. Эта жизнь была наэлектризованной. Самые ранние формы жизни разработал набор механизмов для извлечения энергии из химических веществ. вокруг них и от солнечного света, передавая электроны от одного элемента или молекула к другому.Вся жизнь на Земле продолжает полагаться на эту способность перемещать электроны, и реакции электронного переноса, изобретенные самыми ранними бактерии и передаются всем другим живым организмам, образуют вложенный набор биологически катализируемые элементные циклы. Элементные циклы связаны с геохимические и геофизические процессы, которые вместе поддерживали жизнь на Земле с момента начала геологической летописи около 3,8 миллиарда лет назад. В конечном итоге биологическое преобразование солнечной энергии в химическую энергию стал основным источником энергии для всего живого на поверхности Земли.Через неясную серию эволюционных явлений высшая энергия заявляют, что выделяющийся кислород является побочным продуктом расщепления воды; в атомы водорода использовались для образования органического вещества из углекислого газа. Энергия этого «первичного» органического вещества используется другими организмами. для энергии и роста. Кроме того, в результате накопление кислорода в атмосфере Земли создается большой химический энергетический потенциал, который в конечном итоге позволил организмам извлекать энергию из органических веществ. примерно в 18 раз эффективнее, чем без кислорода.Без прим- При такой реальной жизни в атмосфере Земли не было бы достаточно кислорода, чтобы поддерживать его нынешние формы жизни, включая человека. Основные отходы В этом дыхательном метаболизме, основанном на кислороде, являются вода и углекислый газ. Через серию симбиотических событий два основных и взаимозависимых мета метаболические пути — кислородный фотосинтез и аэробное дыхание — образуют 67

68 РОЛЬ ТЕОРИИ В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА основа всей сложной многоклеточной жизни на Земле.Их эволюционные истории, выведенные из последовательностей генов, являются частью глубоких записей все формы жизни произошли от нескольких общих предков. Метаболизм — универсальная особенность живых систем. Все организмы должны приобретать и преобразовывать энергию в формы, которые они могут использовать для создания новые клетки и ремонт старых. При этом все организмы обмениваются газами. со своим окружением. Газообмен предоставляет механизм для анализа метаболические пути и потоки в локальном и глобальном масштабах.Это очень важно связь между организмами и окружающей их средой. Когда организмы захватывают энергии и ресурсов и удаляют побочные продукты метаболизма, они не только формируют их местная среда, но в конечном итоге планетарная среда (Фраусто да Силва и Уильямс, 1996; Sterner and Elser, 2002). Хотя ан- экологические последствия метаболизма отдельного организма могут быть небольшие и локальные, метаболические эффекты больших скоплений организмов глобальны. Планета пригодна для жизни больших, многоклеточных, дышащих воздухом. животные нравятся людям только потому, что другие существа сделали их обитаемыми.Атмосфера также рассеивает тепло и сохраняет температуру, что позволяет для относительно устойчивых форм жизни. Потому что метаболизм организмов связаны друг с другом, с атмосферой и климатом, это область, где потенциал для теоретической унификации. Существуют консервативные метаболические пути, с помощью которых организмы захватывают, преобразовывать и рассеивать энергию. В этой главе рассматривается эволюция эти пути и взаимодействие энергетического метаболизма с ключевыми ма- вещества, такие как углерод и азот.Широкий взгляд на метаболизм взяты на протяжении всей главы. Считается как на уровне ячеек, так и организмов и на уровне экологических систем и всей биосферы. Этот многомасштабный подход важен, учитывая, что это комбинированный эффект. метаболизма отдельных организмов, которые могут повлиять на региональные и глобальные экологические условия. Важный вызов на стыке биологии, геохимии и физика состоит в том, чтобы понять, как развивалась глобальная метаболическая сеть, что обратная связь привела к ограниченным вариациям в составе газа атмосферы планеты и ограничения этих процессов на или- ганизмальные, экологические и геологические пространственные и временные масштабы.Понимание эта обширная глобальная метаболическая сеть требует разработки глобальных «систем». геобиология, корни которой лежат в истоках жизни на Земле и которая глубоко укоренился в фундаментальных физиологических путях жизни. «Системная геобиология» в этом отчете определяется как комплексное исследование включает геохимию, геофизику и другие науки об окружающей среде с геномикой, экофизиологией и математикой, чтобы понять процессы и механизмы обратной связи, влияющие на общий метаболизм Земли.Дальнейшая цель — улучшить нашу способность предсказывать отклики Земли. системы к внешним и внутренним возмущениям. Эта дисциплина так же нова, как и

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 69 это срочно необходимо и потребует значительных теоретических вложений, чтобы связать воедино его разнообразные компоненты. Коллективный метаболизм человеческих обществ, включающий в себя множество производственных процессов в дополнение к биологическим функциям человека, съедает огромное количество побочных продуктов.Человеческая деятельность изменила состав газов в атмосфере Земли, распределение воды в наземные экосистемы и режимы питательных веществ в реках и вдоль континентальных маржа по всему миру. Эти побочные продукты имеют последствия для естественного среды, которые поддерживают людей, а также влияют на биосферный метаболизм процессы путем изменения физической среды. Знание внутренней метаболизма имеет решающее значение для (1) понимания последствий нашего метаболизма на всех уровнях, (2) разработать и облегчить стратегии восстановления экосистемы, которые деградировали, но имеют решающее значение для жизнеобеспечения людей, и (3) уменьшают образование вредных побочных продуктов метаболизма и ускоряют их безопасная утилизация.Проблемы, решаемые системной геобиологией, имеют фундаментальное значение. в публичном дискурсе; эти вопросы включают понимание важности метаболизм для всего живого на Земле и степень, в которой конкретные метаболические процессы могут быть изменены для улучшения антропогенного воздействия на биогео- химические циклы. Системная геобиология выходит за рамки традиционных дисциплинарных границ. Для Например, глобальные метаболические потоки являются совокупным результатом конкретных возможности отдельных молекул, приводящие в действие отдельные клетки в различных организмы, которые сами взаимодействуют во многих различных сообществах.Повторно поиск в этой области требует опыта в микробиологии, энзимологии, протеине химия, клеточная биология, биофизика, сравнительная физиология, геохимия, и экология, среди прочего. Таким образом, эти темы требуют объединенного навыки ученых-физиков и биологов всех мастей. Практикующие эта новая наука должна работать на многих уровнях, начиная от геномики к атмосферным наукам. Широко интегративный подход к обучению физиологических наук, вероятно, будут неоценимы в обучении студентов физиологии Земли.«Такой междисциплинарный подход редко встречается в биологические учебные программы. Учебный план одного из возможных курсов может начинаться с обзор метаболических процессов архей и бактериальных клеток, очерк эволюции этих процессов на протяжении истории Земли, и в заключение обзор биогеохимических циклов биосферы. КОРНИ МЕТАБОЛИЗМА Способность приобретать энергию и преобразовывать ее в биологически пригодные формы (преобразование энергии) зависит от нескольких, практически неизменных, сложных моментов. лекционные машины.Эти машины катализируют реакции, в которых электроны переходят от восстановленных высокоэнергетических молекул к небольшому набору молекул которые действуют как приемники передачи энергии. Все известные преобразования энергии

70 РОЛЬ ТЕОРИИ В РАЗВИТИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА машины эволюционировали из микроорганизмов более 2,5 миллиардов лет назад и были распространяется во всех сферах жизни путем латерального переноса генов и эндосимбиозов. слуховые события. Относительно свободный обмен метаболическими машинами в начале история жизни привела к набору основных метаболических путей, общих для все организмы.Хотя биологи не имеют детального понимания как эти машины передачи энергии развивались на субклеточном уровне, эти общие молекулярные сущности теперь образуют взаимозависимый планетарный электрон рынок, где восстановители и окислители обмениваются по всему миру. Масштаб этого электронного рынка является планетарным, потому что газы, производимые все организмы, могут переноситься по поверхности Земли океаном и атмосфера. С метаболической точки зрения живые системы используют относительно небольшой набор сохранившихся древних путей.Огромное разнообразие метаболических путей можно разделить на наборы метаболических цепей, которые выполняют три различных Ent-функции (рисунок 4-1). Первый набор схем посвящен приобретению экологическая энергия. Живые системы собирают энергию из солнечного света и от неорганических и органических соединений, и они передают эту энергию переносчики электронов или водорода. Второй набор схем использует энергию реакции окисления или восстановления (окислительно-восстановительные) для перекачки ионов через мембраны для установления градиентов ионного заряда.Как только электрон принят, он течет вниз (в энергетическом смысле), пока цепь не замкнется за счет уменьшения акцептор электронов. Заряженная мембрана — это биологический конденсатор, который выполняет несколько различных функций, среди наиболее важных из которых синтез аденозинтрифосфата (АТФ), универсального высокоэнергетического соединение живых систем. Третий цикл реакций служит для использования источник углерода и богатых энергией молекул для синтеза новых органических соединения, и таким образом создавать новые клетки и ремонтировать старые.Все анаболические реакции, необходимые для производства клеток и тканей многоклеточных или- ганизмы попадают в эту категорию. В предыдущей главе обсуждалось разнообразие жизненных форм и функций. эта эволюция произвела. Напротив, универсальность генов, белки и соединения, которые участвуют в этих трех наборах метаболических путей заслуживает внимания (Benner et al., 2002). Молекулы, переносящие энергия, используемая различными живыми системами, по большей части одинакова и кажутся почти универсальной чертой жизни на этой планете.Организмы зазвонили- переход от анаэробных архей и бактерий к строго аэробным животным приняли никотин-адениндинуклеотид (НАД), флавины и хиноны в качестве своих энергоносители. Геномные данные показывают, что пути, используемые для синтеза эти соединения можно найти за пределами жизненного пространства. В реакции на передачу энергии обнаружены у архей и бактерий и являются присутствует и у эукариот в результате древнего эндосимбиоза (Neal- сын и Рай, 2005). Ферменты, ответственные за гидролиз АТФ и кодирующие их гены в изобилии присутствуют у большинства организмов.Те

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 71 РИСУНОК 4-1 — Три основных процесса энергетического метаболизма: (1) Форма образование восстановленных продуктов от солнечного света, органических молекул или неорганических восстановленных молекулы. Энергия передается восстановленному водороду или электронным носителям, которые затем используется непосредственно для анаболических реакций (3), для фиксации C или N, или для (2) образование аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ образуется при перекачивании 4-1 катионов (обычно протонов, H +) через полупроницаемую мембрану, чтобы установить градиент энт.Многие анаболические функции (3) требуют АТФ и / или восстанавливающих эквивалентов. ИСТОЧНИК: Перепечатано из Трактата по геохимии: Том 8, Биогеохимия, К. Х. Нилсон и Р. Рай, Эволюция метаболизма, страницы 41-61, Copyright 2005, с разрешения Elsevier. ферменты и гены были задействованы для выполнения множества других функций. ции, многие из которых теперь не имеют ничего общего с АТФ (Saier, 2000). Все три области жизни, похоже, используют одинаковые подходы к энергии. захват и трансдукция и одинаковые (или очень похожие) молекулы для выполнения эти две функции.Либо последний общий предок трех доменов уже развили эти процессы или эти процессы широко использовались изменился боковой передачей, и теперь общие процессы оказались

72 РОЛЬ ТЕОРИИ В РАЗВИТИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА лучше, чем их альтернативы. В любом случае вполне вероятно, что эволюция окислительно-восстановительной химии жизни (и разнообразия путей, которые она сейчас имеет) возникли очень рано в истории жизни, задолго до отложения первые макрофоссилии.Существует глобальная интеграция метаболизма планеты. Компози- Создание атмосферы и, следовательно, условий для жизни, является результатом баланс неорганических процессов и дополнительных метаболических процессов. Биогеохимическое напряжение между нитрификацией и денитрификацией и фотосинтез — хорошие примеры. Метаболизм живых систем и с физическим состоянием планеты связаны сложные и пока еще малоизвестные понятые отзывы. Важный вызов для будущего биологического наук заключается в налаживании сотрудничества с геонауками с целью понимание полной метаболической сети планеты.МЕТАБОЛИЗМ: КЛЕТОЧНЫЙ ПРОЦЕСС С ГЛОБАЛЬНЫМИ ПОСЛЕДСТВИЯМИ Изучение метаболических процессов во всех их проявлениях — объединяющая тема. в биологии. Изучение метаболизма, потока энергии и молекул в ячейки, практически на любом уровне организации представляет собой сложное предприятие, которое требует развития творческих концептуальных подходов и новых технологии (вставка 4-1). Одно из обещаний системной биологии (включая интеграцию транскриптомика, протеономика и метаболомика) заключается в разработке адекватных рабочие модели метаболической функции клеток.Установление связи между макромолекулярная структура и метаболическая функция также являются целью многих дисциплины по биологии, от физиологии организма до экосистемы и планетная экология. Действительно, междисциплинарный подход, который организует- мала, которую биологи используют для исследования функции целых организмов, может быть лучшая модель того, как преподавать, изучать и сообщать о метаболизме общественность (Федер, 2005). На более высоких уровнях организации концептуальные и технологические Проблемы столь же сложны, сколь и безотлагательны.Люди проявляют большое влияние на метаболические потоки планеты. Понимание взаимодействие биосферы и атмосферы требует интегрированного вклада биологии, атмосферная наука и геология. Роль и важность физиотерапии. биологические процессы растений, микроорганизмов и животных на обеих территориях. испытательной и морской среды на состав и поведение атмосферу еще необходимо полностью охарактеризовать. Процессы, которые формируют взаимодействия биосферы и атмосферы происходят во многих пространственных масштабах и могут происходят на протяжении десятилетий и столетий.Новые участники в этой системе продолжают быть открытыми, как археи, которые являются основными потребителями метана в бескислородные отложения (Raghoebarsing et al., 2006).

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 73 ВСТАВКА 4-1 Стабильные изотопы показывают глобальное влияние на метаболизм Наблюдение за ферментативными молекулярными эффектами на планетарном уровне показывает безмерность масштабов жизненного метаболизма.Примечательно, что эти сигналы глобального масштаба можно воссоздать в пробирках и теплицах. Как только исследователей, интересующихся системной биологией и отслеживанием эволюции биологических логические системы полагаются на нуклеиновые кислоты и полимеразную цепную реакцию (ПЦР), экологов, заинтересованных в измерении потоков энергии и материалов между компоненты экологических систем (от клеток до всей биосферы) все больше полагаются на анализ стабильных изотопов. Интерпретация сигналов стабильных изотопов метаболизма жизни требует сбора информации, полученной в результате исследования метаболических процессов на уровнях от клеток до широкого географического регионы.Все макромолекулы, составляющие жизнь, состоят из шести основных элементов. элементы: H, C, N, O, S и P. Из них первые пять имеют стабильные изотопы, которые могут отличаться своей массой. Ферменты, которые опосредуют метаболические реакции: часто чувствительны к различию энергий диссоциации молекул с разной энт изотопов в них. Следовательно, молекулы, содержащие изотопы разных массы по-разному включаются в продукты неполного метаболизма. реакции.Например, у кислородных автотрофов (организмов, использующих энергию от солнечного света для производства сахаров с выделением кислорода в качестве побочного продукта), Рубиско (ри- булозо-1,5-бифосфаткарбоксилаза-оксигеназа) связывает CO2 с образованием сахаров. Этот фермент распознает CO2, содержащий 13C, и производит сахара, которые сильно обеднен этим изотопом. Поскольку Рубиско — самый распространенный фермент на Земля и перерабатывает огромное количество СО2, существует значительное накопление 13C в органическом веществе, захороненном в литосфере и в изотопном составе. ция атмосферы.На суше фиксация CO2 меняется в зависимости от сезона и сезона. изменения концентрации 13C можно наблюдать в атмосферном воздухе. CO2 растворяется в океане с небольшой дискриминацией. Следовательно, 13C полезно различать CO2. поглощение наземной растительностью и растворением в океанах. Точно так же во время дыхания 16O (то есть O2, содержащий два атома 16O) является предпочтительным. обычно используется для окисления органических веществ, оставляя более тяжелый изотоп 18O в атмосфера. Напротив, фракционирование изотопов кислорода практически отсутствует. в фотосинтезе.Следовательно, вариации отношения 18O / 16O обеспечивают геохимический рамки для оценки того, насколько тесно связаны фотосинтез и дыхание геологические шкалы времени (Сауэрс, Бендер, 1995). Геологические записи S и изотопы N отражают степень окисления океанов и атмосферы, а также как периоды, когда системы Земли были сильно возмущены (например, из-за массы события вымирания). Понимание того, как земные системы отреагировали на эти возмущения и временной масштаб восстановления критически важны, так как человеческий возмущения потенциально могут привести к изменению атмосферы / климата планеты. режим, очень отличающийся от того, что люди испытали с момента эволюции человека разумного ~ 200000 лет назад.Это понимание требует интеграции знаний от физических основ изотопного фракционирования до молекулярных процессы, ответственные за наблюдаемые изотопные вариации. Биологам потребуется пройти обучение, чтобы они могли использовать новые инструменты, подобные этому, уровней организации и которые позволяют масштабировать последствия молекулярной детали функции метаболических ферментов до их глобальных эффектов.

74 РОЛЬ ТЕОРИИ В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА Поэтому изучение взаимодействий биосферы и атмосферы подчеркивает использование модельного моделирования (Moorcroft, 2006).Тем не менее, эти модели должны быть проинформированы лабораторными экспериментами, которые исследуют ответы организмов к изменениям в атмосфере и по надежным измерениям соответствующих газовых потоков. Для этого требуется сложный метод газообмена. одологии и методы дистанционного зондирования для увеличения масштабов нынешнего необходимость, единичные измерения относительно соответствующих географических Весы. До сих пор совместные модели биосферы и атмосферы в значительной степени избегали учитывая разнообразие функций организмов, составляющих настоящие экосистемы.Ясно, что модели биосферы-атмосферы пока не могут учитывать для всех деталей и всей биологической структуры в экосистемах. Тем не мение, можно было бы сгруппировать организмы в функциональные группы на основе влияние разнообразия физиологии на атмосферу. Действительно, экологи начали измерять вариативность функции микро- организмов и растений в глобальном масштабе, которые подходят для учета для взаимодействия биосферы и атмосферы. Обмен веществ в жизни меняется и продолжает изменять и формировать атмосферу.Но в атмосфере также сформировал жизнь. Чтобы выйти за рамки этого простого наблюдения, необходимо создать предсказательную науку о метаболизме биосферы и его влиянии на атмосфера. Сейчас это является серьезной проблемой для биологии, помогая продвигать науку о метаболизме Земли. Метаболизм внутри клетки имеет серьезные последствия для окружающей среды. ronment, в котором существует эта клетка. Например, крупномасштабное производство тепла. имеет решающее значение для сложного поведения многоклеточных животных и является основой для эндо- термический у млекопитающих и птиц.Крупномасштабное производство тепла также происходит в микробные сообщества в колониях термитов и муравьев и на уровне экосистемы, когда леса и фитопланктон рассеивают большую долю поглощенных со- энергия, тем самым изменяя тепловую структуру окружающей среды. (Льюис и др., 1990; Гейтс, 2003). Один механизм, участвующий в создании тепло включает два основных продукта преобразования энергии: АТФ и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NAD [P]). Первый требуется для катализа, синтеза макромолекул и конформации белков. тион.Последний необходим для окислительно-восстановительных реакций. Как соотношения АТФ / НАД (P) H контролируются на клеточном уровне до сих пор плохо изучены, но соотношение этих двух молекул имеет решающее значение для определения энергии преобразования ef- дееспособность. Избыточное производство АТФ может быть связано с экзэргоническими реакциями, тем самым рассеивая энергию в виде тепла. Фотосинтез, по-видимому, развился в раннем архее (> 3 млрд. лет назад), хотя когда именно, остается неясным. Изначально процесс почти наверняка был анаэробным; энергия солнца использовалась для извлечения электроны и / или протоны от молекул и элементов с относительно низкой энергией включая сероводород (h3S), двухвалентное железо (FeII) и даже предварительно сформированные органическое вещество (Ch3O) для химического восстановления CO2 с образованием органического вещества.

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 75 тер.К концу архея и раннему протерозою (примерно 2,5 млрд. лет назад), геохимические данные предполагают, что вода (h3O; восстановленная форма кислород) был окислен фотосинтезирующими организмами с образованием молекулярных кислород (O2). Захоронение фотосинтетически произведенного органического вещества в океанических отложениях позволил кислороду накапливаться в атмосфере Земли. Действительно, без захоронения органического вещества — геологически контролируемого процесс — Земля осталась бы анаэробной. Медленный подъем кислорода через середину и конец протерозоя навсегда изменили метаболические сети которые впоследствии возникли в первой половине истории Земли.Кислород — это чрезвычайно сильный окислитель; в сочетании с окислением органических веществ, он дает до 18 раз больше энергии, чем анаэробный метаболизм. Эволюционно- кислородом в атмосфере Земли и океанах «сверхзаряженный» биологический метаболизм, в конечном итоге способствуя гораздо более быстрому метаболическому потоку элементов через биологические системы. Использование кислорода в качестве стока электронов формирует основа другого метаболического пути — аэробного дыхания. Этот путь первоначально развился в микроорганизмах, а затем был захвачен посредством эндо- симбиоз с другими микроорганизмами, образуя эукариотические клетки.Эукариотический клетки, составляющие основу всей «сложной» многоклеточной жизни животных, поэтому являются результат сдвига метаболизма Земли на использование кислорода. Подавляющее большинство углерода на Земле хранится в литосфере ( внешняя твердая часть Земли) примерно в соотношении неорганических углерод (карбонаты) и органическое вещество. Органическое вещество представляет собой доля восстановленных эквивалентов (например, электронов), которые были удалены через биологический метаболизм, тем самым позволяя окислять земные поверхность.В геологических масштабах времени влияние биологического метаболизма на CO2 в атмосфере может быть перевешен другими источниками. Значительная вариация- в содержании СО2 в атмосфере Земли, по-видимому, в первую очередь реакция на тектоническую активность (Бернер, 2004). Небиологические источники, такие как вулканизм также может иметь большое влияние на содержание CO2 в атмосфере. На однако в более коротком временном масштабе концентрация СО2 в атмосфере троллируется в основном за счет обмена с океаном и биосферой (Фальковский и другие., 2000). Как метаболические пути приспосабливаются к изменениям CO2 в геологическое время масштабы остаются неясными. Некоторые микробные организмы могут использовать несколько различные метаболические пути. Джоши и Табита (1996) открыли ком- регуляторный контур мон, который регулирует баланс между фотосинтезом, дыхание и азотфиксация внутри этих бактерий. В фотосинтезе клеток, окончательный выбор метаболического пути может заключаться в том, как баланс между хлоропластами и митохондриями контролируется (Нисбет и Фаулер, 2005).Это интригующее предположение еще предстоит исследовать и проверить, но оно имеет большое значение для понимания сложного сочетание уровней углерода в атмосфере, метаболизма отдельных организмов, и чистый эффект метаболизма целых сообществ.

76 РОЛЬ ТЕОРИИ В РАЗВИТИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА Еще одна область, созревшая для теоретических и концептуальных открытий, — это роль микроорганизмов в метаболизме растений и животных (вставка 4-2).ПЕРЕСЕЧЕННЫЕ ВОПРОСЫ ОБ МЕТАБОЛИЗМЕ Метаболизм всего организма можно описать простой молекулярной схемой. терки продуктов, но процессы, которые формируют эти модели, остаются плохо понял. Одна из задач биологии — установить четкий механизм: тиковые связи между структурой и функцией. Эта задача распространяется на разные уровни организации. Например, понимание влияния метаболизма на как работают экосистемы, требует установления связей между структурами и функция.Структура в этом масштабе определяется как состав и изобилие. танец видов, а функция определяется как интегрированный метаболизм биологическое сообщество, включая дыхание, первичную продуктивность, разложение скорость позиционирования, нитрификация, денитрификация и другие функции. Биологи давно знали, что две переменные оказывают глубокое влияние на метаболические потоки в организме: размер тела и температура. Эффект эти два фактора влияют на несколько метаболических функций (аэробное дыхание) и в небольшом количестве таксонов (животных) был тщательно изучен.Скорость известно, что аэробное дыхание пропорционально размеру тела, увеличенному до показатель степени. Дыхание, как и все метаболические процессы, также зависит от температуры. Совместное влияние размера тела и температуры на скорость аэробного дыхания может быть описана как произведение мощности функция размера тела (называемая аллометрической функцией) и функция Аррениуса- Уравнение Больцмана, связывающее скорость биохимических реакций с температура (Gillooly et al., 2001). Недавний шквал теоретических исследований пытается объяснить не только кажущаяся универсальная зависимость аэробного дыхания от тела массы и температуры, а также предполагаемую повсеместность значения ¾ в показатель степенной функции, которая связывает скорость метаболизма с телом размер.Теории привели к предположению, что ценность этой силы следствие структуры систем, распределяющих кислород и питательные вещества в организмах (West et al., 1997). Теория была расширена к наземным сосудистым растениям и привел к замечательному предсказанию, что скорость фотосинтеза и дыхание также должны зависеть от массы растения. в ¾ степени. Это теоретическое исследование сопровождалось попытками включить эти отношения в упражнения по масштабированию, которые позволяют прогнозировать экосистему. такие свойства уровня, как метаболический баланс океанов и про продуктивность и скорость разложения в наземных экосистемах (López-Urrutia и другие., 2006). Эти расчеты показывают, что оценки первого порядка о масштабы этих процессов можно определить, зная о размерах

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 77 ВСТАВКА 4-2 Роль микробных сообществ в метаболизме Чтобы выяснить структуру биологического сообщества, биологам необходимо определить: Я знаю, сколько существует видов и их относительная численность.Отвечая на эти вопросы сложнее, чем кажется, особенно для микроскопических организмов которые составляют основу метаболизма большинства экосистем. Большая часть эти микроорганизмы нельзя охарактеризовать традиционным подходом изоляция и культура. Методы метагеномики, как описано во вставке 3-2, позволяют исследовать структуру микробных сообществ и связать эти структура с метаболической функцией. Метагеномика также позволяет исследовать микробные сообщества. которые живут практически во всех высших организмах.Фактически, наше теоретическое понимание — Теперь изучение метаболизма должно включать осознание того, что все организмы — от от растений до беспозвоночных и млекопитающих — имеют ассоциированное микробное сообщество это влияет на многие аспекты их физиологии, включая метаболизм. Анализ метагеномов различных связанных с хозяином микробных сообществ. используется для диагностики функциональных метаболических различий между сообществами (Tringe et al. др., 2005). Его также можно использовать для оценки пространственной неоднородности метаболических процессов. функционируют в едином сообществе и меняются с течением времени.Например, различаются- различия в физиологии питания у особей одного вида могут быть формируется различиями в метаболических возможностях их питательных симбионтов. Рут Лей и ее сотрудники (Ley et al., 2006) недавно обнаружили большие различия в составе микробного сообщества тучных и худощавых людей. В сопутствующее исследование той же группы, Пол Тернбо (Turnbaugh et al., 2006) перенесли микробиоту тучных мышей на тощих мышей без микробов.Эти повторно здоровые мыши извлекали из пищи больше калорий и набирали немного больше жира. чем мыши, получавшие микробиоту от тощих мышей. Хотя эти результаты должны быть интерпретированные осторожно (причина и следствие неясны), их результаты предполагают, что различия в эффективности извлечения калорий из пищи могут определяться состав микробиоты кишечника. В более общем плане результаты подчеркивают, как дополняются метаболические возможности многоклеточных животных и растений, а иногда значительно расширяются за счет их симбиотических микробов.Подразумеваемые катионы этой комплементарности важны не только для изучения метаболизма. но также для изучения здоровья, развития и эволюции. Есть много оп- возможности для развития теорий, объясняющих и предсказывающих влияние эти микробные сообщества на многоклеточных организмах. Метагеномные исследования один из новаторских подходов, основанных на геномике, который позволит эмпирическое тестирование таких теорий, открывая интригующие направления научных исследований, которые будут включать микробиологи с диетологами, физиологами и экологами.Текущих технологий было достаточно, чтобы показать огромные перспективы. метагеномических подходов, но детальное понимание микробной коммуникации Связи, которые могут содержать тысячи видов, потребуют значительного прогресса. Самый что важно, теоретические успехи в понимании того, что контролирует сообщество как- сборка, структура и стабильность будут очень важны при выборе технологии разработать и какие эксперименты делать.

78 РОЛЬ ТЕОРИИ В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА распространение организмов, которые структурируют эти экосистемы, и от температура, при которой они работают.То, что было названо метаболической теорией экологии, имеет много дефектов. тракторы. Детали его теоретической основы подверглись критике, и были поставлены под сомнение повсеместность и универсальность правила-силы. Кроме того, в закономерностях, выявленных подходом, могут быть большие ошибки. около прогнозируемых значений. Хотя у теории, несомненно, есть ограничения, это смелая и многообещающая попытка. Повсеместность степенных функций связь метаболической функции с размером тела и важностью температуры биологические процессы неоспоримы.Проблема не в том, чтобы отклонить теории, но чтобы проверить ее, найти случаи, в которых она терпит неудачу, и изменить и укрепите его, чтобы повысить его мощность. Задача состоит в том, чтобы объяснить не только ген- общие тенденции в этих отношениях размер-температура-метаболизм, но также детали, которые заставляют некоторые системы отклоняться от них. Метаболическая теория должен быть связан с молекулярными деталями метаболической архитектуры живые системы. Величина метаболизма организма — это результат обратной связи между «целым», понимаемым как целый организм, и «части», истолкованные как клеточный и субклеточный механизмы.Есть ли митохондрия «знает», что она находится внутри мыши или слона, и ведет себя иначе предсказуемым образом? Поскольку большая часть функционала белки происходят из ядерного генома, есть прочная основа для таких связь. Природа этих обратных связей остается неясной и является плодородной областью. расследования. Полная метаболическая теория свяжет детали структура метаболических путей в клетках и органеллах с «макросом» закономерности, которые могут различить биологи, и что метаболическая теория стремится объяснять.Биологи еще далеки от этой цели. Хотя метаболическая теория жизни все еще строится, метаболическая теория экологии вынудила биологов, чтобы попытаться найти простоту в закономерностях, создаваемых кажущиеся сложными процессами и дал проблеск надежды на выполнимость задачи. Хотя сохранение метаболических путей очевидно, некоторые сюрпризы цены появились в последние годы в отношении размера, температуры, измерения таболизм в отношениях. Один из них — открытие чрезвычайно медленно растущих микроорганизмы глубоко в земных отложениях (Dâ € ™ Hondt et al., 2002). Те организмы растут так медленно, что практически невозможно измерить газ обменяться со своим окружением, но они не малы по сравнению с другими микроорганизмы. Напротив, открытие глубоководных гидротермальных источников выявили наличие симбиотических хемоавтотрофных бактерий, ассоциированных с многочисленными беспозвоночными (животными), живущими при очень высоких температурах, богатые сульфидами воды, исходящие из морских вулканов. Эти два примера предполагают, что отношения температура-размер-скорость метаболизма получены из наблюдения за многоклеточными животными и высшими растениями, вероятно, не могут быть экстрапозиционными. связаны с микробными сообществами.И все же основные термодинамические процессы, которые

КАКУЮ РОЛЬ ЖИЗНЬ ИГРАЕТ В МЕТАБОЛИЗМЕ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ? 79 контролировать скорость метаболизма, а именно. температура по-прежнему применяется. Ясно, что «аномалии» предполагают, что выявленные до сих пор модели не универсальны и что инвестировать Дальнейшая теоретическая работа, направленная на понимание этих взаимосвязей, быть высокопроизводительным. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Системная геобиология и такие подходы, как метагеномика, пересекаются традиционные дисциплинарные границы.Отвечая на вопросы, которые они задают, требует сочетания навыков ученых-физиков (включая компьютерные науки- физики, физики и химики) и биологи. Например, глобальный метаболический потоки являются совокупным результатом конкретных возможностей отдельных мол- ecules, питающие отдельные клетки различных организмов, которые сами взаимодействуют во многих разных сообществах. Таким образом, глубокое понимание эти потоки потребуют ввода из таких разнообразных областей, как энзимология, белок химия, клеточная биология, биофизика, сравнительная физиология и экология, просто чтобы перечислить некоторые из необходимых областей знаний биологов.Понимать- метаболизм биосферы потребует, чтобы технологии, разработанные для измерять метаболические процессы в малых масштабах быть уточненными и масштабируемыми до приближения собственно широкие временные и пространственные масштабы. Эти технологии включают совмещение измерений стабильных изотопов и газообмена с дистанционными зондирование и математическое моделирование. Пока что изучение метаболизма Земли был основан на теоретических основах, обеспечиваемых термодинамикой. ику и законы химического равновесия. В следующей главе обсуждается Проблема в том, что для того, чтобы понять, как на самом деле работают клетки, биологи будут необходимо дополнить эти рамки другими подходами, которые более реалистично в масштабе ячеек.Возможно, более точное понимание клеточного метаболизма будет способствовать лучшему пониманию планетного метаболизм. Это наблюдение подчеркивает, что практики этого нового наука должна комфортно работать в разных масштабах — от геномики до атмосферные науки через клеточную и органическую биологию. Широко инте- благодарный тренировочный подход физиологических наук может быть неоценимым для обучения студентов «физиологии Земли», такой как биологическая, геологическая, и атмосферные процессы, которые способствуют глобальным биогеохимическим потокам элементов и поддерживать эту планету вдали от термодинамического равновесия.Глубокое понимание процессов и взаимодействий, которые связывают биосфера и геосфера обладают огромным потенциалом для выработки решений к социальным проблемам. Например, можно задать один вопрос: «Какие ключевые биологические реакции, если их катализировать в промышленных масштабах, сделать переход к устойчивости? »Очевидно фотохимическое расщепление воды потенциально может предоставить водород в качестве бесконечного энергоносителя, и поэтому потенциально может свести на нет необходимость сжигания ископаемого топлива.

80 РОЛЬ ТЕОРИИ В СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ БИОЛОГИИ 21 ВЕКА Точно так же способность эффективно фиксировать N2 могла бы изменить надвигающийся кризис эвтрофикация прибрежных вод во всем мире. За последнее столетие люди кардинально изменили мировую окружающая среда, добыча ресурсов и энергии для содействия экономическому росту и развитие. Многие ценные ресурсы, такие как фиксированные неорганические нитро- ген и органический углерод, необходимы для производства продуктов питания и топлива.Эти биологически важные молекулы неэффективно производятся химического синтеза или отсутствуют в достаточном количестве. В следующем столетии основной задачей общества станет развитие или перестроить метаболические пути, в первую очередь на основе микробных систем, чтобы значительно ускоряют потоки материалов и энергии. Один из главных выходов приходит из понимания метаболических путей и преобразования энергии процессы должны заменить технологии, разработанные в 19 и 20 веках с устойчивыми биологическими процессами.

Какова гипотеза происхождения жизни, основанная на первом метаболизме? • Ясно указано

Какое место занимает метаболизм в происхождении жизни?

Тайна происхождения жизни до конца не разгадана. Когда мы изучаем клетки (даже относительно простые клетки), нас завораживает красота и сложность их макромолекул, таких как гены и белки, а также сложность клеточного метаболизма. Клеточный метаболизм — это сумма всех контролируемых химических реакций, выполняемых клеткой.

Когда вы едите и перевариваете яблоко, например, кусочки этого яблока передаются вашим клеткам через кровоток. Затем метаболизм каждой клетки превращает кусочки яблока в новые части клетки.

Как видно из этой метаболической диаграммы, даже бактериальные клетки выполняют множество тщательно контролируемых химических реакций.

Чарльз Дарвин и те, кто продолжает его работу, ясно показали, что процесс биологической эволюции (иногда называемый «дарвиновской эволюцией») способен создавать очень сложные структуры и системы.Проблема в том, что для того, чтобы биологическая эволюция работала, вам нужно начать с чего-то, что способно копировать себя и видоизменяться. Вам нужно что-то, способное к самовоспроизведению.

Большинство людей, изучающих происхождение жизни, работают с идеей, что макромолекулы (цепочки аминокислот, которые являются строительными блоками белков, цепочки РНК или что-то подобное), возможно, были первыми саморепликаторами — рудиментарными развивающимися формами жизни в мире. и сами по себе.

В нашем видео о гипотезе мира РНК мы показываем, что (в специальных лабораторных условиях) цепи РНК могут действовать как шаблоны для собственной репликации.Они могут мутировать. Они также могут складываться в трехмерные формы, некоторые из которых могут играть активную роль в их собственном выживании! Многие возразят, что эти цепочки РНК живые. Тем не менее, мы еще не знаем, как эти эволюционирующие молекулы могли появиться на безжизненной планете. Мы не уверены, будут ли они «пребиотически правдоподобными».

Согласно этой гипотезе «сначала макромолекулы», часто предполагается, что метаболизм — это не то, о чем нам нужно беспокоиться, когда мы изучаем происхождение жизни.Как только первые эволюционирующие макромолекулы адаптировались, а в некоторых случаях эволюционировали, чтобы сотрудничать друг с другом, то, что мы называем «метаболизмом», возникло автоматически.

Может показаться странным, что что-то такое сложное можно изготовить бесплатно, но в качестве аналогии: если вы хотите нарисовать зебру, вам не нужно рисовать черные полосы, а затем также рисовать белые полосы. Белые полосы просто идут на прогулку.

По большей части, метаболическая диаграмма, подобная этой, показывает нам химические реакции, вызываемые макромолекулами, когда они взаимодействуют друг с другом и небольшими молекулами, поступающими из окружающей среды.Эта диаграмма просто показывает, как макромолекулы взаимодействуют друг с другом. Биологи уже понимают, как развивается сотрудничество между разными организмами, и мы уже знаем, что макромолекулы могут развиваться так же, как организмы. Нам не нужно никаких специальных объяснений метаболизма.

Проблема в том, что мы до конца не знаем, как появились первые эволюционирующие макромолекулы. Прежде чем естественная химия Земли могла произвести цепочки аминокислот или РНК, вероятно, потребовалось создать большие концентрации отдельных аминокислот или единичных строительных блоков РНК.

Эксперименты, моделирующие различные среды ранней Земли, действительно производят аминокислоты, но вместе с ними производят всевозможный мусор. Ученые называют это проблемой осадка или «парадоксом дегтя».

Существует ли этот парадокс из-за того, что мы смотрим на неправильные типы окружающей среды с неправильными типами химических реакций? Вполне возможно! Ранняя Земля (как и современная Земля) была огромным местом с миллионами химически уникальных сред. Как мы могли надеяться сузить круг вопросов, чтобы найти подходящую среду — такую, которая могла бы производить строительные блоки жизни в высоких концентрациях?

Вот где начинают помогать гипотезы о метаболизме.В настоящее время существует несколько совершенно разных гипотез о первом метаболизме, но все они имеют одно общее утверждение: какой-то аспект современного метаболизма должен был существовать до того, как были произведены первые макромолекулы. Идея о том, что метаболизм появился на первом месте!

Вернемся к нашей аналогии: зебра может быть хотя бы частично черной с белыми полосами вместо белой с черными полосами.

Некоторые исследователи изучают то, что они называют пребиотическими автокаталитическими наборами. Это простые циклические химические реакции, которые, как утверждают некоторые люди, могут иметь дарвиновскую эволюцию сами по себе.Однако это утверждение еще не было продемонстрировано.

Другие исследователи, такие как Грег Спрингстин и Рам Кришнамурти, придерживаются гораздо более мягкого подхода. Вместо того, чтобы искать простые химические реакции, которые могли бы развиваться сами по себе, они считают, что изучение метаболизма может помочь нам выяснить, какие конкретные типы окружающей среды могут породить жизнь. Их логика такова: если бы существовала древняя среда, которая производила макромолекулы (некоторые из которых способны к репликации и эволюции), естественный отбор одобрил бы любую макромолекулу, которая оказалась способной развернуться и усилить химические реакции окружающей среды, которые ее произвели (или это строительные блоки) в первую очередь.Такое поведение увеличит шансы этой макромолекулы на воспроизводство.

Если это так, то где-то среди этих сложных диаграмм современного клеточного метаболизма может все еще существовать приблизительный набросок тех ранних химических реакций в окружающей среде — метаболические окаменелости! Понимание этих реакций поможет нам понять типы окружающей среды, способные вызывать эти реакции. Мы смогли открыть природу колыбели жизни!

Это было бы похоже на инопланетянина, изучающего химию, атмосферу и температуру внутри человеческого космического корабля, чтобы понять, как это может выглядеть на планете, с которой пришли люди.

Уже найдено несколько возможных метаболических окаменелостей. Это было сделано путем поиска метаболических реакций, характерных для отдаленно родственных организмов. Эволюционная логика подсказывает нам, что общие черты, вероятно, самые старые. Самые старые метаболические реакции, вероятно, наиболее похожи на реакции, которые произошли в среде, где впервые зародилась жизнь.

Одним из таких кандидатов в окаменелости является обратный цикл Кребса (также называемый обратным циклом лимонной кислоты), который обычно встречается у микробов.Это разновидность цикла в наших собственных клетках, но она очень многообещающая, поскольку питается углекислым газом и водородом. Эти молекулы очень распространены на планетах в нашей солнечной системе и были бы обычным явлением на ранней Земле.

Цикл связывает эти простые молекулы для производства более крупных продуктов. Затем они захватываются различными метаболическими путями для образования сахаров, жиров, аминокислот и, в конечном итоге, макромолекул.

Большинство реакций в современном круговороте управляются высокоразвитыми макромолекулами — теми самыми вещами, которые, как мы думаем, не существовали на ранней Земле.

Тем не менее, Трент Стаббс и его коллеги тщательно изучили каждый этап цикла и обнаружили группу подобных реакций, которые происходят без макромолекул. Они работают в очень мягких условиях, производят почти все продукты, полученные в обратном цикле лимонной кислоты (включая строительные блоки-прекурсоры для макромолекул), и все это делается с очень небольшим количеством отходов. Эти реакции полностью исключают парадокс дегтя!

Это очень многообещающее начало. Теперь идея состоит в том, чтобы либо модифицировать, либо объединить эту систему с другими метаболическими окаменелостями, чтобы найти систему, которая генерирует полные макромолекулы из двуокиси углерода, водорода и других простых исходных молекул.Затем геологи могли бы выяснить, какие типы окружающей среды могли поддерживать эту химию. Мы могли бы смоделировать эту среду в лаборатории и, надеюсь, стать свидетелями естественного появления макромолекул, полностью способных к неограниченной дарвиновской эволюции. Это были бы рудиментарные формы жизни!

Это маловероятно, но вполне возможно.

Итак, какова первая гипотеза метаболизма? На самом деле их несколько. Некоторые из них сосредоточены на автокаталитических наборах, другие на метаболических окаменелостях.Все они основаны на идее, что некоторые аспекты современного клеточного метаболизма существовали естественным образом в окружающей среде еще до того, как были произведены гены и белки.

Читать полную стенограмму

Необходим ли метаболизм? на JSTOR

Абстрактный

Метаболизм — критерий жизни. Различают три чувства. Самый слабый позволяет сильному A-Life: виртуальные существа, имеющие физическое существование в компьютерной электронике, но не тела, классифицируются как «живые».Второй исключает сильный A-Life, но допускает, чтобы некоторые небиохимические роботы A-Life могли быть классифицированы как живые. Третий, который подчеркивает самопроизводство тела путем распределения энергии и самоуравновешивающихся обменов энергией некоторой (необходимой) сложности, исключает как сильных A-Life, так и живых небиохимических роботов.

Информация о журнале

Текущие выпуски теперь размещены на веб-сайте Chicago Journals. Прочтите последний выпуск. Начиная с 1950 года, The British Journal for the Philosophy of Science (BJPS) представляет лучшие новые работы в этой дисциплине.Международный лидер в области философии науки, BJPS демонстрирует выдающиеся исследования по множеству тем, от природы моделей и симуляций до математического объяснения и фундаментальных проблем в физических, биологических и социальных науках. Журнал, публикуемый от имени Британского общества философии науки, предлагает новаторские и заставляющие задуматься статьи, которые открывают новые области исследований или проливают новый свет на известные проблемы.

Информация об издателе

С момента своего основания в 1890 году в качестве одного из трех основных подразделений Чикагского университета, University of Chicago Press взял на себя обязательство распространять стипендии высочайшего стандарта и публиковать серьезные работы, которые способствуют образованию, способствуют общественному пониманию. , и обогатить культурную жизнь.Сегодня Отдел журналов издает более 70 журналов и сериалов в твердом переплете по широкому кругу академических дисциплин, включая социальные науки, гуманитарные науки, образование, биологические и медицинские науки, а также физические науки.

Метаболизм

— Энциклопедия Нового Света

Визуальный обзор метаболизма с акцентом на учет углерода.

Метаболизм (от μεταβολισμος, «метаболизм») — это биохимическая модификация химических соединений в живых организмах и клетках.Это включает в себя как анаболизм (биосинтез сложных органических молекул), так и катаболизм (распад сложных молекул с образованием как энергоносителей, так и основных строительных блоков), при этом продукты как анаболизма, так и катаболизма необходимы для поддержания, роста и движения. , и размножение.

Метаболизм включает сложные и часто интерактивные биохимические реакции, обычно поддерживаемые ферментами и часто координируемые анаболическими и катаболическими гормонами. Для целей анализа и концептуализации метаболизм обычно характеризуют в терминах метаболических путей, которые представляют собой определенную последовательность стадий, катализируемых ферментами.Общий обмен веществ включает в себя все биохимические процессы организма. Клеточный метаболизм включает в себя все химические процессы в клетке.

Метаболизм — это объединяющий аспект всех форм жизни, причем самые сложные формы жизни зависят от некоторых из тех же метаболических путей, что и у одноклеточных организмов. Знания о метаболизме накапливались за период более 400 лет, особенно в первой половине двадцатого века, благодаря экспериментам и исследованиям сотен ученых-исследователей.Основные метаболические процессы были синтезированы и стандартизированы в Таблицу промежуточного метаболизма . Ни один организм не использует все реакции на схеме, но все организмы используют некоторый набор реакций. Таблица промежуточного метаболизма вывешивается на стенах лабораторий биохимии и молекулярной биологии, подобно вывешиванию Периодической таблицы элементов на стенах химических лабораторий.

История

Санторио на своем безменом балансе

Термин «метаболизм» происходит от греческого слова «изменение» или «ниспровержение».»

Первые контролируемые эксперименты по метаболизму человека были опубликованы Санторио Санторио (1561–1636) в 1614 году в его книге « Ars de Statica Medecina, », которая прославила его на всю Европу. Он описал свою длинную серию экспериментов, в которых он взвешивался на стуле, подвешенном на безальных весах, до и после еды, сна, работы, секса, голодания, лишения питья и выделения. Он обнаружил, что большая часть еды, которую он принимал, выводилась из организма через perspiratio Insensibilis (нечувствительное потоотделение).

Клеточный метаболизм

Клеточный метаболизм — это сумма множества текущих индивидуальных процессов, посредством которых живые клетки обрабатывают молекулы питательных веществ и поддерживают жизненное состояние.

Метаболизм имеет два отдельных подразделения.

• Анаболизм — это набор процессов, в которых клетка использует энергию и восстанавливающую мощность (способность химически восстанавливать, то есть добавлять электроны к молекуле) для создания сложных молекул и выполнения других жизненных функций, таких как создание клеточной структуры.
• Катаболизм — это набор процессов, при которых клетка расщепляет сложные молекулы, чтобы получить молекулы, несущие энергию и уменьшающие ее.

Несколько метаболических путей в клетке.

Клеточный метаболизм включает чрезвычайно сложные последовательности контролируемых химических реакций, называемых метаболическими путями.

Метаболические пути

Большое разнообразие метаболических путей организовано по двум темам, анаболизм и катаболизм, которые описаны ниже.

Анаболизм

Анаболизм — это часть метаболизма, в результате которой образуются более крупные молекулы.

Анаболизм — это набор метаболических процессов, которые создают органические соединения из более мелких компонентных молекул и в дальнейшем имеют тенденцию собирать их таким образом, чтобы «наращивать» органы и ткани. Эти процессы поддерживают рост и дифференциацию клеток, увеличение размеров тела и размножение. Примеры анаболических процессов включают рост и минерализацию костей и увеличение мышечной массы.

Анаболические пути, которые создают строительные блоки и соединения из простых предшественников, включают следующее:

• Гликогенез (превращение глюкозы в гликоген, запасную молекулу глюкозы)
• Глюконеогенез (образование глюкозы из несахарных углеродных субстратов)
• Путь синтеза порфирина (порфирин образует комплекс с атомом металла, например гем комплекса железо-порфирин, который находится в крови человека).
• Путь HMG-CoA редуктазы, ведущий к холестерину и изопреноидам.
• Вторичные метаболические пути производят молекулы, которые не являются необходимыми для роста, развития или воспроизводства, но могут повысить выживаемость во время стресса окружающей среды.
• Фотосинтез
  • Светозависимая реакция зеленых растений (световая реакция или реакция фотосинтеза, требующая света)
  • Светонезависимая реакция растений (темновая реакция или реакция фотосинтеза, которая не требует наличия света)
• Цикл Кальвина (реакция фотосинтеза, происходящая в строме хлоропластов)
• Фиксация углерода (превращение диоксида углерода в более крупные молекулы углерода)
• Глиоксилатный цикл (реакция, включающая превращение двух молекул ацетил-КоА в оксалоацетат)

Катаболизм

Катаболизм включает метаболические процессы, которые часто расщепляют молекулы на более мелкие единицы, а также дают молекулы, несущие энергию.Катаболические химические реакции в живой клетке разрушают большие полимерные молекулы клетки (полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки) на составляющие их мономерные единицы (то есть моносахариды, нуклеотиды и аминокислоты соответственно).

Клетки используют мономеры для создания новых полимерных молекул или разборки их до простых клеточных метаболитов (молочная кислота, уксусная кислота, диоксид углерода, аммиак, мочевина и т. Д.).

Создание клеточных метаболитов — это процесс окисления, включающий высвобождение химической свободной энергии, часть которой теряется в виде тепла, а часть сохраняется, поскольку высвобождаемая энергия стимулирует синтез аденозинтрифосфата (АТФ).Гидролиз АТФ (то есть расщепление АТФ в реакции с водой) впоследствии используется для запуска почти каждой энергоемкой реакции в клетке. Таким образом, катаболизм обеспечивает химическую энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности клетки.

Примеры катаболических процессов включают расщепление мышечного белка с целью использования аминокислот в качестве субстратов для глюконеогенеза и расщепление жира в жировых клетках (жировые клетки) до жирных кислот.

Анаболические и катаболические сигналы

Поскольку одновременное протекание анаболических и катаболических процессов в клетках контрпродуктивно, существует множество сигналов, которые включают анаболические процессы и выключают катаболические процессы, и наоборот.Большинство известных сигналов — это гормоны и молекулы, участвующие в самом метаболизме. Эндокринологи (те, кто изучает эндокринную систему, систему желез без протоков, которые выделяют определенные гормоны в кровоток) традиционно классифицируют многие гормоны как анаболические или катаболические.

• Классические анаболические гормоны включают:

• Классические катаболические гормоны включают:
  • Кортизол
  • Глюкагон
  • Адреналин и другие катехоламины
  • Цитокины

• Гормоны, недавно идентифицированные как связанные с балансом катаболического и анаболического состояний, включают:
  • Орексин и гипокретин (пара гормонов)
  • Мелатонин

Общие пути

Четыре основных метаболических пути:

Общие катаболические пути

В следующем разделе обсуждается катаболизм углеводов, катаболизм жиров, катаболизм белков и катаболизм нуклеиновых кислот.

Катаболизм углеводов

Катаболизм углеводов — это расщепление углеводов на более мелкие единицы. Эмпирическая формула углеводов, как и их мономерных аналогов, — C _X (H _2Y O _Y ). Углеводы буквально сгорают, поскольку клетка высвобождает и улавливает большое количество энергии в своих связях. Митохондрии клетки необходимы для катаболизма, поскольку они являются участками окислительного фосфорилирования, процесса переноса электронов, который преобразует высокоэнергетические молекулы НАДН, образующиеся в результате катаболизма углеводов, в наиболее легко переносимую и используемую молекулу энергии клетки, аденозинтрифосфат (АТФ).

Гладкая эндоплазматическая сеть отвечает за некоторый углеводный обмен. Например, в печени клетка расщепляет полисахаридный гликоген. В конце концов, гликоген превратится в глюкозу и попадет в кровь, но сначала он расщепится на фосфат глюкозы, ион, который, если высвободится, повредит клетки крови. Фермент, обнаруженный в мембране гладкой эндоплазматической сети, катализирует удаление фосфата с выделением чистой глюкозы.

Катаболизм жиров

Катаболизм жиров , также известный как липидный катаболизм , — это процесс расщепления липидов или фосфолипидов липазами. Противоположностью катаболизма жиров является анаболизм жиров, связанный с накоплением энергии и построением мембран.

Катаболизм белков

Катаболизм белков — это расщепление белков на аминокислоты и простые производные соединения для транспорта в клетку через плазматическую мембрану и, в конечном итоге, для полимеризации в новые белки посредством совместного функционирования рибонуклеиновых кислот (РНК) и рибосом.

Катаболизм жирных кислот

Жирные кислоты — важный источник энергии для многих организмов. Триглицериды, или молекулы, которые хранят жирные кислоты, дают более чем в два раза больше энергии при той же массе, чем углеводы или белки. Все клеточные мембраны состоят из фосфолипидов, каждый из которых содержит две жирные кислоты. Жирные кислоты также обычно используются для модификации белков, и все стероидные гормоны в конечном итоге происходят из жирных кислот.

Таким образом, метаболизм жирных кислот включает в себя как катаболические процессы, которые генерируют энергию и первичные метаболиты из жирных кислот, так и анаболические процессы, которые создают биологически важные молекулы из жирных кислот и других пищевых источников углерода.

Жирные кислоты являются важным источником энергии, потому что они как восстановленные, так и безводные. Выход энергии из грамма жирных кислот составляет примерно 9 ккал (39 кДж) по сравнению с 4 ккал / г (17 кДж / г) для белков и углеводов. Поскольку жирные кислоты являются неполярными молекулами, они могут храниться в относительно безводной (безводной) среде. Углеводы, с другой стороны, более гидратированы и, следовательно, более поляризованы. Например, один грамм гликогена (из углеводов) может связать примерно два грамма воды, что соответствует 1.33 ккал / г (5,6 кДж / г). Это означает, что жирные кислоты могут удерживать в шесть раз больше энергии.

Другими словами, если бы человеческое тело полагалось на углеводы для хранения энергии, тогда человеку нужно было бы нести 67,5 фунта (31 кг) гликогена, чтобы иметь эквивалентную энергию десяти фунтов (пяти килограммам) жира.

Другой метаболизм

Метаболизм лекарств

В путях метаболизма лекарств используются специализированные ферментные системы для модификации или разложения лекарств и других ксенобиотических соединений (химические вещества, обнаруженные в организме, которые обычно не производятся или не ожидаются, либо присутствуют в необычно высоких концентрациях).Примеры включают следующее:

• Оксидазная система цитохрома P450
• Флавинсодержащая монооксигеназная система
• Метаболизм алкоголя

Метаболизм азота

Метаболизм азота включает пути обмена и выделения азота в организмах, а также биологические процессы биогеохимического цикла азота:

• Цикл мочевины, важен для выведения азота в виде мочевины.
• Биологическая азотфиксация
• Ассимиляция азота
• Нитрификация
• Денитрификация

Ссылки

• Альбертс, Б.2002. Молекулярная биология клетки, , четвертое издание. Наука о гирляндах. ISBN 0-8153-3577-6
• Миттендорфер, Б. Половой диморфизм в метаболизме липидов человека. J. Nutr. 135: 681-686.
• Радзюк, Дж. 1991. Печень и метаболизм гликогена. Журнал парентерального и энтерального питания 15 (3): 77S-81S

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Сохранение и эволюционная модульность метаболизма | Genome Biology

1.

Каспи Р., Ферстер Х., Фулчер К.А., Хопкинсон Р., Ингрэм Дж., Кайпа П., Крамменакер М., Пейли С., Пик Дж., Ри С.И., Тиссье С., Чжан П., Карп П.Д.: MetaCyc: мультиорганизм база данных метаболических путей и ферментов. Nucleic Acids Res. 2006, 34: D511-516. 10.1093 / нар / gkj128.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

2.

Канехиса М., Гото С., Хаттори М., Аоки-Киношита К.Ф., Ито М., Кавасима С., Катаяма Т., Араки М., Хиракава М.: От геномики к химической геномике: новые разработки в KEGG. Nucleic Acids Res. 2006, 34: D354-357. 10.1093 / нар / gkj102.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

3.

Green ML, Karp PD: Байесовский метод определения отсутствующих ферментов в базах данных прогнозируемых метаболических путей. BMC Bioinformatics.2004, 5: 76-10.1186 / 1471-2105-5-76.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

4.

Ма Х., Цзэн А.П. Реконструкция метаболических сетей по данным генома и анализ их глобальной структуры для различных организмов. Биоинформатика. 2003, 19: 270-277. 10.1093 / биоинформатика / 19.2.270.

PubMed CAS Статья Google ученый

5.

Пэли С.М., Карп П.Д.: Оценка расчетных прогнозов метаболических путей для Helicobacter pylori.Биоинформатика. 2002, 18: 715-724. 10.1093 / биоинформатика / 18.5.715.

PubMed CAS Статья Google ученый

6.

Пинни Дж. У., Ширли М. В., МакКонки Г. А., Вестхед Д. Р.: metaSHARK: программа для автоматического прогнозирования метаболической сети на основе последовательности ДНК и ее применения к геномам Plasmodium falciparum и Eimeria tenella . Nucleic Acids Res. 2005, 33: 1399-1409. 10.1093 / нар / gki285.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

7.

Ромеро П., Вагг Дж., Грин М.Л., Кайзер Д., Крамменакер М., Карп П.Д.: Расчетное прогнозирование метаболических путей человека на основе полного генома человека. Genome Biol. 2005, 6: R2-10.1186 / GB-2004-6-1-R2.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

8.

Ромеро П.Р., Карп П.П.: Использование функциональной и организационной информации для улучшения компьютерного прогнозирования единиц транскрипции в масштабах всего генома в базах данных генома путей.Биоинформатика. 2004, 20: 709-717. 10.1093 / биоинформатика / btg471.

PubMed CAS Статья Google ученый

9.

Чжу Д., Цинь З.С.: Структурное сравнение метаболических сетей в отобранных одноклеточных организмах. BMC Bioinformatics. 2005, 6: 8-10.1186 / 1471-2105-6-8.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

10.

Чжон Х, Томбор Б., Альберт Р., Олтвай З. Н., Барабаши А.Л .: крупномасштабная организация метаболических сетей.Природа. 2000, 407: 651-654. 10.1038 / 35036627.

PubMed CAS Статья Google ученый

11.

Альберт Р., Чон Х., Барабаси А. Л.: Устойчивость к ошибкам и атакам сложных сетей. Природа. 2000, 406: 378-382. 10.1038 / 35019019.

PubMed CAS Статья Google ученый

12.

Арита М: метаболический мир Escherichia coli не мал.Proc Natl Acad Sci USA. 2004, 101: 1543-1547. 10.1073 / pnas.0306458101.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

13.

Берг Дж, Лассиг М., Вагнер А: Структура и эволюция сетей взаимодействия белков: статистическая модель для динамики связей и дупликаций генов. BMC Evol Biol. 2004, 4: 51-10.1186 / 1471-2148-4-51.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

14.

Butland G, Peregrin-Alvarez JM, Li J, Yang W, Yang X, Canadien V, Starostine A, Richards D, Beattie B, Krogan N, Davey M, Parkinson J, Greenblatt J, Emili A: сеть взаимодействия, содержащая сохраненные и незаменимые белковые комплексы в Escherichia coli . Природа. 2005, 433: 531-537. 10.1038 / природа03239.

PubMed CAS Статья Google ученый

15.

Шаран Р., Сутрам С., Келли Р.М., Кун Т., МакКайн С., Уетц П., Ситтлер Т., Карп Р.М., Идекер Т.: консервативные паттерны взаимодействия белков у многих видов.Proc Natl Acad Sci USA. 2005, 102: 1974–1979. 10.1073 / pnas.0409522102.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

16.

Ямада Т., Канехиса М., Гото С. Извлечение модулей филогенетической сети из метаболической сети. BMC Bioinformatics. 2006, 7: 130-10.1186 / 1471-2105-7-130.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

17.

Ким Х.С., Миттенталь Дж. Э., Каэтано-Аноллес G: MANET: отслеживание эволюции белковой архитектуры в метаболических сетях. BMC Bioinformatics. 2006, 7: 351-10.1186 / 1471-2105-7-351.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

18.

Peregrin-Alvarez JM, Tsoka S, Ouzounis CA: Филогенетическая степень метаболических ферментов и путей. Genome Res. 2003, 13: 422-427. 10.1101 / gr.246903.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

19.

Раваш Э., Сомера А.Л., Монгру Д.А., Олтвай З.Н., Барабаши А.Л .: Иерархическая организация модульности в метаболических сетях. Наука. 2002, 297: 1551-1555. 10.1126 / science.1073374.

PubMed CAS Статья Google ученый

20.

Ривес А.В., Галицкий Т. Модульная организация сотовых сетей. Proc Natl Acad Sci USA. 2003, 100: 1128-1133. 10.1073 / pnas.0237338100.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

21.

Корк Дж. М., Пуругганан М. Д.: Эволюция молекулярно-генетических путей и сетей. Биологические исследования. 2004, 26: 479-484. 10.1002 / bies.20026.

PubMed CAS Статья Google ученый

22.

Чжао Дж, Дин Г.Х., Тао Л., Ю Х, Ю Чж, Ло Дж. Х., Цао З. В., Ли YX: Модульная коэволюция метаболических сетей. BMC Bioinformatics. 2007, 8: 311-10.1186 / 1471-2105-8-311.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

23.

Краймер А., Боренштейн Е., Гофна Ю., Руппин Е.: Эволюция модульности в бактериальных метаболических сетях. Proc Natl Acad Sci USA. 2008, 105: 6976-6981. 10.1073 / pnas.0712149105.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

24.

Snel B, Huynen MA: Количественная оценка модульности в эволюции биомолекулярных систем. Genome Res. 2004, 14: 391-397. 10.1101 / гр.1969504.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

25.

Бернал А., Эр У., Кирпидес Н: База данных Genomes OnLine (GOLD): мониторинг геномных проектов по всему миру. Nucleic Acids Res. 2001, 29: 126-127. 10.1093 / nar / 29.1.126.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

26.

Peregrin-Alvarez JM, Yam A, Sivakumar G, Parkinson J: PartiGeneDB — сопоставление частичных геномов. Nucleic Acids Res. 2005, 33: D303-307. 10.1093 / нар / gki109.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

27.

Parkinson J, Anthony A, Wasmuth J, Schmid R, Hedley A, Blaxter M: PartiGene — построение частичных геномов. Биоинформатика. 2004, 20: 1398-1404. 10.1093 / биоинформатика / bth201.

PubMed CAS Статья Google ученый

28.

Ginsburg H: Caveat emptor: ограничения автоматизированной реконструкции метаболических путей в Plasmodium . Trends Parasitol. 2009, 25: 37-43. 10.1016 / j.pt.2008.08.012.

PubMed CAS Статья Google ученый

29.

Фришман Д., Альберманн К., Хани Дж., Хойманн К., Метаномски А., Цолльнер А., Мьюз Х. У.: Функциональная и структурная геномика с использованием PEDANT. Биоинформатика. 2001, 17: 44-57. 10.1093 / биоинформатика / 17.1.44.

PubMed CAS Статья Google ученый

30.

Мальцев Н., Гласс Е., Сулахе Д., Родригес А., Сайед М. Х., Бомпада Т., Чжан Ю., Д’Суза М.: PUMA2 — высокопроизводительный анализ геномов и метаболических путей на основе сетки. Nucleic Acids Res.2006, 34: D369-372. 10.1093 / нар / gkj095.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

31.

Claudel-Renard C, Chevalet C, Faraut T, Kahn D: Фермент-специфические профили для аннотации генома: PRIAM. Nucleic Acids Res. 2003, 31: 6633-6639. 10.1093 / нар / gkg847.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

32.

Перегрин-Альварес Дж. М., Паркинсон Дж.: Глобальный ландшафт разнообразия последовательностей.Genome Biol. 2007, 8: R238-10.1186 / gb-2007-8-11-r238.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

33.

Freilich S, Goldovsky L, Ouzounis CA, Thornton JM: Метаболические инновации в направлении человеческого происхождения. BMC Evol Biol. 2008, 8: 247-10.1186 / 1471-2148-8-247.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

34.

Футерман А.Х., Ханнун Ю.А.: Сложная жизнь простых сфинголипидов.EMBO Rep. 2004, 5: 777-782. 10.1038 / sj.embor.7400208.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

35.

Паттни К., Бантинг G: метаболизм Ins (1,4,5) P3 и семейство киназ IP3-3. Сотовый сигнал. 2004, 16: 643-654. 10.1016 / j.cellsig.2003.10.009.

PubMed CAS Статья Google ученый

36.

Ramstedt B, Slotte JP: Мембранные свойства сфингомиелинов.FEBS Lett. 2002, 531: 33-37. 10.1016 / S0014-5793 (02) 03406-3.

PubMed CAS Статья Google ученый

37.

Rehr SS, Janzen DH, Feeny PP: L-Dopa в семенах бобовых: химический барьер для нападения насекомых. Наука. 1973, 181: 81-82. 10.1126 / science.181.4094.81.

PubMed CAS Статья Google ученый

38.

Икеда Х., Исикава Дж., Ханамото А., Шиносе М., Кикучи Х., Сиба Т., Сакаки Ю., Хаттори М., Омура С.: Полная последовательность генома и сравнительный анализ промышленного микроорганизма Streptomyces avermitilis .Nat Biotechnol. 2003, 21: 526-531. 10.1038 / nbt820.

PubMed Статья Google ученый

39.

Bok JW, Hoffmeister D, Maggio-Hall LA, Murillo R, Glasner JD, Keller NP: Геномный майнинг для Aspergillus натуральных продуктов. Chem Biol. 2006, 13: 31-37. 10.1016 / j.chembiol.2005.10.008.

PubMed CAS Статья Google ученый

40.

Танигучи Н., Миёси Э, Гу Дж., Хонке К., Мацумото А. Расшифровка функций сахара путем идентификации целевых гликопротеинов.Curr Opin Struct Biol. 2006, 16: 561-566. 10.1016 / j.sbi.2006.08.011.

PubMed CAS Статья Google ученый

41.

Ohtsubo K, Marth JD: гликозилирование в клеточных механизмах здоровья и болезней. Клетка. 2006, 126: 855-867. 10.1016 / j.cell.2006.08.019.

PubMed CAS Статья Google ученый

42.

Sun J, Xu J, Liu Z, Liu Q, Zhao A, Shi T, Li Y: Уточненный метод филогенетических профилей для прогнозирования белок-белковых взаимодействий.Биоинформатика. 2005, 21: 3409-3415. 10.1093 / биоинформатика / bti532.

PubMed CAS Статья Google ученый

43.

Грин М.Л., Карп П.Д.: Результаты вычислений в базе данных путей зависят от онтологии путей. Nucleic Acids Res. 2006, 34: 3687-3697. 10.1093 / нар / gkl438.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

44.

Перейра-Леал Дж. Б., Аудит Б, Перегрин-Альварес Дж. М., Узунис, Калифорния: экспоненциальное ядро ​​в сердце сети взаимодействия дрожжевых белков.Mol Biol Evol. 2005, 22: 421-425. 10.1093 / molbev / msi024.

PubMed CAS Статья Google ученый

45.

Кроган Нью-Джерси, Кэгни Дж., Ю Х, Чжун Дж., Го Х, Игнатченко А., Ли Дж., Пу С., Датта Н., Тикуисис А. П., Пунна Т., Перегрин-Альварес Дж. М., Шалес М, Чжан Х, Дэйви М., Робинсон, доктор медицины, Пакканаро А., Брей Дж. Э., Шунг А., Битти Б., Ричардс Д. П., Канадиен В., Лалев А., Мена Ф, Вонг П., Старостин А., Канете М. М., Власблом Дж., Ву С., Орси К. и др. : Глобальный ландшафт белковых комплексов в дрожжах Saccharomyces cerevisiae .Природа. 2006, 440: 637-643. 10.1038 / природа04670.

PubMed CAS Статья Google ученый

46.

Танака Т., Икео К., Годжобори Т. Эволюция метаболических сетей за счет усиления и потери ферментативной реакции у эукариот. Ген. 2006, 365: 88-94. 10.1016 / j.gene.2005.09.030.

PubMed CAS Статья Google ученый

47.

Zhang Y, Li S, Skogerbo G, Zhang Z, Zhu X, Zhang Z, Sun S, Lu H, Shi B, Chen R: Филофенетические свойства топологии метаболических путей, выявленные в результате глобального анализа.BMC Bioinformatics. 2006, 7: 252-10.1186 / 1471-2105-7-252.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

48.

Michell RH: Производные инозита: эволюция и функции. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008, 9: 151-161. 10.1038 / nrm2334.

PubMed CAS Статья Google ученый

49.

Helenius A, Aebi M: Внутриклеточные функции N-связанных гликанов.Наука. 2001, 291: 2364-2369. 10.1126 / science.291.5512.2364.

PubMed CAS Статья Google ученый

50.

Эрнандес-Монтес Дж., Диас-Мехиа Дж. Дж., Перес-Руэда Е., Сеговия Л.: Скрытое универсальное распределение биосинтетических сетей аминокислот: геномная перспектива его происхождения и эволюции. Genome Biol. 2008, 9: R95-10.1186 / gb-2008-9-6-r95.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

51.

Дженсен Р.А.: Привлечение ферментов в эволюцию новой функции. Annu Rev Microbiol. 1976, 30: 409-425. 10.1146 / annurev.mi.30.100176.002205.

PubMed CAS Статья Google ученый

52.

Спирин В., Гельфанд М.С., Миронов А.А., Мирный Л.А.: Метаболическая сеть в эволюционном контексте: многомасштабная структура и модульность. Proc Natl Acad Sci USA. 2006, 103: 8774-8779. 10.1073 / pnas.0510258103.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

53.

Кампильос М., фон Меринг С., Йенсен Л. Дж., Борк П.: Идентификация и анализ эволюционно связанных функциональных модулей в белковых сетях. Genome Res. 2006, 16: 374-382. 10.1101 / гр.4336406.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

54.

Шеннон П., Маркиел А., Озьер О., Балига Н.С., Ван Дж. Т., Рэймидж Д., Амин Н., Швиковски Б., Идекер Т.: Cytoscape: программная среда для интегрированных моделей сетей биомолекулярного взаимодействия.Genome Res. 2003, 13: 2498-2504. 10.1101 / гр.1239303.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

55.

Parkinson Lab. [http://www.compsysbio.org/projects/metabolism]

56.

Janssen P, Enright AJ, Audit B, Cases I, Goldovsky L, Harte N, Kunin V, Ouzounis CA: COmplete GENome Tracking (COGENT ): гибкая среда данных для вычислительной геномики. Биоинформатика. 2003, 19: 1451-1452.10.1093 / биоинформатика / btg161.

PubMed CAS Статья Google ученый

57.

COGENT База данных. [http://cgg.ebi.ac.uk/services/cogent/]

58.

Thalassiosira Genome Project. [http://genome.jgi-psf.org/thaps1/thaps1.home.html]

59.

Институт Броуда. [http://www.broad.mit.edu]

60.

PartiGeneDB. [http://www.partigenedb.org]

61.

Bairoch A, Apweiler R: База данных последовательностей белков SWISS-PROT и дополнение к ней TrEMBL в 2000 году. Nucleic Acids Res. 2000, 28: 45-48. 10.1093 / nar / 28.1.45.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

62.

Киотская энциклопедия генов и геномов. [http://www.genome.jp/kegg/]

63.

Etzold T, Argos P: SRS — инструмент индексирования и поиска для библиотек данных плоских файлов. Comput Appl Biosci.1993, 9: 49-57.

PubMed CAS Google ученый

64.

Таксономия NCBI. [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/]

65.

Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ: Gapped BLAST и PSI- BLAST: новое поколение программ поиска по базам данных белков. Nucleic Acids Res. 1997, 25: 3389-3402. 10.1093 / nar / 25.17.3389.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

66.

Лопес-Бигас Н., Де С., Тейхманн С.А.: Функциональная дивергенция белков в эволюции Homo sapiens. Genome Biol. 2008, 9: R33-10.1186 / gb-2008-9-2-r33.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

67.

Pellegrini M, Marcotte EM, Thompson MJ, Eisenberg D, Yeates TO: Назначение функций белков с помощью сравнительного анализа генома: филогенетические профили белков. Proc Natl Acad Sci USA. 1999, 96: 4285-4288. 10.1073 / pnas.96.8.4285.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

68.

Вольф Ю.И., Рогозин И.Б., Кондрашов А.С., Кунин Е.В.: Выравнивание генома, эволюция организации прокариотического генома и прогнозирование функции генов с использованием геномного контекста. Genome Res. 2001, 11: 356-372. 10.1101 / гр. GR-1619R.

PubMed CAS Статья Google ученый

69.

Ип К.Ю., Ю Х., Ким П.М., Шульц М., Герштейн М.: Платформа tYNA для сравнительной интерактомики: веб-инструмент для управления, сравнения и анализа нескольких сетей. Биоинформатика. 2006, 22: 2968-2970. 10.1093 / биоинформатика / btl488.

PubMed CAS Статья Google ученый

70.

Эйзен М.Б., Спеллман П.Т., Браун П.О., Ботштейн Д.: Кластерный анализ и отображение паттернов экспрессии в масштабе всего генома. Proc Natl Acad Sci USA. 1998, 95: 14863-14868.10.1073 / пнас.95.25.14863.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

71.

Soares MB, de Fatima Bonaldo M, Hackett JD, Bhattacharya D: Теги экспрессируемой последовательности: нормализация и вычитание тегов экспрессированной последовательности кДНК \ нормализация и вычитание библиотек кДНК. Методы Мол биол. 2009, 533: 109-122.

PubMed CAS Статья Google ученый

72.

Abrahamsen MS, Templeton TJ, Enomoto S, Abrahante JE, Zhu G, Lancto CA, Deng M, Liu C, Widmer G, Tzipori S, Buck GA, Xu P, Bankier AT, Уважаемый PH, Konfortov BA, Spriggs HF, Iyer Л., Анантараман В., Аравинд Л., Капур В.: Полная последовательность генома апикомплексана, Cryptosporidium parvum . Наука. 2004, 304: 441-445. 10.1126 / science.1094786.

PubMed CAS Статья Google ученый

73.

Szumilo T: Путь катаболизма D-галактоната у непатогенных микобактерий.J Bacteriol. 1981, 148: 368-370.

PubMed CAS PubMed Central Google ученый

74.

Condemine G, Hugouvieux-Cotte-Pattat N, Robert-Baudouy J: Выделение мутантов Erwinia chrysanthemi kduD, измененных при разложении пектина. J Bacteriol. 1986, 165: 937-941.

PubMed CAS PubMed Central Google ученый

75.

Олсон EN: Генные регуляторные сети в эволюции и развитии сердца.Наука. 2006, 313: 1922-1927. 10.1126 / science.1132292.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

76.

Беккер Д., Зельбах М., Ролленхаген С., Баллмайер М., Мейер Т.Ф., Манн М., Буманн Д.: Устойчивый метаболизм Salmonella ограничивает возможности для новых противомикробных препаратов. Природа. 2006, 440: 303-307. 10.1038 / природа04616.

PubMed CAS Статья Google ученый

77.

Джамшиди Н., Палссон Б.О .: Исследование метаболических возможностей Mycobacterium tuberculosis h47Rv с использованием штамма in silico iNJ661 и предложение альтернативных мишеней для лекарств. BMC Syst Biol. 2007, 1: 26-10.1186 / 1752-0509-1-26.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

78.

Верхедкар К.Д., Раман К., Чандра Н.Р., Вишвешвара С.: Графики реакций на основе метаболомов M. tuberculosis и M.leprae : сравнительный сетевой анализ. PLoS ONE. 2007, 2: e881-10.1371 / journal.pone.0000881.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

79.

Шарлебуа Р.Л., Дулиттл В.Ф .: Расчет повсеместности прокариотических генов: спасение ядра от вымирания. Genome Res. 2004, 14: 2469-2477. 10.1101 / гр.3024704.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

80.

Баарт Г.Дж., Зомер Б., де Хаан А., Поль ван дер Л.А., Бевери Е.К., Трампер Дж., Мартенс, DE: Моделирование Метаболизм Neisseria meningitidis : от генома к метаболическим потокам. Genome Biol. 2007, 8: R136-10.1186 / gb-2007-8-7-r136.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

81.

Оберхардт М.А., Пучалка Дж., Фрайер К.Э., Мартинс душ Сантуш В.А., Папин Дж.А.: Анализ метаболической сети на уровне генома условно-патогенного микроорганизма Pseudomonas aeruginosa PAO1.J Bacteriol. 2008, 190: 2790-2803. 10.1128 / JB.01583-07.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

82.

Раман К., Раджагопалан П., Чандра Н.: Анализ баланса потока миколиновой кислоты: мишени для противотуберкулезных препаратов. PLoS Comput Biol. 2005, 1: e46-10.1371 / journal.pcbi.0010046.

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

83.

Woese C: универсальный предок. Proc Natl Acad Sci USA. 1998, 95: 6854-6859. 10.1073 / pnas.95.12.6854.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

84.

Филипп Х., Лартильо Н., Бринкманн Х. Мультигенный анализ двунаправленных животных подтверждает монофилию Ecdysozoa, Lophotrochozoa и Protostomia. Mol Biol Evol. 2005, 22: 1246-1253. 10.1093 / молбев / msi111.

PubMed CAS Статья Google ученый

85.

Сакураба Х., Каваками Р., Такахаши Х., Охшима Т: новая архейная аланин: глиоксилатаминотрансфераза из Thermococcus litoralis . J Bacteriol. 2004, 186: 5513-5518. 10.1128 / JB.186.16.5513-5518.2004.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

86.

Копли SD: Ферменты с дополнительными талантами: функции подработки и каталитическая распущенность. Curr Opin Chem Biol. 2003, 7: 265-272. 10.1016 / S1367-5931 (03) 00032-2.

PubMed CAS Статья Google ученый

87.

Джеймс Л.К., Тауфик Д.С.: Конформационное разнообразие и эволюция белков — пересмотренная гипотеза 60-летней давности. Trends Biochem Sci. 2003, 28: 361-368. 10.1016 / S0968-0004 (03) 00135-Х.

PubMed CAS Статья Google ученый

88.

О’Брайен П.Дж., Хершлаг Д.: Каталитическая неразборчивость и развитие новых ферментативных активностей.Chem Biol. 1999, 6: R91-R105. 10.1016 / С1074-5521 (99) 80033-7.

PubMed Статья Google ученый

89.

Карп П.Д., Райли М., Сайер М., Полсен ИТ, Пейли С.М., Пеллегрини-Тул А: базы данных EcoCyc и MetaCyc. Nucleic Acids Res. 2000, 28: 56-59. 10.1093 / nar / 28.1.56.

PubMed CAS PubMed Central Статья Google ученый

Самовоспроизводящиеся молекулы впервые обнаруживают признаки метаболизма | Исследование

Это случайное открытие: исследователи впервые наблюдали появление чего-то похожего на метаболизм в молекулах, которые также самовоспроизводятся. ¹ Молекулы репликатора катализируют реакцию, в результате которой образуются соединения, которые помогают создавать собственные строительные блоки репликатора. Это может быть одна из самых реалистичных химических систем, когда-либо созданных, сочетающая в себе две из трех основных характеристик жизни — репликацию, метаболизм и компартментализацию.

«Он может научить нас тому, что те функции, которые мы видим в живых системах, не являются уникальными для жизни, какой мы ее знаем», — говорит ученый по происхождению жизни Камила Муховска из Страсбургского университета, Франция, которая не участвовала в этом процессе. в работе.

Полное совпадение

Хотя саморепликация обычно связана с ДНК, такое поведение наблюдается в очень разных химических системах — например, в ротаксанах. Это открывает интригующую возможность создания полностью синтетических форм жизни, которые соответствуют всем трем нормам жизни: репликация, использование и хранение энергии для выполнения энергетически неблагоприятных или эндергонических реакций, а также сохранение всех этих функций для защиты от паразитических форм жизни.

Системы, которые либо воспроизводят, либо выполняют реакции, подобные метаболизму, существовали и раньше, и некоторые из них могут даже переключаться с одной функции на другую при добавлении химикатов или изменении окружающей среды. Но команда Сиджбрена Отто из Университета Гронингена в Нидерландах теперь создала молекулы, которые делают и то, и другое одновременно.

Основным строительным блоком системы является бензол-1,3-дитиол, присоединенный к короткой пептидной цепи. В присутствии кислорода тиолы окисляются и образуют дисульфидные макроциклы разного размера, в основном тримеры и тетрамеры.Кольца постоянно обмениваются между собой строительными блоками тиолов, поэтому существует небольшая вероятность образования более крупных колец, в частности шестичленных. Эти гексамерные кольца собираются в стопки или волокна, которые продолжают расти с обоих концов — это репликатор. При механическом перемешивании самые длинные волокна распадаются на две части, а затем снова начинают расти по отдельности. По мере того, как в стопки включаются все больше колец, равновесие раствора пополняет кольца такого размера. Далее следует экспоненциальное самовоспроизведение.

Но Отто и его коллеги теперь обнаружили — по совпадению — что стеки репликаторов могут катализировать реакции, которые строительные блоки не могут. На поверхности стопки положительно заряженные боковые цепи лизина находятся в непосредственной близости, что усиливает их основность по Бренстеду.

В реакции, катализируемой основанием Бренстеда, репликаторы расщепляют глицин, защищенный флуоренилметоксикарбонилом (Fmoc), с образованием дибензофульвена. Это соединение ускоряет окисление строительного блока дитиола и, следовательно, образование репликатора.«Теперь у нас есть репликаторы, способные катализировать реакции, которые производят продукты, которые помогают в создании молекул, из которых вырастает репликатор — это протометаболизм», — говорит Отто.

«Это случайное открытие, система делает то, что никогда не было разработано», — говорит Отто. «Мы работали над этими молекулами 10 лет, мы могли бы открыть это 10 лет назад. Мы искали не то место, но оно было там ».

Жизнь такой, какой мы ее не знаем

В отдельном исследовании, ² Команда Отто предложила репликатору фотосенсибилизатор — бенгальский розовый или тетрафенилпорфирин — вместо Fmoc-глицина.Волокна репликатора связывают сенсибилизатор, давая ему способность фотокаталитически производить синглетный кислород, который, в свою очередь, способствует окислению его строительных блоков.

Муховска не решается называть систему протометаболической — ей не хватает способности накапливать энергию и выполнять эндергонические процессы — но говорит, что «тот факт, что они привлекают кофактор для проведения катализа в самовоспроизводящейся системе, действительно важен, I думаю, чтобы начать смотреть на появление биокатализа в живой системе ».

Хотя система Отто не пытается имитировать биологию, она может помочь исследователям решить постоянную загадку о происхождении жизни на Земле. Парадокс Эйгена гласит, что для точной репликации требуется сложный механизм, но для создания сложных репликаторов посредством эволюции требуется точная репликация — проблема курицы и яйца. «Пока нет реальных свидетельств экспериментальных систем, решающих парадокс Эйгена», — говорит Отто. «Но мы бы хотели попробовать нашу систему».

Одна из идей решения парадокса состоит в том, чтобы хранить всю информацию не в одной длинной молекуле, а в кооперативных системах из нескольких молекул, каждая из которых несет небольшой объем информации, — объясняет Ю Лю, который моделирует сложные химические системы в Университете Глазго. СОЕДИНЕННОЕ КОРОЛЕВСТВО.Сообщество становится единицей отбора, а не индивидом.

Но создание этих систем также могло бы помочь исследователям распознать инопланетную жизнь, если бы они когда-либо встречали ее на других планетах, говорит Лю.