Хемотон
Абстрактная модель фундаментальной единицы жизни
Схема реакции хемотона, показывающая взаимодействие метаболизма, информации и структурного закрытия. На основе рис. 1.1 Ганти (2003) [1]

Термин хемотон (сокращение от «химический автомат ») относится к абстрактной модели фундаментальной единицы жизни, введенной венгерским биологом-теоретиком Тибором Ганти . Ганти задумал основную идею в 1952 году и сформулировал концепцию в 1971 году в своей книге «Принципы жизни» (первоначально написанной на венгерском языке и переведенной на английский язык только в 2003 году). [1] [2] Он предположил, что хемотон был изначальным предком всех организмов.

Основное предположение модели заключается в том, что жизнь должна в своей основе и по существу иметь три свойства: метаболизм , саморепликацию и билипидную мембрану . [3] Метаболические и репликационные функции вместе образуют автокаталитическую подсистему, необходимую для основных функций жизни, а мембрана охватывает эту подсистему, чтобы отделить ее от окружающей среды. Следовательно, любая система, имеющая такие свойства, может считаться живой, и она будет подвергаться естественному отбору и содержать самоподдерживающуюся клеточную информацию. Некоторые считают эту модель значительным вкладом в происхождение жизни , поскольку она обеспечивает философию эволюционных единиц . [4]

Свойство

Хемотон — это протоклетка, которая растет за счет метаболизма, размножается путем биологического деления и имеет по крайней мере рудиментарную генетическую изменчивость. Таким образом, он содержит три подсистемы, а именно: автокаталитическую сеть для метаболизма, липидный бислой для структурной организации и репликационный аппарат для информации. В отличие от клеточных метаболических реакций, метаболизм хемотона находится в автономном химическом цикле и не зависит от ферментов. Автокатализ производит свои собственные структуры и функции. Следовательно, сам процесс не имеет наследственной изменчивости. Однако модель включает другую молекулу ( T на схеме), которая спонтанно производится и включается в структуру. Эта молекула амфипатична, как мембранные липиды , но она очень динамична, оставляя небольшие зазоры, которые часто закрываются и открываются. Эта нестабильная структура важна для добавления новых амфипатических молекул, так что впоследствии образуется мембрана. Это станет микросферой. Из-за метаболической реакции внутри микросферы будет нарастать осмотическое давление , и это создаст силу для инвагинации мембраны и, в конечном счете, деления. Фактически, это близко к делению клеток бактерий без клеточной стенки, таких как Mycoplasma . Непрерывные реакции также будут неизменно производить переменные полимеры, которые могут быть унаследованы дочерними клетками. В продвинутой версии хемотона наследственная информация будет действовать как генетический материал, что-то вроде рибозима мира РНК . [5]

Значение

Происхождение жизни

Основное применение модели хемотона заключается в изучении химического происхождения жизни. Это связано с тем, что сам хемотон можно рассматривать как примитивную или минимальную клеточную жизнь, поскольку он удовлетворяет определению того, что такое клетка (что это единица биологической активности, заключенная в мембрану и способная к самовоспроизведению). Экспериментальная демонстрация показала, что синтезированный хемотон может выживать в широком диапазоне химических растворов, он формирует материалы для своих внутренних компонентов, он метаболизирует свои химические вещества, он увеличивается в размерах и размножается. [6]

Единица отбора

Поскольку научно предполагается, что первые реплицирующиеся системы должны иметь простую структуру, скорее всего, до того, как появились какие-либо ферменты или шаблоны, хемотон обеспечивает правдоподобный сценарий. Как автокаталитическая, но не генетическая сущность, она предшествует зависимым от ферментов предшественникам жизни, таким как РНК-мир. Но будучи способной к саморепликации и производству различных метаболитов, она, возможно, могла бы быть сущностью с первой биологической эволюцией, следовательно, источником единицы дарвиновского отбора. [7] [8] [9]

Искусственная жизнь

Хемотон заложил основу некоторых аспектов искусственной жизни . Вычислительная основа стала темой разработки программного обеспечения и экспериментов в исследовании искусственной жизни. [10] Основная причина в том, что хемотон упрощает сложные биохимические и молекулярные функции живых клеток. Поскольку хемотон представляет собой систему, состоящую из большого, но фиксированного числа взаимодействующих молекулярных видов, его можно эффективно реализовать на компьютерном языке, основанном на алгебре процессов. [11]

Сравнение с другими теориями жизни

Хемотон — это всего лишь одна из нескольких теорий жизни, включая гиперцикл Манфреда Эйгена и Питера Шустера , [12] [13] [14] который включает концепцию квазивидов , системы ( M,R ) [15] [16] Роберта Розена , аутопоэзис (или самопостроение ) [17] Умберто Матураны и Франциско Варелы и автокаталитические множества [18] Стюарта Кауфмана , аналогичные более раннему предложению Фримена Дайсона . [19] Все они (включая хемотон) нашли свое первоначальное вдохновение в книге Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?» [20], но на первый взгляд кажется, что они имеют мало общего друг с другом, в основном потому, что авторы не общались друг с другом, и никто из них не ссылался в своих основных публикациях на какие-либо другие теории. (В книге Ганти [1] упоминается Розен, но это было добавлено в качестве редакционного комментария, а не написано Ганти.) Тем не менее, существует больше сходств, чем может показаться на первый взгляд, например, между Ганти и Розеном. [21] До недавнего времени [22] [23] [24] почти не было попыток сравнить различные теории и обсудить их вместе.

Последний универсальный общий предок (LUCA)

Некоторые авторы приравнивают модели происхождения жизни к LUCA, последнему всеобщему общему предку всей существующей жизни. [25] Это серьезная ошибка, возникающая из-за неспособности распознать, что L относится к последнему общему предку, а не к первому предку , который намного старше: большой объем эволюции произошел до появления LUCA. [26]

Гилл и Фортерре выразили суть следующим образом: [27]

LUCA не следует путать с первой клеткой, но он был продуктом длительного периода эволюции. Быть «последним» означает, что LUCA предшествовала длинная череда более старых «предков».

Ссылки

  1. ^ abc Gánti, Tibor (2003). Eörs Száthmary; James Griesemer (ред.). Принципы жизни . Oxford University Press. ISBN 9780198507260.
  2. ↑ Ганти, Тибор (31 декабря 2003 г.). Хемотонная теория: теория живых систем . Перевод Элизабет Чаран. Издательство Kluwer Academic/Plenum. ISBN 9780306477850.
  3. ^ Van Segbroeck S, Nowé A , Lenaerts T (2009). «Стохастическое моделирование хемотона». Artif Life . 15 (2): 213– 226. CiteSeerX 10.1.1.398.8949 . doi :10.1162/artl.2009.15.2.15203. PMID  19199383. S2CID  10634307. 
  4. ^ Hoenigsberg HF (2007). «От геохимии и биохимии к пребиотической эволюции... мы неизбежно входим в жидкие автоматы Ганти». Genet Mol Res . 6 (2): 358–373 . PMID  17624859.
  5. ^ Джон Мейнард Смит; Эрс Сатмари (1997). Основные переходы в эволюции. Oxford University Press. С.  20–24 . ISBN 9780198502944.
  6. ^ Csendes T (1984). «Моделирование исследования хемотрона». Kybernetes . 13 (2): 79– 85. doi :10.1108/eb005677.
  7. ^ Лоран Келлер (1999). Уровни отбора в эволюции. Princeton University Press. стр. 52. ISBN 9780691007045.
  8. ^ Мунтяну А, Соле Р.В. (2006). «Фенотипическое разнообразие и хаос в минимальной клеточной модели». J Theor Biol . 240 (3): 434– 442. Bibcode : 2006JThBi.240..434M. doi : 10.1016/j.jtbi.2005.10.013. PMID  16330052.
  9. ^ Pratt AJ (2011). «Предбиологическая эволюция и метаболическое происхождение жизни». Искусственная жизнь . 17 (3): 203–217 . doi :10.1162/artl_a_00032. PMID  21554111. S2CID  6988070.
  10. ^ Хьюз Берсини (2011). «Минимальная клетка: точка зрения компьютерного ученого». В Мюриэль Гарго; Пурификасьон Лопес-Гарсия; Эрве Мартин (ред.). Происхождение и эволюция жизни: астробиологическая перспектива . Издательство Кембриджского университета. стр.  60–61 . ISBN 9781139494595.
  11. ^ Захар И, Федор А, Сатмари Э (2011). «Два разных шаблонных репликатора, сосуществующих в одной и той же протоклетке: стохастическое моделирование расширенной модели хемотона». PLOS ONE . ​​6 (7): 1380. Bibcode :2011PLoSO...621380Z. doi : 10.1371/journal.pone.0021380 . PMC 3139576 . PMID  21818258. 
  12. ^ Эйген, М.; Шустер, П. (1977). «Гиперцикл: принцип естественной самоорганизации. А: возникновение гиперцикла». Naturwissenschaften . 64 (11): 541– 565. doi :10.1007/bf00450633. PMID  593400. S2CID  42131267.
  13. ^ Эйген, М.; Шустер, П. «Гиперцикл: принцип естественной самоорганизации. B: абстрактный гиперцикл». Naturwissenschaften . 65 (1): 7– 41. doi :10.1007/bf00420631. S2CID  1812273.
  14. ^ Эйген, М.; Шустер, П. «Гиперцикл: принцип естественной самоорганизации. C: реалистичный гиперцикл». Naturwissenschaften . 65 (7): 41– 369. doi :10.1007/bf00420631. S2CID  1812273.
  15. ^ Розен, Р. (1958). «Представление биологических систем с точки зрения теории категорий». Bull. Math. Biophys . 20 (4): 317– 341. doi :10.1007/BF02477890.
  16. ^ Розен, Р. (1991). Жизнь как таковая: всестороннее исследование природы, происхождения и создания жизни . Нью-Йорк: Columbia University Press.
  17. ^ Матурана, Х. Р.; Варела, Ф. (1980). Аутопойезис и познание: реализация живого . Дордрехт: Издательская компания D. Reidel.
  18. ^ Кауфман, С.А. (1969). «Метаболическая стабильность и эпигенез в случайно сконструированных генетических сетях». J. Theor. Biol . 22 (3): 437– 467. Bibcode :1969JThBi..22..437K. doi :10.1016/0022-5193(69)90015-0. PMID  5803332.
  19. ^ Дайсон, Ф. Дж. (1982). «Модель происхождения жизни». J. Mol. Evol . 18 (5): 344– 350. Bibcode :1982JMolE..18..344D. doi :10.1007/bf01733901. PMID  7120429. S2CID  30423925.
  20. ^ Шредингер, Эрвин (1944). Что такое жизнь? . Cambridge University Press.
  21. ^ Корниш-Боуден, А. (2015). «Тибор Ганти и Роберт Розен: контрастные подходы к одной и той же проблеме». J. Theor. Biol . 381 : 6– 10. Bibcode : 2015JThBi.381....6C. doi : 10.1016/j.jtbi.2015.05.015. PMID  25988381.
  22. ^ Летелье, JC; Карденас, ML; Корниш-Боуден, A (2011). «От машины L'Homme к метаболическому закрытию: шаги к пониманию жизни». J. Theor. Biol . 286 (1): 100– 113. Bibcode : 2011JThBi.286..100L. doi : 10.1016/j.jtbi.2011.06.033. PMID  21763318.
  23. ^ Игамбердиев, AU (2014). «Изменение масштаба времени и формирование паттернов в биологической эволюции». BioSystems . 123 : 19–26 . doi :10.1016/j.biosystems.2014.03.002. PMID  24690545.
  24. ^ Корниш-Боуден, А.; Карденас, М.Л. (2020). «Противоположные теории жизни: исторический контекст, современные теории. В поисках идеальной теории». BioSystems . 188 : 104063. doi : 10.1016/j.biosystems.2019.104063 . PMID  31715221. S2CID  207946798.
  25. ^ Jheeta, S.; Chatzitheodoridis, E.; Devine, Kevin; Block, J. (2021). «Путь вперед к происхождению жизни: прионы и прионоподобные молекулы, первая гипотеза». Life . 11 (9): 872. Bibcode :2021Life...11..872J. doi : 10.3390/life11090872 . PMC 8467930 . PMID  34575021. 
  26. ^ Корниш-Боуден, А.; Карденас, М. Л. (2017). «Жизнь до ЛУКИ». J. Theor. Biol . 434 : 68–74 . Bibcode : 2017JThBi.434...68C. doi : 10.1016/j.jtbi.2017.05.023. PMID  28536033.
  27. ^ Gill, S.; Forterre, P. (2016). «Происхождение жизни: LUCA и внеклеточные мембранные везикулы (EMV)». Int. J. Astrobiol . 15 (1): 7– 15. Bibcode : 2016IJAsB..15....7G. doi : 10.1017/S1473550415000282 . S2CID  44428292.
  • Домашняя страница Chemoton
  • Проект Chemoton Архивировано 28.06.2012 на Wayback Machine
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chemoton&oldid=1218972461"