Boreskov Institute of Catalysis of the Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

PP‐9 
thousands of starting models have been sampled with this procedure for each of the three 
types of clathrate hydrate structures.  
The principal results and conclusions of this work are as follows: 
–
 
Removing  guest  molecules  from  cavities  does  not  collapse  polyhedral  water 
structure:  it  stays  stable  being  a  local  energy  minimum  in  the  global  configuration 
space. This is an argument to regard such a predicted guest‐free host structure as a 
‘polyhedral  ice’  polymorph;  its  density  is  only  about  10%  less  than  the  density  of 
hexagonal ice.  
–
 
The 
lowest‐energy 
structures 
demonstrate 
H‐bond 
networks 
perfectly 
complementing  the  Bernal  ‐  Fowler  ‘ice  rules’  of  with  standard  H‐bond  geometric 
parameters. The most stable polyhedral ice structure of the cubic‐II type was found 
centrosymmetric  and  face  centered  (i.e.,  space  group  F‐1),  with  energy  E  =  –56.15 
kJ/mol. It is 0.04 and 0.33 kJ/mol more stable than the lowest‐energy P‐1 polyhedral 
ice structures of the cubic‐I and hexagonal‐I types, respectively. For comparison, the 
hexagonal ice polymorph, as calculated by optimization of the Bernal–Fowler model 
[4], is of E= –56.99 kJ/mol, Though, we have to admit that the number of P1 starting 
models  sampled  by  us  is  small  as  compared  to  the  total  number  of  proton 
configurations, amounting, e.g.,  for cubic‐I to as much as 17 millions [5].  
–
 
In addition, the global search detects numerous less stable structures as local energy 
minima. They are characterized by the presence of one or more local ‘defects’, where 
significant  deviations  from  normal  hydrogen  bond  geometry  take  place  resulting  in 
local  violation  of  the  ice  rules.  Inspecting  still  less  stable  structures  reveals  one  or 
more  hydrogen  bonds  broken,  thus  opening  ‘windows’  between  the  adjacent 
cavities.   
–
 
We  conclude  that  the  ability  of  water  molecules  for  self‐assembling  into  the 
polyhedral structures stems from the fine peculiarities of molecular structure and the 
intermolecular potential of the water molecule rather than those of guest one.  
Generally,  this  work  demonstrates  clearly  the  prospects  of  our  crystal‐structure 
prediction technique [3] as an instrument to help understand poorly resolved experimental 
structural data, such as those where crystal disorder is inevitably present. Moreover, it gives 
a  possibility  to  compare  different  experimental  structural  observations  on  theoretical 
grounds and look further beyond the experiment to predict yet undiscovered phases.  
146 

PP‐9 
147 
Acknowledgement.  This  work  was  supported  by  the  Program  of  presidium  RAS  No.  15
 
(09‐П‐5‐1009) and Russian Foundation of Basic Research (Nos. 08‐05‐00993, 11‐03‐00870). 
References 
[1].
 
Ostrovskii V. E.,  Kadyshevich E. A. Russ. J. Phys. Chem. 2000, 74,
 
1114–1124.  
[2].
 
Jorgensen W. L., et al. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926–935. 
[3].
 
Dzyabchenko A.V. Russ. J. Phys. Chem. A. 2008, 82, 1663–1671. 
[4].
 
Bernal J.D., Fowler R.H. J. Chem. Phys. 1933, 1, 515‐548.  
[5].
 
Kirov M.V. Crystallography reports 2010, 55, 353‐361. 

PP‐10 
FUNGAL‐LIKE ELEMENTS IN THE CONSTRUCTION OF THE RIPHEAN 
UNICELLULAR MICROFOSSILS 
German T.E., Podkovyrov V.N. 
Institute of Precambrian Geology and Geochronology RAS,  
Makarova emb., 2, St.‐Petersburg 199034, Russia, e‐mail: 
[e-mail]
 
Precambrian microfossils are useful in comparative studies of such fundamental aspects 
as the transition from unicellular to multicellular organization. The specific population of the 
Riphean unicellular organisms has been described from ~1Gyr sediments (Lakhanda Group, 
Uchur‐Maya  region,  SE  Siberia).  They  have  been  recorded  in  shales  and  consistently 
associated  with  water‐deposited  sediments.  Unicells  having  a  hollow  shell  of  highly  varied 
shape (spherical, ellipsoidal, elongate or sometimes polygonal) are composed of an organic 
substance and show net‐like distribution. 
A  considerable  number  of  Precambrian  genera  remained  of  undetermined  affinity  and 
genera defined on morphology only, without implication as to relationships, it is undesirable 
that they should be classed into the Linnaean hierarchy of orders and families. It is clearly 
preferable  that  any  classification,  adopted  should  give  no  false  impression  of  any  natural 
relationship and should facilitate the easy transfer away of genera when their affinities came 
to  be  determined.  The  lakhandinian  microfossils  were  interpreted  as  probable  yeasts  that 
have  evidence  in  growth  habit,  general  morphology,  mode  of  reproduction  commonly  can 
be discerned features that provide a basis for comparison of extant and fossil taxa. Riphean 
unicells  display  the  coincidence  of  their  morphology,  the  mode  of  typical  multilateral 
budding of Saccharomyces and give additional evidence of the very early existence of such 
biological  organization.  These  organic‐walled  fossils  have  been  described  as 
Eosaccharomyces  ramosus  Herm.  (Hermann,  1979).  Precambrian  unicellular  organisms 
extremely  numerous  and  show  innovations  in  biologic  organization  involved  in  the 
evolutionary transition from a single cell to multicellular pseudo tissue‐like microcolonies.   
Adjacent  or  loosely  connected  cells  in  these  colonies  tend  to  be  similar  texture  and 
color,  but  differ  in  their  diameter  and  shape.  The  connection  between  adjacent  cells  in 
colonies  is  usually  with  indication  of  cytoplasmic  connection.  Within  an  array  fossils  are 
equidimensional,  but  more  often  with  one  of  the  cells  two  to  three  times  longer  than  its 
neighbor and resemble sack‐like body called an ascus. There are some spheroidal structures 
148 

PP‐10 
149 
that  are  much  darker  (probably  thicker  walled).  The  occurrences  above  mentioned  cells 
suggest the presence of reproductive structures of microfossils.  
Unicellular  organisms  have  an  entirely  distinct  habit  and  mode  of  the  formation  of 
numerous  multicellular  branching  colonies  that  have  been  organized  into  asymmetrical, 
sectorial‐type clusters with different number of budding or divided unicells. 
Fungi  are  protists  by  far  the  most  metabolically  diverse  eukaryotes  that  can  preserve 
some diagnostic features of life cycle and morphology. Fossil records give an opportunity to 
suggest Ascomycota radiation events in the Proterozoic era. 
The study was performed with the support of Program 25 of the Presidium of RAS. 
References 
[1].
 
Hermann T.N. (1979)/ Records of Fungi in the Riphean. In.: B.S.Sokolov (ed.). Paleontologiya Dokembriya i 
Rannego Kembriya (Paleontology of the Precambrian and Early Cambrian).  Leningrad: Nauka. P. 123‐133. 

PP‐11 
COSMIC PERIODICITY IN PHANEROZOIC GEOLOGY 
Glazachev D.O. 
Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences (IDG RAS), Moscow, Russia, 
[e-mail] 
 
There  is  cyclisity  in  many  processes,  such  as  the  changes  in  mainlands'  structure, 
variation in biodiversity of species, galaxy influence, impacts of cosmic bodies. The problem 
of  an  establishment  of  the  cyclicity  and  correlation  of  all  those  processes  discovering  has 
been performed for 50 years.  
In the present work we search for interrelation of events in biosphere and geospheres of 
the  Earth  from  comparison  of  the  data  on  mass  extinctions  and  impacts  and  data  on 
geological  activity  for  the  same  period  (Phanerozoic).  Phanerozoic  history  contains  all 
extinction events of the “Big Five” (major extinction events by Jack Sepkoski and David M. 
Raup) — End‐ Cretaceous (65.5 Ma), Late Devonian (205 Ma), End‐Permian (251 Ma), End‐
Triassic (360‐375 Ma), and End‐ Ordovician (440‐450 Ma). In addition, we examine data on 
Phanerozoic  climate  change,  which  kept  data  on  the  glacial  periods.  There  are  four  major 
periods called glacial periods with lowest average temperature on the Earth defined by 
18
O 
parts per thousand. 
The results of spectral, wavelet and correlation analysis of data series representing those 
processes  are  shown  in  the  report.  The  conclusion  is  made  that  most  of  them  are  cyclic, 
some of the periods are present in all the processes. The galactic causes of the cycles with 
duration in tens and hundreds millions years are discussed. 
150 

PP‐12 
GTF2I DOMAIN: STRUCTURE, EVOLUTION AND FUNCTION 
Gunbin K.V., Medvedeva I.V., Ivanisenko V.A., Ruvinsky A.O.* 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia 
*The Institute for Genetics and Bioinformatics, University of New England, 
 Armidale, Australia 
 
The  GTF2I  gene  family  consists  of  gtf2i,  gtf2ird1  and  gtf2ird2  genes  encoding 
transcriptional  factors  and  the  first  two  of  them  involved  in  Williams‐Beuren  syndrome  if 
mutated [1]. The main characteristic of this gene family is the presence of several so called 
GTF2I repeats. There are 5 such repeats (R) in GTF2IRD1, 6 in GTF2I and 2 in GTF2IRD2. Our 
aim was to study the molecular evolution of these repeats.  
We  collected  the  GTF2I  repeats  from  about  20  chordate  species  from  Branchiostoma 
floridae  to  Homo  sapiens  using  the  information  about  gtf2i‐like  genes  from  databases  and 
retrieving  information  from  genomes,  assemblies  and  EST  collections.  Then  we 
reconstructed the phylogenetic networks using Bayesian, maximum likelihood and distance 
methods, and found that R5 (gtf2ird1) could represents most probable ancestor of all GTF2I 
repeats.  
0.1
gtf2ird1 r4
gtf2i r6
gtf2ird2 r2
gtf2ird1 r2
gtf2ird1 r1
gtf2ird2 r1
gtf2i r1
gtf2ird1 r5
ciona
gtf2i r5
gtf2i r2
gtf2ird1 r3
gtf2i r3
gtf2i r4
lancelet
gtf2ird1  r
: 1 r2 r3 r4 r5
gtf2i  r
:       1 r2 r3 r4 r5 r6
gtf2i  r
:           1  r2
 
We also found that amplification of gtf2i gene repeats (R2, R5, ancestor of R3 and R4) 
and  duplication  of  gtf2ird1  gene  repeats  (R4,  ancestor  of  R2  and  R1)  occurred  before 
Gnathostomata  origin.  Based  on  our  hierarchical  classification  of  GTF2I  repeats  and recent 
research  [2]  we  hypothesize  that  GTF2I  gene  family  have  raised  from  the  two  genome 
duplication events early in vertebrate evolution. 
151 

PP‐12 
152 
Comparison  of  molecular  evolution  model  of  the  GTF2I  family  with  real  data  using 
method implemented in SAMEM [3] discovered several types of statistically rare aminoacids 
replacements  (p≤0.01)  which  characterized  by  greatest  physicochemical  changes.  These 
replacements related with: 1) the divergence between gtf2ird1 R4 and gtf2i R6, 2) the origin 
of gtf2ird1 R1 and R2 ancestor, and 3) the origin of gtf2ird1 R1 and gtf2i R1 ancestor. We 
used the program package PDB3DScan for structural alignment to find the differences in the 
3D structure of GTF2I repeats in gtf2i, gtf2ird1 and gtf2ird2 genes and identified that those 
statistically rare substitution mostly situated in loop regions or in the beginning or in the end 
of helices. We showed that the helix in structure of the first repeat of gtf2i, gtf2ird1, gtf2ird2 
is  much  less  conservative  then  in  the  other repeats.  We  also  found  the  unique  mutational 
pattern  for  each  GTF2I  repeat  that  could  be  caused  by  their  functional  specialization  (for 
example, DNA‐binding [4]).  
This  work  was  supported  by  RFBR  grant  No.  09‐04‐01641‐a
 
and  Biosphere  Origin  and 
Evolution program
. 
References 
[1].
 
Bayarsaihan, D. et al. (2002) Genomic organization of the genes Gtf2ird1, Gtf2i, and Ncf1 at the mouse 
chromosome 5 region syntenic to the human chromosome 7q11.23 Williams syndrome critical region, 
Genomics, 79:137‐143.  
[2].
 
P. Dehal, J.L Boore. (2005) Two Rounds of Whole Genome Duplication in the Ancestral Vertebrate, PLoS 
Biol., 3:e314. 
[3].
 
K.V. Gunbin et al. (2010) A computer system for the analysis of molecular evolution modes of protein‐
encoding genes (SAMEM), Moscow University Biological Sciences Bulletin, 65:142‐144. 
[4].
 
S.J. Palmer et al. (2010) Negative autoregulation of GTF2IRD1 in Williams‐Beuren syndrome via a novel 
DNA binding mechanism, J. Biol. Chem., 285:4715‐4724. 

PP‐13 
DEEP INSIDE INTO VERTEBRATES AND INVERTEBRATES MACROEVOLUTION: 
THE MOLECULAR EVOLUTION MODES OF STRICT ORTHOLOGOUS PROTEIN 
SEQUENCES 
Gunbin K.V., Suslov V.V., Afonnikov D.A. 
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia 
The molecular evolution modes of 752 orthologous protein groups (OPGs) of vertebrates 
and of 1736 OPGs of invertebrates were analyzed. In our analysis the OPGs were taken from 
MetaPhOrs  database  [1].  The  OPGs  containing  at  least  one  strictly  confirmed  orthologous 
sequence  without  ambiguous  characters  from  each  of  20  vertebrate  species  groups  and  9 
invertebrate species groups were taken into analysis (Figure 1). Cnidaria and Tunicata were 
served as outgroup taxa. The ancestral protein reconstruction in each internal tree node of 
OPG was made using PAML 4 CODEML program [2] (marginal reconstruction) on the basis of 
the  known  tree  topology  (Figure  1)  and  amino  acid  replacement  matrices  calculated  by 
MODELESTIMATOR  [3]  program.  These  ancestral  sequences  were  used  to  calculate  the 
number  of  observed  amino  acid  substitutions.  For  each  amino  acid  replacement  type  we 
compared the observed number of changes with expected ones under the assumption of a 
stationary  Markov  process  of  protein  evolution.  Expected  replacement  numbers  were 
calculated  using  1000  computer  simulations  of  OPG  molecular  evolution  by  the  INDELible 
program  [4],  taking  into  account  the  peculiarities  of  the  investigated OPGs.  Comparison  of 
expected  and  observed  numbers  of  each  replacement  type  was  performed  using 
permutation  tests  (10
5
  permutations).  We  count  the  number  of  random  samples,  M,  in 
which  the  frequency  of  expected  changes  of  a  certain  type  higher  than  the  frequency  of 
observed  ones.  Thus,  the  value  M/10
5
  is  the  occurrence  probability,  p,  of  a  certain  amino 
acid replacement type observed by chance.  
The  analysis  of  R  value,  the  proportion  (%)  of  OPGs  with  atypical  amino  acid 
replacements  (p≤0.01),  showed  that  internal  tree  branches  of  vertebrate  tree  with  R≥20% 
strictly  correspond  to  aromorphoses  in  the  vertebrate  evolution  (Figure  1):  1)  the  full 
genome  duplications  in  early  stages  of  vertebrate  evolution  and  actynopterigian  fish 
evolution,  2)  the  adaptation  to  terrestrial  environments,  3)  the  origin  of  Amniota,  4)  the 
divergence  of  primitive  mammals  and  placental  mammals.  It  is  of  big  interest  that  the 
molecular evolution of insects and nematodes were characterized by significant increase in R 
153 

PP‐13 
154 
value in comparison with its mean value for vertebrates (Figure 1). The absolute maximum 
of R value is typical for nematodes. It was shown that the divergence of Insecta and Diptera 
accompanied  by  increasing  of  R  (Figure  1)  may  be  due  to  the  emergence  of  insects‐
angiosperms ecosystems and to the formation of the characteristic Diptera morphology. This 
study we also conducted the functional comparison of OPGs containing atypical amino acid 
replacements  that  allowed  us  to  uncover  various  features  of  gene  networks  molecular 
evolution on each internal branches of vertebrate and invertebrate trees (Figure 1). 
B
Tunicata
Cnidaria
Lophotrochozoa
Arachnida
Paraneoptera
Hymenoptera
Lepidoptera
Drosophilina
Culicomorpha
32.5
26.6
21.9
33.6
26.8
Low Chromadorea
Caenorhabditis
44.5
18.1
23.2
 
A 
Cnidaria
Tunicata
Amphibia
Prototheria
Metatheria
Lower Primates
Catarrhini
Hominidae
14.1
11
Lagomorpha
Rodentia
10.9
8.4
Insectivora
Artiodactyla
Chiroptera
Carnivora
Equidae
9
7.4
7.6
10.2
9.6
Afrotheria
Xenarthra
10.1
25.3
15.7
21.8
Aves
Squamata
15.7
21.8
24.6
Cypriniformes
Tetraodontiformes
Smegmamorpha
26.9
27.8
36
 
 
Figure 1. Phylogenetic tree of vertebrate 
(A) and invertebrate (B) species groups.  
On each internal tree branch the 
proportion (%) of orthologous protein 
groups containing atypical, statistically 
rare (p≤0.01), types of amino acid 
replacements were shown. 
This  work  was  supported  by  RFBR  grant  No.  09‐04‐01641‐a
 
and  Biosphere  Origin  and 
Evolution program
. 
References 
[1].
 
Pryszcz L.P. et al. (2010) MetaPhOrs: orthology and paralogy predictions from multiple phylogenetic 
evidence using a consistency‐based confidence score, Nucl. Acids Res., doi: 10.1093/nar/gkq953. 
[2].
 
Yang Z. (2007) PAML 4: phylogenetic analysis by maximum likelihood, Mol. Biol. Evol., 24:1586‐1591. 
[3].
 
Arvestad L. (2006) Efficient methods for estimating amino acid replacement rates, J. Mol. Evol., 62:663‐
673. 
[4].
 
Fletcher W., Yang Z. (2009) INDELible: a flexible simulator of biological sequence evolution, Mol. Biol. Evol., 
26:1879‐1888. 

PP‐14 
GENERATION OF MODERN MINERAL‐BIOLOGICAL SYSTEMS UNDER 
CONTINENTAL CONDITIONS 
Ivanova V.L.
1
, Barinov N.N.
1
, Skirina I.F.
2 
1
FEGI, FEB of RAS, Vladivostok, e‐mail: 
[e-mail]
 
2
PIG, FEB of RAS, Vladivostok, e‐mail: 
[e-mail]
 
 
In  contrast  to  the  biostagnated  systems  developed  in  water  basins,  the  mineral‐
biological  systems  localized  on  the  land  are  more  irregular,  show  a  greater  degree  of 
fortuity, not stable exchange of matters inside the system and with the environment. These 
properties  require  specific  methods  of  investigations.  In  particular,  the  point‐counter 
microanalysis will provide more reliable information about chemical processes than a classic 
analysis of media.  
The  paper  presents  the  results  of  research  of  interaction  of  epilithic  and  epigenous 
lichens with ore and ore‐free rocks of the scheelite‐sulfide deposit dumps. Fragments of the 
oxidized ore are populated with bushy lichen Stereocaulon sp. and crustose lichen, ore‐free 
area  being  ignored.  Study  of  the  samples,  using  the  electron  scanning  microscope  EVO‐50 
XVP with spraying of samples, revealed Stereocaulon sp. growing on hypergene ferruginous 
crusts and films. More precisely, algae are localized exclusively on crusts, and fungus hyphae 
occur  on  crusts  and  under  them  and  penetrate  between  mineral  fragments.  Microanalysis 
showed  that  in  addition  to  Fe,  S  these  crusts  contain  carbon  and  W.  Other  admixture 
elements vary depending on the primary ore composition. 
On the ore‐free dumps, mainly on the granodiorite fragments, another genus of lichen –
Cladonia sp., Cladonia gracilis (L.)Wild) – grows. Here fine fragments of rocks are entangled 
with  fungus  hyphae,  and  algae  appear  above  this  boundary  layer.  In  the  podetium  body 
there  were  found  the  rounded  ferruginous  inclusions  of  1.5‐2  mkm  in  size.  In  their 
morphology they look like pyrite framboids [1]. This can be suggested to be is a result of vital 
activity of thiobacteria, reworking the sulfides [2]. 
Minerals,  intergrown  with  lichens,  are  diverse:  quartz,  feldspars,  pyroxenes,  scheelite, 
and  rarely  sulfides.  Intergrowth  is  very  firm  at  a  macro‐  and  microlevel.  In  the  mineral 
spectra,  carbon  is  present,  and  their  composition  stoichiometry  is  usually  destroyed.  This 
155 

PP‐14 
156 
indicates the chemical exchange, including a probable treatment of the mineral base by the 
biota ferments. The latter provide the firm “cementation”. 
So the epilithic lichens use a rock not only as a support for settling. A biomineral system 
is formed where the chemical interaction of minerals and lichen take place: enrichment of 
ferruginous films with carbon and thalli with elements of Fe, S, and Si, and in certain cases 
with Mg, Al, K, and Mn. Heavy metals (W, As, Zr, Ag, Ir) are not used by a growing organism. 
They are toxic for it, so scheelite, silver, and some sulfides are preserved even through the 
treatment  of  them  with  ferments,  and  under  appropriate  conditions  they  can  be 
accumulated  and  redeposited  to  some  degree  by  the  lichens.  The  reported  interactions  of 
minerals  and  lichens  characterize  the  generation  of  isolated  elements  of  future 
biogeocoenosis with the individual thus far chemical processes.