Естественные технологии биологических систем
Шрифт:
Анализируя совокупность приведенных в литературе и собственных экспериментальных данных, еще в 1961 г. я пришел к выводу, что нет оснований говорить о совершенствовании этого фермента в ходе эволюции. В 1986 г., наконец, появились обобщающие результаты, полученные при изучении первичной структуры слюнной и панкреатической амилаз различных млекопитающих, а также амилазы ряда низших организмов. Анализ последовательности аминокислот показал несомненную гомологичность этих ферментов. Несмотря на то что условия функционирования амилазы и способы регулирования ее синтеза в ходе эволюции менялись неоднократно, принципиальных изменений в структуре этого фермента обнаружено не было. Эти результаты — чрезвычайно важный аргумент в пользу идеи относительно большой эволюционной устойчивости функциональных блоков. Не менее важно, что следствием такой устойчивости является не прекращение эволюции, а ее ускорение за счет различных пространственных сочетаний и комбинаций одних функциональных блоков с другими. Вместе с тем существует возможность использования организмом регуляторных путей.
Интересно, что дупликация гена, уход его из некоторого функционального комплекса, с которым он взаимодействовал, нередко приводит к потере стабилизирующего действия естественного отбора и в конечном итоге — к формированию многих существенных различий. Слюнная амилаза, по всей вероятности, является таким продуктом дуплицированного гена, имеющего ряд принципиальных отличий от гена панкреатической амилазы. В то же время все другие амилазы организма, в том числе амилаза печени, практически полные генетические копии панкреатической амилазы.
6.3. Функциональные блоки и механизмы эволюции
Концепция универсальных функциональных блоков дает возможность проанализировать некоторые стороны эволюционного процесса, так как функциональный блок является тем элементом, из которого построена вся система функций любой сложности, подобно тому как ген или кодон служат элементам, из которых построена информационная система организма. Попытаемся показать некоторые особенности эволюции на основе универсальных функциональных блоков.
6.3.1. Примеры эволюции функций на основе общих регуляторных блоков
Работа с ограниченным числом блоков обеспечивает более устойчивую регуляцию и более быстрые перестройки. Поиск нужных деталей и сборка машин из стандартных деталей являются, по-видимому, более простым актом при реализации естественных технологий. В пределах не только одного типа, но часто и одного класса организмов возможны резкие перестройки, что было проиллюстрировано на примере пищеварения. В пределах лишь одного типа плоских червей можно найти примеры эктодермального пищеварения и его исчезновения. Это означает заметную ограниченность закона Долло о необратимости эволюции на уровне функциональных блоков.
Еще одна закономерность проявляется в перемещении регуляторных блоков, например рецепторов и взаимодействующих с ними лигандов. Недооценка этого феномена служит причиной многочисленных ошибок, которые первоначально воспринимались как крупнейшие достижения научной мысли и несомненно были таковыми (см. гл. 7). Например, кальмодулин обнаружен в клетках множества видов как позвоночных, так и беспозвоночных организмов, а также высших и низших растений (табл. 16). Далее, система циклических нуклеотидов рассматривалась как новый эволюционный инструмент, возникший у сложных организмов и выполняющий функцию вторичных посредников. Однако, как отмечено выше, система циклических нуклеотидов развита уже у простейших, у которых нет ни внутренней среды, ни интегрированных частей сложного многоклеточного организма. У простейших цАМФ выполняет функции не вторичного, а первичного мессенжера. У простейших обнаружены и многие гормоны, которые действуют параллельно, а затем образуют последовательную цепь сигналов и ретрансляторов. Это справедливо также для основных нейротрансмиттеров. Так, ацетилхолин, норадреналин и вновь открытые нейротрансмиттеры, такие, как аминокислоты, АТФ и др., используются как совершенной, так и примитивной нервной системой, включая нервную систему плоских червей и кишечнополостных. Даже такие медиаторы, как ацетилхолин и катехол-амины, давно признаны универсальными и показаны у всех животных, имеющих нервную систему.
Различные организмы, у которых изолирован кальмодулин
| Животные | |
| Простейшие | Членистоногие |
| Амеба | Рак |
| Эвглена | Рыбы |
| Парамеция | Электрический скат |
| Тетрахимена | Амфибии |
| Кишечнополостные | Шпорцевая лягушка |
| Морской анемон | Птицы |
| Морские анютины глазки | Цыпленок |
| Нематоды | Млекопитающие |
| Кольчатые черви | Человек |
| Земляной червь | Корова |
| Моллюски | Овца |
| Осьминог | Свинья |
| Гребешок | Кролик |
| Иглокожие | Крыса |
| Морской еж | Хомяк |
| Морская звезда | Мышь |
| Растения | |
| Покрытосемянные | Грибы |
| Ячмень | Слизевики |
| Хлопок | Физарум |
| Орех | Зеленые водоросли |
| Шпинат | Xламидомонада |
Современный уровень знаний позволяет думать, что на всех этапах эволюции в качестве медиаторов могут выступать молекулы различных типов, в том числе аминокислоты, их производные — адреналин и норадреналин, пептиды, а также некоторые нуклеотиды, эфиры и т.д. К медиаторам могут быть отнесены углеводы, медиирующие феномен узнавания в различных клетках организмов разных видов, начиная с вирусов и бактерий и кончая млекопитающими. Однако роль медиаторов в ходе эволюции меняется, хотя законы, по которым значимость разных нейротрансмиттеров увеличивается или уменьшается, остаются неизвестными. Даже если ограничиться нервно-мышечной передачей, то трудно ответить на вопрос, почему у некоторых беспозвоночных (в частности, ракообразных и насекомых) столь важную роль в качестве нейротрансмиттеров играют аминокислоты, а у млекопитающих — ацетилхолин? Точно так же широкое распространение имеют пептидные гормоны, первоначально обнаруженные у высших организмов, а затем у многих низших позвоночных и беспозвоночных. Интересно, что у позвоночных, насекомых и ракообразных, несмотря на отсутствие истинной гомологии, наблюдается поразительное сходство не только функций, но и организации эндокринной системы. При этом химическая структура гормонов у этих организмов обладает значительным сходством.
Важно, что процессы осморегуляции у костистых рыб находятся под контролем гормонов, которые известны у других животных, в том числе у млекопитающих. Однако у рыб они выполняют другую функцию. В частности, кортизол, как и NaCl, вызывает дифференциацию и пролиферацию хлоридных клеток, пролактин — их дифференциацию, глюкагон и ВИП оказывают преимущественно стимулирующий эффект. Таким образом, осморегуляция контролируется гормонами, которые у высших организмов мало связаны с водносолевым обменом.
Для организмов различных групп, естественно, общими являются не только химические сигналы, но и воспринимающие их рецепторы и, наконец, системы, связанные с переработкой и ретрансляцией сигналов. Например, универсальна система циклических нуклеотидов. Такие гормоны, как адреналин, глюкагон, парат-гормон, антидиуретический и тиреотропный гормоны, кортикотропин, лютеинизирующий гормон, гипотала-мические рилизинг-факторы и меланоцитстимулирующий гормон стимулируют в клетках-мишенях мембранносвязанную аденилатциклазу. В результате этого количество цАМФ внутри клетки удваивается. Образующийся в клетках цАМФ вызывает гормональный эффект, действуя в качестве вторичного мессенжера. Этот механизм у позвоночных и беспозвоночных организмов весьма сходен. Так, при действии серотонина на мышечную ткань печеночной двуустки посредником служит цАМФ. Существуют также сведения об участии цАМФ в гормональных эффектах у насекомых, а при действии хроматофоротропинов — у ракообразных. У большинства клеток эукариотов токсин холеры активирует аденилатциклазу.
6.3.2. Перемещение функциональных блоков в филогенезе
Перемещение гормонов и рецепторов хорошо документировано. Хотя каждый функциональный блок может выполнять одну или две-три высокоспециализированные операции, при определенных сочетаниях они могут образовывать различные молекулярные машины более высокого порядка. Так, осморегуляторная система, поддерживающая постоянство солевого состава внутренней среды организмов, и секреторные органы, участвующие в процессах пищеварения, состоят из одних и тех же функциональных блоков. Нередко одни и те же органы могут, несколько меняя количественные соотношения различных функциональных блоков, превращаться из секреторных в экскреторные и наоборот. Эволюционный переход секреторных клеток во всасывающие и наоборот, охарактеризованный как следствие временной и пространственной транспозиции определенных каналов и насосов, четко показан (рис. 36 и 37). Ярким примером может служить пищеварительная система насекомых, органы которой переходят от секреторной функции к всасывающей, от всасывающей к экскреторной и т.д.
Рис. 36. Предполагаемая локализация систем, транспортирующих одновалентные ионы, в эпителиальных клетках, секретирующих ( А) и всасывающих ( Б)хлор.
В обеих системах Са 2+может активировать Са 2+– зависимые каналы для транспорта К+. Эти каналы вместе с потоком Сl – через возможные каналы для транспорта С1 – откачивают КСl из цитоплазмы, снижая электрохимический градиент, вызванный выходом Na+ и поступлением К +за счет Na +, К +– АТФазы. Симпорт NaCl/KCl может быть активирован цАМФ зависимой или цАМФ-независимой протеиназой в различных тканях.