Станислав Галактионов - Беседы о жизни

Впрочем, нам пора остановиться: еще немного, и увлекшиеся авторы начнут красочно описывать «чужие», не молекулярно-биологические заботы. («Как будто им своих не хватает!» — принято, кажется, говорить в подобных ситуациях.) Нет уж, пускай «классические» эволюционисты сами рассказывают о проблемах и сложностях эволюции организмов, нас с вами интересует в первую очередь эволюция главных биологических молекул — белков.

Нет, нет, завершающие слова предыдущего раздела насчет эволюции белков не являются ни обмолвкой авторов, ни оплошностью редактора: мы прекрасно понимаем, что эволюционировать в биологически точном значении этого слова, то есть подвергаться отбору, может лишь организм в целом, обладающий всеми атрибутами жизни. Белковые же молекулы, будучи сами по себе «неживыми», способны лишь изменять в результате мутаций свои аминокислотные последовательности. Именно в этом смысле и говорят об эволюции белков.

Но, с другой стороны, изменения в аминокислотной последовательности одного и того же белка в различных видах организмов дают прекрасную возможность подсчитать число элементарных шагов эволюции — точечных мутаций, разделяющих эти виды, и, оценив тем самым их сходство, сопоставить результат оценки с выводами «классической» эволюционной теории. Такое сопоставление и было проведено, как только удалось установить аминокислотные последовательности гемоглобинов, выделенных у различных животных.

(Не правда ли, обилие гемоглобинов в нашем сочинении начинает надоедать? Но что поделать — мы еще во второй главе предупреждали об уникальной роли гемоглобина в современной молекулярной биологии. Лет через двадцать, возможно, какой-нибудь другой белок — пепсин, карбоксипептидаза, парвальбумин — будет изучен лучше, но пока гемоглобин является бесспорным любимчиком биологов.)

Таким образом, подчеркнем еще раз, молекулярная теория эволюции ни в коей мере не попыталась вступить в конфликт с теорией эволюции «классической» или, упаси боже, подменить ее: она просто стала одним из разделов общего эволюционного учения.

В теории эволюции принято для большей наглядности производить описание происхождения и «родственных» связей некоторой группы видов с помощью построения так называемого филогенетического древа. Оценивая степень сходства между всеми парами подлежащих классификации видов, их располагают на «кроне» схематического древа, у «корня» которого находится их общий предок, а все ветки получены последовательным раздвоением. При этом наиболее разнящиеся пары видов окажутся на ветвях, расходящихся вблизи «корня», а виды, близкие друг другу, займут места на соседних ветвлениях кроны.

При сравнении аминокислотных последовательностей цепей гемоглобинов, выделенных из крови животных различных видов, выяснилось, что они тоже оказались «родственниками» и, что самое интересное, их филогенетическое древо, построенное на основании подсчета точечных мутаций, абсолютно ничем не отличается от такого же древа, построенного ранее на основании морфологических и анатомических данных.

Аналогичные построения были выполнены и по данным об аминокислотной последовательности других белков, причем диапазон сравниваемых видов был существенно расширен. Так, фермент-переносчик электрона цитохром С присутствует во всех животных и абсолютном большинстве растительных видов; при построении филогенетического древа на основании анализа аминокислотных последовательностей этого белка в рассмотрение были включены (помимо многих прочих), например, столь удаленные виды, как человек, цыпленок, моль, дрожжи. И в этом случае полученные филогенетические деревья не отличались от «классических», базирующихся на данных сравнительной морфологии и анатомии.

Итак, повторяем, молекулярная теория эволюции расширила круг представлений о механизмах эволюционного процесса, отнюдь не за счет опровержения классических результатов; наоборот, зачастую такие результаты получили более подробное истолкование. И, кроме того, стало очевидно, что происхождение, эволюция белков, несомненно, имеют прямое отношение к принципам организации белковых молекул; ведь аминокислотные последовательности глобинов, скажем комара и человека, различаются весьма существенно, а вот основные детали пространственной структуры остаются неизменными. На долгом пути эволюции белок, несмотря на аминокислотные замены, продолжает сохранять свой «смысл», выполнять свою основную функцию.

Процесс эволюции отдельного белка удивительно точно может быть проиллюстрирован с помощью одной старой головоломки. Называется эта головоломка «Из мухи — слона», а суть ее заключается в следующем. Заменив в слове «муха» одну из букв, можно получить какое-либо другое слово, имеющее смысл, например, «мука» или «мура». Полученное таким образом слово может быть опять преобразовано заменой одной буквы: например, «мука» — «рука», «мура» — «кура» и т. д. Задача заключается в том, чтобы с помощью таких вот последовательных переходов за счет замены одной буквы от одного осмысленного слова к другому в конце концов из «мухи» получить «слона»:

МУХА

МУКА

РУКА

…………

…………

СЛОН

Головоломка, надо признаться, довольно сложная, и авторам, например, так и не удалось ее решить; надеемся, однако, что изобретатель головоломки нас не разыгрывает и такое решение все же существует. Впрочем, нам важно вовсе не само ее решение, а удивительная аналогия процесса решения с эволюционным процессом на молекулярном уровне. В самом деле, некоторое «предковое слово» («муха») преобразуется путем последовательных замен одного из элементов каким-либо другим в новую последовательность, причем все промежуточные последовательности должны быть «осмысленными», то есть белок должен сохранять свои функционально важные свойства.

Головоломка эта была создана задолго до того, как стало что-либо известно о генетическом коде, первичных структурах, точечных мутациях и тому подобных вещах. Однако можно ли себе представить более удачную и общедоступную модель молекулярной эволюции — тем более что речь идет в ней о «взаимопревращении» живых существ: мухи и слона?

Авторы даже осмеливаются предложить основанную на этом же принципе игру для школьников младшего и среднего возраста под названием «Филогенетическое древо». В конце концов, нынешним первоклассникам, изучающим основы теории множеств, не повредят и основные понятия теории эволюции. Главное правило игры — «осмысленные» буквенные замены — остается неизменным, но вместо «цепочки» играющим предлагается построить «филогенетическое древо» какого-нибудь четырехбуквенного слова с единичными заменами типа «согласная — согласная» (правые ветви) или «гласная — гласная» (левые ветви). Каждое слово, как и положено в «настоящем» филогенетическом древе, должно, таким образом, «породить» два следующих «вида». Вот как, например, могло бы выглядеть начало «филогенетического древа» слова «кора»:

Выигрывает, естественно, тот, кому удастся получить более обильное «потомство», то есть избрать наиболее «беступиковый» путь «эволюционного» процесса. А это не так уж легко: во всяком случае, авторы не смогли избежать «тупика» с заменой гласной в слове «каре» и обошли такой же «тупик» в развитии слова «нора» с помощью полужульнического приема, включив в рассмотрение имена собственные. Так что, пожалуй, нашу игру можно смело рекомендовать также и старшим школьникам, студентам (в особенности студентам биологических специальностей) и даже научным работникам. Итак, как говорилось в песне, предваряющей ныне уже полузабытые телевизионные конкурсы КВН, «берите в руки карандаш» и… — становитесь «эволюционистами».

После успешного сведения основных понятий о молекулярной теории эволюции к детским играм может сложиться впечатление, что ничего нового сравнительно с «обычной» эволюционной теорией она не внесла, тем более что мы постоянно подчеркивали: молекулярную теорию эволюции следует рассматривать как часть общего эволюционного учения. Однако дело обстоит вовсе не так: роль «молекулярной» части теории эволюции вовсе не сводится исключительно к объяснению и подтверждению результатов, полученных «классическими» способами. Новые методы открыли не только новые возможности наблюдения, они привели к открытию и некоторых принципиально новых явлений эволюционного процесса.

Давайте вернемся к рассмотрению молекулы все того же гемоглобина. Два типа полипептидных цепей, образующих эту молекулу, α- и β-цепи, несколько различаются по аминокислотной последовательности, но обнаруживают черты несомненного сходства. Это означает что они произошли от некоторого общего предка, и потом их эволюция продолжалась независимо в рамках эволюции одного и того же организма. По мере усиления степени «специализации» функции каждого типа цепей в составе молекулы гемоглобина различия в структуре усиливались.