Стратегії еволюції і кисень
В.П. Скулачов
Так
колись у розрослися хвоща
ревла
від свідомості бессилья
Тварь
слизька, відчувши на плечах
Ще
НЕ з'явилися крила.
Н.
Гумільов
давніх -
століть людей хвилювало питання, як виникли живий світ і вони самі. Удавана
незбагненність походження організмів у всій їх складності і досконало
незмінно штовхала людство до релігії. Справді, як можна, не вдаючись
до Творця, пояснити появу живих істот у всьому їх незвичайне
різноманітності? Випадкові блукання в "тривимірному просторі" майже
нескінченної кількості можливих варіантів звичайно ж не в змозі
пояснити, чому ми опинилися в даний момент в даній точці еволюційного
шляху.
Дарвін,
ввівши поняття природного добору, обмежив рамки цих блукань, як би
перевівши пошук з тривимірного простору в площину. Але й після Дарвіна
залишилися великі проблеми. Природний відбір хороший для кількісного
вдосконалення приватних ознак живих істот. Легко уявити собі, як
відбір випадкових мутацій дозволив оптимізувати довжину і форму передньої
кінцівки двоногого ящера, яка використовувалася для хапання. Але як з цієї
кінцівки вийшло крило археоптерикса? Адже тут треба було
виникнення і закріплення в потомство десятків (якщо не сотень) нових
ознак, і кожен з них не тільки не давав особи будь-яких переваг у
боротьбі за існування, але фактично не міг не погіршувати виконання попередньої
функції кінцівки, вже оптимізована для хапання природним відбором.
Блукання
по площині навряд чи може вирішити питання. Необхідно прокреслити на ній
борозенку, потрапивши в яку, кулька з неминучістю приїде в потрібну точку.
Потрібно скоротити ще один вимір і від двовимірного простору перейти до
одновимірно.
В
цій статті зроблена спроба пояснити, яким чином можна було б
подолати обмеження, що накладається природним відбором при виникненні
якісно нових складних функцій живих систем.
Природний відбір міг би стати гальмом еволюційного
прогресу
Прогресивна
еволюція за допомогою природного добору в сучасному розумінні має
включати в простому випадку наступну ланцюг подій:
випадкове
поява мутації або якого-небудь іншого зміни в тому чи іншому гені;
зміна
тієї біологічної функції, що залежить від даного гена;
закріплення
зміни, якщо воно дає переваги в боротьбі за існування, як результат
перемоги мутанта в конкуренції з особинами, що не мають корисної мутації (виживання
найбільш пристосованих).
Подібна
схема цілком придатна для тих випадків, коли мова йде про мутації, яка
приносить негайну вигоду. Однак вона не працює, якщо корисні властивості
виникають тільки за рахунок наступних мутацій в даному чи інших генах. І вже
зовсім погано, якщо мутація в перших поколіннях шкодить мутанта, а користь може
відбутися лише у віддаленому майбутньому - коли з'явиться велика кількість нових
мутацій. В останньому випадку природний відбір має перешкоджати, а не сприяти,
прогресу.
Під
введення вже згадувалося, що перетворення передньої лапи ящера в крило вимагає
безлічі окремих мутацій, які ніяк не можуть відбутися одночасно.
Якби передня кінцівка поступово видозмінювалася в крило, це неминуче
призвело б до кардинального погіршення "хапальної" функції, причому
ще до того, як завершилося формування функції "літальної".
Крізь сито природного відбору не пройшли б проміжні форми, передні
кінцівки яких вже не могли використовуватися в колишніх цілях, але ще зовсім
не були пристосовані до польоту. Яким же чином вивести проміжні форми
еволюції з-під тиску природного добору?
Можна,
звичайно, припустити, що динозавр мав можливість пожертвувати старої
(хапальної) функцією, яка через зміну умов стала менш
важливою, ніж швидкість бігу. Такий приклад начебто являють собою тираннозавра
з їх зовсім маленькими передніми кінцівками. Розмахуючи зачатками крил,
попередник археоптерикса міг би додати у швидкості, ще не навчившись
літати. Однак, щоб залишатися в рамках концепції природного відбору, нам
довелося б визнати, що кожен наступний крок у формуванні крила неодмінно
поліпшував бігові якості динозавра. Таку стратегію за принципом "Ні кроку
назад! "навряд чи можна назвати гнучкою і універсальною, коли вже мова зайшла про
такої складної задачі, як підкорення повітряного океану. Поява будь-якого нового
якості було б вкрай складно, якби кожен з попередніх йому
кількісних змін неодмінно давало організму якісь сьогохвилинні
вигоди. Легко уявити собі, як прискорився б еволюційний процес при
умови, що існують спеціальні механізми еволюції, які захищають
проміжні форми від тиску природного добору.
r-і К-стратегії
В
1967 Р. Макартур та Е. Вілсон, аналізуючи динаміку чисельності популяцій,
запропонували r-і К-коефіцієнти [1]. Ми не будемо розглядати їх математичний
сенс, а використовуємо ці коефіцієнти для позначення двох стратегій
еволюційного розвитку живих істот. r-Стратегія передбачає бурхливий
розмноження та коротку тривалість життя особин, а К-стратегія - низький
темп розмноження і довге життя. Відповідно до r-стратегією популяція
розвивається на переломних етапах своєї історії, при зміні зовнішнього середовища,
що сприяє появі нових ознак і захоплення нових ареалів. К-стратегія
характерна для благоденства популяції у вже захопленому ареалі і при
порівняно стабільних умовах. Очевидно, що в популяції вірогідність новацій
буде тим вище, ніж вона швидше розмножується і чим частіше відбувається зміна
поколінь, тобто коротше тривалість життя особин. Щоб вирішити проблему
перехідних форм, r-стратегії недостатньо, бажано доповнити її ще одним
властивістю, а саме підвищеної життєздатність, або кращими якостями в
боротьбі за існування, на короткому (у порівнянні з К-стратегією) тимчасове
проміжку, відведеному природою для життя особи. Це, загалом, логічно: за
підвищення життєздатності, як і за плодючість, доводиться платити, а плата
ця - скорочення тривалості життя.
Якщо
життєздатність особин при r-стратегії підвищена, це могло б компенсувати
зазначені недоліки проміжних форм, пов'язані з формуванням нової
функції. У результаті вони вистояли б у боротьбі за існування.
Прийнявши,
що здатність до перемикання r-і К-стратегій є один з механізмів
біологічної еволюції, ми приходимо до питання: а як саме воно влаштоване?
Щоб
залишитися в межах уявлень про еволюцію як закріплення випадково
виникли нових ознак шляхом природного відбору, потрібно прийняти також, що
і перемикання стратегій відбувається без будь-якої закономірності, а виживають ті,
хто вибрав стратегію, більш відповідну даними умовами середовища. У найпростішому
випадку повинен існувати якийсь один ген або координована група генів,
режим роботи яких і визначає вибір стратегії.
Відкриття Ентоні Мура: K -> r Перехід?
Влітку
1998 англієць Ентоні Мур зробив сенсаційне повідомлення на 10-й Європейській
біоенергетичної конференції в Гетеборзі [2]. Спочатку ім'я Мура
була відсутня в списку доповідачів, але йому була надана можливість
виступити з позачерговим доповіддю через очевидну неординарності результатів
виконаної роботи.
Автор
отримав трансгенні рослини тютюну з підвищеною активністю (експресією)
гена, що кодує мітохондріальну різновид так званого білка
теплового шоку з молекулярною масою 70 КД (mitochondrial Heat shock protein
70, mHsp70). У результаті суперекспрес кількість mHsp70 збільшилося в 30
разів.
Втручання
в геном мало вражаючі наслідки. Трансгенна тютюн виявився вдвічі вище
нормального (рослини культивували в оптимальних для зростання умовах), втричі
збільшилася його біомаса і швидкість дихання мітохондрій. Кілька зросла
інтенсивність фотосинтезу, хоча цей ефект був значно скромнішим, ніж
згадані зміни. Голландська дослідниця Аннеке Вагнер, яка відвідала
оранжерею Мура в Брайтоні, сказала мені, що на перший погляд трансгенний тютюн Мура
зовні справляє враження рослини якогось іншого виду.
Що
ж таке mHsp70 і які його функції?
Білки
теплового шоку, до яких належить і mHsp70, відомі насамперед як
"ремонтники". Вони "виправляють" інші білки, якщо ті
взяли неправильну форму або, як кажуть біохіміки, денатуровану
конформацію. Будь-який білок - довгий полімер, що складається з сотень, а іноді й
тисяч мономерів (амінокислот), з'єднаних між собою пептидними зв'язками в
єдину поліпептидних ланцюг. У робочому стані вона згорнута цілком певним
чином. При біосинтезі в рибосомах Поліпептидна ланцюг утворюється в розгорнутому
вигляді. Її подальше згортання - неодмінна стадія освіти зрілого,
активного білка. Допомагають ланцюга правильно згорнутися саме білки теплового
шоку, які називають також шаперонів.
Однак
придбана правильна форма може втратити під впливом тих чи інших
несприятливих умов. Типовий приклад - денатурація білків при нагріванні.
Їх ренатурації, відновлення, ведуть всі ті ж білки теплового шоку,
кількість яких зростає у відповідь на нагрівання.
У
рослин різновиди таких білків є в цитозолі, хлоропластах (де
здійснюється фотосинтез) і мітохондріях (органелах, відповідальних за
внутрішньоклітинний дихання). mHsp70 "прописаний" у мітохондріях. Крім
участі у дозріванні 15 типів білків, синтезованих в цих органелах, і їх
ренатурації mHsp70 відіграє найважливішу роль в імпорті мітохондріями білків, синтез
яких відбувається в цитозолі (їх переважна більшість - близько 500). Роль
ця двояка. Білки імпортуються в розгорнутому вигляді: як тільки передня частина
поліпептидного ланцюга показується всередині мітохондрії, вона зв'язується з mHsp70,
що за певною ще не зовсім зрозумілою причини прискорює затягування що залишився
поліпептиду. Крім того, mHsp70 бере участь у правильному згортання розгорнутої
поліпептидного ланцюга.
Крім
перерахованих функцій (правильне згортання знову синтезованих і
імпортованих білків, прискорення білкового імпорту та відновлення правильної
конформації білків мітохондрій) за mHsp70 відмічено ще одну властивість, роль
якого залишається загадковою і понині: він пов'язує каталітичну субодиницю
мітохондріальної ендонуклеази з масою 50 КД - ферменту, що розщеплює ДНК
мітохондрій в суворо визначених ділянках.
Поки
важко сказати, яке з властивостей mHsp70 служить причиною дивних змін
у фенотипі трансгенної тютюну. Однак найпростішим бачиться такий
варіант:
--
різке збільшення кількості mHsp70 прискорює імпорт цитозольних білків і дозрівання
мітохондріальних, у тому числі ферментів дихання і дихального
фосфорилювання, відповідальних за синтез аденозинтрифосфату (АТФ) --
універсальної енергетичної валюти клітини [3]. (За даними Мура, швидкість
імпорту білків мітохондріями виявилася у трансгенної тютюну в 3.5 рази вище,
ніж в нормі.);
прискорення
дихання дає додаткові кількості АТФ, тобто покращує енергозабезпечення
клітин тютюну;
покращене
енергозабезпечення стимулює ріст рослини.
Погодившись
з такою логікою подій, ми приходимо до питання: чому в нормі рівень mHsp70
настільки низький, що лімітує роботу мітохондрій? Чи не тому, що максимальна
активність систем мітохондріального дихання має небезпечний побічний ефект?
Відомо, що близько 98% кисню, що споживається мітохондріями при диханні,
перетворюється у воду, в той час як решта 2% дають супероксид (O2-·) за
паразитних рахунок хімічних реакцій, що відбуваються на початку та в середині
дихального ланцюга. З супероксиду потім утворюються перекис водню (H2O2)
і гідроксил-радикал (ОН ·) - сильний окислювач, що руйнує
будь-які речовини живої клітини [4]. Збільшення потоку електронів по дихальної
ланцюга від субстратів дихання до кисню неминуче тягне за собою підвищення
продукції супероксиду, а отже, і ОН .. За однією з найбільш популярних в
Нині гіпотез старіння організму саме з утворенням активних форм
кисню (АФК), таких як ОН ·, пов'язаний цей процес [5]. Виходить,
зростання рівня mHsp70, викликаючи поліпшення енергозабезпечення та, як
наслідок, стимуляцію зростання, в той же час може скорочувати тривалість
життя особи через підвищення продукції отруйних похідних О2
Можна
уявити собі і більш складні сценарії розвитку подій в організмі --
суперпродуценте mHsp70. Але їх наслідок - той же суперечливий ефект:
прискорення росту і збільшення життєздатності при одночасному скороченні
тривалості життя. Ключову роль тут могло б зіграти, наприклад,
взаємодія mHsp70 і мітохондріальної ендонуклеази.
В
будь-якому випадку суперпродукція mHsp70 виглядає як молекулярний механізм
перемикання живої системи з К-стратегії на r-стратегію. У межах
певного часу це безумовно має давати організму якісь
переваги, розплатою за які стає скорочення тривалості
життя.
Ситуація
нагадує відому історію початку другої світової війни. Наш знаменитий
конструктор літаків А. С. Яковлєв запропонував різко спростити конструкцію моторів
винищувачів, що прискорило їх виробництво, але обмежив експлуатацію всього
кількома десятками годин. Це дозволило зробити в короткі терміни велике
кількість винищувачів і швидко домогтися вирішальної переваги над Люфтваффе.
У той же самий час англійці продовжували виготовляти мотори своїх винищувачів
на фірмі "Роллс-Ройс", що давало гарантію на 1200 годин польоту, і
отримали трагедію Ковентрі.
Рішення
Яковлева визначалося простим розумінням: в умовах тієї війни винищувач
жив в повітрі в середньому близько 10 годин ...
Ясно,
що ідея Яковлева - типовий приклад r-стратегії. Очевидно, що вона Спасительна
в критичний період війни, але стає непридатною з настанням світу.
Повернемося,
однак, до дослідів Мура. Хотілося б думати, що автору пощастило натиснути на
"кнопку стратегічного призначення" і викликати К -> r-перехід.
Суттєво, що ефект Мура виявився притаманним саме mHsp70. Суперпродукція
інших, немітохондріальних, білків теплового шоку, наприклад одного з білків
середнього ділянки дихального ланцюга, теж впливала на ріст рослини, але не
приводила до таких драматичних наслідків, як у випадку mHsp70. Як нещодавно
повідомив мені в листі Мур, ефект, подібний до описаного на тютюнові, вже
відтворений ним на трансгенних мишей - суперпродуцентах mHsp70.
Остання
обставина підвищує ймовірність того, що автор зіткнувся з закономірністю
загально біологічних значення. Ясно також, що викликані ефекти обумовлені
внутрішньоклітинними (точніше навіть внутрімітохондріальнимі) явищами, а не
надтканевой (гормональної) регулюванням, такий як гігантизм під дією
гормонів росту. Ці гормони абсолютно різні в рослин і тварин і не
мають ніякого відношення до мітохондрій і дихальних ферментів.
Черв'ячок-довгожитель: r -> K Перехід?
Тепер
мова піде про порівняно простому об'єкті - черв'яку нематоди Caenorhabditis
elegans. Його організм складається всього з 945 клітин, виникнення і доля
кожній з них вже простежено ембріології. Виявилося, що в геномі хробака є
кілька генів, мутації за якими збільшують тривалість його життя. За
даними канадського біолога С. Хекімі, одночасне вимкнення двох із цих генів
продовжує більш ніж у п'ять разів життя організму [6]. При цьому збільшується
тривалість стадій як личинки, так і дорослого черв'яка; зменшуються
плідність, рухливість, споживання твариною їжі і зростає стійкість
до шкідлива дія підвищеної температури середовища, перекису водню і
умов, що стимулюють утворення супероксиду (таких, як обробка
ультрафіолетовим світлом, метілвіологеном або киснем у високій
концентрації). У 1997 р. той же автор виявив у людини ген, дуже близький
до одного з двох згаданих генів нематоди. Подібний ген був також знайдений у
дріжджів. Зараз дещо вже відомо про функції кодованого їм білка: він грає
важливу роль у перемиканні з безкисневого (анаеробного) метаболізму
дріжджових Анакліт?? до на кисневий (аеробний). Зокрема, цей білок необхідний
для включення роботи гена, що кодує один з ферментів вуглеводного синтезу.
І, що особливо важливо в нашому випадку, - для синтезу коферменту Q (КoQ),
семіхінонная форма якого служить прекрасним відновлювачем кисню в
супероксид. Дослідами інших дослідників показано, що мутація в гені
ферменту, який синтезує КoQ, різко знижує токсичність високих концентрацій
кисню для дріжджових клітин [7]
Раніше
гени, які скорочують тривалість життя (хоча і не так сильно, як у
хробака) і одночасно збільшують чутливість організму і клітин до
дії окислювачів, температури і голодування, були описані у дрозофіли і
дріжджів. Ш. Муракамі та Т. Е. Джонсон запропонували назвати такі гени геронтогенамі
[8].
Але
повернемося до дослідів на нематоди. Подвійний мутант Хекімі, як можна помітити,
демонструє риси, протилежні тим, що були виявлені Муром на його
трансгенної тютюні: нематода повільніше росте, її метаболізм загальмований (перш
за все, мабуть, Мітохондріальне дихання, якщо врахувати ймовірне припинення
біосинтезу КоQ, ключового компоненту дихальної ланцюга). Іншими словами, нематод
вдалося штучно зрушити в бік К-стратегії (Хекімі), у той час як тютюн,
а слідом за ним і миша - у бік r-стратегії (Мур).
Можливий механізм перемикання стратегій
Залишається
неясно, яким чином перемикання стратегій може відбуватися в природних
умовах. Заманливо припустити, що ключову роль відіграють тут все ті ж
активні форми кисню.
Клітини
організму постійно підтримують такий баланс процесів освіти і
дезактивації АФК, при якому їх концентрація знаходиться на дуже низькому рівні.
Якщо погіршуються умови існування організму, його діяльність
активізується, щоб протистояти що стала більш агресивному середовищі. Підвищуються
енерговитрати, і, отже, стимулюється дихання - головний процес,
постачає енергію. Але ж за рахунок активації дихання збільшується продукція
АФК, а їх підвищений рівень прискорює старіння і скорочує тривалість
життя. Так виникають активні, могутні форми живих істот, такі собі
"сверхособі", приречені, проте, на ранню смерть від раку, вірусних
інфекцій або, нарешті, від старості.
Менш
ясний зв'язок між АФК і плодовитістю. Проте вже встановлено, що, принаймні
мірою у деяких типів клітин активні форми кисню різко збільшують темп
клітинних поділів.
Не
викликає сумнівів, що АФК - головні мутагени аеробних клітин. Підвищений
Мутагенез не тільки зменшує тривалість життя, але й збільшує
генетичну різноманітність потомства. Деякі зі змін, що виникли в
результаті атаки молекул ДНК активними формами кисню, можуть виявитися
корисними і закріпитися в результаті природного відбору. Тим самим організм
пристосуватися до нових умов зовнішнього середовища, зникне його підвищена
активність, знизиться швидкість дихання, а з нею - і рівень АФК. Остання
призведе до зменшення темпу розмноження і збільшення тривалості життя,
тобто відбудеться зміна r-стратегії на К-стратегію.
Викладена
тут порівняно проста ( "лінійна") схема, якщо вона дійсно
працює, напевно містить системи зворотних зв'язків, що підсилюють сигнали,
які викликають перемикання стратегій. На клітинному рівні це може бути,
наприклад, прискорене вкорочення кінцевих (теломерна) ділянок ДНК під
дією активних форм кисню, концентрація яких зростає при К ->
r-переході [9]. Це має скоротити кількість клітинних поділів і прискорити
старіння клітини [10].
Іншим
прикладом такого роду посилення сигналу може бути індукція біосинтезу білків
теплового шоку у відповідь на довівши об'єм денатурованих білків.
Швидкість їхнього денатурації повинна зростати в несприятливих умовах як через
збільшення рівня АФК, так і з інших причин, а у відповідь зростання концентрації
шаперонів призведе до ефекту, описаного Муром.
Цікаво,
що зменшення рівня АФК при зниженні активності організму, тобто r ->
K-переході, має свої обмеження. У наших дослідах показано, що, якщо
електричний мембранний потенціал - "попередник" АТФ в системі
виробництва корисної енергії мітохондріями - досягне якогось критичного
рівня, швидкість генерації активних форм кисню дихальної ланцюгом різко
зростає [11]. Цей пороговий рівень може бути перевищений у стані
повного спокою, коли витрата АТФ мінімальний і швидкість дихання лімітується
доступністю аденозиндифосфату (АДФ) - продукту розпаду АТФ при роботі. Інакше
кажучи, неробство шкідливо для здоров'я, оскільки загрожує накопиченням отруйних
похідних кисню.
Людина і механізми еволюції
Ми
розглянули приклад можливого механізму, який здатний прискорити
біологічну еволюцію. Він полягає в зміні популяцією стратегії життя: у
відповідь на погіршення умов з'являються більш потужні, активніше дихаючі і
розмножуються особи зі скороченим терміном життя (r-стратегія). Виживання в
процесі відбору більш пристосованих організмів знижує їх активність,
швидкість дихання і темп розмноження, але збільшує тривалість життя (К-стратегія).
На біохімічному рівні роль головного перемикача можуть грати, як
згадувалося, активні форми кисню.
В
рамках викладеної концепції будь-якій з нині живучих видів використовує одну з двох
названих стратегій або знаходиться на стадії переходу від однієї стратегії до
інший.
Людина
не може бути винятком із цього правила, якщо воно універсально для всіх
організмів. У той же час людина, розвиваючись спочатку як біологічний
вигляд, досяг такої стадії, коли перестав покладатися на механізми біологічної
еволюції. Коли нам треба злетіти, ми будуємо літак, а не чекаємо мільйони років,
поки у нас за спиною виростуть крила. Притаманні нам спеціалізовані механізми
еволюції, коли вони дійсно існують, - не більше ніж атавізм, який може
бути далеко не невинною. Наприклад, як уже зазначалося, перехід до r-стратегії
загрожує скороченням тривалості життя, схильністю в більш ранньому
віці злоякісних захворювань і тому подібним, м'яко кажучи,
"незручностей". Є надія, що з'ясувавши механізми, перемикаючі r -
і К-стратегії, і навчившись ними управляти, ми могли б покінчити з такого роду
небезпечним атавізмом і продовжити час здорового життя людей.
В
закінчення слід підкреслити, що розглянуте біологічне пристрій, що сприяє
еволюції, лише окремий приклад, який ілюструє сучасний стан проблеми.
Цілком імовірно, що жива природа винайшла й інші способи обмежувати
випадковий пошук оптимального для даних умов варіанти подальшого розвитку.
Стосовно до людини будь-який з таких механізмів може виглядати як
природжений і підлягає виправленню дефект, оскільки те, що добре для
еволюції виду, не завжди оптимально для індивідуума.
Список літератури
1. MacArtur R.H.,
Wilson E.O. The theory of island biogeography. Princeton, 1967.
2. Moore A.
Report at 10 EBEC. Goeteborg, 1998.
3. Скулачов В.П. Енергетика біологічних мембран. М., 1989.
4. Про це докладніше див: Скулачов В.П. Кисень у живій клітині:
добро і зло// Природа. 1997. № 11. С.26-35.
5. Ozawa Т.// Biosci. Rep. 1997. V. 17. P.237-250; Скулачов В.П.
Молекуляр. біологія. 1995. Т.29. C.1199-1209, а тепер Він// Биохимия. 1997. Т.62. С.
1394 - 1399
6. Lakowski В., Hekimi S.// Science. 1996.
V.272. P.1010-1013.
7. Ewbank J.J.,
Barnes TM, Lakowski B., Lussier M., Bussey H., Hekimi S.// Science.1997.
V.275. P.980-983.
8. Murakami S.,
Johnson Т.Є.// Genetics. 1996. V.143.
P.1207-1218.
9. Zglinicki Т. von, Sarezki G., Docke W., Lotze
C.// Exp.Cell Res. 1995. V.220. P.186-193.
10. Оловніков A.M.// Докл. АН СРСР. 1971.
T.201. C.1496-1498;. Bodnar AG, Ouellette M "Frolkis M. et al.// Science.
1998. V.279. P.349-352.
11. Korshunov
S.S., Skulachev V.P., Starkov A.A.// FEBS Lett. 1997. V.416. P. 15-18;
Skulachev V. P.// Biochim. Biophys. Acta. 1998. V. 1363. P. 100-124.
