ЗМІСТ

ВСТУП 3

Природний добір І еволюційний поступ 3

r-И k-СТРАТЕГІЇ 4

ВІДКРИТТЯ ЭНТОНИ МУРА: k (r ПЕРЕХІД? 5

Що ж таке mHsp70 і які його функції? 6

ЧЕРВЯК - довгожитель: r (k ПЕРЕХІД? 9

МОЖЛИВИЙ механізм перемикання СТРАТЕГІЯ 9

ЛЮДИНА І МЕХАНІЗМИ ЕВОЛЮЦІЇ 10

ВИСНОВОК 11

ВСТУП

Споконвіку людей хвилювало питання, як виникли живий світ і вони самі.
Удавана незбагненність походження організмів у всій їх складності ідосконало незмінно штовхала людство до релігії. Дійсно, якможна, не вдаючись до Творця, пояснити появу живих істот у всьомуїх незвичайне різноманітності? Випадкові блукання в "тривимірномупросторі "майже нескінченної кількості можливих варіантів, звичайно жне в змозі пояснити, чому ми опинилися в даний момент в цiйточці еволюційного шляху.

Дарвін, ввівши поняття природного добору, обмежив рамки цихблукань, як би перевівши пошук з тривимірного простору в площину.
Але й після Дарвіна залишилися великі проблеми. Природний відбір хороший длякількісного вдосконалення приватних ознак живих істот. Легкоуявити собі, як відбір випадкових мутацій дозволив оптимізувати довжинуі форму передньої кінцівки двоногого ящера, яка використовувалася дляхапання. Але як з цієї кінцівки вийшло крило археоптерикса? Аджетут треба було виникнення і закріплення в потомство десятків (якщоне сотень) нових ознак, і кожен з них не тільки не давав особи будь -яких переваг у боротьбі за існування, але фактично не міг непогіршувати виконання попередньої функції кінцівки, вже оптимізована дляхапання природним відбором.

Природний добір І еволюційного прогресу

Прогресивна еволюція за допомогою природного добору в сучасномурозумінні повинна 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 промутації, яка приносить негайну вигоду. Однак вона не працює, якщокорисні властивості виникають тільки за рахунок наступних мутацій в даному чиінших генах. І вже зовсім погано, якщо мутація в перших поколіннях шкодитьмутанта, а користь може відбутися лише у віддаленому майбутньому - колиз'явиться велика кількість нових мутацій. В останньому випадку природний відбірповинен перешкоджати, а не сприяти, прогресу.

У вступі вже згадувалося, що перетворення передньої лапи ящера вкрило вимагає безлічі окремих мутацій, які ніяк не можуть відбутисяодночасно. Якби передня кінцівка поступово видозмінювалася вкрило, 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 проміжніформи, передні кінцівки яких вже не могли використовуватися в колишніхцілях, але ще зовсім не були пристосовані до польоту. Яким же чиномвивести проміжні форми еволюції з-під тиску природного добору?

Можна, звичайно, припустити, що динозавр мав можливістьпожертвувати старої (хапальної) функцією, яка в силу зміненихумов стала менш важливою, ніж швидкість бігу. Такий приклад як ніби-тоявляють собою тираннозавра з їх зовсім маленькими передніми кінцівками.
Розмахуючи зачатками крил, попередник археоптерикса міг би додатиу швидкості, ще не навчившись літати. Однак, щоб залишатися в рамкахконцепції природного відбору, довелося б визнати, що кожен наступнийкрок у формуванні крила неодмінно поліпшував бігові якості динозавра.
Таку стратегію навряд чи можна назвати гнучкою і універсальною, коли вже мовазайшла про такої складної задачі. Поява будь-якої нової якості було бдуже утруднений, якщо б кожен з попередніх йому кількіснихзмін неодмінно давало організму якісь тимчасові вигоди. Легкоуявити собі, як прискорився б еволюційний процес за умови, щоіснують спеціальні механізми еволюції, які захищають проміжніформи від тиску природного добору.

r-И k-СТРАТЕГІЇ

У 1967 р. Р. Макартур та Е. Вілсон, аналізуючи динаміку чисельностіпопуляцій, запропонували r-і k - коефіцієнти. Я не будемо розглядати їхматематичний зміст, а використовуємо ці коефіцієнти для позначення двохстратегій еволюційного розвитку живих істот. r-Стратегія передбачаєбурхливе розмноження та коротку тривалість життя особин, а k-стратегія
- Низький темп розмноження і довге життя. Відповідно до r-стратегієюпопуляція розвивається на переломних етапах своєї історії, при змінізовнішнього середовища, що сприяє появі нових ознак і захоплення новихареалів. k-стратегія характерна для благоденства популяції припорівняно стабільних умовах. Очевидно, що в популяції вірогідністьновацій буде тим вище, ніж вона швидше розмножується і чим частіше відбуваєтьсязміна поколінь, тобто коротше тривалість життя особин. Щоб вирішитипроблему перехідних форм, r-стратегії недостатньо, бажано доповнити їїще однією властивістю, а саме підвищеної життєздатність, або кращимиякостями в боротьбі за існування, на короткому (в порівнянні з k -стратегією) часовому проміжку, відведеному природою для життя особи. Це,взагалі-то логічно: за підвищення життєздатності, як і за плідність,доводиться платити, а плата ця - скорочення тривалості життя.

Якщо життєздатність особин при r-стратегії підвищена, це могло бкомпенсувати зазначені недоліки проміжних форм, пов'язані зформуванням нової функції. У результаті вони вистояли б у боротьбі заіснування.

Здатність до перемикання r-і k-стратегій є один з механізмівбіологічної еволюції. Щоб залишитися в межах уявлень про еволюціюяк закріплення випадково виникли нових ознак шляхом природноговідбору, потрібно прийняти також, що й перемикання стратегій відбувається безвсякої закономірності, а виживають ті, хто обрав стратегію, більшвідповідну даними умовами середовища. У простому випадку повиненіснувати якийсь один ген або координована група генів, режимроботи яких і визначає вибір стратегії.

ВІДКРИТТЯ ЭНТОНИ МУРА: k (r ПЕРЕХІД?

Влітку 1998 р. англієць Ентоні Мур зробив сенсаційне повідомлення на 10 --ї Європейської біоенергетичної конференції в Гетеборзі. Спочатку ім'я
Мура була відсутня в списку доповідачів, але йому була наданаможливість виступити з позачерговим доповіддю через очевиднунеординарності результатів виконаної роботи.

Автор отримав трансгенні рослини тютюну з підвищеною активністюгена, що кодує мітохондріальну різновид так званого білкатеплового шоку з молекулярною масою 70 КД (mHsp70). У результатісуперекспрес кількість mHsp70 збільшилася в 30 разів.

Втручання в геном мало вражаючі наслідки. Трансгеннатютюн виявився вдвічі вище нормального (рослини культивували воптимальних для зростання умовах), втричі збільшилася його біомаса і швидкістьдихання мітохондрій. Кілька зросла інтенсивність фотосинтезу, хочацей ефект був значно скромнішим, ніж згадані зміни.

Що ж таке mHsp70 і які його функції?

Білки теплового шоку, до яких належить і mHsp70, відомі першза все як «ремонтники». Вони «виправляють» інші білки, якщо ті взялинеправильну форму. Будь-який білок - довгий полімер, що складається з сотень, аіноді і тисяч мономерів (амінокислот), з'єднаних між собою пептиднимизв'язками в єдину поліпептидних ланцюг. У робочому стані вона згорнутацілком певним чином. При біосинтезі Поліпептидна ланцюг утворюється врозгорнутому вигляді. Її подальше згортання - неодмінна стадіяосвіти зрілого, активного білка. Допомагають ланцюга правильно згорнутисясаме білки теплового шоку.

Однак придбана правильна форма може втратити під впливомтих чи інших несприятливих умов. Типовий приклад - денатурація білківпри нагріванні. Їх 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 (органах, відповідальних завнутрішньоклітинний дихання). mHsp70 "прописаний" у мітохондріях. Крім участіу дозріванні 15 типів білків, синтезованих в цих органелах, mHsp70відіграє найважливішу роль в імпорті мітохондріями білків, синтез якихвідбувається в цитозолі (їх переважна більшість - близько 500). Роль цядвояка. Білки імпортуються в розгорнутому вигляді: як тільки передня частинаполіпептидного ланцюга показується всередині мітохондрії, вона зв'язується зmHsp70, що за такої собі ще не зовсім зрозумілою причини прискорює затягуваннящо залишився поліпептиду. Крім того, mHsp70 бере участь у правильномузгортання розгорнутої поліпептидного ланцюга.

Крім перерахованих функцій (правильне згортання зновусинтезованих і імпортованих білків, прискорення білкового імпорту тавідновлення правильної конформації білків мітохондрій) за mHsp70відмічено ще одну властивість, роль якого залишається загадковою і понині: вінпов'язує каталітичну субодиницю мітохондріальної ендонуклеази з масою
50 КД - ферменту, що розщеплює ДНК мітохондрій в строго визначенихділянках.

Поки що важко сказати, яке з властивостей mHsp70 спричиняєдивних змін до фенотипі трансгенної тютюну. Однак найпростішимпредставляється наступний 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. (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;

. поліпшене енергозабезпечення стимулює ріст рослини.

Погодившись з такою логікою подій, ми приходимо до питання: чому внормі рівень mHsp70 настільки низький, що лімітує роботу мітохондрій? Чи нетому, що максимальна активність систем мітохондріального диханнямає небезпечний побічний ефект? Відомо, що близько 98% кисню,споживаного мітохондріями при диханні, перетворюється у воду, в той часяк що залишилися 2% дають супероксид (O2-) за рахунок паразитних хімічнихреакцій, що відбуваються на початку та в середині дихального ланцюга. З супероксидупотім утворюються перекис водню (H2O2) і гідроксил-радикал (ОН) --сильний окислювач, що руйнує будь-які речовини живої клітини.
Збільшення потоку електронів по дихального ланцюга від субстратів дихання докисню неминуче тягне за собою підвищення продукції супероксиду, аотже, і ОН. За однією з найбільш популярних в даний час гіпотезстаріння організму саме з утворенням активних форм кисню (АФК),таких як ВІН, пов'язаний цей процес. Виходить, зростання рівня mHsp70,викликаючи поліпшення енергозабезпечення та, як наслідок, стимуляцію зростання, втой же час може скорочувати тривалість життя особи через підвищенняпродукції отруйних похідних О2

Виходить суперпродукція mHsp70 виглядає як молекулярний механізмперемикання живої системи з К-стратегії на r-стратегію. У межахпевного часу це безумовно має давати організму якісьпереваги, розплатою за які стає скорочення тривалостіжиття.

Ситуація нагадує відому історію початку другої світової війни. Нашзнаменитий конструктор літаків А. С. Яковлєв запропонував різко спроститиконструкцію моторів винищувачів, що прискорило їх виробництво, алеобмежило експлуатацію всього декількома десятками годин. Це дозволилопровести в короткі терміни велика кількість винищувачів і швидкодобитися вирішальної переваги над Люфтваффе. У той же самий часанглійці 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 тихвинищувач війни жив в повітрі в середньому близько 10 годин ...

Ясно, що ідея Яковлева - типовий приклад r-стратегії. Очевидно, щовона Спасительна в критичний період війни, але стає непридатною знастанням світу.

Повернемося, однак, до дослідів Мура. Хотілося б думати, що авторупощастило натиснути на "кнопку стратегічного призначення" і викликати К (r-перехід. Суттєво, що ефект Мура виявився притаманним саме mHsp70.
Суперпродукція інших, немітохондріальних, білків теплового шоку, наприкладодного з білків середнього ділянки дихального ланцюга, теж впливала на зростаннярослини, але не приводила до таких драматичних наслідків, як у випадкуmHsp70. Зовсім недавно Мур відтворив ефект подібний описаному на тютюнна трансгенних мишей - суперпродуцентах mHsp70.

ЧЕРВЯК - 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 кожної з них вже простежено ембріології.
Виявилося, що в геномі хробака є кілька генів, мутації за якимизбільшують тривалість його життя. За даними канадського біолога С.
Хекімі, одночасне вимкнення двох із цих генів продовжує більш ніж уп'ять разів життя організму. При цьому збільшується тривалість стадійяк личинки, так і дорослого черв'яка; зменшуються плідність, рухливість,споживання твариною їжі і зростає стійкість до пошкоджуючогодії підвищеної температури середовища, перекису водню і умов,стимулюючих освіта супероксиду (таких, як обробкаультрафіолетовим світлом, метілвіологеном або киснем у високійконцентрації). У 1997 р. той же автор виявив у людини ген, дужеблизьке до одного з двох згаданих генів нематоди.

Але повернемося до дослідів на нематоди. Вона, як можна помітити,демонструє риси, протилежні тим, що були виявлені Муром на йоготрансгенної тютюні: нематода повільніше росте, її метаболізм загальмований
(перш за все, мабуть, Мітохондріальне дихання, якщо врахувати ймовірнеприпинення біосинтезу КоQ, ключового компоненту дихальної ланцюга). Іншимисловами, нематод вдалося штучно зрушити в бік k-стратегії
(Хекімі), у той час як тютюн, а слідом за ним і миша - у бік r -стратегії (Мур).

МОЖЛИВИЙ механізм перемикання СТРАТЕГІЯ

Залишається неясно, яким чином перемикання стратегій може відбуватисяв природних умовах. Заманливо припустити, що центральну рольвідіграють тут все ті ж активні форми кисню.

Клітини організму постійно підтримують такий баланс процесівосвіти і дезактивації АФК, при якому їх концентрація знаходиться надуже низькому рівні. Якщо погіршуються умови існування організму, йогодіяльність активізується, щоб протистояти що стала більш агресивноюсередовищі. Підвищуються енерговитрати, і, отже, стимулюється дихання --головний процес, що постачає енергію. Але ж за рахунок активації диханнязбільшується продукція АФК, а їх підвищений рівень прискорює старіння іскорочує тривалість життя. Так виникають активні, могутні формиживих істот, такі собі «сверхособі», приречені, проте, на ранню смерть відраку, вірусних інфекцій або, нарешті, від старості.

Менш ясний зв'язок між АФК і плодовитістю. Проте вже встановлено, щопринаймні у деяких типів клітин активні форми кисню різкозбільшують темп клітинних поділів.

Не викликає сумнівів, що АФК - головні мутагени аеробних клітин.
Підвищений Мутагенез не тільки зменшує тривалість життя, але йзбільшує генетичну різноманітність потомства. Деякі зі змін,що виникли в результаті атаки молекул ДНК активними формами кисню, можутьвиявитися корисними і закріпитися в результаті природного відбору. Тимсамим організм пристосуватися до змінених условами зовнішнього середовища,зникне його підвищена активність, знизиться швидкість дихання, а з нею - ірівень АФК. Останнє призведе до зменшення темпу розмноження і збільшеннятривалості життя, тобто відбудеться зміна r-стратегії на k-стратегію.

Викладена тут порівняно проста схема, якщо вона дійснопрацює, напевно містить системи зворотних зв'язків, що підсилюють сигнали,які викликають перемикання стратегій. На клітинному рівні це можебути, наприклад, прискорене вкорочення кінцевих (теломерна) ділянок ДНКпід дією активних форм кисню, концентрація яких зростає при k (r-переході. Це має скоротити число клітинних розподілі і прискоритистаріння клітини.

Іншим прикладом такого роду посилення сигналу може бути індукціябіосинтезу білків теплового шоку у відповідь на довівши об'ємденатурованих білків. Швидкість їхнього денатурації повинна зростати внесприятливих умовах як через збільшення рівня АФК, так і за іншимипричин, а у відповідь зростання концентрації mHsp70 призведе до ефекту,описаного Муром.

ЛЮДИНА І МЕХАНІЗМИ ЕВОЛЮЦІЇ

Ми розглянули приклад можливого механізму, який здатний прискоритибіологічну еволюцію. Він полягає в зміні популяцією стратегії життя:у відповідь на погіршення умов з'являються більш потужні, активніше дихаючі ірозмножуються особи зі скороченим терміном життя (r-стратегія). Виживання впроцесі відбору більш пристосованих організмів знижує їх активність,швидкість дихання і темп розмноження, але збільшує тривалість життя
(k-стратегія). На біохімічному рівні роль головного перемикача можутьграти, як згадувалося, активні форми кисню.

У рамках викладеної концепції будь-якій з нині живучих видів використовуєодну з двох названих стратегій або знаходиться на стадії переходу від однієїстратегії до іншої.

Людина не може бути винятком із цього правила, якщо воноуніверсально для всіх організмів. У той же час людина, розвиваючисьспочатку як біологічний вид, досяг такої стадії, коли переставпокладатися на механізми біологічної еволюції. Коли нам треба злетіти, мибудуємо літак, а не чекаємо мільйони років, поки у нас за спиною відростекрила.

Є надія, що з'ясувавши механізми, перемикаючі r-і k-стратегії, інавчившись ними управляти, ми могли б продовжити час здорового життя людей.

ВИСНОВОК

На закінчення слід підкреслити, що розглянуте біологічнепристрій, що сприяє еволюції, лише окремий приклад, що ілюструєсучасний стан проблеми. Цілком імовірно, що жива природа винайшлата інші способи обмежувати випадковий пошук оптимального для данихумов варіанти подальшого розвитку. Стосовно до людини будь-який зтаких механізмів може виглядати як вроджений і підлягає виправленнюдефект, оскільки те, що добре для еволюції виду, не завжди оптимальнодля індивідуума.