КулЛиб электронная библиотека 

Физико-Химические Факторы Биологической Эволюции (1979) [С.Э.Шноль] (fb2) читать онлайн


Настройки текста:



АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ИНСТИТУТ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

с. э. шноль

ФИЗИКО­

ХИМИЧЕСКИЕ

ФАКТОРЫ

БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ЭВОЛЮЦИИ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» МОСКВА 1979

Физико-химические факторы биологической эволюции. Ш н о л ь С. Э.

М., 1979, 263 с.

Рассмотрены физико-химические факторы биологической эволюции, при­водящие к возникновению ферментов, аппаратов перемещения в про­странстве, систем обеспечения энергией, внутриклеточных структур, кле­ток, нервной системы. Книга представляет интерес для широкого круга читателей биологов, физиков, химиков, философов.

Табл. 11, ил. 34, библиогр. 474 назв.

Ответственные редакторы

академик Г. М. ФРАНК, член-корр. АН СССР Г. Р. ИВАНИЦКИЙ

21005—125 2001040000 © Издтельство «Наука*, 1979 г.

055(02)—79

ПРЕДИСЛОВИЕ (ОТВЕТСТВЕННОГО РЕДАКТОРА

В наше время замечательных достижений в биологии поток но­вых фактов буквально заливает литературу. Быстро изменяются представления о биофизических и биохимических основах явле­ний жизни. В такой ситуации понятно стремление оглядеться, по­пытаться представить себе, в какой мере классические основы биологии сочетаются с новыми данными.

Такую попытку и представляет собой книга С. Э. Шноля. Ав­тор исследует в ней возможность дедуктивного метода в совре­менной биологии. С этой целью он прослеживает возможный путь эволюционного становления основных биофизических, биохими­ческих и физиологических свойств живых организмов, а затем кратко рассматривает данные о тех же явлениях, полученные в результате достижений современной науки. Такой подход, инте­ресный сам по себе, позволяет обратить внимание читателя на некоторые узловые вопросы биофизики и биохимии, еще ожи­дающие своего решения.

Конечно же, не во всех своих разделах анализ автора доста­точно последователен и совершенен. Однако основная ценность этой книги опыт единого в сущности подхода к явлениям жиз­ни на всех этапах биологической эволюции. Автор справедливо подчеркивает, что единственной общебиологической теорией яв­ляется дарвинизм. Его попытка соединения дарвинизма с совре­менными достижениями биофизики, биохимии, молекулярной биологии в значительной мере есть следствие появления более 50 лет назад классической работы А. И. Опарина «О происхож­дении жизни».

Книга С. Э. Шноля выходит в свет в период повышенного ин­тереса к проблемам биологической эволюции. Широкую извест­ность, в частности, получила недавняя работа М. Эйгена (1973) «Саморегуляция материи и эволюция биологических макромоле­кул». Следует отметить, что обе эти работы удачно дополняют друг друга.

М. Эйген сэсредоточил свое внимание в основном на выведе­нии уравнений, связывающих скорость размножения биологиче­ских макромолекул данного вида со скоростью и качеством их репликации и гибели.

С. Э. Шноль использует введенное им понятие «кинетическое совершенство» для анализа не только самых начальных, но и по­следующих этапов эволюции. Примененный им метод («принцип предельного совершенства на каждом этапе эволюционного пу­ти») аналогичен популярному в физике и математике методу предельного перехода.

Следует отметить также, что рассмотрение даже самых серь­езных вопросов С. Э. Шноль проводит живо, хорошим литератур­ным языком, не опасаясь местами патетики и даже юмора. Это хорошо, поскольку показывает до некоторой степени читателк> живую атмосферу научного поиска.

В целом можно рекомендовать эту книгу читателю, интере­сующемуся проблемами общей биологии, биохимии и биофизики, во всяком случае как источник вопросов, побуждающих думать над их возможными решениями

22 ноября 1973 г.

{Академик Г. М. Франк

Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых пу­тем чистой дедукции можно получить картину мира.

А. Эйнштейн. Физика и реальность.

Мы унаследовали от наших предков острое стремление к цельному, всеобъемлющему зна­нию. Само название высших институтов позна­ния— университетынапоминает нам, что с давних пор и на протяжении многих столетий универсальный характер знаний единствен­ное, к чему может быть полное доверие...

Э. Шредингер. Что такое жизнь?

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Широко распространено убеждение в первенствующей роли био­логии среди других наук во второй половине XX в. Мысль эта наиболее четко высказывалась физиками (Жолио Кюри, Бер­нал). Многие выдающиеся физики стали в той или иной форме заниматься биологией и многие внесли в биологию значительный непосредственный вклад (Гамов, Крик, Полинг, Сциллард, Дель­брюк и др.). В высказываниях физиков и в устремлении физиков в биологию проявилась связь наук то, что наука о природе едина и лишь в человеческом сознании, в силу «невозможности объять необъятное», а также в результате стремления к последо­вательности и к систематизации знаний она разделена на мате­матику, физику, биологию и др.

Однако дело не только в этом. Именно в физике в начале на­шего века произошла общеизвестная революция были созданы теория относительности и «вантовая механика.

Бурный расцвет новой физики, когда принципиально важные открытия следовали одно за другим с драматической быстротой и приводили к важнейшим теоретическим и практическим резуль­татам, документирован и описан в ряде книг.

Естественно, что именно физики, только недавно пережившие революцию в своей науке, знающие «как это делается», обрати­лись к биологии, где все, как казалось, предвещало аналогичные события.

Их ожидания оправдались. В биологии в самом деле про­изошла революция, и она действительно явилась результатом прогресса физико-химического направления в биологических ис^ следованиях.

Принято датировать начало революции в биологии 1953 г., когда была опубликована статья Уотсона и Крика о строении ДНК- За прошедшие 20—25 лет преобразились наши знания омолекулярных механизмах наследственности, изменчивости, пре­вращениях энергии в клетке, о механизме биосинтеза основных компонентов протоплазмы белков, нуклеиновых кислот, липи­дов, полисахаридов.

Возникла новая наука молекулярная биология. Но револю­ция в биологии отнюдь не началась статьей Уотсона и Крика. Это было лишь закономерное продолжение открытий Дарвина, Мен­деля, Моргана, лишь закономерное развитие действительно фун­даментальной и революционной идеи XX в. идеи матричного механизма репликации молекул биополимеров, принадлежащей Н. К- Кольцову. Устремление физиков и физики в биологию дей­ствительно оказало большое влияние на темп революционных со­бытий в биологии. Дело не только в проникновении в биологию методов физического и химического исследований. Физика влия­ет на биологию своим примером, стилем работы, методологией мышления. Именно в физике особо плодотворной оказалась теория. Теоретическая физика замечательна своим ярко вы­раженным дедуктивным характером, тем, что она является не столько обобщением фактов, сколько развитием исходных общих положений. Триумфы современной физики это эксперимен­тальное подтверждение предсказаний теории. Получение основ­ных положений какой-либо науки из общих соображений необ­ходимая завершающая стадия развития мысли в данном направ­лении. И здесь теоретическая биология сильно отстает от теоретической физики.

Фундаментом современной теоретической биологии служит дарвинизм. Однако после упомянутых физико-химических, «мо­лекулярных» потрясений, после создания «молекулярной биоло­гии» стала ясной недостаточная развитость теоретической биоло­гии. Необходима такая теория биологии, в которой соединены классический эволюционный и новый молекулярный подходы. Возможно по аналогии с физикой и разделение теоретической биологии на макро- и микротеории, однако истинная теория должна быть единой и всеобъемлющей.

Эта предлагаемая вниманию читателя книга результат убеждения в том, что время для теоретического соединения мо­лекулярной биологии и дарвинизма наступило. Необходимо пы­таться получить основные закономерности биологии из общих соображений, построить теорию, позволяющую предсказывать как динамику и траектории эволюционного процесса, так и мо­лекулярные механизмы, функционирующие в биологических си­стемах. Весьма заманчиво получить такие предсказания, а потом посредством эксперимента или обобщения ранее найденных дан­ных сопоставить предсказанное с действительностью. Так биоло­гия приблизится к физике в самом главном—в методе научного познания.

Пытаясь рассмотреть биологические закономерности с единых позиций, я прослеживаю далее физические и физико-химическиеусловия начала биологической эволюции и основные критерии естественного отбора в системах полимерных молекул, для кото­рых характерно матричное воспроизведение. При таком исследо­вании критериями отбора служат физические и физико-химиче­ские свойства макромолекул и их комплексов.

Более того, весь процесс биологической эволюции от первич­ных матричных молекул до высоко совершенных животных и рас­тений можно рассматривать как последовательное, поочередное действие различных физических и физико-химических критериев естественного отбора, т. е. последовательное «включение» раз­личных факторов эволюции.

В настоящее время, конечно, нереально, руководствуясь толь­ко общими соображениями, проследить, например, посредством ЭВМ, точные траектории эволюционного процесса. Однако это пока и не нужно. Сейчас вполне достаточен термодинамический подход выявление лишь начальных и конечных состояний в каждом направлении эволюции. Тогда оказываются ненужными детальные вычисления и становится возможной оценка предель­ных состояний. Так, если ведущим критерием естественного отбо­ра (т. е. фактором эволюции) при становлении биохимических реакций служит их скорость, легко в принципе оценить, когда дальнейшее совершенствование ферментов станет бесполезным из-за медленности диффузионных потоков реагентов и продук­тов. Ведущим критерием отбора, фактором эволюции станет ин­тенсивность перемешивания, и предел возможностей биологиче­ской эволюции на данном этапе также можно будет оценить по предельно достижимой скорости перемещения организмов в про­странстве. Применительно к биологии такой термодинамический подход выглядит как «принцип предельного совершенства» при анализе основных этапов эволюции.

Можно представить себе опасения, возникающие у читателя книги, озаглавленной «Физико-химические факторы биологиче­ской эволюции». Не сводит ли автор биологию только к физике и химии? В сущности, это опасение понятно. И чтобы рассеять его, нужно сначала определить, что такое собственно биология? Не служит ли установление физико-химических механизмов био­логических явлений доказательством отсутствия биологической специфики? Нет. Не служит. Биологическая специфика состоит в эволюционном способе (в ходе естественного отбора) формиро­вания всех механизмов и свойств биологических систем. Поэтому собственно биологической является именно теория эволюции. Однако сам ход, этапы, траектории эволюционного процесса вполне подлежат изучению с позиций математики, физики, фи­зической химии (см. нашу статью [340]).

Именно учитывая биологическую специфику, эволюционный способ возникновения всех «механизмов» в биологических систе­мах, автор рассматривает физико-химические факторы эволюции, общие закономерности хода эволюционного процесса, матрично­го воспроизведения, ферментативного* катализа, превращения энергии, образования дискретных организмов, возникновение ионной асимметрии, появления внутриклеточных структур, меха­низмы морфогенеза и перемещения в пространстве. Из общих соображений выведена необходимость многоклеточности, наличия рецепторов, нервной системы, мозга.

Естественно, что весь широкий круг вопросов нельзя рассмот­реть с равной компетентностью. Я остро ощущаю свой дилета- низм в очень многих затронутых проблемах, но тем не менее, не могу преодолеть привлекательности попытки общего взгляда на современную биологию.

Эта книга сложилась в результате многократного чтения соот­ветствующего курса лекций студентам-биофизикам физического факультета МГУ. Обычно лекции проходили на Беломорской био­станции МГУ. Часто на открытом воздухе, вблизи нового лабо­раторного корпуса, среди заросших лишайниками валунов, около моря, под шум сосен и крики чаек мы обсуждали общие пробле­мы биологии. Живая реакция слушателей стимулировала работу над текстом лекций и рукописи. Мне хочется с благодарностью отметить огромный труд директора Беломорской биостанции Н. А. Перцова по созданию этого уникального места для педаго­гической и научной работы.

Работа над текстом рукописи в ее разных вариантах длилась много лет (с 1967 г.). За это время состоялось множество об­суждений, семинаров, докладов, дискуссий. Особенно полезными были обсуждения затронутых в книге вопросов с Н. В. Тимофее- вым-Ресовским, Л. А. Блюменфельдом, А. М. Молчановым, М. Н. Кондрашовой, Б. Я- Виленкиным, В. И. Дещеревским, Н. Г. Есиповой, Ю. Н. Полянским, М. В. Георгадзе, С. В. Багоц- ким, В. Н. Веховым, В. И. Брусковым, В. Н. Морозовым, Ф. И. Атауллахановым, А. П. Сарвазяном.

Я очень благодарен Г. М. Франку, А. И. Опарину, Г. Р. Ива­ницкому, Н. А. Райской, В. П. Скулачеву, Э. Э. Шнолю, прочи­тавшим рукопись и сделавшим ряд ценных критических замеча­ний. Н. Г. Есиповой написана часть текста гл. 3 и 11. Приложение написано совместно с А. С. Кондрашовым.

Наконец, я должен выразить особую благодарность сотруд­никам ОНТИ Института биофизики за неоценимую помощь в подготовке рукописи к изданию.

Работа над текстом этой книги в основном была завершена осенью 1973 г. За прошедшее время некоторые предположения получили независимое развитие в работах других исследовате­лей. То, что казалось экстравагантным, стало обычным. Одной из трудных проблем, возникших в связи с долгим изданием этой книги, оказалось составление списка литературы. Автор чувство­вал себя в литературном море как моряк в дырявой лодке но­вая литература течет в книгу «сквозь все щели». Дополнения спи­ска литературы лишь отчасти решают эту проблему.

Глава 1

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ и биологическая специфичность

Дарвинизм основа теоретической биологии.

Краткий исторический очерк.

Физические и физико-химические критерии биологического прогресса. Термодинамические характеристики и кинетическое совершенство.

Наиболее важным достижением биологии XIX в. является дарви­низм, лежащий в основе теоретической биологии *. Центральная идея биологии XX в. концепция матричного молекулярного ме­ханизма размножения организмов. Важная задача современной теоретической биологии состоит в выяснении связи матричной концепции с дарвинизмом [17, 23, 24, 129, 262, 288, 289].

Формулирование матричного механизма репликации молекул нуклеиновых кислот как молекулярной основы размножения ор­ганизмов не только не уменьшает значения дарвинизма, но помо­гает выявить его действительный фундамент, позволяет понять молекулярные механизмы основных биологических явлений, со­ставляющих предмет дарвинизма. В этом смысле современная молекулярная биология ■— составная часть дарвинизма, теорети­ческой биологии.

Правильность сказанного следует из логического развития следствий матричной концепции. В результате матричного вос­произведения соответствующих молекул в определенных услови­ях происходят такие процессы: 1) конкуренция размножающихся матричных молекул за вещество, энергию, пространство; 2) ва­риабельность (изменчивость) матричных молекул; 3) воспроиз­ведение в матричных копиях всех вариантов (конвариантноевос­произведение, редубликация [288]); 4) естественный отбор, т. е. сохранение и размножение лишь более приспособленных; 5) эво­люция, т. е. развитие матричных систем в направлении все большего совершенства, все большей итоговой интенсивности преобразования веществ окружающей среды в вещества данного вида (кинетическое совершенство [339]). Возможность такого в принципе независимого от осуществленного Ч. Дарвиным дедук­тивного формулирования дарвинизма посредством анализа мо­лекулярных основ биологии представляет собой важнейшее след­ствие происшедшей в биологии революции.

1 С современным состоянием и проблемами дарвинизма можно ознакомиться, по статьям, книгам [3, 9, 15, 105, 106, 107, 109, 127, 173, 183, 189, 189а, 199, 202, 241, 252, 289, 290, 304, 332, 333, 359].

Одна из основных задач этой книги состоит в иллюстрации «физико-химической обусловленности дарвинизма» .

Установление обусловленности биологической эволюции фи- зико-химическими свойствами матричных молекул, физико-хими­ческий анализ основных ее этапов отнюдь не означает сведения биологии к физике или химии.

Биология отличается ют других .наук тем, что ее объекты пред­ставляют результат более или менее длительной эволюции. Они являются, в известном смысле, «концентратами прошедшего вре­мени».

Одна из причин излишних споров «о сводимости» состоит в отсутствии достаточно точных определений основных понятий биологической эволюции, жизни, живого организма.

Я думаю, что настало время попытаться определить их, имея в виду сказанное о дарвинизме как основе теоретической биоло­гии, и о синтезе дарвинизма с молекулярной биологией (см. [339, 340]).

Критерием правильности теории является возможность дедук­тивных построений, соответствующих действительности. Поэтому основное содержание предлагаемой книги опыт дедуктивного построения, попытки «выведения» в качестве следствий из об­щих, по преимуществу физико-химических соображений основ­ных этапов биологической эволюции, основных свойств живых организмов.

Прежде чем приступить к выполнению этих задач, мне ка­жется необходимым кратко проследить историю становления кон­цепции матричного механизма размножения организмов. Мат­ричный механизм был сформулирован сначала на основании ана­логии между размножением организмов и размножением кристаллов. Аналогия роста (размножения) кристаллов и живых организмов казалась первоначально лишь внешней. Она не име­ла (и не могла иметь в момент своего возникновения) серьезных оснований. Мысль о такой аналогии возникала на протяжении последних столетий неоднократно. Эту мысль в яркой форме вы­сказывал еще Бюффон (середина XVIII в.). В прошлом веке ана­логия с кристаллами была развита Геккелем для описания раз­множения надмолекулярных агрегатов (пластидул), из которых состоит протоплазма. Л. Я- Бляхер так излагает взгляды Гекке­ля: «...по мысли Геккеля, пластидулы не размножаются делени­ем, а возникают в питательной жидкости подобно тому, как по­являются новые кристаллы под влиянием кристалла, помещенно­го в насыщенный раствор. Деятельностью пластидул Геккель стремился объяснить размножение, наследственность, приспо­собление и эволюцию организмов...» [31, с. 31].

Аналогичную концепцию развивал в 1890 г. Альтман, по­лагавший, что протоплазма состоит из кристаллоподобных гра­нул; Бляхер пишет о его концепции: «...Альтман высказал пред­положение, что фибриллярные и сетчатые структуры, как и гомо­генная по виду протоплазма, тоже построены из мельчайших гранул-биобластов, которые, по его мнению, являются элемен­тарными единицами жизни. Альтман считал, что гранулы подоб­но клеткам размножаются делением, почему положение Вирхова «каждая клетка от клетки» он заменил афоризмом «каждая гранула от гранулы». Касаясь природы биобластов, Альтман сравнил их с кристаллами, которые по его представлению отли­чаются от неорганических кристаллов характером роста: неорга­нические кристаллы растут вследствие отложения вещества из маточного раствора на их поверхности..., тогда как биобласты питаются за счет проникновения надлежащих веществ внутрь» [31, с. 33].

В 1913 г. издательство «Образование» начало выпуск серии книг «Новые идеи в биологии». В первом сборнике этой серии, озаглавленном «Что такое жизнь», был помещен перевод статьи Г. Пржибрама «Обзор мнений авторов о значении аналогии меж­ду кристаллами и организмом».

Пржибрам пишет: «...Каждого биолога, углубившегося в кри­сталлографические изыскания, так сильно поражает «самодея­тельность» кристаллов, что граница между неорганическим и ор­ганическим миром не кажется ему непреодолимой пропастью..».

Из сходства размножения с кристаллизацией следовали и бо­лее широкие биологические аналогии. А. И. Опарин подробно рассматривает эту аналогию в своей знаменитой книге, вышед­шей в 1924 г. [227]. В связи со способностью организмов к вос­произведению он пишет[1]: «...указанное свойство присуще не только организмам, но всем без исключения телам, обладающим определенным строением... Возьмем кристалл какого-либо веще­ства... расколем его на две половинки и бросим последние в пе­ренасыщенный раствор того же вещества. И вот оказывается, что брошенные в раствор половинки кристалла сравнительно быстро восполнят недостающие у них грани, углы, ребра».

А. И. Опарин приводит следующую цитату из книги Каруса Штерне, переведенной с 3-го немецкого издания на русский язык в 1909 г.: «...Здесь происходят самые изумительные явления, ко­торые ...дают ключ к пониманию сложнейших явлений того же порядка. Сера, как известно, простое тело, смотря по темпера­туре, при которой оно переходит из жидкого состояния в твердое, может принимать весьма различный вид октаэдрическую или призматическую форму. Если опустить два таких кристалла на тонких платиновых проволоках в перенасыщенный раствор серы в бензоле, то по соседству с призматическим кристаллом начинаютобразовываться новые призмы, поблизости же от октаэдриче­ской формы октаэдры; когда обе армии кристаллов сблизятся между собой, то при первом столкновении последняя форма ока­жется побежденной. Вот пример борьбы за существование в цар­стве кристаллов»! [349, с. 200].

Таким образом Карус Штерне в конце прошлого начале на­шего века увидел не только аналогию размножения кристаллов и живых организмов он обратил внимание на явления «борь­бы за существование в царстве кристаллов». Это был очень важ­ный шаг. Для перехода от физической химии к биологии необхо­димо от «борьбы за существование» кристаллов перейти к есте­ственному отбору. Это становится возможным на основании созданной Н. К. Кольцовым концепции матричного воспроизве­дения биологических макромолекул [144], концепции конвариант- ной редубликации [288, 467, 468].

Г1о-видимому, именно гипотезы Н. К. Кольцова можно счи­тать идейным началом современной молекулярной биологии. Сам Кольцов [144] утверждал, что мысль о матричном воспроизведе­нии содержалась в докладе съезду естествоиспытателей и врачей, прочитанном А. А. Колли в 1893 г. [141, 142]. На докладе Колли присутствовал студент биологического факультета Московского университета Н. К- Кольцов, развивший потом эту мысль и до­ложивший свои соображения в 1927 г. на 3-м Всесоюзном съезде зоологов, анатомов, гистологов. У меня эта версия вызывает со­мнение, поскольку при чтении текста доклада А. А. Колли мне не удалось усмотреть в нем даже намека на принцип матричного воспроизведения больших молекул. Единственное, что могло по­служить толчком для Кольцова в докладе Колли это вывод о малом числе молекул в бактериальной клетке. Отсюда следова­ло, что большое число признаков определяется малым числом мо­лекул. Но как именно определяетсяэто додумал Н. К. Коль­цов. Я не могу не привести слова, сказанные им в 1927 г. в своей речи на первом торжественном собрании 3-го Всесоюзного съез­да зоологов, анатомов, гистологов в Ленинграде 12 декабря 1927 г.:

«...Процесс «ассимиляции», т. е. точного уподобления вновь возникающих из аминокислот белковых молекул тем образцам молекул, которые уже существуют в данном пункте, является одним из самых загадочных жизненных процессов.

Наиболее простой гипотезой для объяснения ассимиляции яв­ляется, как мне кажется, заключение, что процесс синтеза белко­вых молекул сводится к кристаллизации вокруг уже существую­щих белковых молекул или их агрегатов кристаллитов, являю­щихся затравками. Аминокислотные ионы прикладываются свои­ми боковыми сродствами к тем пунктам уже существующих молекул, где находятся соответствующие аминокислоты, совер­шенно так же, как ионы Na+ и С1, рассеянные в водном раство­ре, складываются е определенную решетку вокруг кристалликаповаренной соли... Много понадобилось времени, чтобы устано­вить, что организм возникает только от другого организма из яйца Omne vivum ex ovo, Omnis cellula ex cellula, Omnis nucleus ex nucleo.

Теперь мы можем прибавить еще один новый тезис: каждая белковая молекула возникает в природе из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее находящихся в растворе ами­нокислот и других белковых обломков: Omnis molecula ex mole- cula. Значит, размножение не есть исключительное свойство жи­вых организмов, но является наиболее вероятным способом воз­никновения в природе всех сложных векториальных систем...» [144, с. 482].

Идеи Н. К- Кольцова, опубликованные в 20-е и 30-е годы, бы­ли развиты и распространены его учениками. Один из них Н. В. Тимофеев-Ресовский оказал особенно существенное влия­ние «а мировоззрение тогда еще молодых физиков, обративших­ся к теоретической биологии, например, на М. Дельбрюка {59, 83, 378]. В 1944 г. под впечатлением эгих идей Э. Шредингер написал свою знаменитую книгу «Что такое жизнь» [344]. Ученик Дельбрюка биолог Дж. Уотсон и физик Ф. Крик, занявшиеся биологией под влиянием книги Шредингера, на базе экспери­ментальных данных М. Уилкинса и Р. Франклин совершили одно из самых важных открытий биологии XX в. установили струк­туру молекул ДНК (см. [297, 298]).

Я проследил кратко историю становления матричной кон­цепции для того, чтобы, с одной стороны, показать преемствен­ность идей нашего времени с идеями XVIII и XIX вв., а с дру­гой подчеркнуть давнее существование теоретической био­логии.

Столь же глубоко, а быть может и еще глубже в историю науки уходят и корни эволюционной теории. Подчеркиваю я это потому, что в последнее время вновь стало «признаком хорошего тона» говорить о теоретической биологии в будущем времени как о дисциплине, которую еще лишь предстоит создать. Доля исти­ны здесь, конечно, есть. Теоретическую биологию, как и любую другую теоретическую наукутеоретическую физику напри­мер, — отнюдь нельзя считать завершенной.

Однако она существует уже много лет и сейчас не стоит да­вать названия «На пути к теоретической биологии» книгам, по­священным развитию теоретической биологии (см., например, 1193,194,296]).

Необходимой и достаточной основой теоретической биоло­гии является дарвинизм. Современная молекулярная биология позволяет дать физико-химическую интерпретацию дарвинизму.

Здесь необходимо напомнить, что долгое время совершались (и продолжаются ныне) попытки построить теоретическую био­логию не на эволюционной основе, а посредством нахождения особых физических -или химических свойств живой материи. Фи-зико-химическая интерпретация биологических явлений, биохи­мический и биофизический анализы биологических объектов не имеют, ничего общего с таким неэволюционным подходом к тео­ретической биологии.

Целеустремленный поиск физического и (или) химического своеобразия биологических объектов был начат в XIX в. Когда прогресс физики и химии определил направление поиска «сущ­ности жизни» в особых химических и физических свойствах ве­ществ, составляющих основу «живой материи». Возникло убеж­дение, что жизнь проявление особых свойств особого вещества.

После Лавуазье под влиянием его работ, показавших анало­гию процессов брожения, дыхания и горения, распространилось мнение, что жизнь представляет собой особый химический про­цесс. Сам Лавуазье утверждал, что «жизнь — это химическая функция». По мнению Гегеля, «жизнь есть увековеченный хими­ческий процесс» (цит. по [352]). Такое особое, «наделенное жизнью» вещество получило многозначительное название «пер­вичное», «протеин» (отнюдь не соответствующее современному понятию «белок»). Замечательным завершением этого этапа раз­вития теоретической биологии стали широко известные форму­лировки Ф. Энгельса: «Жизнь способ существования белковых тел...» [355, 356, с. 77].

Однако отождествление понятий «протеины» и «белковые тела», «протеины» и «белки» не соответствует смыслу определе­ний Ф. Энгельса, что он и сам неоднократно отмечал. В конце XIX в. биохимики выделили из протоплазмы, не отличимой ранее от протеина, ряд существенных фракций. Одна из главных фрак­ций протоплазмы и была названа собственно белком. Тогда же были начаты фундаментальные исследования Э. Фишера, пока­завшего, что белки полипептиды, т. е. линейные полимеры, со­стоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидными

е,ВЯЗЯМИ.

И тут отчасти вследствие семантических неточностей, отчасти из-за стремления возможно быстрее понять сущность жизни, на белки была «возложена» общебиологическая «нагрузка» про­теинов. Возникли гипотезы об обусловленности жизни особым составом, состоянием, свойствами молекул белка. Так возникло представление о «живом белке». Поскольку обмен веществ пред­ставлялся главным признаком жизни, были предприняты попыт­ки найти причину обмена веществ в особых свойствах молекул белков. Предполагалось, в частности, особое неустойчивое, не­равновесное состояние молекул живого белка, допускалось, что спонтанный распад этих молекул служит причиной обмена ве­ществ обновления молекулярного состава белковых макромо­лекул *.

Более чем столетний период развития науки в этом направ­лении завершился появлением книги Э. С. Бауэра «Теоретиче­ская биология» [13]. Бауэр исходил из возможности определения всех основных свойств живых систем посредством анализа фи­зических свойств молекул живой материи.

Согласно Бауэру, фундаментальное отличие живой материи от неживой характеризуется «принципом устойчивого равнове­сия». Этот принцип гласит: «Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого закона­ми физики и химии при существующих внешних условиях». Затем Бауэр в качестве следствий из этого принципа «выводит» основ­ные проявления жизни обмен веществ, рост, размножение. Бауэр, по-видимому, был неправ, постулируя, что устойчивое не­равновесие возникает вследствие особого «напряженного» со­стояния белковых молекул. «Деформированное» состояние бел­ковых молекул не является основным их свойством. Однако принцип Бауэра верен в эволюционном смысле, а именно, в смыс­ле постоянно возрастающей в ходе эволюции «невероятности», а следовательно, и термодинамической неравновесности биологиче­ских макромолекул, «невероятности», проявляющейся в уникаль­ности чередования мономеров в полимерных цепях белков и ну­клеиновых кислот.

Сам опыт построения Бауэром теоретической биологии, его логика, конструкция созданной им теории, представляют большую ценность и в наше время. Однако как уже отмечено, его теоре­тическая биология основана на предположении особых физиче­ских свойств живой материи, а именно, особых термодинамиче­ских характеристик белков. Бауэр не объясняет эти свойства исходя из каких-либо общих соображений, а «формулирует» их посредством анализа отличий живых организмов от неживых объектов. В этом смысле его подход неэволюционный. Он при­знает фундаментальное значение дарвинизма, но не применяет эволюционного подхода для построения теоретической биологии. В этом главный, на мой взгляд, недостаток концепции Бауэра.

Теоретическую биологию можно построить лишь при условии выяснения способа, путей эволюционного становления всех осо­бенностей живых организмов, в том числе становления особенно­стей химических и физических свойств молекул, составляющих основу живых организмов.

Пути эволюционного становления всех особенностей живых организмов могут быть выявлены посредством применения тео­рии Дарвина с учетом современных достижений генетики, биохи­мии, биофизики, объединенных в направлении, называемом мо­лекулярной биологией.

Следует отметить, однако, что в последнее время вновь, после Длительного перерыва стали высказываться сомнения в верности дарвинизма (см. [206]). А. А. Любищев классифицировалразличные теории эволюции, полагая при этом дарвинизм лишь одной из нескольких возможных теорий эволюции [185в, г].

С одной стороны, делаются попытки противопоставления тео­рии эволюции в результате естественного отбора случайных му­таций и теории эволюции как закономерного развертывания «внутренних» свойств биологических систем (номогенез Л. С. Бер­га [21]). Детальное обсуждение этих противопоставлений выходит за пределы задач этой книги (см. [118, 105—107]). Однако проти­вопоставление эволюции в результате естественного отбора и эво­люции, как реализации определенных закономерностей совер­шенно неверно. Закономерность эволюционных траекторий обязательное следствие, а не противоречие дарвинизму. Поэто­му, в частности, неверно рассмотрение закона гомологических рядов Н. И. Вавилова, как противоречие случайной изменчиво­сти и эволюции в результате естественного отбора [21, 206]. Го­мологические ряды Н. И. Вавилова лишь подтверждают, в соот­ветствии с теорией Дарвина, закономерный характер эволюции [43, 44, 107]. Гомологичные результаты естественного отбора от­нюдь не являются проявлением неслучайного характера измен­чивости, а лишь свидетельствуют о действии гомологичных (и даже одинаковых) критериев естественного отбора.

Таким образом, в результате естественного отбора случайных изменений, мутаций, происходит закономерная эволюция. Эво­люционные траектории детерминированы, определены физико­химическими и собственно биологическими факторами это основное содержание настоящей книги. Нет никаких оснований поэтому противопоставлять теорию Дарвина теориям закономер­ной эволюции. Но при этом речь идет не о таинственных «внут­ренне присущих системе» законах, а о физических, химических, биологических, доступных рациональному анализу закономерно­стях.

С другой стороны, высказываются сомнения в какой-либо за­кономерности эволюции, полагая ее траектории случайным, не зависящим от естественного отбора результатом появления, на­копления, комбинации «нейтральных» мутаций [411—414]. «Нейт­ралистская» концепция возникла при анализе мутационных за­мен в полипептидных (полинуклеотидных) последовательностях биополимеров [377]. Некоторая часть таких замен не приводит к регистрируемым изменениям функциональных свойств макромо­лекул. Однако отсюда не следует, что эти нейтральные мутации определяют направления эволюции. Прекрасный анализ «нейтра­листской теории эволюции» дан Р. Левонтином. Он пишет: «Ни­кто не настаивает на том, что почти все мутации нейтральны или что эволюция протекает без естественного отбора, главным обра­зом путем случайного закрепления нейтральных мутаций. Оба эти утверждения явно неверны и совершенно чужды духу пред­лагаемых объяснений. Напротив, мы настаиваем, что многие му­тации испытывают действие естественного отбора, но почти всеэти мутации вредны и элиминируются их популяции. Второй рас­пространенный класс представлен группой нейтральных мута­ций... Кроме того, рассматриваемая теория допускает существо­вание редких благоприятных мутаций, которые закрепляются естественным отбором, поскольку адаптивная эволюция все же происходит» [173, с. 202].

Из сказанного не следует отрицания физического и химиче­ского своеобразия биологических систем. Можно лишь, не пре­тендуя на оригинальность, подчеркнуть, что жизнь, живые суще­ства результат длительного эволюционного процесса. Живые существа, биологические системы концентрат многих милли­ардов лет эволюции. Биология наука историческая. Невозмож­но ни выявить, ни, тем более, понять основные свойства биологи­ческих систем вне эволюционного подхода. Только такой подход позволит определить ведущие, характерные признаки живых су­ществ и тем самым позволит определить предмет биологии в це­лом и каждой ее области в отдельности.

Весь процесс биологической эволюции оказывается возмож­ным подразделить на ряд этапов, отличающихся друг от друга видом, качеством ведущих факторов эволюции. Переход от одно­го фактора эволюции к качественно другому сопряжен с «кри­зисом», преодоление которого приводит к резкому ускорению преобразования веществ неживой природы в вещества живых ор­ганизмов.

Диалектический характер процесса биологической эволюции как процесса, идущего от одного качественного этапа (аромор- фоза) к другому, с преодолением при переходе от этапа к этапу кризисов и противоречий стал ясен из работ А. Н. Северцова [255, 256]. Каждый крупный ароморфоз существенно увеличивает темпы прогрессивной эволюции. В принципе каждый ароморфоз можно количественно охарактеризовать, например, увеличением интенсивности преобразования вещества и энергии у организмов, носителей этого ароморфоза, по сравнению с их предками. Ход процесса эволюции от одного крупного ароморфоза к другому можно рационально описать на основании общих физико-хими­ческих соображений. Речь идет в данном случае не о темпах пе­рехода от одного ароморфоза к другому, а лишь о дедуктивном описании возможной последовательности ароморфозов при эво­люции в данных условиях.

В некотором смысле такой подход аналогичен термодинами­ческому, при котором существенны лишь начальные и конечные состояния системы. Аналогию с термодинамикой при анализе процесса биологической эволюции нетрудно продолжить. В са­мом деле, огромное число микроскопических компонент системы (атомов, молекул), не поддающееся описанию разнообразие тра­екторий движения и взаимодействий друг с другом этих микро- компонент не препятствие, а условие термодинамического, макро­скопического подхода, описания состояний макросистемы. Анало-

тичным образом, огромное число и разнообразие объектов биологической эволюции, чрезвычайная сложность их взаимо­действий — не препятствие, а условие описания узловых макро­этапов (ароморфозов) процесса биологической эволюции. На каждом этапе некий существенный в естественном отборе при­знак, свойство достигает предельного совершенства. Физико-хи­мический и биологический смысл и содержание этого совершен­ства можно проанализировать без учета времени, необходимого для его достижения (принцип предельного совершенства при анализе эволюционного процесса).

Ясно, однако, что применение принципа предельного совер­шенства при анализе эволюционного процесса лишь удобный, а в некоторых случаях и единственно возможный способ первого приближения к действительной картине.

Достаточно полное представление о биологической эволюции может дать рассмотрение не только основных этапов, предельно совершенных по каким-либо факторам, но и темпов эволюции. Далее делается попытка рассмотрения закономерностей, опре­деляющих темпы эволюции, скорость возрастания «биологическо­го прогресса».

Традиционные определения понятий «жизнь, живое существо» были основаны на перечислениях характерных свойств живых организмов. Однако в большинстве случаев удавалось каждое характерное свойство найти в заведомо неживых объектах. Ана­лиз этой ситуации привел к распространенному ныне скептиче­скому отношению к самой возможности таких определений, к убеждению в «бессмысленности» и бесплодности таких попыток {446, 429]. Эту ситуацию четко анализировал Э. Бауэр [13], пред­ложивший, как отмечено выше, в качестве определяющего жи­вое состояние «принцип устойчивого неравновесия».

Затруднения в формулировании необходимых строгих опре­делений снимаются при учете эволюционного происхождения жи­вых организмов: их перечисляемые обычно характерные свойства возникают, формируются в ходе эволюции. В соответствии с этим жизнь это процесс существования объектов биологиче­ской эволюции. Живые существа (организмы) объекты биоло­гической эволюции [339, 340]. Свойства и характерные черты жизни и жизни существ (организмов) различны на разных ста­диях биологической эволюции. Следовательно, единственное, что остается определить, это понятие «биологическая эволюция». Это сделано в следующей главе.

Итогом проведенного далее анализа, по нашему мнению, яв­ляется доказательство возможности дедуктивного описания важ­нейших биологических закономерностей и свойств живых орга­низмов посредством рассмотрения процесса эволюции в данных химических и физических условиях. Это значит, что основные этапы биологической эволюции детерминированы физическими и ^химическими факторами окружающей среды.

Глава 2

КИНЕТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Осуществление естественного отбора по признаку кинетического совершенства в системе, способной к полиморфной кристаллизации (матричным синтезам). Принципиальная возможность анализа наиболее вероятных путей биологической эволюции на основе оценки величин кинетического, биологического совершенства и эволюционного потенциала.

Для того чтобы пояснить смысл понятия кинетического совер­шенства, продолжим аналогию между размножением и борьбой за существование живых организмов и кристаллов.

Представим себе, что некая «жидкость» может с одинаковой вероятностью кристаллизоваться в различных кристаллических модификациях, т. е. имеется система, способная к полиморфной кристаллизации.

В нашем абстрактном случае любая возможная кристалли­ческая форма имеет одну и ту же вероятность появиться в дан­ных условиях. Отсюда следует, что в этих условиях термодинами­ческая «выгодность» любой формы одинакова.

В достаточно большом, хотя и ограниченном пространстве, судьба системы, вид, форма кристаллов, заполняющих это про­странство, определяется, следовательно, не термодинамически­ми, а кинетическими особенностями разных кристаллических форм: пространство сначала заполнится формой, которая обра­зуется по случайно возникшей затравке быстрее, чем остальные. Затем по прошествии достаточно долгого времени исследуемое пространство окажется занятым всеми кристаллическими форма­ми в равной доле (поскольку термодинамические характеристи­ки всех форм одинаковы). Представим себе теперь, что более «быстрая», т. е. быстрее заполняющая пространство форма, ме­нее стабильна. И в этом случае такая форма некоторое время может «господствовать» в системе, заполняя большую часть ее объема. Теперь допустим (что вполне реально), что у более бы­строй, или в общем случае, у какой-то одной из кристаллических форм расположение молекулярных групп на гранях, сторонах кристалла обусловливает их каталитические свойства, которые позволяют кристаллам данной формы ускорять некую химиче­скую реакцию, сопровождающуюся выделением энергии и спо­собствующую процессу кристаллизации *.

Тогда эта кинетически более совершенная, хотя термодина­мически и нестабильная форма за счет свободной энергии, выде­ляющейся из сопряженно катализируемой реакции, будет все более заметно преобладать над другими формами. Теперь сдела­ем следующий важный шагдопустим, что наша система, спо­собная к полиморфной кристаллизации, находится в потоке из­лучения или каких-то иных внешних воздействий, которые могут стимулировать образование новых вариантов кристаллов, увели­чивать разнообразие реализованных форм.

Среди таких измененных, мутантных форм могут оказаться и кинетически более совершенные, т. е, способные к более быстрой кристаллизации и (или) к катализу экзэргонических сопряжен­ных реакций. Ясно, что такие мутантные формы имеют «шансы» заполнить большую часть объема. При этом новом условии изменчивости наша система будет развиваться в направлении отбора кинетически все более совершенных форм.

Из изложенных выше соображений следует, что при возмож­ности полиморфной кристаллизации, при наличии разных кине­тических (в том числе каталитических) свойств у разных кри­сталлических форм, при возможности изменчивости кристалли­ческих форм в результате тепловых флуктуаций юли иных причин (мутации), осуществляется естественный (!) отбор форм, способных ко все более быстрому размножению, т. е. к кристал­лизации по затравке данного вида.

В результате происходит развитие, смена форм в направлении все большего кинетического совершенства. Эти все более совер­шенные формы могут (и должны быть) термодинамически все менее вероятными и все более сложными.

Я все время подчеркиваю определяющую роль кинетических факторов в процессе эволюции. Ясно, однако, что любая изоли­рованная система будет следовать термодинамическим законам[2]. И арена эволюции данной системы, ее ареал будет заполнен в конце концов не наиболее совершенными кинетически, а наибо­лее вероятными, и, следовательно, наиболее термодинамически устойчивыми формами.

Однако в открытой системе при наличии внешнего источника свободной энергии процесс образования и роста матриц может осуществляться сопряженно, т. е. за счет свободной энергии по­ступающей извне, например, в результате сопряженных химиче­ских экзэргонических реакций (см. гл. 7). В таком случае в по­нятие кинетическое совершенство входит и эффективность сопряжения процесса возникновения и роста матриц (кристал­лов) с экзэргоническими реакциями и само «качество» этих ре­акций. В подобных условиях направление процесса эволюции будут определять не термодинамические, а кинетические свой­ства кристаллов. Мало того, поскольку отбор будет идти по при­знаку кинетического совершенства (самого по себе мало вероят­ного), побеждать в нем будут все менее вероятные формы, будет осуществляться выбор удачных флуктуаций, мутаций. Каждый шаг такой эволюции может быть достаточно вероятным, итог многих последовательных шагов, если забыть об истории, о спо­собе достижения данного этапа, будет казаться совершенно не­вероятным. Многие исследователи оценивали вероятность воз­никновения определенной последовательности, например, нуклеотидов в ДНК, и получали величину порядка 10~500. Однако такие внеэволюционные оценки нисколько не противоречат вы­сокой вероятности эволюционного возникновения сложных форм жизни [23, 212, 232].

Действительно, вероятность того, что в данный момент суще­ствует какая-либо форма, равна 1. Этого достаточно, чтобы на­чался естественный отбор (при выполнении указанных выше условий).

Таким образом, естественный отбор начинается с неизбежно­стью, и вопрос состоит в том, как быстро будет возрастать кине­тическое совершенство в эволюционирующей системе. Нужны не оценки вероятности возникновения данной формы (данной после­довательности нуклеотидов) молекулы ДНК, а оценки скорости лроцесса эволюции, выяснение того, достаточно ли прошедшего времени для достижения данной «величины» биологического про­гресса [264]. Естественный отбор полезных флуктуаций в откры­той термодинамической системе с матричным воспроизведением направляет процесс эволюции в сторону, противоположную пред­писаниям термодинамики закрытых систем. Термодинамика от­нюдь не нарушается: процесс эволюции «окупается» сопряжен­ными экзэргоническими процессами. Но направление эволюции определяется кинетическими, а не термодинамическими факто­рами. Мало того, не просто осуществляется процесс эволюции в направлении все менее термодинамически вероятных форм. Сам лроцесс отбора идет со все большей (до некоторого предела) •скоростью система не просто удаляется от термодинамического равновесия, а удаляется от него все дальше и с возрастающей скоростью, так как в естественном отборе побеждают более со­вершенные формы, возникающие быстрее, раньше других. В этом отличие эволюционирующей системы от неэволюционирующей термодинамической системы, где в соответствии с теоремой При- гожина, скорость удаления от равновесия, скорость приращения энтропии минимальна. Естественный отбор, процесс эволюции в Силу давления отбора «заставляет» объекты эволюции с пре­дельно возможной скоростью удаляться от положения термоди­намического равновесия, отнюдь не нарушая законов термоди­намики. Происходит это за счет использования свободной энер­гии сопряженных экзэргонических реакций и в результате «ограждения» термодинамически маловероятных структур боль­шими кинетическими (потенциальными) барьерами.

Итак, основной чертой процесса биологической эволюции яв­ляется определяющая роль, доминирование кинетических, а не термодинамических закономерностей. Это «противотермодинами- ческое» развитие системы в направлении все большего кинети­ческого совершенства осуществляется при возможности исполь­зования свободной энергии, освобождающейся при каком-либо экзэргоническом процессе. «Очевидный» механизм эволюционно­го кинетического совершенствования случайная или законо­мерная изменчивость объектов эволюции, сохранение кинетиче­ски более совершенных и несохранение менее совершенных ва­риантов в ходе естественного отбора. Сказанное о естественном отборе в системе с полиморфной кристаллизацией верно для кри­сталлов любой природы. Однако абсолютная величина интенсив­ности кристаллизации, предельно возможное кинетическое совер­шенство зависят от природы кристаллов. Кинетические свойства кристаллов определяются природой элементов кристаллической решетки. Скорость кристаллизации, каталитические свойства по­верхности кристаллов зависят от физико-химического разнообра­зия этих элементов и от величины удельной поверхности кри­сталлов, поскольку матричный механизм основан в принципе на поверхностном взаимодействии.

Важно подчеркнуть, что кинетические свойства становятся критерием естественного отбора в определенных условиях: при ограниченности «реакционного объема» (возможного ареала), при ограниченности количества вещества, могущего быть пре­вращенным в вещества данного вида, при ограниченности интен­сивности потока энергии, поступающей в эволюционирующую систему.

В этих условиях кинетическое совершенство /< определяет скорость преобразования веществ среды в вещества i-ro вида по­средством матричных механизмов и задается формулой:

It == rhi = dmjdt = Кти

где nii масса вещества t-ro вида.

Для характеристики направлений процесса эволюции полезно понятие эволюционного потенциала, определяемого как предель­ное для данного направления кинетическое совершенство 1тг1.

Эволюция в данном /-м направлении идет до тех пор, пока кинетическое совершенство 1[ не сравняется с /4ах- В таком со­стоянии исчерпания потенциала система может находиться неоп­ределенное время, пока случайные мутации не «толкнут» ее на новое эволюционное направление. Естественный отбор с высокойскоростью будет усиливать казалось бы ничтожные различия в кинетическом совершенстве разных форм.

Представим себе, сильно упрощая картину, два вида А и В ■(кристаллов, матричных молекул, организмов) скорость размно­жения которых различна. Пусть они, размножаясь, заполняют предельный объем (ареал), вмещающий ограниченное количество «живого вещества» любого вида. При заполнении этого объема масса вещества разных видов будет пропорциональна соответ­ствующим величинам Представим себе теперь, что ареал за­полняется организмами двух видов А и В, затем они живут неко­торое время, стареют и умирают, оставляя потомствозароды­ши, незначительные по массе, численность которых пропорцио­нальна массе родителей. Жизненный цикл от зародышей до смерти назовем поколением. Легко показать, что соотношение масс организмов видов А и В при 1в=1А-\-г через N поколений будет равно: mA/mB=mAJmBoeNl1. Можно оценить, через сколько поколений N при различных величинах е масса организмов вида А превысит массу организмов вида В в определенное число раз а. Приняв mAJmB = 1, получим:

N = \n(mA/mB) /е.

Эти оценки для наглядности представлены в табл. 1.

Таким образом, 1%-ное различие в величинах е уже через 460 поколений приведет к 100-кратному превышению массы вида А над массой вида В (а=102).

Приведенные оценки не учитывают случайных изменений среды. Флуктуации условий существования могут затруднить или даже сделать невозможным «выход на экспоненту» раз-

таблица 1

ЧИСЛО ПОКОЛЕНИЯ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВЫШЕНИЯ МАССЫ ВИДА А МАССОЙ ВИДА В в а РАЗ ПРИ РАЗНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ е

е

а

Ю

10*

10»

10*

10»

0,1

23

46

69

92

115

0,01

230

0

690

920

1150

0,001

2300

4600

6900

9200

1150

множения особейобладателей малых селективных пре­имуществ, когда собственно и начинается естественный отбор. Вопрос об условиях действия естественного отбора во флукту­ирующей среде очень сложен. Ему, в частности, посвящены работы Ю. В. Чайковского [319, 321]. Общие закономерности эволюционного процесса с учетом колебания численности по­пуляций, дрейфа генов, флуктуаций, условий существованиярассмотрены в ряде специальных книг статей [57, 66, 80, 82, 105, 106, 108, 122, 127, 173, 189, 202, 203, 213, 235, 241, 243, 264, 289, 290, 308, 316, 332, 333, 326, 327, 375, 387, 351, 412, 468].

Таким образом, приведенные выше численные оценкилишь иллюстрация высокой эффективности естественного отбора после «выхода на экспоненту», когда небольшие различия в итоговой интенсивности размноженияв кинетическом совершенстве — учитываются естественным отбором.

Является ли кинетическое совершенство действительно универсальным критерием естественного отбора в многослож­ных процессах биологической эволюции?

Нельзя ли в таком случае «приравнять» термины кинетиче­ское совершенство и биологическое совершенство?

Возможны ли измерения этой величины не только для поли­морфной кристаллизации, но и для дальнейших этапов биологи­ческой эволюции?

Попробуем ответить на эти вопросы. Действительно, при полиморфной кристаллизации в идеализированных условиях критерием отбора одной из многих равновероятных кристалли­ческих форм является скорость кристаллизации. Чтобы измерить кинетическое совершенство разных кристаллических форм, следует измерить скорость заполнения ими данного объема (ареала) при прочих равных условиях. Процедура ее измерения должна состоять во внесении затравок соответствующих кристаллических форм в способную к кристаллизации жидкость и в определении скорости кристаллизации по данной затравке.

Однако в биологических системах сравниваемые формы могут очень сильно различаться. Можно ли количественно сопо­ставлять кинетическое совершенство бактерии и слона? Оче­видно, нет. Формы, способные строить себя за счет разных исходных веществ, не конкурируют друг с другом за материал. Забравшись в недоступную другим экологическую нишу, некий вид может на более или менее длительное время выйти из-под давления естественного отбора и перерабатывать вещества среды в вещества своего вида значительно медленнее, чем виды, при­надлежащие другим направлениям эволюции. Таким образом, Ii служит критерием отбора лишь при прочих равных условиях, при одинаковых условиях существования. Эти прочие равные условия соблюдаются только в момент возникновения новых форм, в самом начале дивергенции, в самом начале вытеснения менее совершенного более совершенным. Дивергентная эволюция приводит к заполнению под давлением естественного отбора всех возможных для данного направления эволюции экологических ниш. В каждой нише рано или поздно окажется вид с пре­дельно возможным в данных условиях кинетическим совершен­ством. Заполнение всех возможных экологических, ниш А. Н. Северцов [255] назвал идиоадатацией.

Однако в процессе естественного отбора могут возникнуть новые «эволюционные идеи», новые принципы жизнедеятель­ности, допускающие новую серию эволюционных приспособлений, новую волну заполнения всего разнообразия экологических ниш (в том числе и заполненных ранее). Такие новые принципы приспособления, резкие увеличения эволюционного потенциала Северцов назвал ароморфозами. Старые обитатели различных экологических ниш будут вытесняться новыми (как были вытеснены некогда рептилии млекопитающими, папоротники цветковыми растениями и т. п.) и их вытеснение будет осущест­вляться снова по критерию /(в каждой экологической нише будет разыгрываться своя драма: старый хозяин должен будет сойти со сцены, уступить свое место новому [391].

Следовательно, критерий /< действует при заполнении данной экологической ниши в ходе идиоадаптации, все более совершен­ного приспособления к жизни в данных условиях, т. е. все боль­шей специализации на базе общего ароморфоза и при вытесне­нии организмов низшего эволюционного уровня представителя­ми более высокого уровня при появлении нового ароморфоза.

Итак, при прочих равных условиях величина /,• является абсолютной мерой биологического совершенства данного вида. Биологическое совершенство организмов, живущих в разных условиях, можно в принципе сопоставлять лишь с учетом особен­ностей данных условий существования и внесением соответ­ствующих коррекций в наблюдаемую величину U. Такая коррек­ция представляет собой в высшей степени трудную задачу даже в случае организмов, занимающих сходные экологические ниши. Поэтому вычисление корректированных, приведенных к нор­мальным условиям величин позволяющих сравнивать био­логическое совершенство бактерий и слонов практически не реально. Это не изменяет того обстоятельства, что величины /,-, приведенные к нормальным условиям, в принципе количественно характеризуют биологическое совершенство данного вида (и вообще, таксономических единиц любого ранга).

Как уже отмечено, Северцову принадлежит открытие общего характера эволюционного процесса. Он писал: «Биологический 'прогресс, т. е. выживание и победа в борьбе за существование, достигается четырьмя различными способами, а именно: 1) путем ароморфозов, 2) путем идиоадаптаций, 3) путем ценогенезов и 4) путем общей дегенерации» [255, с. 100]. Эти способы Северцов определял следующим образом: морфофизиологический про­гресс, или ароморфозы приспособительные изменения, при которых общая энергия жизнедеятельности взрослых потомков повышается; идиоадаптацииприспособительные изменения, при которых энергия жизнедеятельности взрослых потомков не повышается, но и не понижается; ценогенезы приспособитель­ные изменения зародышей (и личинок), при которых общая энергия жизнедеятельности и строение взрослых потомков не

РИС. 1. Зависимость морфофизио- логического прогресса, общей энер­гии жизнедеятельности, от време­ни в ходе эволюции (по А. Н. Се- верцову [256])

Морфофизиологи­ческий прогресс

Биологический прогресс может сопро­вождаться морфофизиологическим ре* грессом (спуск на плоскость Р) ил» морфофизиологическим прогрессом, аро- морфозом (подъем на плоскости Q и- R). В каждой плоскости происходят приспособления к различным условиям, существования (ось со)— идиоадаптации без изменения общей энергии жизне­деятельности; t время

РИС. 2. Видоизмененный график Северцова, иллюстрирующий воз­растание величины кинетического (биологического) совершенства /> в ходе эволюции

Резкие подъемы, ароморфозы, сменя­ются приспособлениями к разным ус­ловиям существования (ось ) — идио- адаптациями, в ходе которых также наблюдается некоторый рост /,

РИС. 3. Возрастание кинетического- (биологического) совершенства А организмов, приспособленных к разным условиям существования (ось ) в ходе эволюции

Жирные горизонтальные отрезки — уровни исходных ароморфозов (Р, Q, R), тонкие горизонтальные — уровни / при идиоадаптациях. Вертикальные ли­нии —- переходы от одного ароморфоза к другому. Существование видов с бо­лее высоким I исключает существова­ние в тех же условиях (экологических нишах) менее совершенных видов

РИС. 4. Возрастание кинети­ческого совершенства в ходе эволюции при нормировке всех условий существования

изменяются, но возрастает число потомков; общая дегенерация приспособительные изменения взрослых потомков, при которых общая энергия жизнедеятельности понижается [255, с. 60].

Ход эволюционного процесса Северцов иллюстрировал став­шим широко известным рисунком (рис. 1). В горизонтальных плоскостях происходят идиоадаптационные приспособления к различным условиям существования. Подъемы с одной плос­кости на другую представляют ароморфозы, спускидегенера­цию. Недостатком приведенной схемы является отсутствие строго определенного смысла понятия «морфофизиологический прогресс», «общая энергия жизнедеятельности».

При характеристике хода эволюционного процесса величиной кинетического (биологического) совершенства h схема Север- цова предстает в измененном виде (рис. 2). Эволюция неуклонно идет в направлении возрастания /Биологический регресс (в отличие от морфофизиологического) невозможен. Общая дегенерация (например, у паразитов) становится в этих коорди­натах одним из способов идиоадаптации.

Если для удобства сравнения абсолютных величин кинетиче­ского совершенства в одинаковых условиях пренебречь време­нем, необходимым для достижения данной величины /(, то получится график (рис. 3). При помощи этого рисунка можно сравнивать кинетическое совершенство организмов, последова­тельно занимавших одинаковые экологические ниши в процессе эволюции. На рис. 3 видно, что новые ароморфозы сопровожда­ются резким увеличением кинетического совершенства. После каждого ароморфоза происходят относительно небольшие увеличения /,• в ходе идиоадаптаций (сверхтонкая структура спектра /().

Наконец, при нормировке, приведении всех разнообразных условий существования к нормальным, мы получим график (рис. 4). Это безусловно предельное упрощение.

Ясно сознавая сложность такой нормировки, я вынужден буду анализировать далее основные этапы биологической эволю­ции, имея в виду именно такую предельно идеализированную схему эволюционного процесса.

Сейчас, конечно, нереально пытаться проследить из общих физико-химических соображений путь и темпы биологической эволюции. Однако анализ узловых этапов, основных ароморфо- зов, представляется мне осуществимым.

Появление ароморфоза означает введение в число механиз­мов кинетического совершенствования очередного нового прин­ципа. Всякий новый ароморфоз становится необходимым по исчерпании возможностей, т. е. эволюционного потенциала, пре­дыдущего.

Эффективность ароморфозов можно в принципе оценить из общих соображений,— посредством вычисления эволюционного потенциала того или иного физико-химического фактора био­логической эволюции. К таким факторам относится весь ряд физико-химических механизмов, определяющих кинетическое совершенство. Так, предельная скорость синтеза лимитируется каталитической активностью некоторых компонент системы, скоростью притока и оттока веществ, эффективностью исполь­зования свободной энергии в сопряженных экзэргонических процессах, температурой среды и пр., скорость распада матрич­ных молекул зависит от интенсивности внешних излучений,, температуры среды, наличия специальных замедляющих распад приспособлений и т. д.

Все перечисленные выше физико-химические механизмы можно проанализировать, исходя из общих соображений. Следо­вательно, можно определить (вычислить) и величину эволюцион­ного потенциала каждого очередного этапа, ароморфоза в био­логической эволюции.

Я пока не рискую, однако, проводить количественные оценки. В последующих главах я надеюсь показать возможность качест­венной оценки эволюционного потенциала различных очередных узловых этапов эволюционного прогресса, а также строгую детерминированность самой последовательности основных ароморфозов в эволюции.

Прослеживая динамику событий в абстрактной системе с полиморфной кристаллизацией, способной к конвариантному воспроизведению, мы пришли к выводу, что в ней происходит естественный отбор по признаку кинетического совершенства. В результате этого некая часть системы, та, в которой вопло­щаются результаты естественного отбора, развивается, стано­вится все более совершенной (и, следовательно, сложной).

Процесс такого развития мы будем называть эволюцией. Эволюцию, идущую в направлении все большего кинетического совершенства, мы будем называть далее биологической эволю­цией.

В общем случае не существенна физико-химическая природа веществ, способных к конвариантной редубликации, приводящей к биологической эволюции. Однако среди многих в принципе возможных систем конвариантной (матричной) редубликацииесть лишь одна в принципе предельно совершенная, обладаю­щая максимальным эволюционным потенциалом. По-видимому, такой системой являются нуклеиновые кислоты и белки. Но в данном контексте это не важно. Независимо от конкретной физико-химической природы конвариантно воспроизводящихся матричных молекул, процесс увеличения их кинетического совершенства в результате естественного отбора есть биологиче­ская эволюция.

УВЕЛИЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО (КИНЕТИЧЕСКОГО) СОВЕРШЕНСТВА, НАПРАВЛЕНИЕ И СКОРОСТЬ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА. ПРИНЦИП ДОМИНАНТЫ

Итак, в конкуренции за вещество, энергию и пространство из нескольких «мутантов» побеждает тот, у которого итоговая скорость заполнения возможного ареала выше. Этот, в сущности, кинетический критерий отбора /,• имеет размерность г-сек-1. В самом деле существенна не численность, а количество вещества, преобразуемого в единицу времени в вещества данного варианта (мутанта, вида).

Приведенная выше (стр. 22) зависимость тi от К и т,- основана на кинетике автокатализа, естественной для систем с матричным (типа кристаллизации) механизмом размножения. Величина /< определяется величиной К, являющейся функцией многих переменных величин. В простейшем случае /С,= ЯКц. В частности, К определяется скоростью синтеза мономеров- компонентов матричных макромолекул, скоростью полимериза­ции уже имеющихся мономеров с образованием макромолекул, эффективностью использования поступающей в систему энергии, устойчивостью образовавшихся макромолекул (организмов) по отношению к неблагоприятным условиям среды и т. д. Соответ­ственно этому величина h является суммой /у, где каждая /13- равна вкладу в итоговую скорость заполнения пространства, т. е. скорости, обусловленной отбором по данному критерию направлению эволюции Kj, т. е.:

Ki = ^ К и и /,■ = VKijtrii. i

Эволюция все время идет в направлении наиболее быстрого возрастания эволюционирующие системы, медленно заполняю­щие данное «пространство возможностей» будут вытесняться системами, заполняющими это пространство быстрее. Таким образом анализ направлений процесса эволюции сводится к исследованию закономерностей, определяющих скорость воз­растания «кинетического» или, что то же самое, «биологиче­ского» совершенства U.

Эволюция идет под давлением естественного отбора. Чем больше это давление в данном направлении, тем с большей

вероятностью и скоростью по нему пойдет траектория эволю­ционного процесса. Замечательно, что повышение скорости движения по данной эволюционной траекторииболее быстрое увеличение /; по /-му направлениюозначает (в силу кон­куренции) одновременное замедление эволюции по другим направлениям. Происходит активное доминирование (аналогично принципу доминанты А. А. Ухтомского применительно к нервной системе [299]) данного направления над другими. В самом деле, носители небольших преимуществ по другим направлениям будут вытесняться в естественном отборе носителями положи­тельных изменений в доминантном направлении, поскольку селективное преимущество оценивается не по вкладу отдельных направлений, а по суммарной величине /4= 2/^.

В то же время давление отбора тем больше, чем ближе по своим свойствам конкурирующие формы. Следовательно, по мере все большего доминирования данной эволюционной траектории, все более узко направленного эволюционного совершенствования скорость возрастания /,■ будет возрастать. Эволюция в данном /-м направлении не означает отсутствия дивергенции. Однако эта дивергенция свойств лишь по данному Кц±Ьц направлению отбора, где ±6* характеризует вариации Кц в данных условиях. По ходу эволюции происходит все более детальная дифферен- цировка этого очередного направления —«разрешающая сила» критерия все время растет. Итак, однажды начавшись, движение по данной эволюционной траектории, т. е. возрастание (по К, критерию) идет с возрастающей скоростью, пропорциональной уже достигнутому уровню Л= 2/3- и обратно пропорциональной широте }-го критерия отбора, т. е. /С,±6. Эволюционное совер­шенствование, т. е. рост А в данном направлении, т. е. за счет роста идет до максимально возможного уровня /,• jmax, ограни­чиваемого физическими, физико-химическими или чисто био­логическими причинами. При приближении I{j к IijmdX, среднее приращение АI в результате мутаций становится сравнимым с /шах—Аз, темп эволюционного совершенствования уменьшается и падает до нуля при 1ц=1ц max- Дальнейшее эволюционное совер­шенствование становится возможным теперь лишь при увели­чении /( за счет возрастания по другому направлениюпо новому критерию отбора. В силу уже сказанного эволюционное совершенствование по новому направлению сначала идет мед­ленно, а потом «разгоняется». Ход во времени эволюционного совершенствования по каждому отдельному Kj должен иметь вид графика (рис. 5), а при переходе к другому направлению {Kj-О общий вид процесса эволюции во времени также должен иметь вид графика (см. рис. 5).

Вклад в суммарную величину /,• отдельных Itj может быть резко разным, и ход эволюционного возрастания /, представлен на рис. 5.

РИС. 5. Кинетика возрастания Л под давлением естественного оюора в j-u на­правлении

о—«лаг-фаза», фаза «разгона», фаза «замедления темпа роста по /-му напраилеиню. Длительность лаг-фазы определяется временем, необходимым для установления домини­рования /-го направления над другими возможными направлениями эволюции. Фаза раз­гона— возрастание скорости эволюции по мере сужения ее направления при доминиро­вании. Фаза замедления обусловлена исчерпанием эволюционного потенциала данного на­правления; бвозрастание 1{ последовательно при эволюции по /-му и (/ + 1)-му направ­лениям; впоследовательная эволюция по трем направлениям. Показано, что величина приращения I^ при этом может быть различной

Описанная кинетика эволюционного процесса соответствует уравнению:

d/(. _ _ /(Д/,(<)

11 ftii

it 1 + Б6/(.

В начале движения по данной эволюционной траектории разных мутантов велико. Давление отбора мало. Скорость изменения , мала. По мере продвижения по данной траекто­рии 263ч уменьшается. /f растет (т. е. скорость приращения mt растет). Однако при приближении к тах начинает убывать Д/ (стремящаяся к 0), и эволюция замедляется.

Очередность преимущественного движения эволюционирую­щей системы в направлении то одного, то другого критерия отбора Kj в принципе может быть установлена из общих соображений [339, 340].

ЭВОЛЮЦИОННО-ТАКСОНОМИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ

Можно представить себе эволюционное возрастание U как движение по радиусу-вектору в Kj-м направлении } задается дугой окружности, измеряемой в радианах, отсчитываемой от направления эволюции в начальный момент времени). Каждому Kj соответствует некоторый диапазон К,+6. Пусть, для опре­деленности, поочередно вступающие в действие критерии отбора (факторы эволюции) располагаются друг за другом на окруж­ности при движении по часовой стрелке. Тогда при данных усилиях процесс эволюции может быть представлен серией «эволюционно-таксономических диаграмм» (рис. 6). Процесс эволюционного совершенствования по данному критерию- состоит в движении по радиусу-вектору в секторе /С,±6. Мерой

РИС. 6. Эволюционно-таксономические диаграммыизменения во времени Kj факторы, определяющие направления эволюции (т. е. увеличение 1$, расположены по окружности, по часовой стрелке и измеряются отрезком дуги окружности в радианах. Кинетическое (биологическое) совершенство измеряется суммарной площадью диаграммы; а, б, в, г, дразличные этапы эволюции


РИС. 7. Эволюционно-таксономические диаграммы трех (абстрактных) близких таксонов (видов, родов и т. п.)

эволюционного совершенствования в /-м направлении является площадь соответствующего сектора. Полной мерой биологиче­ского (кинетического) совершенства является суммарная площадь всех заполненных секторов (заштрихованных на диа­граммах). По завершении эволюции по всем направлениям достигаются максимально возможные в данных условиях вели­чины площади соответствующих секторов. (Эти предельные значения могут быть, как уже отмечалось, резко различными для разных Кц).

В таком состоянии темп эволюции резко замедляется, и естественный отбор становится лишь «стабилизирующим» [332]. В других условиях величины /j, шах будут иными большими или меньшими, чем в данных. Соответственно иной будет и соответ­ствующая диаграмма. Организмы, соответствующие разным эволюционным диаграммам (разным «экологическим нишам»), будут относиться к оазным таксономическим группам (рис. 7)

РИС. 8. Эволюционная диа­грамма при нормировке при­ращений U по разным Kj

Каждый новый виток спирали осуществляется в результате ароморфоза возникновения возможности нового возрастания Iij по уже пройденным ранее направлениям. 1( измеряется площадью диаграммы

т

в зависимости от ранга отличия Kj к разным видам, разным родам и т. д.

Анализ темпов эволюции соответственно по формуле (1) и диаграммам приводит, таким образом, к выводу о резко неравно­мерном темпе эволюционного совершенствования быстром изменении площадей диаграмм до достижения предельных значений Ij замедлением скорости роста 1{ при переходе от Kj-го к Kj+i-му критерию отбора, и, наконец, неопределенно долгой задержке эволюционирующей системы в состоянии U, тах= 2/3-1тах (см. о неравномерности темпов эволюции работу Н. Н. Иорданского [122]).

Это свидетельствует в пользу реальности устойчивых дис­кретных таксономических единиц видов, родов [105, 189, 201, 202, 203].

Представленная выше кинетика эволюционного процесса основывалась на предположении, что lit ша* неизменны в данных условиях. Однако вполне возможно изменение /3-, тах и при постоянных внешних условиях в результате достижения некото­рой степени совершенства по другим Kj+m-направлениям. С этого момента вновь становится возможным эволюционное совершен­ствование по ранее пройденным траекториям. Если эти измене­ния затрагивают все пройденные ранее направления, становится возможным «второй виток» эволюционной спирали»—начинает увеличиваться площадь диаграммы U в тех же, в принципе, внешних условиях (рис. 8). Такие изменения Ij по некоторым К, которые делают возможным возрастание /тах по другим /С,, можно назвать «ароморфозы» в соответствии со смыслом этого понятия, предложенного А. Н. Северцовым. [255, 256]. Таким

33

2 С. Э. Шнольобразом, ароморфоз делает возможным новый виток эволюцион­ной спирализаполнение (в том числе ранее заполненных) экологических ниш организмами с большей величиной 1тах.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Критерии, по которым осуществляется естественный отбор, т. е. различные Kj являются, в сущности, факторами эволюции (от facere делатьлат.). Они определяют направления эволюции. Как мы видели, действие этих факторов происходит последовательно. Очередность действия этих факторов, как отмечено выше, может быть установлена на основе «принципа предельного совершенства» [339, 340].

Начальные этапы биологической эволюции определяются преимущественно физико-химическими факторами. Затем воз­никают, становятся критериями естественного отбора и соб­ственно биологические факторы.

Биологическая эволюция начинается с началом естественного отбора матричных макромолекул, способных к конвариантному воспроизведению. Критериями отбора вариантов таких макро­молекул являются их каталитическая активность, совершенство сопряженных процессов превращения энергии, скорость и эко­номичность превращения веществ, совершенство кодирования, записи и считывания наследственной информации, совершенство хранения (сохранения) наследственных текстов. Этот путь, по существу, чисто биохимической эволюции ограничен диффузион­ным барьером— медленностью диффузии метаболитов и ката- болитов. В связи с этим начинают доминировать факторы, направляющие эволюцию по пути ослабления и преодоления диффузионных ограничений. В результате возникают сложные морфологические структуры и аппараты активного перемещения в пространстве. Эволюция, направляемая отбором по критерию все более быстрого и совершенного перемещения в простран­стве, приводит к возникновению мышц, нервов, рецепторов, центральной нервной системы. Несмотря на сложность резуль­татов, например, возникновение нервной системы, критериями отбора, приведшими к ним, являются чисто физико-химические факторы эволюции.

Однако уже на этих этапах в действие вступают и собственно биологические критерии естественного отбора. Характерным свойством собственно биологических факторов биологической эволюции является то, что они сами возникают в результате биологической эволюции. К ним относятся прежде всего крите­рии, определяющие соответствие организмов в биоценозах. Действительно, предметом внимания естественного отбора оказывается и взаимное соответствие разных организмов в био­ценозах. Общеизвестным примером эволюции, направляемой

собственно биологическим критерием отбора, является сопря­женная эволюция цветков и опыляющих их насекомых, средств нападения хищников и защитных приспособлений жертв, сим­биотических водорослей и грибов в лишайниках и т. п.

Мы видели, что скорость эволюционного совершенствования в данном направлении также находится под давлением естест­венного отбора. Если возможны несколько траекторий, ведущих к данной величине биологического совершенства, выбирается та, которая приводит к конечному этапу быстрее. Следовательно, наряду с факторами, обеспечивающими максимально высокую итоговую скорость конвариантной редубликации, ферментатив­ного катализа, наибольшую эффективность превращения энергии, наибольшее совершенство морфогенеза, перемещения в про­странстве, переработки информациидолжны существовать •специфические факторы, определяющие (максимально возмож­ную) скорость эволюционного совершенствования на каждом, этапе.

Факторы, определяющие скорость эволюции, могуть быть внешними и внутренними по отношению к эволюционирующей -системе. Внутренниеэто те, которые сами возникают в резуль­тате эволюции. Это также собственно биологические факторы биологической эволюции. Скорость эволюционного совершен­ствования, как мы видели, зависит от узости интервала Д/С,- ч величины ДU. Биологические факторы в ходе естественного ■отбора по преимуществу влияют на величину Д/, т. е. на вели­чину приращения U за некую единицу времени. А/ зависит от частоты мутаций, скорости размножения, скорости накопления полезных мутаций, эффективности действия естественного •отбора. Рассмотрим эти зависимости подробнее.

Частота мутаций определяется как внешними факторами, в частности, интенсивностью ультрафиолетовой и ионизирующей радиации, так и активностью биохимической репарационной системы [61]. Ясно, что максимальная скорость эволюции дости­гается при поддержании частоты мутаций в некотором диапазоне значений, т. е. что для данных условий должна поддерживаться оптимальная частота мутаций.

Скорость увеличения биологического совершенства, т. е. скорость эволюции, возрастает при переходе от бесполого размножения к половому. Действительно, при бесполом раз­множении скорость возрастания биологического совершенства •определяется скоростью накопления в геноме полезных мутаций. Этот процесс зависит от вероятности мутирования и времени, необходимого естественному отбору для установления полез­ности или вредности данной мутации. Большинство «признаков», свойств живых организмов формируется в результате сочетания большого числа мутаций. Мутации происходят независимо друг от друга. Полезной данная мутация может оказаться обычно лишь при условии предварительного осуществления и отбораряда других. Тем самым становится вероятной такая ситуация. В данном множестве родственных организмов имеется весь комплект случайно распределенных между особями потенци­ально полезных мутаций. Однако особи-носители большинства этих потенциально полезных мутаций гибнут в естественном отборе. Их полезность не проявляется в отсутствии полного комплекта всех предыдущих. Эволюция идет посредством отбора носителей первой полезной мутации и гибели всех прочих, ожидании появления второй полезной мутации у обладателей первой и т. д. На каждом этапе происходит «безрассудное уничтожение ценностей». Еще ярче это выявляется во вполне вероятной ситуации, когда никакая из мутаций в отдельности, без полного их комплекта, не дает преимуществ их обладателя в естественном отборе. Полный комплект данных мутаций очень полезенсильно увеличивает кинетическое совершенство. В этом случае можно представить себе неопределенно долгую задержку эволюции на одном месте.

Положение резко изменяется при половой рекомбинации геномов. Теперь становится относительно быстро достижимым сочетание мутаций, резко увеличивающих биологическое совер­шенство обладателей всего комплекта. Правда, половая реком­бинация обеспечивает как сочетание генов разных особей, так и нарушение уже сложившихся полезных сочетаний. В этом случае для «дела эволюции» полезно чередование полового и бес­полого размножения. При следующем за половой рекомбина­цией бесполом размножении возникает множество копий, пусть еще незавершенного, по полезного набора генов. Испыта­ние в ходе «борьбы за существование» особей, возникших при бесполом размножении, позволяет существенно увеличить кон­центрацию полезных сочетаний генов (мутаций). Так илн иначе, но и при половой рекомбинациипроцессе перемешивания различных геномов—может потребоваться очень большое время, долгий ряд поколений. Все это время носители потенциально полезных мутаций должны сохраняться в системе, быть участ­никами общего «обменного фонда» генов. Целостность, сохране­ние этого обменного фонда на протяжении всего времени пере­бора сочетаний потенциально полезных мутаций—важное условие возможно быстрого возрастания биологического совер­шенства соответствующих организмов. Наибольшую опасность для сохранности, целостности данного обменного фонда генов представляет его преждевременное разбавление путем половой рекомбинации с представителями других обменных фондов. Поэтому условием ускорения эволюционного совершенствования оказываются изолирующие механизмы, все механизмы, пре­пятствующие размыванию границ данного обменного фонда генов.

Итак, существование живых организмов в виде дискретных видов является условием ускорения эволюционного прогресса.

Пока мы пренебрегали колебаниями, случайными или перио­дическими долгопериодными изменениями условий существова­ния. Я^сно, что может быть два способа эволюции в переменных условиях существования: 1-й способдостижение такой скорости генетического приспособления, при которой эволюцион­ные изменения успевают следовать за колебаниями условий существования; 2-й способдемпфированиенереагирование на относительно быстрые колебания условий существования, выработка приспособлений, позволяющих жить в соответственно широком диапазоне условий, т. е. такой темп генетических изменений эволюционного совершенствования, который обеспе­чивает увеличение биологического совершенства, учитывающее лишь постоянную составляющую изменений внешней среды.

му способу соответствует гаплоидный геном, когда каждая мутация сразу же проявляется в фенотипических свойствах ее носителя, сразу же становится объектом естественного отбора.

му способу соответствует полиплоидный (обычно диплоид­ный) геном, когда «на всякий случай» в каждом геноме имеются не проявляющиеся без должных сочетаний рецессивные гены.

2-й способ эволюции при наличии рецессивных и доминатив- ных алельных генов возможен, как ясно, лишь при половой рекомбинации, когда в гомозиготных организмах проверяется полезность данного гена, а в гетерозиготныхрецессивные гены «ждут своего часа» (см. [65]).

Можно представить себе, что в зависимости от условий существования наибольшая скорость эволюции может обеспечи­ваться иногда лишь весьма сложной стратегией: сменой гаплоид­ных и диплоидных поколений, чередованием полового размноже­ния с неполовым, например, партеногенетическим.

Обсуждаемые в этой главе вопросысопоставление скорости эволюции при бесполом и половом размножении, образовании дискретных видов, гаплоидности и диплоидности, определенной очередности полового, бесполого, гаплоидного, диплоидного поколенийвсе это предмет для математического анализа на ЭВМ. Однако до последнего времени сделаны лишь первые шаги в этом направлении. При этом необходимо отметить, что еще[3] в 1930 и 1932 гг. Р. Фишер [387] и Меллер [432, 433] высказали ряд глубоких соображений о зависимости скорости эволюции от половой рекомбинации. Эти соображения близки приведенным нами выше. Однако строгий математический анализ с моделированием и исследованием посредством ЭВМ этой проблемы только начат. В работах Кроу и Кимуры [372, 373], Мейнарда Смита [424] и Фельзенстейна [386] исследу­ется вопрос о величине ускорения эволюции в результате поло­вой рекомбинации при заведомо упрощенных предположениях, (см. также [450]). Даже при весьма сильных упрощениях Мейнард Смит [424] и Фельзенстейн [386] пришли к выводу о значительном ускорении эволюции при наличии половой реком­бинации. Мейнард Смит оценивал число поколений, необходимое для накопления примерно 10 полезных мутаций (независимых друг от друга) при бесполом и половом размножении. Он полу­чил, что при размере популяции 109 пользе от каждой такой мутации в 0,01 (относительного ускорения размножения) и вероятности возникновения мутаций 10"9, эволюция ускоряется примерно в 6 раз. Сходные, в принципе, оценки получил Фель- зенстейн. Этот автор, кроме того, провел анализ на ЭВМ высказанного Меллером предположения о весьма быстром ускорении эволюции не столько от увеличения скорости накопле­ния полезных мутаций, сколько от эффективного освобождения генома при половой рекомбинации от вредных мутаций. Про­веденный анализ, имеющий явно предварительный характер, подтверждает предположение Меллера.

Можно надеяться на быстрый прогресс в этой области. Необходим математический анализ разных способов биологиче­ской эволюции, биологического смысла гаплоидности, диплоид- ности, дискретности видов, смены поколений.

Свидетельством реальности этих надежд можно считать работы В. В. Меншуткина и Б. М. Медникова по математиче­скому, посредством ЭВМ, анализу эволюционных закономер­ностей и, в частности, процесса дивергентного видообразования [408—410].

Об исследованиях М. Эйгена и задачах книги. Во время работы над рукописью книги были опубликованы исследования М. Эйгена, посвященные проблемам самоорганизации материи и эволюции биологических макромолекул [350] *. Они производят большое впечатление ясностью и смелостью постановки и раз­работки принципиальных вопросов теоретической биологии. Мне представляется, кроме того, весьма интересным, что в ряде пунктов наши позиции оказываются вполне сходными. Такое сходство, по-видимому, имеет особый смысл: отталкиваясь от разных исходных положений, будучи специалистами в разных областях, основываясь на разных ассоциациях и научной пред­ыстории, мы приходим к ряду аналогичных выводов. Поэтому ниже будут кратко рассмотрены некоторые основные аспекты работы Эйгена и отмечены сходство и различия наших взглядов.

Задача книги Эйгена формулируется им так: «Если мы хотим уничтожить разрыв между физикой и биологией, то необходимо разобраться в том, что такое «отбор» на языке точных молеку­лярных понятий, которые в конечном счете могут описываться квантово-механической теорией. Мы должны вывести дарвинов­ский принцип из тех свойств материи, которые нам известны» ([350, с. 21]). Рассмотрев необходимые предпосылки для осуществления отбора, Эйген пишет феноменологическое кинеги-

ческое уравнение для изменения численности каждого носителя информации (в нашей терминологии вида):

Xi = (Ft Ri) Xt + Yi фахи i*i

где х{концентрация i-ro носителя информации, опре­деляет скорость «самоинструктированного» (в нашей термино­логии матричного) его образования, R( определяет скорость уменьшения его концентрации (посредством распада, разбавле­ния и т. д.). Последний член (сумма) уравнения характеризует все другие каналы изменения хи которое происходит в результате неточного копирования других матричных последовательностей, близких к i-той, фи определяет скорость образования таких копий.

Это уравнение описывает типичный автокатализ с увеличе­нием численности л:4 при F^Rt. Величины Ft и Rt можно пред­ставить в виде:

Ft = kgAjQf, Ri = k0Di + Фиь

где константы скорости копирования i-й матрицы, Qi—«фактор качества», показывающий, какая доля образовав­шихся матриц представляет собой точные копии i-й, k„D кон­станты скорости уменьшения концентрации i-й матрицы, cpot имеет смысл, аналогичный ф«. С учетом этого основное уравне­ние Эйгена принимает вид:

Х{ =• kQ Д] Xi + ^ ф цХ1 ФоЛ.

Здесь весьма существенно замечание Эйгена, отмечающее, что это уравнение еще не описывает процесса отбора. Для отбора, для настоящей конкуренции за выживание необходимы внешние селекционные ограничения.

При ограничении суммарной численности всех N носителей информации (в нашей терминологии определенный ареал, ограниченные потоки веществ и энергии) получается следующее. Пусть Д характеризует избыточную продуктивность;

тогда средняя продуктивность будет равна:

_ .V j N

Е = ^ Ekxk / ^ хк k—i I k=i

Величину Д Эйген называет селективной цен­

ностью, заимствуя этот термин из работ Фишера, Райта, Хол­дена. После соответствующих преобразований Эйген получает основное уравнение, характеризующее динамику отбора:

Xi = k0 [Wi Ё] Xi + >] фaxi.

ш

Теперь будет расти численность только тех носителей инфор­мации, елективная ценность Wt которых оказывается выше порога Е. Здесь, вероятно, наиболее важно то обстоятельство, что средняя продуктивность Ё во всей системе непрерывно растет в ходе эволюции до тех нор, пока не будет достигнут ее оптимум, равный максимальной селективной ценности Wm, возможной для данной системы видов. Приближение Е к Wm совершенно аналогично рассматриваемому мною исчерпанию эволюционного потенциала в данном направлении эволюции.

Состояние с Wm на некотором этапе эволюции Эйген рас­сматривает как селективное равновесие и указывает, что оно имеет метастабильный характер. Это равновесие сохраняется до тех пор, пока не возникнет селективное преимущество с Wm+l>Wm. Как только появляется новая копия такого рода 4i+1, прежнее равновесие разрушается, и система идет к новому (метастабильному) состоянию равновесия.... ([350, с. 52]). Здесь мы видим явную аналогию с появлением очередного аромор­фоза.

Далее Эйген анализирует стохастический подход к отбору, подчеркивая ограничения детерминистической теории отбора. По его мнению, элементарный процесс, ведущий к возникнове­нию какого-либо конкретного мутанта, существенно недетерми- нирован, и автокаталитическое усиление ведет к макроскопиче­скому отображению случайных микроскопических событий. Кроме того, он отмечает, что процесс роста численности сам по себе подвержен статистическим флуктуациям и указывает, что определенные стационарные состояния в отличие от истинно равновесных метастабильны и не могут стабилизироваться, и поэтому для поддержания их в течение длительного времени необходима регуляция [350, с. 75]. С учетом отмеченных ограни­чений Эйген проводит стохастическое рассмотрение процессов отбора.

Эти вопросы и особенно возможную недетерминированность направлений эволюции в результате автокаталитического усиле­ния случайных событий, я рассматриваю в гл. 13, где на основа­нии данных по биологической конвергенции прихожу к другим выводам.

Затем Эйген дает очень интересный анализ возможности эволюционного совершенствования, основанного на комплемен­тарном узнавании только нуклеиновых кислот, и повторяет его для чисто белковых каталитических систем. Он приходит к выводу, что ни нуклеиновые кислоты, ни белки-ферменты не обеспечивают осуществления естественного отбора. Эйген рас­сматривает также систему, образованную нуклеиновыми кисло­тами и белками, в которой сочетается комплементарное инструк­тирование (матричное конвариантное воспроизведение в нашей терминологии) с каталитической связью. Эта системасамо- воспроизводящийся гиперциклможет эволюционировать,т. е. совершенствоваться, путем использования селективных пре­имуществ. Замечательно, что для гиперциклов с тремя и более членами теоретический анализ предсказывает колебания [350, . 151] что, как отмечено мною, является 'необходимым условием ускорения эволюции.

Далее весьма кратко Эйген отмечает необходимость «ком- партментализации», т. е. образования дискретных особей, в качестве неизбежного следствия эволюции гиперциклов. Более детальный физико-химический анализ этого вопроса изложен в гл. 6. В своей книге он, как и я, рассматривает опыты С. Спигелмана в качестве иллюстрации верности теоретических критериев естественного отбора.

Эйген следующим образом подводит итоги всему сказанному: «Эволюция представляется неизбежным событием, если задано присутствие определенного вещества с определенными авто- каталитическими свойствами и если поддерживается такая величина потока (свободной) энергии, которая необходима для компенсирования стационарного производства энтропии» [350, с. 185]. «Тот факт, что «отбор» и «эволюция»—по аналогии с «равновесием» в термодинамикеможно охарактеризовать экстремальными принципами, позволяет физически обосновать и количественно сформулировать дарвиновскую теорию. В такой форме теория Дарвина уже не просто описывает некий истори­ческий путь, но представляет собой выводимый из физики закон, управляющий общими процессами самоорганизации материи» [350, с. 197]. «Процессы автокаталитического отбора отфильтровывают и усиливают мутантов, обладающих высокой селективной ценностью, снижая тем самым недетерминирован­ность, однако недетерминированность все-таки сохраняется в от­ношении выбора индивидуальных копий и затем отображается на макроскопическом уровне. Вследствие этого невозможно с достаточной точностью ни проследить прошлую, ни предсказать будущую эволюцию за пределами известных временных гра­ниц...» [350, с. 199].

При сопоставлении наших взглядов для дальнейшего изложе­ния, вероятно, наиболее существенно сравнение понятий селек­тивного преимущества и кинетического (биологического) совер­шенства. Смысл этих понятий очень близок. И и /; служат критериями в процессах естественного отбора. Величина Wm, введенная Эйгеном, аналогична понятию эволюционный потен­циал данного направления эволюции, введенному выше.

Есть, однако, и существенное различие. Величина кинетиче­ского совершенства U характеризует (при прочих равных усло­виях) скорость возрастания массы веществ данного видя, a W{приращение численности (особей, молекул) данного вида. Это различие становится важным при сопоставлении биологиче­ского совершенства дальних родственников, например, мелкихс крупными. Wi является непосредственным критерием отбора, U как непосредственным критерием отбора, так и абсолютной характеристикой биологического совершенства данного вида.

Эйген ограничивает свою задачу физико-химическим анали­зом лишь первых шагов биологической эволюции. Основной проводимой здесь мною мыслью является применимость одного и того же критерия естественного отборакинетического (био­логического) совершенства на всем пути биологической эволю­ции от «самого начала» до человека.

Мне не кажется правильным писать в настоящее время урав­нения динамики эволюционного процесса для поздних его эта­пов. В сущности вся сложность динамики этого процесса скры­вается в параметре К. в уравнении типа:

ihi = Kimi.

Однако К зависит от многих переменных совершенства матричного конвариантного воспроизведения, совершенства катализаторов, совершенства процессов использования энергии, совершенства аппаратов перемещения в пространстве и т. д. Все эти переменные и являются факторами биологической эволюции‘. По существу их можно охарактеризовать в физико-химических терминах. Поэтому в книге и рассматриваются физико-химиче­ские факторы биологической эволюции. Все эти факторы под­даются количественной оценке.

В самом деле, т,- в конце концов определяется скоростью синтеза полимерных молекул, скоростью притока и оттока метаболитов, эффективностью использования энергии, длитель­ностью нативного существования матричных молекул и других компонентов организмов.

Прослеживание детальных путей возрастания т( в зависи­мости от того или иного физико-химического фактора нереально. Зато вполне реальна оценка предельного по данному фактору значения т(. Полагая время, отводимое на эволюционное совер­шенствование в данном направлении достаточно большим, можно оценить предельно возможную, ограничиваемую лишь физиче­скими законами, скорость синтеза полимерных молекул, пре­дельно возможную эффективность преобразования энергии, предельно возможную скорость притока и оттока метаболитов, предельно возможную скорость перемещения организмов в про­странстве и т. д. Такой «принцип предельного совершенства»,

как метод дед^кхивного анализа траекторий и динамики эволю­ционного проц'есса> оказывается, по-видимому, единственно воз­можным применительно к столь сложному предмету, каким является биолс)ГИЧеСкий эволюционный процесс.

Используя этот метод для прослеживания процесса эволюции «с самого начала», можно убедиться в том, что физико-химиче­ские факторы биологической эволюции выступают на эволюцион­ную арену последовательно. Сначала возрастание величины тп{ определяется, например, скоростью синтеза полимерных цепей из предсуществующих, возникших «абиотически», мономеров. Потом оказывается, что рост определяется уже ростом концен­трации этих мономеров, зависящим от скорости их биосинтеза. Потом оказывг^тся, что при некоторых величинах скорости син­теза полимеров и скорости (био) синтеза мономеров дальнейшее увеличение определяет «транспорт»—скорость притока

«пищи» и оттока «катаболитов». Так, одно узкое место, ограни­чивающее рост rhi, сменяет другое, один физико-химический фактор биологической эволюции перестает быть критерием естественного отбора и сменяется в этом качестве другим, очередным фактором. В силу этого процесс эволюции идет ступенчато: периоды быстрого увеличения при движении к физическому пределу по данному фактору эволюции сменя­ются периодами поиска новых принципов увеличения ть по новому критерию естественного отбора, соответственно очеред­ному фактору эволюции.

Дальнейшая задача этой книги и состоит в выявлении и характеристике роли различных факторов эволюции на разных этапах биологического эволюционного процесса.

Глава 3

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР МАТРИЧНЫХ МАКРОМОЛЕКУЛ, СПОСОБНЫХ К КОНВАРИАНТНОМУ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ

Спонтанное возникновение в планетных условиях полипептидов и полинуклеотидов, вовлекаемых в естественный отбор.

Необходимость однозначного соответствия полипептидных и полинуклеотидных полимерных цепей. Проблемы генетического кеда, прямого структурного соответствия полинуклеотидов и полипептидов

( «узнавание»).

Белки и нуклеиновые кислоты в дальнейшей эволюции. Разделение функций.

Фенотип и генотип.

Из многих в принципе возможных систем матричного конвари- антного воспроизведения, обладающих сходными физико-хими­ческими свойствами, рано или поздно остается («побеждает») лишь одна с наибольшим эволюционным потенциалом. Таким образом, существенным этапом эволюции оказывается отбор эво­люционирующей системы. Рассмотрим критерии выбора такой системы.

Эволюционный потенциал, естественно, сильно зависит от фи­зико-химической природы матричных молекул.

Из простых соображений ясно, что /,• будет тем больше, чем больше удельная поверхность матричного вещества. Предельно большой поверхностью обладает одномерный кристаллнить. Эволюционный потенциал зависит от разнообразия элементов матричной нити. Необходим набор элементов, обеспечивающий все возможные каталитические и матричные свойства.

Таким образом, максимально возможным эволюционным по­тенциалом будет обладать одномерная последовательность раз­личных элементов кристаллической решетки«букв, образу­ющих строки». Следуя принятому нами при описании эволюци­онного процесса принципу предельного совершенства, мы можем отнести все сказанное о естественном отборе в полиморфной кри­сталлической системе к одномерному апериодическому кристал­лу [344], т. е. к гетерополимерной макромолекулярной нити, со­стоящей из набора разных мономеров, порядок чередования ко­торых в полимерной цепи может быть разным.

Необходимо лишь, чтобы такая нить обладала матричными свойствами, чтобы любое чередование мономеров в цепи было в принципе термодинамически равновероятным, но отличалось другот друга по кинетическим свойствам *. Этим общим условиям соответствуют нуклеиновые кислоты.

Однако прежде чем перейти к анализу возможных этапов эво­люции в конкретных биохимических системах, рассмотрим усло­вия, необходимые для начала биологической эволюции.

Условия неизбежности начала биологической эволюции. Эво­люция становится неизбежной при выполнении основных усло­вий: существования механизмов матричного, конвариантного воспроизведения и различия в скоростях воспроизведения раз­ных форм полиморфных матриц.

Таким условиям удовлетворяет одномерная полимерная нить, для которой скорость матричного размножения, скорость синтеза матричных копий зависит от природы и последователь­ности мономеров.

При выполнении этих двух условий в ограниченном простран­стве—ареале (третье условие)—при неравновесности самой системы или при наличии внешнего источника свободной энер­гии в среде, содержащей все необходимые компоненты для спон­танного возникновения линейных гетерополимеров (четвертая группа условий) начнется эволюционный процесс, и будет осу­ществляться естественный отбор по критерию наибольшей ско­рости образования полимера данного вида. Слово «вид» употреблено здесь вполне сознательно, хотя это еще совсем не такой же вид, как «ящерица прыткая» или «овес посевной» (см. гл. 2, стр. 36).

Однако реализация эволюционного потенциала системы, удовлетворяющей только этим условиям, может оказаться очень затрудненной. Ареал может быть заполнен формой, полимеризу- ющейся не с наибольшей скоростью. Затравка этой формы воз­никает случайно, в результате тепловых флуктуаций, и вероят­ность того, что случайно возникшая затравка соответствует наи­более кинетически совершенной форме очень мала. Вместе с тем заполнившая ареал полимерная форма будет препятствовать об­разованию более совершенных форм материала для их постро­ения не останется, а тот, который уже использован для построе­ния заполнивших ареал матриц, защищен кинетическими потен­циальными барьерами от посягательств пусть и способных к бо­лее быстрому воспроизведению зародышей, но возникающих позже затравок новых матриц. Речь идет, следовательно, о том, что одна даже самая удачная мутантная форма способная обес­печить наибольшую скорость матричного воспроизведения «ни­чего не сможет сделать» с уже заполнившей ареал менее совер­шенной массой полимерных молекул.

Нужно «открыть путь» для реализации полезных мутаций, реализации эволюционного потенциала. Этого можно достичь

;I Для этого энергии связей между мономерами в полимерной цепи должны быть одинаковыми в разных последовательных сочетаниях мономеров.

лишь одним способом: время жизни каждой матричной полимер­ной молекулы должно быть ограниченным, необходима зако­номерно наступающая смерть, т. е. распад матричных молекул по истечении некоторого времени жизни. Иными словами, условием длительного осуществления эволюции оказывается смена про­цессов синтеза процессами распада.

Каков в общем виде способ реализации вновь возникших му­таций в условиях заполненности ареала ранее образовавшимися видами?

Наверное, таких способов, по крайней мере, два. Вновь воз­никшие виды должны быть в состоянии «поедать» виды, образо­вавшиеся ранее, и использовать их материал для построения сво­их матричных молекул, или ранее появившиеся виды должны са­ми распадаться по истечении некоторого времени жизни. Первый способ (столь популярный на поздних стадиях эволюции), по- видимому, нереален на ранних интересующих нас сейчас стади­ях. Представим себе даже, что вновь возникшие затравки ма­трицы обладают каталитическими свойствами, позволяющими им ускорить распад образовавшихся ранее. И что же? Эти ката­литические свойства приведут к разрушению как ранее возник­ших, так и вновь возникающих. Невероятно спонтанное в резуль­тате однократной мутации появление в полимерной цепи такой последовательности мономеров, которая катализировала бы рас­пад всех остальных последовательностей, а свою бы не разру­шала. Для избирательного поедания представителей лишь чужого вида необходим длительный процесс эволюционного совершен­ствования, выработки механизмов различения «свое чужое».

Для обеспечения распада матричных молекул нет необходи­мости придумывать сложные регуляторные механизмы типа бомбы замедленного действия, взрывающей матричную полимер­ную молекулу после некоторого времени ее существования, ее жизни. Эволюция осуществляется в открытой системе, пронизы­ваемой потоками энергии разного типа, которые обеспечивают эволюцию энергетически и служат причиной мутаций. Таким об­разом, в результате мутаций возникают не только затравки но­вых видов. Тепловые флуктуации, ультрафиолетовое и более жесткое излучения повреждают уже заполимеризованные ма­тричные молекулы. Накопление возникших повреждений и при­водит через некоторое время (время жизни) к разрушению по­лимерных молекул.

Однако на самих примитивных стадиях эволюционного со­вершенствования может преобладать весьма простой механизм, ограничивающий время жизни уже образовавшихся матричных форм.

В нашей абстрактной модели с полиморфной кристаллизаци­ей время жизни данной г'-й формы тем меньше, чем быстрее она образуется. Действительно, одинаковая термодинамическая ста­бильность всех форм означает равенство всех констант равно­весия Кг для всех i реакций кристаллизации (полимеризации) из мономеров в полимер i-го вида. Так как:

Kt=ki'/ki",

где k{ и к/'константы скорости соответственно процессов об­разования и растворения (плавления) кристаллов, отношения всех к/ и к" равны для всех i: чем быстрее образуется кристалл {чем больше k/), тем быстрее он растворяется (тем больше к/').

В этой системе сначала все пространство заполняется преи­мущественно видом кристаллов, образующимся быстрее всего, а затем появляются и медленно растущие кристаллы. Через не­ограниченно большое время весь объем заполнится всеми воз­можными формами в соответствующих долях.

Все приведенное выше рассуждение относилось к закрытой системе. При условии притока энергии картина может оказаться совершенно иной; возможны кинетические «приспособления» «барьеры», замедляющие распад даже .быстрее всего возника­ющей формы.

В этом случае жизнь полимерных матричных молекул сла­гается из двух качественно различных стадий, или периодов, или фаз: периода роста относительно быстрой (и, быть может, ускоряющейся) полимеризации по возникшей затравке, т. е. пе­риода матричного размножения, и периода относительно мед­ленного умирания, т. е. накопления разрушений и, по-видимому, быстрого распада.

Эволюция нуклеиновых кислот первый этап биологической эволюции. Главный кризиснеобходимость возникновения полипептидных катализаторов-ферментов. Возможно, что пере­численным выше необходимым условиям начала биологической эволюции отвечает большое число различных по химической при­роде веществгетерополимеров. Реальное осуществление эво­люционного процесса, выбор той или иной системы матричного воспроизведения зависит прежде всего от возможности спонтан­ного, доэволюционного образования соответствующих этим усло­виям веществ. Иными словами, общее направление эволюционно­го процесса с самого начала полностью детерминировано хими­ческими и физическими свойствами среды.

Как следует из множества данных последних лет, в планет­ных условиях, т. е. при температурах и давлениях, соответству­ющих существованию полимерных химических веществ, с наи­большей вероятностью под влиянием ультрафиолетового и дру­гого излучения из воды, углекислоты, аммиака, цианидов обра­зуются аминокислоты, нуклеиновые основания, а также углево­ды. Кроме того, спонтанно образуются нуклеотиды, полинуклео­тиды и полипептиды (см. [1, 16, 23, 24, 53, 126, 127, 128, 132, 207, 228, 240, 243, 250, 261, 303, 306, 309а, 385, 389, 390, 408., 447, 448]).

Итак, аминокислоты, нуклеотиды и их полимерывесьма вероятный исходный материал для естественного отбора. Намследует попытаться решить, какие же системы — полипептиды или полинуклеотиды больше соответствуют указанным выше условиям, с неизбежностью приводящим к эволюционному со­вершенствованию. Необходимо, чтобы полимер синтезировался матричным образом с конвариантным сохранением вариантов- мутаций, чтобы скорости этого синтеза были различными для разных последовательностей мономеров в полимерной цепи и чтобы время жизни уже синтезированных матричных копий было не очень большим.

Для выбора возможного исходного объекта эволюции необхо­димо тщательное сопоставление реальных свойств полинуклеоти­дов и полипептидов.

«Матричность» полинуклеотидов бесспорна. Вопрос «матрич- ности» полипептидов должен еще стать предметом непредвзя­того исследования (см. [421]). Можно предполагать, что скорости спонтанного синтеза и матричной полимеризации для разных последовательностей мономеров неодинаковы и для полипепти­дов, и для полинуклеотидов. Однако и этот вопрос требует тща­тельного исследования (литературного, теоретического и экспе­риментального) .

Старение ограниченность времени сохранения нативности— свойственна и белкам, и нуклеиновым кислотам. Длительность сохранения нативности зависит от реальных условий.

Мы еще вернемся к этим вопросам, в частности к возможной «матричности» полипептидов. Пока же поступим следующим образом. Примем сначала, что матрицами являются только по­линуклеотиды, что только они соответствуют условиям неизбеж­ного начала эволюционного процесса и посмотрим, как при та­ком допущении должен идти эволюционный процесс. Затем при­мем другую версиюпредположим, что матрицами являются и полипептиды и попытаемся понять как в таком случае должен осуществляться эволюционный процесс. А потом сопоставим по­лученное с современными биохимическими данными.

Представим себе первичную полинуклеотидную эволюцион­ную систему. В среде спонтанно, в результате флуктуаций, воз­никают разные последовательности нуклеотидов в небольших по­лимерных цепяхобразуются низкомолекулярные нуклеиновые кислоты со случайной последовательностью мономеров. По этим возникающим в результате флуктуаций затравкам идет кристал­лизация (матричное воспроизведение, размножение), на что рас­ходуются мономеры из среды. В конкуренции за «пищу» —моно­мерный материал для полимеризации происходит естествен­ный отбор определенных последовательностей нуклеотидов по признаку наибольшей скорости матричного синтеза.

Полимерные молекулы стареют и разрушаются. С некоторого момента темп эволюции, темп естественного отбора будет опре­деляться именно скоростью разрушения возникших ранее по­лимерных молекул. Этот момент наступит тогда, когда скорость.

интенсивность, матричных синтезов сравняется и превзойдет ин­тенсивность спонтанного образования в среде новых мономерных молекул нуклеотидов.

Так мы подошли к рассмотрению первого кризиса в биологи­ческой эволюциидальнейшее совершенствование, т. е. даль­нейшее ускорение матричного воспроизведения посредством уже существующих механизмов оказывается невозможным. Здесь эволюционирующая система может задержаться неопределенно долго до тех пор, пока не возникнет принципиально новый меха­низм ускорения кинетического совершенствования объектов эво­люции. Есть два неисключающих друг друга пути выхода из это­го самого острого в биологической эволюции кризиса: первый выработка механизмов ускорения синтезов мономеров и вто­рой выработка механизмов ускорения разрушения «старых» полинуклеотидов. Избирательное ускорение определенных хими­ческих реакций есть катализ. Следовательно, основное содержа­ние второго этапа биологической эволюции возникновение в ходе естественного отбора предельно совершенных катализато­ров-ферментов. Самое естественное начальное предположение состоит в допущении каталитических свойств у самих матричных полимерных молекул. В одном отношении такое допущение три­виально матрицы избирательно катализируют синтез своих копий ‘.

Однако рассматриваемый нами кризис обусловлен не недо­статочной скоростью синтеза на матрице полимеров из мономе­ров, а недостаточно высокой концентрацией именно мономеров. Было бы невероятно счастливым совпадением наличие нужных нам каталитических функций у самих матричных молекул, их спо­собность ускорять процессы синтеза мономеров или разрушения старых полимерных молекул.

Более того, молекулы, способные к конвариантиому матрич­ному воспроизведению, должны обладать (для обеспечения со­вершенства в этой функции) возможно меньшей химической ак­тивностью, возможно меньше «ввязываться» в разные химиче­ские процессы; их назначение—сохранение уникальных возник­ших в результате естественного отбора последовательностей мо­номеров в полимерной цепи. Иными словами, они обеспечивают наследственность и являются основой изменчивости. Каталити­ческие функции должны быть отделены от них.

Тем не менее возникновение таких катализаторов-ферментов в ходе естественного отбора возможно лишь при условии зависи­мости синтеза этих катализаторов от последовательности моно­меров в полимерной полинуклеотидной цепи. Иными словами, данная последовательность нуклеотидов должна определять свойства катализатора, возникающего на полинуклеотидной ма­трице.

В силу основного механизма эволюционного совершенствова­ния катализаторы-ферменты по своему происхождению должны представлять собой одномерные нитчатые полимеры. Иначе не­возможен постепенный процесс совершенствования катализато­ров в результате отбора полезных мутаций, сопряженный с со­вершенствованием полинуклеотидных матриц.

Химические реакции, избирательный катализ которых необ­ходим для обеспечения должной скорости синтеза матричных ко­пий данного вида, сложны и разнообразны. Соответственно слож­ными и разнообразными должны быть функциональные свойст­ва ферментов. Требованиям относительно большой реакционной способности, возможности существования в виде полимерных нитчатых молекул отвечают аминокислоты и их полимеры белки. К тому же, как мы видели, аминокислоты и полипептиды легко возникают спонтанно в планетных условиях. Удовлетво­римся земным опытом и будем считать разнообразие из 20 амино­кислот достаточным для обеспечения всех свойств ферментов. Главным для нас в данном контексте является вопрос о способе сопряжения синтезов двух полимерных систем полинуклеотид­ной и полиаминокислотной (полипептидной). Необходимо, чтобы последовательность аминокислот в полипептидной цепи опреде­лялась последовательностью нуклеотидов в полинуклеотидной це­пи. Если наличие образующего в результате такого соответствия фермента способствует большей скорости матричного воспроиз­ведения нуклеотидной последовательности данного вида, то и количество этого фермента тоже увеличивается быстрее.

Следовательно, на начальных стадиях эволюции, когда еще не возникли сложные механизмы обеспечения опосредованного со­ответствия полинуклеотидного и полипептидных синтезов, долж­на существовать прямая связь между последовательностью ну­клеотидов и синтезом полипептидных цепей. Отсюда следует, что полинуклеотидная цепь должна непосредственно влиять на последовательность аминокислот и скорость синтеза полипептид­ной цепи *.

Итак, исходя из общих эволюционных соображений, следует,, что такая связьнепосредственный, избирательный катализ об­разования полипептидной цепи на полинуклеотидной цепи должна была иметь место. Иначе не может начаться эволюцион­ное совершенствование белков, не способных к самостоятельному матричному воспроизведению и, значит, к самостоятельному уча­стию в процессе эволюции.

Получается, следовательно, такая картина. Нуклеотидная цепь ускоряет синтез полипептидных цепей. Образуются полипеп­тиды, в которых последовательность аминокислот соответствует последовательности нуклеотидов. Некоторые последовательности аминокислот в полипептидной цепи оказываются способными ускорять синтез мононуклеотидов или ускорять распад уже су­ществующих полинуклеотидов, ускоряя тем самым эволюцион­ный процесс. Острейший кризис начального этапа биологической эволюции преодолевается возобновляется естественный отбор полинуклеотидных матриц, причем теперь уже по признаку их способности обеспечить синтез все более каталитически совершен­ных полипептидных цепей.

Как ясно из сказанного, условием преодоления этого кри­зиса, условием продолжения биологической эволюции должно быть прямое, контактное соответствие нуклеотидных матриц по- липептидным отпечаткам. Посмотрим, в какой мере последнее- требование реализуется в действительности.

При первоначальном знакомстве с современной биохимией кажется, что такого соответствия нет. Последовательность ами­нокислот в полипептидных цепях определяется не непосредствен­ным контактом аминокислот и нуклеотидов матричной цепи ну­клеиновых кислот, а посредством адаптора тРНК[4]. Необходи­мость адаптора в свое время предсказал Крик на основании гео­метрических соображений. Каждая аминокислота кодируется- тремя нуклеотидами. Нуклеотидный триплет много больше ами­нокислотного радикала и строгое геометрическое соответствие- триплета аминокислоте невозможно. Все верно. Однако извест­ны весьма важные биохимические процессы, в которых осущест­вляется непосредственное, строго специфическое взаимодейст­вие аминокислот и нуклеотидов. Так, сам процесс соединения аминокислотного ацильного остатка с гРНК основан на таком непосредственном взаимодействии, обеспечиваемом строгим спе­цифическим соответствием аминокислотной последовательности в полипептидной цепи и нуклеотидной последовательности в по­линуклеотидной цепи. Речь идет о процессе узнавания специфи­ческой для данной аминокислоты тРНК специфической же моле­кулой фермента—аминоацил-тРНК-синтетазой. Напомним' здесь высказывания В. А. Энгельгардта: «Зашифровку амино­

кислот, осуществляемую действием фермента аминоацил-тРНК- синтетазы, можно считать узловым пунктом всего механизма биосинтеза белков. Здесь впервые скрещиваются и неразрывно переплетается биохимические функции обеих главенствующих групп биологических полимеров белков и нуклеиновых кислот» [133, 353]. Итак, это «узнавание» происходит при строго специ­фическом непосредственном взаимодействии аминокислотных и нуклеотидных радикалов белка-фермента и нуклеиновой кис­лоты. Можно было бы привести и другие примеры специфическо­го взаимодействия аминокислотных и нуклеотидных последова­тельностей.

Механизм узнавания интенсивно изучается последние годы (см. [453]).

Представляют интерес взгляды на этот вопрос В. И. Брускова, изложен­ные им на нашем семинаре еще осенью 1966 г. Брусков полагал, что строгое однозначное соответствие нуклеотидных триплетов одной из 20 аминокислот может быть достигнуто при наличии соответствующего комплементарного сло­варя из трипептидных слов, т. е. при однозначном соответствии трех амино­кислот трем нуклеотидам. Брусков шел в своей гипотезе дальше: он предполо­жил, что четырехбуквенному нуклеотидному словарю мог бы соответствовать четырехбуквенный аминокислотный словарь и что этими аминокислотами как раз и являются три ароматических аминокислоты и одна неароматическа-л, я именно, триптофан, тирозин, фенилаланин и производное имидазола гистидин,

В основе этой гипотезы лежало старое предположение о возможной спе­цифичности заряд-флуктуациониых взаимодействий в биологических системах. Хотя исследования последних лет, действительно показали, что наиболее силь­ные взаимодействия в водных растворах наблюдаются между ароматическими аминокислотами и нуклеотидами, заметной специфичности при этом выявить не удалось (см., например, [32]). Поэтому в настоящее время специфичность узнавания на такой основе представляется весьма сомнительной.

В недавней работе Брусков [39] существенно изменил и развил представ­ления о возможных механизмах специфического нуклеотид-аминокислотного узнавания. Анализ проблемы в предположении о существовании аминокислот-, ноуклеотидного кода показал, что наиболее вероятными кандидатами на роль аминокислот, участвующих в узнавании нуклеотидов, являются амино­кислотные радикалы, способные к одновременному образованию двух (или большего числа) водородных связей. С помощью молекулярных моделей Брус­ков исследовал и показал стереохимическую возможность существования комплементарных к азотистым основаниям аминокислот, ди- и трипептидон. При этом в коде узнавания однонитчатых нуклеиновых кислот достаточно участия не более семи аминокислот (аргинина, аспарагина, аспарагиновой кис« лоты, глутамина, глутаминовой кислоты, серина и треонина), соответствующих четырем типам различных химических групп, образующих водородные связи, а именно, гуанидиновой, амидной, карбоксильной и гидроксильной группам. Легко видеть, что минимальное необходимое число химических групп, участву­ющих в узнавании четырех нуклеотидов, равно двум. Из опытов с моделями ^сделан также вывод о вырожденности и конформационном характере кодаузнавания однонитчатых полинуклеотидов. Именно для специфичности оказы- ;ается необходимой строго определенная стабилизация в пространстве боко- ых радикалов аминокислот и пептидных групп, что, возможно, осуществляет- я в белках за счет стерических ограничений или дополнительных связей.

В работе [38] рассмотрены возможные физико-химические механизмы, при омощи которых матричные ферментыполимеразы могут влиять на степепь эчности матричных синтезов и, следовательно, регулировать ее. В частности, редполагается, что ферменты синтеза и репарации нуклеиновых кислот содер!;ат «узнающий участок», определяющий правильность комплементного спаря- ания (в результате образования дополнительных водородных связей) по ин­вариантным для комплементарных пар атомам N = 3 пуринов и 0 = 2 пирими- динов. Такой узнающий участок (центр) фермента играет роль дополнитель­ной белковоуклеиновой матрицы, способной «усиливать» отбор правильных и выбраковывать неправильные пары.

Вернемся, однако, к начальным стадиям эволюции [388]. На начальных этапах эволюции вовсе не требуется строгого одно­значного соответствия нуклеотидов и аминокислот. Конфигура­ции белковых макромолекул грубо определяются не строго од­нозначной аминокислотной последовательностью, а лишь поряд­ком чередования в полипептидной цепи полярных и неполярных аминокислотных радикалов. Исходя из этого, все аминокислоты можно разделить на два классаполярные и неполярные. Мо­жет быть, полярные аминокислоты следует в свою очередь раз­делить на отрицательно и положительно заряженные в водных растворах тогда будет три класса. Таким образом, в начале эволюции было бы достаточно, чтобы одни нуклеотидные ради­калы в полинуклеотидной цепи непосредственно кодировали связывание полярных аминокислот, а другие неполярных. Здесь следует отметить работу М. В. Волькенштейна [55], обна­ружившего корреляцию между нуклеотидным составом кодиру­ющих триплетов (кодонов) и полярностью кодируемых ими ами­нокислот. Волькенштейн обратил внимание на то, что во всех слу­чаях, когда второй нуклеотид в кодоне аденин, кодируемый .аминокислотный остаток полярен, во всех случаях, когда второй нуклеотид уридин, аминокислотный остаток неполярен. Я ду­маю, что мы имеем здесь дело с корреляцией, обусловленной фи­зико-химическими особенностями непосредственного взаимодей­ствия аминокислот и нуклеотидов, действовавшей в древнейшие времена, когда современный перевод нуклеотидного языка в ами­нокислотный еще не сформировался. Сам Волькенштейн рас­сматривает эту корреляцию как приспособление, повышающее «помехоустойчивость» кода: если в результате мутации изменит­ся кодон, то велика вероятность того, что вместо одной, напри­мер, неполярной аминокислоты в кодируемом белке появится другая, но также неполярная. Конфигурация макромолекулы от этого изменится не очень сильно, и мутант не погибнет. Мне же кажется, что в ходе эволюции такая корреляция могла возник-

нуть лишь в том случае, если по своим физическим свойствам аденин лучше «приспособлен» к взаимодействию с полярными аминокислотами, а уридин —• с неполярными.

Следует сказать, что и Волькенштейн допускает мысль о не­посредственном взаимодействии аминокислот с полинуклеотид­ной цепью на ранних стадиях эволюции. «Возможно, матричный синтез белка на заре жизни осуществлялся иначе, скажем, без участия тРНК, а посредством прямой сборки белковой цепи на полинуклеотиде. Вероятность такой сборки, однако, невелика.. Скорее следует думать, что современный код является результа­том селективного давления естественного отбора, минимизиру­ющего эффект мутаций» [55].

Анализируя проблему возникновения жизни, Д. С. и Н. М. Чер- навские [322] выдвинули гипотезу о возможном механизме уста­новления соответствия между последовательностями нуклеоти­дов и аминокислот. Они предположили, что двойная полину- клеотидная спираль служит гетерогенным катализатором, ускоря­ющим синтез пептидных связей между аминокислотами, адсор­бированными на полинуклеотиде. Так образуется белковый че­хол, предохраняющий полинуклеотидную двойную спираль от разрушений, который сам может обладать каталитическими свойствами, способствующими тем или иным путем образованию' полинуклеотидных цепей. Для того, чтобы такой механизм играл биологическую, т. е. эволюционную, роль, последовательность, аминокислот, образующих белковый чехол, должна зависеть от последовательности нуклеотидов. Гипотеза ценна тем, что ее можно проверить экспериментально (см. также [371]).

Наличие даже слабой корреляции между последовательно­стями нуклеотидов и аминокислот в синтезируемой на полину­клеотидной матрице полипептидной цепи позволяет продолжить­ся естественному отбору. В конкуренции за «пищу и простран­ство» будут побеждать такие полинуклеотидные последователь­ности, на которых синтезируются полипептиды, способствующие более быстрому размножению матриц своего вида. Критерием отбора на этом этапе служит каталитическое совершенство обра­зующихся белков-ферментов, которое в свою очередь зависит от степени совершенства перевода последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Таким образом, необходимость совершенствования каталитических свойств белков-ферментов, вызванная давлением естественного отбора, обусловливает направление эволюции в сторону совер­шенствования механизма перевода нуклеотидного языка на ами­нокислотный. Предел совершенства этого механизма полная детерминированность последовательности всех аминокислот, не­обходимых для полноценного функционирования белков, после­довательностью нуклеотидов в матрице нуклеиновой кислоте. Мы приходим, следовательно, к необходимости кодирования при­мерно 20 аминокислот четырьмя нуклеотидами, т. е. к механизму,.

в котором каждая аминокислота должна соответствовать опре­деленному сочетанию по крайней мере трех нуклеотидов (кодо­ну). Недостаточность простого соответствия аминокислотану­клеотид, необходимость трех нуклеотидов для кодирования каж­дой аминокислоты обусловливают обязательное существование адаптора при синтезе белка на нуклеиновой матрице. Однако преодоление этого очередного кризиса представляется мне более легким, чем предыдущегохоть какие-то уже ферменты есть. Ключевым пунктом при этом оказывается аминоацил-тРНК-син- тетаза (ее древние предшественники), т. е. фермент, катализиру­ющий соединение аминокислоты с адаптером полинуклеоти­дом, содержащим антикодон, комплементарный специфическому для данной аминокислоты кодону. Аминокислоты, «подвешенные» посредством эфирной связи к кислороду гидроксильной группы рибозного кольца молекулы адаптора, в должной последователь­ности соединяются в полипептидную цепь. Прямо же код, осно­ванный на непосредственном физико-химическом соответствии аминокислот и нуклеотидов (см. выше), продолжает использо­ваться в механизме узнавания при функционировании аминоцил- тРНК-синтетазы, а также в процессах регулирования считывания генетической информации.

Мне хочется еще раз подчеркнуть «автоматический», «цикли­ческий», характер эволюционного совершенствования после прео­доления первого кризиса: ферменты, образующиеся в соответ­ствии с нуклеотидным текстом, возникающим в результате от­бора мутаций, будут тем совершеннее, чем «совершеннее сам текст». В понятие совершенства текста входит качество инструк­ций о механизме его перевода на аминокислотный язык, и, сле­довательно, о свойствах синтезируемых ферментов. Получается эффективная система (цикл) положительных обратных связей, приводящая ко все более эффективной, все более быстрой эво­люции в направлении все большего кинетического совершенства конвариантно размножающихся матричных полимерных систем *.

В мою задачу не входит детальное описание биохимических механизмов синтеза белка в ныне живущих организмах. Это прекрасно сделано в ряде оригинальных книг. Мне важно под­черкнуть физико-химическую детерминированность эволюцион­ного возникновения связи, корреляции синтезов полинуклеоти­дов и полипептидов, а также основных механизмов этих синте­зов. Естественный отбор в планетных условиях рано или поздно с неизбежностью должен привести к формированию предельно совершенного механизма синтеза белка и нуклеиновых кислот, аналогичного механизму, работающему в системе рибосома ферменты.

Возможность начала эволюции с полипептидов. Теперь по­смотрим, каким должен быть процесс эволюции, начинающийся

1 М. Эйген называет эту систему «гиперциклом» [350]; см. гл. 2, с. 40.

с отбора все более кинетически совершенных полипептидов. Условия неизбежного начала эволюции остаются те же ма­тричное конвариантное воспроизведение, различия в скоростях воспроизведения (синтезов) разных форм матриц, конечное вре­мя жизни каждой (и, разумеется, ограниченность ареала). Наи­более важен здесь ответ на первый вопрос способны ли поли­пептиды к матричному конвариантному воспроизведению?

Тут уместно отметить, что для полинуклеотидов мы полагали положительный ответ очевидным. Однако, как это ни парадо­ксально, взаимно комплементарные матричные свойства нуклеи­новых оснований в водных растворах не проявляются. Их уда­ется выявить лишь в «вакууме»: вода, конкурируя за водородные связи, препятствует спариванию комплементарных нуклеиновых оснований. Подобные «вакуумные условия» возникают в поли- нуклеотпдной цепи при ее спирализации: внутрь спирали вода не проникает, и поэтому ничто не мешает комплементарному спа­риванию. Таким образом, эволюционный процесс мог бы начать­ся лишь после спонтанного возникновения биспиральных поли- нуклеотидных молекул со случайной последовательностью нукле­отидов (при условии разных кинетических свойств различных по- линуклеотидных вариантов). Как мы видели, однажды начавший­ся процесс естественного отбора «чистых» полинуклеотидных ма­триц очень быстро (т. е. через небольшое число актов эволюци­онного совершенствования) прекращается эволюционный по­тенциал исчерпывается. Для выхода из этого кризиса необходимо осуществление сопряженного синтеза катализаторов с достаточ­но разнообразными кинетическими свойствами, т. е. белков.

Тем более важно выяснить, не могут ли полипептиды всту­пать на путь естественного отбора независимо от нуклеиновых кислот.

Да, могут, если они способны к конвариантному матричному воспроизведению. Н. К- Кольцов предполагал, что полипептид- ные цепи обладают этой способностью и, быть может, такая его позиция кажущаяся неверной с точки зрения современной нам биохимии, не вовсе ошибочна.

Способность белков, полипептидных цепей к точнейшему, строго специфичному различению молекул (что служит необхо­димым условием матричной полимеризации), общеизвестна. Про­славленная специфичность ферментов один из примеров этой способности.

Известно много разных ферментов, строго специфичных к той или иной аминокислоте. Можно назвать все те же амино- ацил-тРНК-синтетазы, каждая из которых специфична для од­ной данной аминокислоты, протеолитические ферменты, разры­вающие быстрее всего пептидную связь около определенной, специфичной для данного фермента аминокислоты (ее радика­ла) и т. д. Однако кажется вероятным, что во всех перечисленных выше случаях специфичность по отношению к данной аминокис­лоте обусловлена специфической укладкой полипептидной цепи фермента, в результате чего в активном центре (точнее, в центре связывания аминокислоты на ферменте) достигается необходи­мое пространственное взаиморасположение нескЬ^ьких (двух, трех) аминокислотных радикалов. Впрочем, точно это еще неиз­вестно. Быть может, сама специфичность связывания ферментом данной аминокислоты обусловлена наличием лишь одного тако­го же или комплементарного ему аминокислотного радикала по­липептидной цепи фермента. Остальные аминокислотные радика­лы в центре связывания выполняют другие функции собствен­но каталитические, а именно обеспечивают поляризацию связан­ной молекулы, ее деформацию и т. п.

Может показаться, что я ломлюсь в открытую дверь спо­собность аминокислот к кристаллизации чего еще желать для иллюстрации матричных свойств аминокислот? Однако возмож­ность кристаллизации аминокислот в значительной мере опреде­ляется геометрией их заряженных групп (отрицательного карбо­ксила и положительно заряженной аминогруппы). Геометрия этих ионизированных групп у всех аминокислот практически оди­накова. Поэтому вряд ли можно ожидать избирательной кри­сталлизации аминокислот из их смеси. Впрочем, возможна ли такая избирательная кристаллизация, я не знаю (но очень хотел был бы узнать). Вместе с тем общеизвестна способность белков, полипептидов образовывать кристаллы. К сожалению, это их свойство не очень проясняет картину. Во-первых, не известно, возможна ли избирательная кристаллизация белков, во-вторых, она определяется не столько детальным соответствием полипеп­тидных цепей друг другу, сколько сходством геометрии целых белковых глобул. Кроме того, нас интересует способность поли­пептидных цепей служить матрицами при синтезе новых поли­пептидных цепей из аминокислот. Это значит, что нас интересу­ет специфическое связывание аминокислот на полипептидной цепи.

Насколько мне известно, возможность такого специфического связывания не исследована. Много лет назад я занимался изу­чением связывания меченных (метками служили радиоактивные изотопы углерода или серы) аминокислот белками [334]. Белки действительно связывают аминокислоты, причем для разных аминокислот это происходит неодинаковым образом. Однако специфичность такого связывания, его обусловленность амино­кислотным составом белка должным образом не изучены. Всего- то речь идет об опыте, в котором... нужно измерить количество разных аминокислот, неотмываемых от полипептидов разного ■состава.

Особый интерес в связи с обсуждаемыми вопросами представ­ляют взгляды Н. Г. Есиповой, изложенные ею по моей просьбе ниже. «Еще раз напомним, что Крик выдвинул адаптерную ги­потезу, в которой соответствие между аминокислотой и трину-клеотидом устанавливается специальной молекулой-адаптером (транспортной РНК), только потому, что он не усмотрел кон- формационного соответствия между тринуклеотидом в раз­вернутой конформации и аминокислотой. Важная черта адаптер- ной гипотезы состоит также в том, что длина кодона становится унифицированной, не зависящей от размера аминокислоты. Адап­тер является по существу элементом логической машины и с его помощью могут исправляться ошибки, которые были бы фаталь­ны при прямом конформационном соответствии аминокислот и нуклеотидов. Весьма привлекательна, однако, мысль, что на ран­них этапах эволюции между полинуклеотидами и аминокислота­ми существовало такое непосредственное соответствие. Подобный механизм обладает очевидным преимуществом и очень прост, кроме того он обеспечивает обратное влияние аминокислотной последовательности на полинуклеотидную, а подобного рода об­ратная связь, быть может, и создает то недостающее ускорение эволюции, которое позволило начальным ее этапам уложиться в известные нам сроки.

Вначале рассмотрим возможное непосредственное соответст­вие аминокислоты и кодирующего ее триплета. Анализ стереохи­мии аминокислот и триплетов, входящих в состав ДНК, прове­денный в двух лабораториях почти аналогичными методами по­казывает, что всегда можно заметить специфическое соответст­вие боковых радикалов аминокислоты и триплета из нуклеоти­дов, если аминокислота расположена в малой бороздке двойной спирали ДНК. Структурное подобие описанного типа наглядно определяет степень вырожденности кода короткие аминокис­лоты (гли, ала, сер) кодируются фактически одним нуклеотидом, средние двумя и, наконец, наиболее длинные арг, лиз, три— тремя нуклеотидами. Наличие такого соответствия можно счи­тать одним из факторов эволюции сопряженного синтеза нуклеи­новых кислот и белков.

Одно из проявлений соответствия между нуклеотидами и бел­ковыми (аминокислотными) структурами следует усматривать в супрессии бессмысленных мутаций у бактерий. Механизм су­прессии состоит в нивелировке мутаций, приводящих к вклини­ванию бессмысленного кодона в структурный ген. В результате мутаций тРНК-адаптор, содержащий антикодон с бессмыслен­ным триплетом, начинает транспортировать нужную аминокисло­ту в нужное место при синтезе белка. Казалось бы ошибка в: адапторе исправляется на уровне адаптора же. Но на пути трансляции аминокислоты имеется специфический фермент тРНК-синтетаза—именно в этом месте, видимо, работает меха­низм непосредственной связи между нуклеотидной и аминокис­лотной последовательностью».

Однозначное соответствие последовательности нуклеотидов- в синтезируемом полинуклеотиде последовательности аминокис­лот в уже существующем полипептиде, т. е. «обратный переносинформации» кажется в настоящее время большинству ученых чистой крамолой. Установление такого соответствия\означало бы, что «центральная догма» молекулярной биологиине дог­ма, что знаменитая схема ДНК.-*-РНК->белок, уже нарушенная открытием обратной транскриптазы (в присутствии которой ока­залось возможным направление переноса информации РНК->- —>ДНК), нарушается и в следующем звене.

Как ясно из сказанного, об узнавании белком определенной последовательности нуклеотидов и из исследований Н. Г. Есипо­вой и В. Г. Туманяна, а также Томас [466], физико-химическое соответствие полинуклеотндных и полиаминокислотных последо­вательностей вполне реально. Очевидно, однако, что глобуляр­ные белки уступают по своим матричным свойствам нуклеиновым кислотам вследствие своей упаковки (в общем случае вследст­вие своей сложной третичной структуры). Естественна мысль, что фибриллярные белки, не свернутые в глобулу полипептидные цепи, могут в принципе служить вполне «хорошими» матрицами (так думал Н. К. Кольцов!) как для саморепликации, так и для снятия с них полинуклеотндных комплементарных копий. Эта мысль развита в очень интересной статье Картера и Краута [371] (о возможности матричного воспроизведения на белках см. так­же [306]).

Картер и Краут показали, что весьма распространенная вытя­нутая конформация полипептидных цепей (р-складчатая струк­тура по Полингу и Кори) соответствует стабильной правозакру- ченной двойной спирали, т. е. существует двойная полипептидная спираль. Ее шаг и радиус примерно такие же, как и у двойной спирали нуклеиновых кислот. Авторы весьма тщательно построи­ли пространственные молекулярные модели и увидели, что поли­пептидная двойная спираль в точности комплементарна двойной спирали РНК, причем полипептидная двойная спираль точно входит в малую бороздку двойной спирали РНК. В результате образуются водородные связи между 2'-ОН-группами рибозы (что, по-видимому, и объясняет особые свойства РНК, у ДНК нет этого гидроксила) и кислородом карбонила пептидной свя­зи. Авторы отмечают, что такую точную комплементарность ста­бильных конформаций РНК и полипептидов вряд ли можно считать простым совпадением. Они предположили, что обе эти двойные спирали взаимно катализировали сборку друг друга из активированных предшественников на ранних стадиях эволю­ции. В самом деле, комплементарное соответствие двух двойных спиралей представляется весьма важным, но оно обеспечивает ускорение синтеза лишь основных каркасов полипептидного и полинуклеотидного, тогда как для преодоления обсуждаемого нами кризиса на начальной стадии биологической эволюции не­обходимо установление полного однозначного соответствия оп­ределенных аминокислотных и нуклеотидных радикалов. Для этого нужно, чтобы «взаимная» полимеразная активность поли-

нуклеотидной и полипептидной двойных спиралей зависела от последовательностей нуклеотидов и аминокислот соответствен­но. Существование такой зависимости может показать лишь эксперимент.

В октябре 1975 г. опубликована статья Г. В. Гурского,,

В. Г. Туманяна, А. С. Заседателева, А. Л. Жузе, С. Л. Гроховско­го и Б. П. Готтиха. «Код, управляющий специфическим связыва­нием регуляторных белков с ДНК, и структура стереоспецифиче- ских участков регуляторных белков» [79]. Как ясно из заглавия статьи, в .ней расшифрован второй биологический код, выяснен ме­ханизм однозначного соответствия полинуклеотидных и поли­пептидных цепей в процессах узнавания. Механизм узнавания основан на специфическом взаимодействии двух двойных спира­лей— нуклеотидной и полипептидной [371]. Регуляторные бел­ки узнают последовательность оснований в двойной спирали ДНК; не расплетая ее. Узнавание основано на пространственном соответствии контактных, связывающих друг с другом группи­ровок в полипептидных и полинуклеотидных спиралях. Оно ана­логично специфическому совпадению отверстий в двух налагае­мых друг на друга перфокартах. Такой способ установления од­нозначного соответствия авторы называют решеточным принци­пом узнавания. В качестве контактных групп в нуклеотидных це­пях функционируют или гуанин, или цитозин, тимин и аденин, а в полипептидных цепях только атомы азота амидных групп полипептидного остова. Амидные азоты связываются посредст­вом водородных связей с контактными группами полинуклеотид­ных цепей. С гуанином способны образовывать водородные свя­зи атомы амидного азота полипептидной цепи; их конформация рассчитана авторами и она оказалась отличной от конформации полипептидной цепи, способной взаимодействовать с тимином. Такие конформационно различные полипептидные цепи называ­ются соответственно g- и /-цепями. Оказалось, что эти две анти- параллельные полипептидные цепи, находящиеся в g- и /-конфор­мациях, могут соединяться в полипептидную двойную спираль во­дородными связями, образующими между амидными группами двух цепей, не взаимодействующими с основаниями ДНК.

Специфичность связывания белков и нуклеиновых кислот объясняется тем, что боковые радикалы некоторых аминокислот в /-цепи (названные авторами фундаментальными аминокисло­тами) могут образовывать водородные связи с карбонильными группами g-цепи, разрывая или резко ослабляя водородные связи между g'-цепью и гуаниновыми основаниями ДНК Таких фунда­ментальных аминокислот шесть: серии, треонин, аспарагин, ци- стеин, гистидин и глутамин. Таким образом, код вырожден в от­ношении аминокислотных последовательностей в стереоспецифи- ческом участке белка. Он требует присутствия аминокислот «выключателей» в определенных местах последовательности. Авторы отмечают, что высокая степень вырожденности кода по-

зволяет совершенствовать трехмерную структуру и каталитиче­ские центры регуляторных белков в ходе эволюции, оставляя не­изменной их способность находить правильные места"связыва­ния на ДНК.

Предложенный авторами код узнавания проверен ими путем исследования соответствия последовательности нуклеотидов в. 1ас-операторе и последовательности аминокислот в 1ас-репрессо- ре Е. coli. Они показали наличие единственного участка поли­пептидной цепи (от треонина 19 до валина 30), находящегося согласно принятому механизму узнавания в полном соответст­вии с последовательностью нуклеотидов в ДНК.

Если бы даже эволюция началась с возникновения поли­пептидных матриц, все равно произошел бы кризис. Сохранение- матриц трудно совместимо с относительно высокой химической активностью полипептидов. Две противоположные тенден­ции—«консерватизм» и высокую каталитическую активность, нельзя с должным совершенством объединить в одном веществе. Поэтому, начнись дело с белков, все равно наступил бы кризис— побеждали бы матричные полипептиды, катализирующие синтез химически малоактивных «информационных» полимерных моле­кул (т. е. тех же нуклеиновых кислот) и в данном случае кризис удалось бе преодолеть лишь посредством выработки однознач­ного соответствия последовательности аминокислот в полипепти­де последовательности нуклеиновых оснований в полинуклео­тиде.

Это чисто диалектическое противоречие. С одной стороны, не­обходимость возможно более совершенного сохранения накоп­ленного в поколениях запаса полезных мутаций, сохранение на­следственных текстов, и с другой обеспечение возможно более интенсивной жизнедеятельности и достижение темпа мутаций, достаточного для обеспечения возможно большей скорости эво­люционного совершенствования.

Первая консервативная задача решается переходом функции сохранения наследственных текстов к специализированным моле­кулам ДНК- Почему именно ДНК? Вероятно из-за отсутствия гидроксила в положении 2 углеводного кольца дезоксирибозы, что делает ДНК химически более инертной, чем РНК.

Наличие двойной спирали ДНК существенно повышает со­хранность наследственных текстов повреждение одной из двух нитей в двойной спирали легко восстанавливается: уцелевшая нить служит матрицей для восстановления правильной последо­вательности мономеров в поврежденной.

Н. Г. Есипова и В. Г. Туманян следующим образом объясняют физико-химические причины функциональных различий ДНК и РНК:

«...Химические различия РНК и ДНК невелики: ОН группа во 2-м положении рибозы и урацил вместо тимима. Однако эти небольшие химические различия обусловливают существенные-различия их конформаций. Конформация двуспиральной РНК обычно A-форма, конформация ДНК — 5-форма. 5-форма ха­рактеризуется увеличенной по сравнению с А формой проекцией нуклеотидов на ось опирали: 13,4 А вместо 2,8 А. Однако главное стереохимическое отличие 5-формы от A-формы заключается в том, что в первой расстояния между любой соседней парой фос­фатов отличаются друг от друга меньше, чем в A-форме. Расчет потенциальной энергии различных конформаций ДНК, проведен­ный методом атом-атомных потенциалов показал [120], что един­ственным устойчивым с точки зрения возможности достижения минимума потенциальной энергии типом структуры ДНК явля­ется 5-форма. A-форма сама по себе нестабильна: она дестаби­лизируется электростатическими взаимодействиями. A-форма су­ществует лишь при условии компенсации роста свободной энер­гии электростатических взаимодействий возрастанием энтропии в системе полинуклеотидвода.

*~^СИСТ *5ДНК “Ь аств.

Увеличение 5СИСТ возможно либо за счет 5ДНК например, если линейная молекула ДНК свертывается в макроструктуру, либо за счет SpaCTB например при разупорядочении воды. По­следнее возможно при добавлении в раствор сильного и структур­но подвижного дегидратанта. Наличие полимерного дегидра- танта увеличивает вероятность перехода молекулы нуклеиновой кислоты в квазиглобулярное состояние, но не в А-форму.

Таким образом конформация A-типа возникает как частный случай конформационного перехода с увеличением энтропии си­стемы ДНК-растворитель. Энтропийная стабилизация А-конфор- мации делает ее неустойчивой по отношению к внешней поли­мерной среде. Напротив, 5-форма устойчива как в такой среде, так и при комплексировании с полимерами. Это определяет ос­новной тип взаимодействия ДНК с белкам и лолимерными ли­гандами взаимодействие типа решетка решетка.

Из рассмотрения физико-химических особенностей ДНК и РНК следует возможная причина уникальной роли ДНК как хранителя информации в сложных биологических системах. РНК как структура неравновесная, не может быть основой для иерар­хического упорядочения при наличии в результирующей системе нескольких уровней иерархии, так как организация следующего уровня сложности в системе требует устойчивости предыдущего уровня, являющегося «строительным кирпичом» для следующе­го. В то же /время в процессах считывания информации важно, чтобы полимер с одной стороны удовлетворял условиям компле­ментарное™, а с другой был бы легко разъединяем с матрицей носителем информации. Этим требованиям удовлетворяет РНК, образующая с ДНК энтропийно или кинетически стабильную А-форму.

Таким образом, данные о потенциальной энергии для различ­ных структур ДНК и РНК могут служить объяснением, почему два типа нуклеиновых кислот, идентичных по многим физико­химическим свойствам, различны по своим функциям в процес­сах жизнедеятельности».

Вторая задача, в частности достижение темпа мутаций, доста­точного для возможно большей скорости эволюции, решается не так просто. Темп мутаций должен быть «соразмерным» не слишком быстрым и не слишком медленным. Таким образом, вторая задача решается выработкой механизмов регулирования: частоты мутаций. В последние годы была обнаружена неожидан­но сложная и совершенная биохимическая система регулирования темпа мутаций. Один из существенных ее механизмов процесс ферментативной репарации поврежденных молекул ДНК, ката­лизируемый так называемыми репаразами (см. [61]).

Обеспечение возможно более интенсивной жизнедеятельности решается передачей соответствующих функций белкам. Однаю> интенсивная работа «дорого стоит» макромолекулам белков. Эти молекулы все время повреждаются и ломаются. Взамен синте­зируются новые. Таким образом, чем интенсивнее функция бел­ков, тем интенсивнее они обновляются. Это постоянное их об­новление стало очевидным после первых же опытов Р. Шонхей- мера с изотопной меткой (см. [244]). По существу, после возник­новения механизма синтеза белка на полинуклеотидных матри­цах, дальнейшая эволюция состоит в совершенствовании бел­ков, полипептидных цепей. Кинетические свойства самих мат­ричных полинуклеотидных молекул перестают быть факторами эволюции. Фенотип, т. е. результат реализации наследственных свойств в жизнедеятельности (кинетические свойства) отделя­ется от генотипа, т. е. совокупности наследственных текстов (ин­формационно-термодинамические свойства), т. е. белковый фе­нотип отделяется от нуклеотидного генотипа. Такое разделение кинетики и термодинамики, фенотипа и генотипа, не нужно по­нимать слишком буквально. Речь идет лишь о ведущих критериях естественного отбора, физико-химических факторах эволюции.

Дарвиновские эксперименты Спигелмана. Естественный отбор в растворе макромолекул. Справедливость представлений о при­ложимости дарвинизма к процессам на молекулярном уровне, возможность естественного отбора в растворе макромолекул, до­казана Спигелманом [460]. Более того, из его опытов следует и правильность вывода о кинетическом совершенстве как критерии естественного отбора.

Спигелман исследовал репликацию молекул РНК, катализи­руемую выделенным из Qd-фага очищенным ферментом, Qp-pe- пликазой. Этот фермент использует в качестве матриц молекулы фаговой РНК и катализирует образование на матрице новых молекул РНК из нуклеотидов. При проведении синтеза рибо­нуклеиновой кислоты в эксперименте было обнаружено возник­

новение «мутантов»молекул РНК, отличающихся от исход­ных матричных молекул большей скоростью репликации. Такие мутанты размножались при посредстве того же фермента Qp- репликазы. Получение клонов этих мутантов достигалось по­следовательными «пересевами» (молекул!) переносом неболь­шой части инкубационной смеси, в которой процесс репликации завершился, в новую инкубационную смесь, содержащую фер­мент и трифосфорибонуклеотиды УТФ, ЦТФ, АТФ, ГТФ. Оказа­лось, что достаточно попадания в новую среду одной молекулы мутанта для образования нового клона популяции таких же мо­лекул. В работе [460] было показано, что после 74 переносов можно выделить мутант, у которого скорость репликации в 15 раз превышает скорость репликации исходной, «родитель­ской» РНК Qp-фага. Такое увеличение этой скорости, по-видимо­му, обусловлено уменьшением длины молекулы РНКвместо 3600 нуклеотидных остатков в исходной РНК в мутанте их ока­залось лишь 550. (В мутантных молекулах РНК для обеспечения высокой скорости размножения не требуется большинства по­следовательностей нуклеотидов, «осмысленных» предшеству­ющей эволюцией фага).

Затем авторы цитируемой выше работы исследовали воз­можность возникновения в условиях молекулярного дарвинов­ского эксперимента молекул-мутантов с определенными новыми свойствами (т. е. молекул, отличающихся не только скоростью репликации). Был получен мутант, способный быстрее реплици­роваться при меньших концентрациях субстратов (например, ЦТФ). Нуклеотидный состав и размер этой молекулы-мутанта примерно такие же, как и у исходной формы. Следовательно, от­бор привел к изменению последовательности нуклеотидов в РНК Как оказалась, ее изменение происходит при меньших кон­центрациях не только ЦТФ, но и других нуклеотидтрифосфатов. Быть может в результате изменения последовательности нукле­отидов изменилась вторичная структура мутантных молекул РНК, что привело либо к взаимодействию последних с фермен­том, либо к увеличению активности фермента посредством алло- стерических механизмов. Затем были получены мутанты, спо­собные к репликации в присутствии веществ, нарушающих ре­пликацию «нормальной» РНК, сначала авторы обнаружили мутант, чувствительный к концентрации АТФ, (мутант У-8), а затем осуществили серию переносов (пересевов) в среды, содер­жащие ингибиторный аналог АТФ (туберцидинтрифосфат (ТуТФ), содержащий в положении 7 пуринового кольца вместо азота углерод). В результате возник мутант У-9 вдвое быстрее реплицирующийся в присутствии ТуТФ, чем У-8.

Таким образом, в этих опытах показана решающая роль ки­нетических факторов в эволюции побеждают в отборе те му­танты, скорость размножения которых данных условиях выше.

Глава 4

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ

Конечный результат биохимического этапа биологической эволюции создание предельно совершенных катализаторов ферментов. Обеспечение ферментами прохождения процесса по наиболее «быстрому» маршруту, путем отбора конформационно-лабильных полипептидных молекул. Возможность синхронизации отдельных конформационных циклов макромолекул ферментов. '

Ускорение диффузии и механо-химические преобразования энергии как результат этой синхронизации.

Итак, в естественном отборе выживают матричные полимерные макромолекулы, способные к более быстрому результирующему конвариантному воспроизведению. В этом состоит кинетический принцип, критерий естественного отбора. Как подчеркивалось выше, кинетическое совершенство сложное понятие, и на сте­пень такого совершенства влияет не только скорость матричного воспроизведения, но и скорость синтезов мономеров, а также ки­нетические («барьерные») механизмы сохранения уже синтези­ровании х макромолекул, кинетические механизмы осуществле­ния реакций, обеспечивающих энергией «противотермодинамиче- ский» ход биологической эволюции.

Все аспекты кинетического совершенствования в ходе эволю­ции определяются эволюционным совершенствованием белков, полипептидов, т. е. полимеров, состоящих из достаточно разно­образных в химическом отношении мономеров (аминокислот).

Та или иная биохимическая реакция достигает в ходе эволю­ции необходимой скорости, целесообразно (в соответствии с нуждами данного этапа существования) регулируемой различ­ными факторами, только при эволюционном совершенствовании соответствующего фермента.

Следовательно, эволюция аппарата матричного воспроизве­дения, процессов энергетического обеспечения (фотосинтез, гли­колиз) и аппарата синтеза белкаесть эволюция ферментов.

Рассмотрим поэтому, пользуясь, как и раньше, методом ана­лиза предельно совершенного этапа эволюции, общие свойства ферментов. При этом мы будем иметь в виду множество книг и обзоров, посвященных частным и общим вопросам ферментатив­ного катализа [25, 29, 54, 56, 89, 90, 116, 176, 223, 238, 297, 302, 329, 395, 405, 436, 445]. Наш эволюционно-дедуктивный подход может способствовать выявлению нерешенных вопросов.

Для этого сформулируем эволюционные задачи, из которых следует необходимость высоко совершенных ферментов; учтем физические и химические свойства материалов, образующие био­логические системы; попробуем представить себе, что получилось бы при неограниченно большом времени совершенствования фер­ментов, и, наконец, сравним полученную нами картину с дей­ствительной.

Эволюционные задачи мы уже неоднократно формулировали. Кратко их можно определить так: достижение предельно воз­можного биологического (кинетического) совершенства. В ка­честве материала, подлежащего эволюционному совершен­ствованию, мы уже выбрали полипептиды. Итак, необходимы белковые катализаторы, способные катализировать множество различных химических процессов и изменять свою каталитиче­скую активность при взаимодействии с веществами-регулятора­ми, причем по принятому условию обе эти способности должны быть предельно совершенными. Все менее совершенные счита­ются погибшими в ходе эволюции.

Уточним сначала смысл основных понятий. Что значит «ката­лизировать»? Меня не смушают при постановке этого наивного вопроса великие имена Я. Берцелиуса или В. Оствальда. Вовсе не лишнее раз в 50—100 лет возвращаться к таким вопросам. Катализэто ускорение одной из в принципе многих возмож­ных реакций, в которых опять же в принципе способны участво­вать реагенты. В закрытых системах катализатор ускоряет как прямую, так и обратную реакции. В открытых системах катали­затор определяет направление превращения веществ, которые в отсутствие катализатора вообще могут не взаимодействовать друг с другом с заметной скоростью. В этих системах катализа­тор может ускорять превращение лишь в одну сторону. Такая роль катализаторов следует из концепции маршрутов реакций Хориути [317, 401] и М. И. Темкина [286]. Вещество А может пре­вратиться через целый ряд промежуточных реакций в вещество Xтермодинамически наиболее стабильный конечный продукт. В достаточно сложной системе, содержащей множество различ­ных веществ, превращение А в X может идти множеством путей— маршрутов. В принципе, только один маршрут «самый быстрый». Однако высокая итоговая скорость прохождения по маршруту отнюдь не обязательно означает высокую скорость на всех эта­пах пути. Вполне вероятно медленное, затрудненное прохожде­ние по начальным этапам маршрута, оказывающегося в конце концов самым быстрым. Для некатализируемых реакций верен принцип Хиншелвуда, а именно, спонтанное прохождение их в конечном итоге по самому быстрому маршруту. Однако принцип Хиншелвуда отнюдь не обеспечивает высокой скорости реакции, не гарантирует самого быстрого из вообше возможных маршру­тов (имеется в виду система без катализатора). Внесение в си­стему катализатора увеличивает разнообразие возможных мар­шрутов, среди которых оказывается и наиболее быстрый. На самом же деле, задачи ферментов и сложнееречь идет не толь­ко об ускорении превращения А в X, но и о накоплении опреде­ленного промежуточного продукта Р. Такой продукт не обяза­тельно «лежит» на самом быстром маршруте. Следовательно, катализаторвещество, так изменяющее возможные маршруты реакций, что среди них оказывается маршрут, проходимый быст­рее всех, возможных в отсутствие катализатора. А дальше рабо­тает, по существу, статистический принцип Хиншелвуда. Такое понимание роли катализаторов означает, что если бы и в отсут­ствие катализатора можно было обеспечить маршрут реакций, идентичный самому быстрому в его присутствии, то мы пол­ностью имитировали бы каталитический процесс. Система реак­ций, в которых осуществляется наиболее быстрый маршрут, на­зывается конгруентной. В соответствии с таким представлением о катализаторе последний лишь обеспечивает необходимый на­бор конгруентных промежуточных реакций.

Это понимание роли фермента является чисто химическим и не требует наличия каких-либо специфических физических меха­низмов ускорения катализируемых процессов. Для допущения необходимости подобных механизмов нужны серьезные, в том числе эволюционные обоснования. Посмотрим далее, найдутся ли такие обоснования, а пока попробуем конкретизировать «мар­шрутную» роль ферментов.

Что значит сделать возможным новый маршрут? Это значит обеспечить прохождение процесса через ряд новых промежуточ­ных реакций. Новые промежуточные стадии не осуществляются без катализатора, и поэтому соответственные промежуточные вещества (состояния) нестабильны вне комплекса с катализато­ром. Отсюда следует весьма важный выводсколько-нибудь со­вершенный катализ возможен лишь при условии непрерывного комплексообразования реагирующих веществ с катализатором (ферментом). Это значит, что в пределе ни на одной из проме­жуточных стадий катализируемого процесса промежуточные ве­щества не должны выходить из комплекса с ферментом. Отсюда формулируется первое условие в «техническом задании» на эво­люционное изготовление ферментов. Молекулы ферментов долж­ны образовывать комплексы с исходными веществами и всеми промежуточными формами реагирующих веществ. Для появле­ния комплексов с последовательно возникающими промежуточ­ными веществами в катализируемом процессе макромолекула белка-фермента должна обладать способностью к последователь­ному изменению своей конформации. Конформационная лабиль­ность служит условием последовательного изменения «реакцион­ного клубка», т. е. образования в активном центре необходимого очередного сочетания химически активных боковых радикалов определенных аминокислот. Так и обеспечивается осуществление особо быстро проходимого маршрута в присутствии фермента.

Как отмечалось, по происхождению и вследствие единственно возможного способа эволюционного совершенствования посред­ством мутаций ферменты представляют собой белки, полипепти­ды. Следовательно, именно макромолекулы ферментов должны быть конформационно лабильными. Конформационной лабиль­ностью могут обладать полипептидные цепи, не сшитые жесткими (например, дисульфидными) связями. Макромолекула фермента должна состоять из нескольких консолидированных частей, по­движно (на шарнирах) связанных друг с другом.

Такую макромолекулу можно макроскопически моделировать, например, системой шаров, соединенных шарнирами и пружина­ми. Следовательно, для надлежащей функции она должна пред­ставлять собой машину - -устройство с весьма ограниченным целесообразным набором степеней свободынаправлений пере­мещений частей друг относительно друга [318].

Чем замечательна такая машина? Все ее своеобразиев мо­лекулярных размерах[5].

Мы часто в последнее время произносим словосочетание «мо­лекулярная машина», не осознавая его экстравагантности. «Нор­мальная» машинаустройство, в котором тепловое движение составляющих ее атомов (деталей) не играет никакой роли. Ма­шина обычно вполне макроскопична. Молекулярная машина су­ществует в оглушительном тепловом шуме, «целесообразные» движения ее деталей происходят среди теплового беспорядка и являются статистическим итогом разнонаправленного «броуни- рования» [136—138]. Почему же мы говорим о макромолекуле белка как о машине? Потому, что в силу структурных ограниче­ний большая часть взаимных перемещений «кусков» макромоле­кулы друг относительно друга невозможна и сама она совершает броуновское движение как целое. Лишь в некоторых функцио­нально значимых направлениях тепловые флуктуации приводят к изменениям конформации, изменениям взаимного расположе­ния частей макромолекулы. В макромолекуле фермента, не со­единенной с субстратом, эти движения равновероятны в двух направлениях«туда» и «обратно» (они представляют собой флуктуационные конформационные колебания), тогда как в мак­ромолекуле, связанной с превращаемым субстратом, движения «туда» и «обратно» неравноценны. Например, при движении какой-либо функциональной группы полипептидной цепи «туда» осуществляется реакция, сопровождающаяся необратимым изме­нением субстрата (его свободная энергия уменьшается и выде­ляется тепло), а при движении «обратно» реакция не идет (без сопряженного подвода энергии).

Так осуществляется выбор нужного направления флуктуа­ций, использование тепловой энергии для направленного превра­щения. Нас обычно преследует демонобоязнь боимся мы де­монов Максвелла!

Действительно, по первоначальному замыслу Максвелла, де­моны должны были открывать дверцу в перегородке для моле­кул газа, летящих с большей, чем средняя, скоростью, имеющих избыток кинетической энергии, и закрывать эту дверцу перед медленными молекулами. Так демоны призваны были разделять газ, находящийся в тепловом равновесии на две части холод­ную н горячую. Давно уже Сциллард и Бриллюэн показали принципиальную невозможность сушествования таких демонов. Затраты свободной энергии на различение молекул в точности равны ожидаемому возрастанию свободной энергии (за счет уменьшения энтропии системы) при сортировке молекул.

Нужно поэтому особо подчеркнуть, что в данном случае мы имеем дело с неравновесной системой, идет превращение веще­ства, при котором выделяется энергия, причем выделяется она необратимо. Следовательно, принципиальных запретов для оку­паемого затратами энергии направленного использования флук­туаций нет.

Молекулярные демоны—анизотропные структурыв прин­ципе могут работать за счет энергии, освобождаемой в катали­зируемой реакции.

Механизм нашего демона также вполне рационален отоб­ранные в ходе длительной эволюции, синтезируемые с затратой свободной энергии из сопряженных процессов, структуры макро­молекул таковы, что конформационные движения в них резко и целесообразно ограниченны. Таким образом, предполагаемое своеобразие макромолекулы фермента в том, что она представ­ляет собой машину, работа которой невозможна без тепловых флуктуаций, хотя энергия, обеспечивающая весь ее рабочий цикл, поступает из нетепловых источниковтратится химический по­тенциал превращаемых веществ (см. [328, 337, 445]).

Впрочем, для приведенной выше картины работы макромоле- кулярной машины не требуется каких-либо механизмов накоп­ления флуктуаций; не предполагается и ускорение катализируе­мого процесса за счет энергии, накопленной тем или иным спо­собом в макромолекуле фермента . Например, в результате «ре­куперации» энергии, выделяющейся в ферментативной реакции [136—138]. Любая конгруентная реакция, т. е. превращение ве­ществ без участия фермента (если бы ее удалось осуществить) шла бы с такой же скоростью, как и при помощи фермента. Мед­ленные реакции и там и тут медленные. Просто без фермента эти процессы в данной системе вообще не идут таким маршру­том. Итак, ферменты могут не ускорять отдельные элементарные

* Кажется поивлекательной возможность «собирания флуктуаций» со многих степеней свободы в активном центре фермента в качестве механизма уско­рения катализируемых реакций [400]. Нам не удалось показать реальность этой гипотезы [328].

реакции, а «просто» позволяют осуществляться таким промежу­точным элементарным стадиям, которые невозможны без них, они ускоряют образование конечных продуктов, делая возможным осуществление новых маршрутов. Это звучит, конечно, парадок­сально, и тем не менее, вероятно, соответствует действитель­ности.

Здесь уместно отметить, что представление о ферментатив­ных реакциях как об очень быстрыхпривычное заблуждение. Ферментативные реакции (правильнее, процессы) обычно гораз­до быстрее неферментативных. Но неферментативные, как было показано, нельзя сравнивать с ферментативнымиони идут по другим маршрутам. Абсолютные скорости ферментативных про­цессов (как и конгруентных им неферментативных) вовсе не велики.

В самом деле, ферментативные циклы превращения суб­страта в продуктсовершаются за 1 —10_3 сек, т. е. идут очень медленно. За это время в элементарном акте взаимодействия мо­лекул, атомов, радикалов происходит 1013—1010 соударений и только одно из 1013—1010 эффективногде уже тут говорить о высокой скорости![6]

Поэтому актуальны «парадоксальные» вопросы в чем при­чина столь медленной работы ферментов? Почему столь малы числа оборотов большинства ферментов? Что ограничивает эти числа? Скорее всегомалая частота больших тепловых флук­туаций. В самом деле, частота появления флуктуаций величиной 30 кТ на каждую степень свободы составляет примерно 1 сек-1, 25 кТ 100 сек-1, 20 кТ 104 сек-1. А такие флуктуации и нуж­ны для преодоления потенциальных барьеров при взаимодейст­вии реагентов. Таким образом, ферментативные процессы проте­кают медленно из-за малой частоты больших тепловых флук­туаций.

Подведем итог. Белки ферменты должны претерпевать по­следовательные изменения конформации, что обеспечивает про­хождение катализируемого процесса по наиболее быстрому мар­шруту. Эти последовательные изменения конформации осуще­ствляются за счет флуктуации тепловой энергии и энергии, вы­деляющейся в катализируемом процессе. Общее для всех фер­ментов «узкое место»малая частота больших флуктуаций.

В табл. 2 приведены данные о числе оборотов, т. е. о числе полных циклов ферментативного процесса за 1 сек для разных ферментов. Как мы видели, для большинства ферментов числа оборотов очень малы от нескольких единиц до тысяч единиц в 1 сек (и это при 1013—1010 элементарных актов-столкновений в 1 сек).

ТАБЛИЦА 2

КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ В ЧИСЛЕ ОБОРОТОВ

Фермент

Источник получения

Субстрат

Число оборо- тов, сек~*

«Медленные» ферменты

Пепсин

Желудочный сок

Ацетил-/-фенилаланил-

2-10-'

свиньи

дийодтирозии

То же

То же

Ацетил-/-феиилаланшЯ-

1,19-10-2

фенилалаиин

»

»

Карбобензокси-1 - г лутамил-

1,09-10-8

/-тирозин

Т рипсин

Поджелудочная же­

Этиловый эфир бензоил-/-

22

леза

аргинииа

То же

То же

Бензоил-/-аргинин

►Ч

1

О

ОО

•^н

Химотрипсии

»

Этиловый эфир ацетил

7О"1

триптофана

То же

»

Метиловый эфир бензол-/-

1,1-Ю-1

лейцина

Тромбин

Кровь человека

/7ара-нитрофеииловый

2,2-10-1

эфир N-карбобензокси-/-

тпрозина

То же

То же

Лара-нитрофеииловый

7,2-Ю'1

эфир N-карбобензокси

/-лизина

«Средние» ферменты

Алкогольдег идро-

Дрожжи

Этаиол

250

геназа

То же

То же

Ацетальдегид

416

Г лкжозо-6-фосфат-

Глюкозо-6-фосфат

1500

дегидрогеназа

Сукцинатдегидроге-

Митохондрии серд­

Сукцннат

184

наза

ца быка

Алаиинаминот ранс-

Сердце свиньи

Аланнн

680

фераза

Г ексокиназа

Дрожжи

Глюкоза

1300

Фосфофруктокииаза

Мышцы кролика

Фруктозо-6-фосфат

1800

а-амилаза

Поджелудочная

Амилоза

1035

железа

Альдолаза

Животные, высшие

Фрукт озо-1,6-дифосфат

63

растения

Ппруватдекарбокси-

Дрожжи

Пируват

150

лаза

Карбокснпептидаза

Поджелудочная же­

Г 1:ппурил-/-лизин

220

В

леза

То же

То же

Г иппурил-/-аргинин

105

Фермент

Источник получения

Субстрат

Число оборо­тов, сек~1

«Быстрые» ферменты

Каталаза

Печень быка

н202

9-104

Ацетилхолинэстера­

Электрический

Ацетилхолин

за

угорь

Угольная ангидра­

Эритроциты чело­

Н2СОа

2,3 104

за Ь

века

Угольная ангидра­

3,6•105

за с

Уреаза

Бобы капавалии

Мочевина

1,7-10^

Инвертаза

Дрожжи

Сахароза

1,34

Т риозофогфз тизо-

Мышцы кролика

3-фосфоглицериновый аль­

8,5-Ю3

мераза

дегид

Такую картину нельзя объяснить биологической целесообраз­ностью— тем, что большие скорости и не были нужны в эволю­ции. Давление естественного отбора не терпит пустоты. Совер­шенство ферментов, в силу сказанного ранее, должно быть пре­дельно возможным. И если их числа оборотов столь малы, зна­чит, они ограничены физическими причинами.

Мы видим, однако, в табл. 2 и несколько ферментов, у кото­рых числа оборотов на несколько порядков выше, чем у осталь­ных— это ацетилхолинэстераза, каталаза, угольная ангидраза. Они выполняют функцию быстрого разрушения небольших мо­лекул— ацетилхолина, перекиси водорода, угольной кислоты. Из сказанного выше мы должны вывести, что эти ферменты отли­чаются от основной группы принципом работы. Возможно, что катализируемые ими реакции происходят в один акт, и сами быстрые ферменты не должны претерпевать значительных кон- формационных изменений в каталитическом цикле. Такие фер­менты, по-видимому, наиболее близки к небиологическим гете­рогенным катализаторам.

Протеолитические ферменты (см. общие сведения [217]). В табл. 2 приведены также сверхмедленные ферментыпротеа- зы, которые гидролизуют белки. Иные из них осуществляют все­го один оборот за 103 сек. Чем это можно объяснить? Сложностью катализируемых процессов? Вряд ли. Процессы, катализируемые синтетазами, например, синтетазой жирных кислот, по числу от­дельных стадий, необходимости взаимодействия большого числа молекул, согласованности действия разных субъединиц макро­молекулы фермента нисколько не проще, а идут быстрее.

Можно предложить несколько объяснений этого странного явления.

Возможно, что причина медленности протеолизаособые

свойства субстратов-белков. Нативная конформация белковых макромолекул «устроена» так, что возникающие в полипептид­ной цепи флуктуации энергии отводятся по «хребту» главных валентностей на поверхность глобулы и там рассеиваются. Такая канализированная теплопроводность обеспечивает особую устой­чивость нативной макромолекулы белка. Протеолитический фер­мент, атакуя пептидную связь в нативной макромолекуле, дол­жен дожидаться для ее разрыва значительно больших флуктуа­ций энергии, чем для разрыва такой же связи в денатурирован­ной макромолекуле с нарушенной внутримолекулярной тепло­проводностью. Существенно легче, быстрее должны разрушаться пептидные связи и в низкомолекулярных пептидах. Этого, как видно из таблицы, нет. Однако эффект резкого ускорения ско­рости протеолиза после денатурации белков широко известен. На этом эффекте основан метод характеристики степени нативности конформаций макромолекул белков. На этом же, в сущности, основана и кулинарная обработка мяса. Однако, несмотря на огромный исторический опыт человечества в денатурации белков для ускорения их протеолиза, достоверный механизм этого эф­фекта не выяснен. Принято думать, что ускорение протеолиза после денатурации белков-субстратов вполне объясняется увели­чением доступности для ферментов, скрытых в нативном белке пептидных связей, гидролизуемых данной протеазой. Мне не ка­жется, что такое объяснение вполне обосновано. Необходимы тщательные кинетические исследования.

Более правдоподобно объяснение особой медленностигид­ролиза пептидных связей, в том числе и низкомолекулярных пеп­тидов, эволюционными причинами. В эволюции не было необхо­димым возникновение высокоактивных протеаз, поскольку их активность лимитирована медленностью диффузии их естествен­ных субстратовбелков (см. главу 5, с. 81).

Общая картина функционирования ферментов представляет­ся такой. «Голодные» макромолекулы фермента в растворе без субстратов (или встроенные в какую-либо структуру) подверга­ются действию тепловых флуктуаций испытывают случайные изменения конформации, «щелкают челюстями», т. е. иными сло­вами, в результате анизотропии теплопроводности макромолекул тепловые удары молекул среды по всей поверхности макромоле­кулы фермента преобразуются в высоко амплитудные конфор- мационные движения ее частей друг относительно друга.

При взаимодействии фермента с молекулами субстрата обра­зуются фермент-субстратные комплексы. Теперь анизотропия теплопроводности макромолекул обусловливает подведение флуктуаций энергии в активный центр, где эта энергия тратится на преодоление потенциальных барьеров, препятствующих осу­ществлению реакций. Преодоление этих барьеров осуществляет­ся за счет высоко амплитудных конформационных движений (колебаний) макромолекулы фермента, которая перекусывает,разгрызает, или наоборот слепляет молекулы субстрата. Реак­ции могут состоять из многих элементарных стадий. Каждой стадии соответствует своя конформация макромолекулы, свое время ожидания должной по величине флуктуации энергии, свой вид конформационных движений. По завершении всех промежу­точных превращений возникает конечный продукт, не образую­щий достаточно прочного комплекса с ферментом и этот комп­лекс диссоциирует. Длительность существования так®ге фермент- субстратного комплекса определяется в основном суммарным (по всем этапам) временем ожидания нужных флуктуаций. Вре­мя это велико, чем и объясняется непреодолимая в эволюции медленность ферментативных процессов. Конформационные дви­жения макромолекул ферментов при осуществлении ими катали­тических реакций должны приводить к увеличению скорости диффузии макромолекул, «работающих» ферментов по сравне­нию с неработающими.

Возможная синхронность конформационных движений макро­молекул в ансамблях и ее следствия. Представим себе теперь большое число таких макромолекул фермента в растворе, содер­жащем соответствующий субстрат. По существу речь здесь идет

множестве генераторов механических колебаний, распределен­ных в среде, в которой они совершают циклические изменения конформации. Поскольку эти генераторы полностью идентичны, обязательно должно происходить их взаимодействие, приводя­щее к образованию упорядоченных в пространстве синхронно колеблющихся ассоциаций ферментных макромолекул. В резуль­тате в растворе должны образоваться структуры типа жидких кристаллов отличающиеся от обычных своей эфемерностью ■— они представляют собой ансамбли лишь работающих макромо­лекул фермента. Мне представляется появление таких ассоциа­ций обязательным следствием способа функционирования фер­ментов. Иными словами они образуются не потому что это эво- люционно необходимо а потому что не могут не возникнуть (см. гл. 8). Однако их формирование, обусловленное физико-химиче­скими механизмами, может стать причиной ряда биологических следствий. Существование таких ансамблей макромолекул, син­хронно циклически изменяющих свою конформацию, должно приводить к некоторым макроскопическим эффектам. Среди них наиболее вероятным представляется не только резкое ускорение диффузии, но и возникновение около таких ансамблей более или менее регулярных потоков жидкости, возбуждаемых и поддер­живаемых синхронными движениями ансамблей макромолекул. (Нужно помнить, что в результате осуществления катализируе­мых ферментами реакций выделяется энергия, окупающая все расходы и достаточная для совершения разного рода работы[7].)

Эквивалентным эффектом является перемещение самих макро­молекул, которое в силу синхронизации и синфазности конфор- мационных циклов отдельных макромолекул должно значитель­но превышать перемещение последних. Так, перемещение лодки- восьмерки с синхронно работающими гребцами, значительно превосходит перемещение отдельных лодок-одиночек, движущих­ся в разных направлениях и мешающих друг другу. Такой эф­фект— ускорение диффузии и перемещение в пространстве ката­литических ансамблейимеет огромное принципиальное значе­ние и создает новое направление кинетического совершенствова­ния в процессе эволюции.

Из возможных следствий взаимодействия макромолекул фер­ментов, осуществляющих конформационные колебания, или в общем случае, циклические изменения конформации, рассмотрим пульсации давлениязвуковые волны. Диапазон чисел оборо­тов большинства ферментов соответствует слышимым звуковым частотам. Некую, пока еще фантастическую картину «музыкаль­ных взаимодействий» биохимических систем, клеток, органов, и возможную роль этих взаимодействий в жизнедеятельности мы рассмотрим подробнее в главе 8 (см. [253, 337]). Возможно, наи­более важным следствием функционирования макромолекул ферментов посредством изменения своей конформации являются механо-химические преобразования энергии. Способность к та­ким преобразованиям не может остаться вне поля зрения естест­венного отбора. Начинается эволюционное совершенствование, образование специализированных, высокоэффективных систем биологической подвижности (см. гл. 9, с. 174).

Теплоустойчивость белковых макромолекул и анизотропия теплопроводности. Анизотропия теплопроводности макромолеку­лы белка делает эту молекулу особо устойчивой к разрушающе­му влиянию тепловых флуктуацийони отводятся по «хребту» главных валентностей и разряжаются на концевых группах, спо­собных совершать высоко амплитудные конформационные дви­жения, или же на дефектах структуры. Можно представить себе такой ход тепловой денатурации белка, при котором первона­чальное медленное из-за анизотропной теплопроводности нару­шение нативной структуры, требующее преодоления очень высо­кого барьера, сменяется быстрым легко осуществляемым ее на­рушением. Такая пороговая зависимость тепловой денатурации от температуры и будет восприниматься в опыте как проявление очень больших величин предэкспоненциальных множителей и больших энергий активации в уравнении Аррениуса для скоро­сти денатурации.

Как скажется на теплоустойчивости макромолекулы фермен­та взаимодействие с субстратом? В разных случаях по-разному. В свободной макромолекуле фермента больше всего должны

быть подвержены тепловому разрушению связи, близкие к кон­цевым группам, шарнирные группы и т. п., т. е. все области, где разряжаются тепловые флуктуации. При взаимодействии с суб­стратом большие тепловые флуктуации обеспечивают катализи­руемые превращения, и тогда можно ожидать повышения тепло­устойчивости работающего фермента по сравнению с безработ­ным. Вместе с тем в ходе каталитического акта может выделять­ся энергия, создающая дополнительную нагрузку на структуру фермента. В этом случае можно ожидать неоднозначной зави­симости теплоустойчивости ферментов от концентрации субстра­та при малых концентрациях субстрата теплоустойчивость мо­жет падать, а при большихрасти.

Возможные способы регулирования ферментативной актив­ности. В понятие совершенства функционирования катализато­ров входит и совершенство изменения скоростей биохимических процессов. Поскольку их скорости определяются в основном на­личием и активностью соответствующих ферментов, регулирова­ние биохимических процессов может идти двумя путями: регу­лированием синтеза ферментов, т. е. регулированием преобразо­вания генетической информации, записанной в полинуклеотидных цепях, в последовательность аминокислот в полипептидных цепях белковферментов и регулированием активности уже синтези­рованных ферментов. Оба эти пути предмет многочисленных исследований и им посвящены фундаментальные работы и об­зоры [11а, 25, 33, 42, 56, 89, 90, 176, 211, 245, 257, 258, 302, 310].

В связи со сказанным ранее, здесь все же следует подчерк­нуть, что конформационная лабильность, машинный принцип функционирования макромолекулы фермента создают возмож­ность для тонкой регуляции ферментативной активности.

Резюмируем сказанное в этой главе. Биологические катали­заторы по своему происхождению и способу эволюционного со­вершенствования с необходимостью должны быть полипептида­ми, белками. Их каталитические свойства определяются строго специфическим соединением как с исходным субстратом, так и с промежуточными продуктами его превращения. Это достига­ется в большинстве случаев посредством закономерных обрати­мых конформационных изменений макромолекул ферментов. Ра­ботающие молекулы ферментов, возможно, образуют многомоле­кулярные ансамбли с синхронными конформациониыми движе­ниями всех его членов. Следствием таких движений может быть активное перемешивание реакционной смеси, эквивалентное су­щественному ускорению диффузии. Эти ансамбли могут в ходе дальнейшей эволюции явиться началом формирования специа­лизированных аппаратов активного перемещения в пространстве. Анизотропная теплопроводность может быть причиной как по­вышенной теплоустойчивости, так и повышенной устойчивости к протеолизу нативных молекул белка.

Глава 5

КИНЕТИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Принципиальная осуществимость всех биохимичскш процессов в гомогенных растворах.

Необходимость структурной организации для обеспечения высокой скорости переключений многоэтапных биохимических превратный и для осуществления этих превраще-ий посредством наименьших количеств ферментов.

Обеспечение полиферментными комплексами t органеллах, окруженных избирательно проницаемыми мтб ранами, при активном, противоградиентном накачивании и.хосных веществ наивысшей возможной суммарной скорости м-огсэтапных биохимических превращений и наибольшей сксоости изменения их режима.

В предыдущей главе мы рассматривали общие механизмы функ­ционирования ферментов, не обращая внимания на диффузные ограничения обеспечения ферментов субстратами. На самом деле дальнейшее эволюционное совершенствование каталитиче­ской активности ферментов становится с некоторого момента бесполезным и, следовательно, не происходит из-за диффузион­ных ограничений (см. [208]).

В самом ли деле диффузия ограничивает скорости биохими­ческих процессов? Убедиться в этом можно лишь посредством количественных оценок. Такая оценка проведена при содействии

С. Э. Шноля нами [343].

В этой статье оценена интенсивность дифсузяонных потоков субстратов в биохимических процессах, идусих без активного перемешивания для двух случаев моделей гои диффузии суб­страта к каталитически активной поверхностна 2\ при диффузии субстрата в растворе катализатора-фермента. Первый случай соответствует расположению фермента, на какой-либо внутри­клеточной мембране или адсорбции фермента на наружной по­верхности клетки (например, в случае так называемого «присте­ночного пищеварения» [294]). Второй случай еоогветствует про­цессам типа гликолиза.

Модель 1. Пусть на одном конце трубки длиной I поддержи­вается постоянная концентрация S0 данного субстрата. На дру­гом конце представим себе тонкий слой молек л фермента, пони­жающих S0 до Si. Максимально возможный диффузионный поток получится при Si = 0. Он равен:

/’max ^ DSq ,где D коэффициент диффузии, 0площадь поперечного сече­ния трубки. Для D~ 10~6 см2ек, 50103 М (10~в моль/см3) по­лучим /т.ах в зависимости от I и а = а2, приведенную в табл. 3.

ТАБЛИЦА 3

МАКСИМАЛЬНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ ПОТОК СУБСТРАТА /тах В МОЛЬ/СЕК К ФЕРМЕНТАТИВНОКТИВНОИ ПОВЕРХНОСТИ

1

а

1

ю->

Ю-»

ю-*

Ю-

1

10-12

10-U

10-16

Ю-!8

10-20

10-*

кг11

Ю-is

10-!5

10~17

10-19

1(Г2

10-10

Ю-12

1(Г14

10-16

Ю-18

10-3

1<Г9

10-11

10-13

10-15

Ю-17

10-4

108

Ю-ю

Ю'12

Ю-м

10-!в

Посмотрим теперь, какой каталитической активностью дол­жен обладать фермент, чтобы обеспечивать переработку всего субстрата, поступающего с диффузионным потоком.

Пусть молекулы фермента расположены на площадке а в один слой. При концентрации фермента Е0 моль/см3 на площадке в

см2 расположится n=(E0N)*!* молекул фермента (N—число Авогадро).

Таким образом, каждая молекула фермента должна перера­батывать j-N/(E0N)% молекул субстрата в секунду, чтобы обес­печивать максимальный диффузионный поток. Следовательно:

DSBaN

kn = 7Г

I(EN) h

В зависимости от диффузионного пути И, концентрации фер­мента Е0 получаются величины кг (числа оборотов в сек-1 см. гл. 4, с. 70), необходимые для переработки в одном слое фер­мента всего приносимого диффузионным потоком субстрата к каталитически активной поверхности, приведенные в табл. 4.

ТАБЛИЦА 4

ВЕЛИЧИНА КАТАЛИТИЧЕСКОИ АКТИВНОСТИ АДСОРБИРОВАННЫХ НА МЕМБРАНЕ

ФЕРМЕНТОВ-Kj В СЕК-1, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ

СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е0 (ПРИ Д~ 10-8 CM2/CEK, S„~ 10-3 М

(105 МОЛЬ/СМ3)

1, см

£0, м

1 ю-1

ю-*

ю-*

10-*

10~5

2-101

2-102

2 -103

2-104

2-105

10-7

4-102

4-103

4-104

4-105

4.10е

Если субстратом являются большие молекулы, например, белка в случае протеолиза, то D~10-7 см2/сек и S0 —10-5 М (10-8 моль/см3) предельные величины k2 будут соответственно ниже (табл. 5).

ТАБЛИЦА 5

ВЕЛИЧИНЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АДСОРБИРОВАННЫХ НА МЕМБРАНЕ ФЕРМЕНТОВ, ТИПА ПРОТЕИНАЗ, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е

I, см

10, м

1

ю-»

ю-*

ю-«

ю-<

10-7

4-10-'

4

4-101

4-102

4-103

1и~5

2-ID-2

2-Ю-1

2

2-10

2 102

Мы видим, что процессы, аналогичные внеклеточному пище­варению, очень сильно лимитируются диффузией. Действительно, к ферментупротеиназе, адсорбированному на какой-либо по­верхности при реально достижимых концентрациях белков при пищеварении диффузионный поток приносит одну молекулу суб­страта один раз на протяжение времени порядка секунд. Нет никакого смысла в эволюционном совершенствовании протеиназ сверх этого лимитаболее активные ферментыбесполезны и, следовательно, не могут возникнуть в ходе естественного отбора. Так что наши рассуждения ib главе 4 о возможной причине пара­доксально низкой каталитической активности протеиназ, /навер­но, действительно должны быть сведены к объяснению диффузи­онными ограничениями.

Рассмотрим теперь возможные диффузионные ограничения биохимических процессов, идущих при диффузии субстратов в растворах ферментоз.

Модель 2. Представим себе клетку в виде трубы длиной I, сечением а, заполненную раствором фермента концентрации Е0. Пусть на одном конце трубки поддерживается постоянная кон­центрация субстрата S0, а на втором конце концентрация суб­страта S,. Примем, как и раньше, что скорость превращения суб­страта в продукт задается формулой МихаэлисаМентен:

k2E S

v = т—г~т . (Ктконстанта Михаэлиса)

т г *

В стационарных условиях диффузионный поток субстрата уравновешивается в каждой точке объема ферментативным про­цессом, т. е.:

d2S k*SE,

РИС. 9. Изменение концентра ции субстрата при его диффу зии в растворе фермента

Ясно, что коэффициент диффузии D и величина k2 связаны друг с другом. Установить связь между ними прямо из условия S(x) > >0 не удастся, т. к. нельзя аналитически решить уравнение с граничными условиями S(0)=S0, dS/dx|*=i=0. Попытаемся хотя бы грубо оценить необходимую величину кг через D. Если пред­положить, что S{x)^Km, т. е. молекулы фермента в достаточной мере обеспечены субстратом, то кривая S(x) на рис. 9 пройдет ниже кривой Si(a:) и выше кривой S2(x), которые удовлетворяют

d2Si , /0 k2E0 d2S2 k2E0 соответственно уравнениям и —и т

же граничным условиям, что и S ).

Требование, чтобы концентрация S(x) была больше 0, с не­обходимостью влечет S^xJX). Отсюда несложными выкладка­ми получаем неравенство: k <_40S^_ l2E0

Важно подчеркнуть, что в отличие от случая с диффузией к каталитической поверхности (с. 78), величина &2 оказывается обратнопропорциональной квадрату диффузного пути I.

Теперь мы можем провести численную оценку. Примем D~ ~ 10_6 см2/сек S0 — 10—4 М (10-7 моль/см3) и вычислим величины &2, лимитируемые диффузией субстратов для растворенных фер­ментов.

ТАБЛИЦА 6

ВЕЛИЧИНЫ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ФЕРМЕНТОВ К2 В СЕК-1, ОГРАНИЧИВАЕМЫЕ ДИФФУЗИОННЫМ ПОТОКОМ СУБСТРАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ I И Е,

Ео, м

1, см

ю-1

10“г

10-*

I0-*

10-5

4-10-3

4-10-1

4-101

4-103

10-0

м

1

О

4

4-102

4-104

10-7

4-10-1

4-101

4-103

4-105



Полагая характерными размеры клетки порядка 10-3 см (10 |я), концентрации субстрата порядка 10-4 М, концентрации ферментов 10-5—10-7 М мы получим для kz величины порядка 101—Ю3. Именно этому диапазону соответствует каталитическая активность ферментов, функционирующих во внутриклеточных растворах (типа ферментов гликолиза). Это «средние ферменты» в нашей классификации (см. табл. 2, гл. 4, с. 71).

В то же время для внутриклеточного процесса типа протео- лиза (все это в отсутствие активного перемешивания) реальна концентрация субстрата 10~6 м, а фермента 10—10-7 ми D~ ~ 10-7 см2/сек) диффузионно-лимитируемая величина оказы­вается равной 10-1—1 сек-1.

Как видно при сравнении табл. 5 и 7, при характерных раз­мерах клетки порядка 10-4 см различия в диффузионно-лимити- руемой каталитической активности ферментов, адсорбированных на мембране и свободно растворенных в «протоплазме», ниве­лируются. Следовательно, для мелких клеток типа микробных адсорбция ферментов не дает значительных преимуществ. Воз­можно, этим и определяются сами эти характерные размеры микробных клеток.

Может возникнуть сомнение в правильности приведенных оценоктам были заданы в качестве самых низких концентра­ций ферментов порядка 10~7 М. Казалось бы можно совершен­ствовать работу каждой молекулы фермента, увеличивать kz, еще сильнее уменьшая концентрацию фермента. Оказывается нельзя. Предельно низкая концентрация ферментов определяет­ся малыми размерами клеток. В самом деле в клетке не может быть меньше одной молекулы данного фермента. Одной молеку­лы, конечно, малоненадежно. Легко вычислить, что при ха­рактерных размерах клетки 10~4—10-3 см и наличии в ней 10102 молекул данного фермента, концентрации ферментов не мо­гут быть ниже 10~6—10"8 М.

Так или иначе, эти, как ясно, весьма приближенные оценки иллюстрируют диффузионные ограничения даже однофермент­ных биохимических реакций.

Эти ограничения становятся особенно существенными в мно­гоэтапных, многоферментных биохимических превращениях. Дей­ствительно, в тех многоэтапных превращениях, в которых важен лишь конечный продукт, чем меньше времени расходуется на промежуточные стадии и чем меньше необходимое количество ферментов, тем лучше. Однако, если промежуточные превраще­ния происходят в бесструктурном гомогенном растворе, путь каждой данной молекулы по всей цепи превращений становится очень долгим.

В многоэтапных превращениях, в которых важен лишь конеч­ный продукт, диффузия промежуточных продуктов в объем (клетки) ухудшает кинетические характеристики системы в це­лом. Диффузия, как и в одноферментных системах, лимитирует

скорости промежуточных реакций. Кроме того, для обеспечения должной скорости промежуточных реакций, т. е. создания соот­ветственно высоких концентраций промежуточных субстратов, оказываются необходимыми большие количества исходных суб­стратов. На это может расходоваться значительная часть исход­ного субстрата. И, возможно, самое главное, резко возрастает инерционность системы, время, необходимое для переключения с одного режима на другой. На каждом этапе продукты, возник­шие на предыдущем ферменте, диффундируют в среду. Для того, чтобы дальнейшее превращение пошло со значительной ско­ростью, концентрация образовавшегося продукта, т. е. субстрата очередного фермента, должна повыситься до некоторой величи­ны. В зависимости от объема системы на это нужно большее или меньшее время. Такая задержка происходит на каждом этапе. Суммарная задержка пропорциональна числу промежуточных стадий. Ясно, что подобная биохимическая система будет очень инерционной и малопригодной, например, для энергетического обеспечения быстрых физиологических процессов.

Другой существенный недостаток гомогенной системы не­экономное расходование ценного ферментативного вещества. Для обеспечения необходимой скорости превращения веществ нужна большая концентрация соответствующих ферментов во всем ре­акционном объеме.

Таким образом, давление естественного отбора должно при­вести к выработке приспособлений, уменьшающих задержку на промежуточных стадиях и обеспечивающих более экономное ис­пользование ферментов. Эти приспособления — надмолекуляр­ные комплексы, структуры, в которых катализаторы промежуточ­ных превращений находятся на малых расстояниях или даже определенным образом ориентированы друг относительно друга.

Осуществление полиферментных превращений посредством надмолекулярных полиферментных комплексов, расположенных внутри органелл, отграниченных от окружающей их среды изби­рательно проницаемыми мембранами, обеспечивает дополни­тельные кинетические преимущества. Условием эффективного функционирования таких органелл является относительно неза­трудненное проникновение в них исходных веществ и свободный выход конечных продуктов при малой проницаемости их поверх­ностной мембраны для промежуточных продуктов.

В этом случае скорость промежуточных превращений зависит от концентрации первого субстрата, поступающего из среды.

Ясно, что эффективным способом ускорения промежуточных превращений может служить увеличение концентрации превра­щаемых веществ внутри органеллы посредством активного транс­порта, т. е. противоградиентной накачки веществ при сопряжен­ной трате энергии, например, выделяющейся при гидролизе АТФ.

Таким образом, активный транспорт, сопряженный гидролиз АТФ, обычно анализируемые с чисто термодинамических пози­ций, обеспечивают большую скорость многоэтапных биохимиче­ских превращений, увеличивают их кинетическое совершенство. В этом, вероятно, и состоит основной биологический смысл про­цессов активного транспорта.

Мне хочется специально подчеркнуть последнее обстоятель­ство, так как обычно полагают, что связь между кинетическими и термодинамическими характеристиками химических и биохи­мических систем отсутствует. Здесь мы можем даже вывести ко­личественную связь между затратами свободной энергии при активном транспорте и скоростью превращения вещества внутри органеллы.

Пусть v скорость превращения субстрата в продукт, a AF изменение (затрата) свободной энергии при противоградиентном переносе данного субстрата к месту его дальнейшего превраще­ния; тогда, из уравнения Михаэлиса (см. с. 79) и соотношения:

S = Su exp F/RT) получим:

k2S0E exp (AF/RT)

V = S0 exp (AF/RT) + Ku

где E концентрация фермента, Кмконстанта Михаэлисаг равная половине концентрации субстрата, обеспечивающей мак­симальную скорость, S0 концентрация субстрата вне органел­лы, 5 его концентрация внутри органеллы.

Наивысшая скорость многоэтапных превращений при наи­меньших количествах промежуточных продуктов достигается при переходе к полиферментным комплексам с «правильным», соответствующим маршруту превращений, расположением фер­ментов в комплексе и наиболее интенсивным противоградиент- ным переносом исходного субстрата внутрь органеллы и конеч­ного продукта из нее. Суммарная скорость потока продукта при таком многоэтапном превращении лимитируется лишь собст­венно каталитической активностью наиболее медленного фер­мента в полиферментном комплексе и скоростью отвода (быть может, той же диффузии или активной откачки) образующегося конечного продукта.

До появления аппаратов перемещения в пространстве, обе­спечивающих радикальное преодоление диффузионных ограни­чений, давление естественного отбора должно было обусловить йаиболее быструю в данной системе дуффузию.

Итак, биологический смысл структурной организации много­этапных биохимических процессов, биологический смысл обра­зования митохондрий и хлоропластовпредельно возможное ускорение превращений веществ и наивысшая скорость регуля­ции этих превращений.

Второе, возможно столь же важное, биологическое преиму­щество структурно организованных систем по сравнению с гомо­генными растворамирезкая экономия каталитического веще­ства. Действительно, относительно небольшое число митохон­дрий обслуживает очень большие объемы протоплазмы. Если бы удалось так гомогенизировать митохондрии, чтобы все содер­жащиеся в них ферменты в неповрежденном состоянии перешли в раствор, то итоговая скорость превращения веществ (даже при избыточной их концентрации) была бы очень низкой. Для обслуживания такой гомогенной системы потребовалось бы зна­чительно больше митохондриального вещества (то же касается вещества хлоропластов и т. п.).

Более или менее правильное пространственное расположе­ние дискретных порций малого количества ферментов позволяет обеспечить высокую скорость превращения веществ, достигае­мую в гомогенном растворе лишь при относительно очень вы­соких концентрациях ферментов.

Биологические преимущества более или менее правильной пространственной организации надмолекулярных полифермент- ных комплексов основаны на «игре на градиенте». Расположе­ние небольшого числа митохондрий на некотором расстоянии друг от друга позволяет им использовать зависимость скорости диффузии от величины градиента концентрации диффундирую­щих веществ (см. рис. 10).

Представим себе, что поток вещества из внешней среды в клетку перерабатывается в конечном итоге в какой-либо полез­ный продукт.

Пусть для конкретности речь идет о диффузии кислорода и поглощении его митохондриями, вырабатывающими АТФ. В принципе можно рассчитать, сколько митохондрий необходи­мо для оптимальной работы и как они должны быть располо­жены (на каких расстояниях друг от друга, от поверхности клет­ки, от потребителей АТФ, например, миофибрилл (рис. 10). Для дедуктивного построения было бы желательно получить анали­тическое выражение, связывающее коэффициент диффузии, ка­талитическую активность митохондрий, расстояние от границы клетки и т. п. с необходимым числом митохондрий и расстоя­ниями между ними. Задача эта, однако, очень сложна. Можно не сомневаться, что именно такие оптимальные решения были найдены во всех конкретных случаях под давлением естествен­ного отбора.

Теперь вполне уместно сказать, что изложенные выше сооб­ражения о биологическом смысле замены сплошной каталити­ческой поверхности дискретными пространственно отдаленными друг от друга структурами (клеточными органеллами) являются результатом применения -системы аналогичных представлений, давно развитых в другой области.

Много лет назад (в 1947 г.) на меня произвело очень силь­ное впечатление изложение вопроса об устьичной регулировке транспирации листьев выдающимся лектором, профессором био-

РИС. 10. Переработка малым числом дискретных каталитиче- ски-активных структур потоков субстрата с большой поверхно­сти за счет краевых эффектов диффузии

So — концентрация субстрата у на­ружной поверхности; Р — концен­трация продукта

логического факультета МГУ Д. А. Сабининым. Несколько ме­нее красочно материал этой лекции опубликован в книге [251]. Слова Сабинина имеют прямое отношение к рассматриваемому нами вопросу, и я приведу их полностью: «...Еще в 1800 г. Брау­ном и Эскомбом [370] было проведено изучение диффузии угле­кислоты через целлюлозные пластинки с отверстиями диамет­ром 0,38 мм. Это исследование показало, что при общей площа­ди пор указанного диаметра, составляющей лишь 11% от пло­щади пластины, через нее проходило столько же углекислоты, как и через свободное сечение трубки, иными словами, перего­родка з данном случае переставала быть препятствием, снижав­шим скорость диффузии. Браун и Эскомб предположили, что при порах еще меньшего диаметра, равного ширине устичных щелей эпидермиса, равенство скорости диффузионного тока при наличии и в отсутствии перегородки с порами будет достигнуто, если общая площадь пор составит лишь 1—3% площади плас­тинки. Такое соотношение площади устьичных щелей и всей по­верхности эпидермиса является обычным у большинства рас­тений.

Предположение Брауна и Эскомба примерно через четверть века могло быть подвергнуто экспериментальной проверке, когда фирмой Цейсс были изготовлены тонкие медные пластинки с порами диаметром около 10 мкм. Эта величина пор примерно равна диаметру открытых устьичных щелей. На 1 ммг площади медного листка толщиной 20 мкм наносилось до 100 пор. Для невооруженного глаза такая пластинка, пронизанная микроско­пически мелкими порами, представлялась совершенно сплошной. Но при изучении испарения воды с поверхности небольших со­судиков, накрытых этими пластинками или оставленных совер­шенно непокрытыми, оказывалось, что в обоих случаях скорость испарения воды была примерно одинаковой. Этот удивительный результат явился блестящим подтверждением теоретических представлений о значении градиента дефицита насыщения как фактора скорости испарения.

При диффузии водяного пара через отверстия, равные по диа­метру ширине открытых устьичных щелей, краевое испарение играет столь большую роль, что скорость испарения с единицы поверхности поры почти в 80 раз превышает соответствующуювеличину для свободной поверхности. В работах Губера [403] имеется обширный экспериментальный материал, позволяющий установить зависимость испарения от диаметра пор и величины общего сечения всех пор по отношению ко всей площади пла­стинки» [251, с. 132].

Было бы несправедливо не сказать, что за 20 лет до Брауна и Эскомба Стефан [461] теоретически и экспериментально ис­следовал испарение и диффузию жидкостей из ограниченных поверхностей и отверстий. При этом он исходил из работ Гельм­гольца по прохождению звуковой волны через трубы и отвер­стия (органные трубы) и своих собственных аналогий между концентрационными (диффузионными) и электростатическими градиентами.

Стефан показал, в частности, что в силу краевых эффектов скорость диффузии через круглое отверстие пропорциональна его радиусу, а не площади, т. е.

v=4 DRp,

где v скорость диффузии, D коэффициент диффузии, р величина градиента концентрации, R радиус отверстия.

Таким образом, при уменьшении площади круглого отвер­стия в п раз скорость диффузии через него убывает лишь в У/г раз. Этим и объясняются устьичные эффекты. Их количествен­ный анализ с учетом формы и взаимного влияния соседних от­верстий сложен и требует применения ЭВМ.

Из изложенного выше ясно, что роль пространственных фак­торов, «игра на градиенте» давно осознана в физиологии расте­ний . Тем удивительнее, что в весьма близкой к физиологии рас­тений области биохимии кинетическая роль структуры до сих пор осталась неосознанной. Насколько мне известно, до сих пор аналогия между пластинкой с малым числом дырок и, напри­мер, клеткой с митохондриями не проводилась. Отчасти это объясняется тем особым значением, которое придавалось каж­дому успешному осуществлению того или иного биохимического процесса в бесструктурной системе, в гомогенном растворе. В са­мом деле, лишь реализация ферментативного процесса в бес­структурной системе много десятилетий считалась обязательным условием изучения механизма такого процесса. Это обстоятель­ство было очень четко подчеркнуто В. А. Энгельгардтом в 1962 г. Он писал:

«В заключение подчеркнем, что все сказанное не означает, разумеется, недооценки значения структуры. Но мы предпочли придерживаться области тех вопросов, которые могут быть вы­ражены химическими уравнениями и конкретными физическими представлениями.

К сожалению, вопросы структуры опутаны весьма больши' ореолом неопределенности, в них можно вкладывать все, что угодно, от структуры молекулы до структуры любого вещества, существа и даже до структуры популяций.

Повторяем, структура важна, ею пренебрегать нельзя. Но опыт биохимии дает нам примеры иного порядка. Был длитель­ный период, когда все, что не удавалось описать химическими уравнениями, относилось за счет структуры. В период, когда уче­ные не могли ничего сказать о механизме дыхательного процес­са, Варбург с восторгом говорил о роли структуры для клеточ­ного дыхания. Но что осталось от роли структуры для клеточ­ного дыхания? (его интенсивность (!)—С.Ш.). В настоящее время можно весь процесс клеточного дыхания воспроизвести в гомогенном растворе структуры. От структуры, которая фигу­рировала как основное звено Варбурга, не осталось и следа. Опыт учит, что термин «структура» обычно бывает ширмой, за которой скрывается наше незнание... Если мы можем воспроиз­вести кардинальные проявления жизнедеятельности в бесструк­турной системе, нам нечего желать лучшего. Мы можем в бес­структурной системе воспроизвести редупликацию молекул ДНК, мы можем в бесструктурной системе воспроизвести такой коренной биологический процесс, как явление гибридизации». [352, с. 47].

Энгельгардт совершенно прав, говоря о возможности в прин­ципе воспроизвести даже самые сложные биохимические про­цессы в бесструктурных системах. Строгая, высоко совершенная стереоспецифичность молекул белков-ферментов, связывающих в активном центре лишь молекулы своего субстрата, их способ­ность различать например, окисленное и восстановленное со­стояние молекул субстратов (мы знаем это на примере НАД- дегидрогеназ) вполне может обеспечить нужную последователь­ность реагирования в многоэтапных процессах [471]. Для пра­вильного, безошибочного осуществления многоступенчатых процессов превращения веществ, освобождения и усвоения энер- тии структура не нужна. Но смысл структуры не в этом. Струк­тура обеспечивает большее биохимическое совершенствов структурированных системах процессы идут быстрее, чем в бес­структурных. Структура нужна для ускорения многоэтапных превращений и их более совершенной регуляции-, она увеличи­вает экономичность системы, т. е. обеспечивает переработку наи- -большей массы субстратов наименее «материалоемкими» систе­мами катализаторов-ферментов[8].

Глава 6

МЕМБРАНЫ, ИОННАЯ АСИММЕТРИЯ

Живое вещество должно быть дискретным, разделенным на организмы.

Возникновение дискретных организмов сопряжено с решением в ходе эволюции многих проблем.

Необходимость сохранения целости организма приводит к возникновению сигнальной системы, реагирующей на повреждение, а затем и на возможное повреждение (раздражение) клетки.

Асимметричное распределение ионов в системе клеткасреда является эволюционным результатом и способом осуществления возникновения раздражимости и возбудимости клеток.

Причина повышенной концентрации внутри клетки ионов калия, а снаружи ионов натрия заключена в геологической истории Земли.

В предыдущей главе мы пришли к необходимости эволюционного возникновения структурной организации для преодоления диф­фузионных ограничений биохимических процессов.

Структурная организация оказывается необходимой и по дру­гим не менее важным эволюционным соображениям.

Ранее (гл. 2) мы подчеркивали, что «биологическое (кинети­ческое) совершенство» зависит от скорости увеличения массы вещества данного вида. Казалось бы, если не принимать в рас­чет диффузионные ограничения, вещества данного видамат­ричные молекулы и соответствующие ферменты могли бы суще­ствовать в виде неразделенной смеси «живого киселя», по вы­ражению Н. В. Тимофеева-Ресовского.

Однако в этом случае естественный отбор становится неэф­фективным. Условие эволюции, способ естественного отбора— гибель, смерть (менее приспособленных. Гибель должна быть строго избирательнойлишь менее совершенных. Это возмож­но лишь при условии существования «живого вещества» в воде дискретных порций, содержащих необходимый я достаточный, комплект матричных макромолекул, ферментов и всего прочего. Чрезмерная избыточность понижает селективные преимущества.

Оптимальный по размеру комплект матричных и каталити­ческих полимеров я низкомолекулярных веществ необходимый и достаточный для жизниэто элементарный организм, клетка. Такой организм должен обладать специфической поверхностью, отделяющей его от внешней среды и препятствующей вымыва­нию веществ, нарушению необходимого их комплекта.

Следовательно, биологическая целесообразность, т. е. пре­дельно совершенная форма гибели, смерти достигается при раз­делении «вещества» данного вида на в некотором смысле неза­висимо погибающие организмы. Размеры этих первичных орга­низмов— клеток должны удовлетворять двум противоположным требованиям: с одной стороны, они должны быть достаточно большими, чтобы в них мог поместиться весь необходимый для автономного существования набор матриц, ферментов и прочих молекул, а с другой,— достаточно малыми для достижения наи­более интенсивного процесса естественного отбора наиболее эко­номным образом, а также для обеспечения требуемой поверх­ности взаимодействия с внешней средой.

Теперь на очередь становится задача рассмотрения биохими­ческих механизмов отграничения от внешней среды, специфиче­ской биохимии клеточных поверхностей, клеточной оболочки.

Наиболее естественным механизмом построения оболочек клеток, образования дискретных порций живого вещества в вод­ной среде, является создание гидрофобных границ раздела. Поскольку речь идет об отграничении гидрофильных биохими­ческих систем (ферменты, матричные молекулы и другие основ­ные биохимические компоненты по необходимости гидрофильны) от окружающей водной среды, первичная гидрофобная граница могла образовываться лишь детергентами, т. е. веществами-пиб- ридами, содержащими гидрофильные группы, обращенные внутрь клетки, и гидрофобные группы, обращенные наружу. Та­ким образом, появление дискретных форм жизниособей, кле­ток сопряжено с возникновением системы синтеза биодетерген­тов (например, фосфолипидов). Замечательным свойством де­тергентов является их способность образовывать дискретные структуры (пленки, мицеллы, коацерватные капли, пузыри, пену [94, 261, 422]. Эта способность обусловлена взаимодействием сравнительно небольших молекул детергентов друг с другом и с молекулами среды посредством ван-дер-ваальсовых и электро­статических сил. Эволюционная необходимость детергентов и липидов, возможная роль коацерватных структур, появляющих­ся в смесях детергентов и белков в процессе возникновения жизни, рассмотрены А. И. Опариным и сотрудниками [94, 261].

Ключевая роль детергентов в формировании дискретных осо­бей (в том числе и прекрасных) вполне соответствует представ­лению о возникновении Венеры (Афродиты) из пены морской.

Возникновение клетки представляется следующим образом. В ходе эволюции появляются ферментные системы синтеза де­тергентов (например, фосфолипидов). Слой таких детергентов обволакивает комплект матричных молекул, молекул ферментов и низкомолекулярных метаболитов, образуя поверхностную ме­мбрану. Синтез компонент мембраны строго регулируетсяих количество должно соответствовать поверхности клетки.

Тут возникает непростая проблема: детергенты должны быть ориентированы, по-видимому, своими полярными группами внутрь клетки, а неполярныминаружу. Как достигается раз­личение внутреннего и наружного;' Как предотвратить «нечаян­ное» выворачивание мембраны наизнанку? Это, по-видимому, возможно лишь посредством более или менее специфического взаимодействия с содержимым клетки, которое само не должно вытекать из нее и в отсутствии мембраны. Иными словами, дол­жен существовать твердый каркас, на котором закрепляется мембрана. Этот каркас (наиболее вероятно белковый гель) представляет собой трехмерную структуру, состоящую из фиб­риллярных макромолекул белка типа коллагена, тубулина или актина.

С другой, наружной, стороны не вся поверхность мембраны клетки должна быть гидрофобнойв противном случае произо­шло бы слипание клеток и стало бы невозможным необходимое для жизнедеятельности взаимодействие со средой. Следователь­но, поверхностная мембрана должна обладать сложной струк­турой ее обращенная внутрь сторона должна содержать хи­мические группы, специфически соединяющиеся с внутренним каркасом, с внутриклеточными белками, а ее наружная сторона не должна быть однородно гидрофобной. Каркас, на который натягивается, к которому прикрепляется поверхностная мембра­на, необходим, как мне кажется, и для того, чтобы эта мембрана не отделялась от клетки. В самом деле, детергентный слой впол­не может образовать автономную структуру, и не обволакиваю­щую клетку. Поэтому нужно, чтобы взаимодействие мембран­ных детергентов с каркасом было бы более сильным и специфич­ным, чем взаимодействие одной молекулы детергента с другой. Ясно, что такое обволакивание мембраной внутриклеточного содержимого нельзя обеспечить лишь за счет неспецифических электростатических или гидрофобных взаимодействий.

Много лет назад Н. К- Кольцов обнаружил, что форма кле­ток определяется формой каркаса, состоящего, как он считал, из коллагеновых волокон [144]. В последние годы весьма интен­сивно развиваются исследования фибриллярных структур, опре­деляющих форму клеток. Эти структуры состоят из так назы­ваемых микрофиламентов. Основная компонента микрофила- ментов актин, т. е. один из двух главных белков мышц [392, 393]. Микрофиламенты расположены непосредственно под мем­браной клетки. Однако, насколько мне известно, вопрос об их взаимодействии с мембраной не изучен. Неясно также, следу­ет ли исключить предположение о коллагеновом каркасе. Воз­можность участия коллагена в таком каркасе следует из опытов по созданию на нем искусственных возбудимых липопротеидных мембран [369].

Итак, по указанным выше причинам предельно совершенные биохимические системы оказываются представленными в виде дискретных порций живого вещества. И эта дискретность осу­ществляется посредством биосинтеза специализированных де- тергентных молекул, по-видимому, спонтанно образующих гра­ничные и прочие мембраны клеток. Мы видим, что и в этом слу­чае все необходимое разнообразие свойств поверхностей клеток можно получить «наборным» методомпосредством должного сочетания относительно небольшого числа универсаль­ных компонент букв (фосфолипидных и прочих), составляю­щих слова «мембранного языка». Однако в отличие от полипеп- тидного и полинуклеотидного языков в мембранном языке не нужен строго детерминированный порядок слов и даже букв в слове, а достаточно, чтобы в данной структуре слова и буквы были представлены в должных соотношениях. Поэтому при на­личии специфического белкового каркаса нет необходимости в соединении отдельных молекул в мембранных структурах ва­лентными или строго определенными водородными связями вполне удовлетворительные результаты достигаются и при соеди­нении молекул ван-дер-ваальсовыми и электростатическими связями. Действительно замечательным свойством системы ли­пиды— детергенты вода является способность к автоматиче­ской самосборке мембран [307а, 422]. Мембраны в этом смысле вполне детерминированы физическими и химическими свойства­ми компонент самой системы. Особенности строения возникаю­щей мембраны зависят почти исключительно от того, какие ли­пиды, детергенты, электролиты и неэлектролиты содержатся в системе и в каком количестве. Следовательно, свойства мембра­ны определяются характером и интенсивностью биосинтетиче­ских процессов в протоплазме. Так, число и качество дефектов в мембране, мест, где плотная упаковка молекул (например, лецитина) нарушена, зависит от концентрации в системе дру­гих детергентных молекул. В конечном итоге, свойства мембра­ны записаны в соответствующих матричных текстах, определяю- ющих синтез в нужном месте и в нужное время необходимых ферментов, и задаются оперативным изменением активности уже синтезированных ферментов.

Попробуем представить себе возможные механизмы функ­ционирования поверхностных клеточных мембран. Их функция состоит в избирательном пропускании одних веществ и не про­пускании других, причем должно осуществляться как движение веществ по термодинамическому градиенту (из места с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией), так и противоградиентное движение.

Ясно, что противоградиентное движение веществ может осу­ществляться лишь при использовании свободной энергии в ка­ком-либо сопряженном экзэргоническом процессе.

Один из мыслимых способов противоградиентного переме­щения состоит в уничтожении нормального градиента концен­трации переносимого вещества. Это может осуществляться по­средством связывания поступившего вещества в кинетически (осмотически) неактивный комплекс или же его вовлечения в какой-либо химический процесс. Так, глюкоза может исчезатьв процессе образования из нее гликогена, аминокислоты — в процессах синтеза белка и т. д.

В этих случаях не возникает принципиальных трудностей в представлении исходных шагов эволюционного совершенствова­ния. Задача такой мембраныобеспечение лишь грубой изби­рательности, наличие в ней дырок, пор, позволяющих нужным веществам двигаться (диффундировать) по «искусственному» градиенту и препятствующих вытеканию протоплазмы. Я под­черкиваю слово вытекание, так как именно в препятствии мак­роскопическим потокам жидкости и состоит первоначальная функция мембран. Множество микродырок не мешает макроско­пической функции мембраны. Так, пористые, ячеистые например, вязанные свитеры и даже крупноячеистые вуали, ограничивая макроскопические потоки воздуха, сохраняют прикожный нагре­тый слой воздуха, и поэтому «греют» людей.

Регулирование свойств такой мембраны также может быть очень грубымнет нужды в специальной подгонке диаметра пор к размеру проходящих через мембрану молекул.

Однако задача усложняется тем, что в биохимических про­цессах с необходимостью должны участвовать и низкомолеку­лярные промежуточные продукты, не все время пребывающие в комплексах с макромолекулами.

Таким образом, сведение избирательности переноса веществ к биохимической специфичности к .избирательному вовлече­нию веществ в соответствующие биохимические процессы, лишь первый шаг эволюционного совершенствования трансмембран­ной системы переноса веществ.

Какие пути увеличения избирательности проницаемости мем­бран могут существовать в процессе эволюции?

Конечно, можно представить себе такое состояние прото­плазмы, при котором все низкомолекулярные компоненты био­химических процессов оказываются в специфических комплек­сах с макромолекулами. Для его реализации нужно, чтобы об­разование этих комплексов было термодинамически выгодным. Величина выигрыша энергии при образовании комплекса низко­молекулярного вещества с макромолекулой и определит воз­можность «противоградиентного» переноса данного вещества. Слово «противоградиентный» взято в кавычки, поскольку в этом случае никакой противоградиентности нетсвязывание веще­ства уменьшает его осмотическую, кинетическую активность. В месте образования комплекса создается активность (концен­трация), меньшая, чем в других местах. Остается позаботиться

о том, чтобы не вытекали сами макромолекулярные комплексы, а это обеспечивается образованием наружной дырявой, сетчатой мембраны или же соединением всех или большей части макро­молекул в трехмерную сетьгель. Такие желеобразные дис­кретные организмы в принципе удовлетворяют условиям дис­кретности и стабильности оптимальных по размерам комплектов матричных молекул, ферментов и метаболитов.

Однако скорости биохимических процессов в таких организ­мах будут далеко не предельно возможными. Скорости транс­порта субстратов и продуктов в биохимических системах, где все участники связаны с макромолекулами геля, очень малы. Условием быстрого протекания биохимических процессов явля­ется свободное, неограниченное соединением с макромолекула­ми движение низкомолекулярных веществ в протоплазме. Эво­люция должна обеспечить максимум скорости узловых биохи­мических процессов без специальных уже нехимических приспо­соблений и это достигается при совершенно незатрудненной диффузии.

Следовательно, среда, в которой протекают наиболее важные биохимические процессы, должна быть жидкой *. В этой мало­вязкой бесструктурной жидкой среде могут находиться относи­тельно небольшие компактные структурные образованиями­тохондрии, хлоропласты и пр., но основная среда должна быть жидкой и основные метаболиты в ней не должны быть связаны с гелеобразным комплексом. Большинство низкомолекулярных метаболитов (субстратов, ионов металлов, анионов, кофермен- тов и пр.) в соответствии с требованием максимально возмож­ной скорости протекания узловых биохимических процессов должно свободно диффундировать в маловязкой жидкой прото­плазме. Следовательно, крупно-ячеистая мембрана служит недо­статочно совершенной границей раздела организма и внешней среды, так как она не будет препятствовать утечке метаболитов. Мембрана должна обладать избирательной проницаемостью.

Приведенное рассуждение, т. е. вывод о невозможности обес­печения должной интенсивности биохимических процессов в клетке при осуществлении специфического переноса веществ посредством специфического связывания в толще протоплазмы, имеет прямое отношение к недавней острой дискуссии. Д. Н. На­сонов и его последователи [220, 221] полагали, что именно спе­цифическое связывание в протоплазме лежит в основе механиз­ма избирательного противоградиентного переноса. Д. Л. Рубин­штейн [246, 247] наиболее ярко представлял противоположную точку зрения, а именно необходимость существования избира­тельно проницаемых клеточных мембран. За прошедшие после дискуссии годы наши знания о механизмах специфического пе­реноса веществ в биологических системах чрезвычайно расши­рились и углубились. Ключевая роль мембран давно уже не вы­зывает сомнений. Однако механизм специфического связывания отнюдь нельзя считать полностью отвергнутым. Из общих сооб­ражений, приведенных выше, следует лишь, что внутриклеточ­ное связывание низкомолекулярных веществ как способ проти- воградиентного транспорта не совместимо с высокой скоростью биохимических процессов. Однако в ряде специальных случаев внутриклеточное связывание может оказаться очень эффектив­ным.

Мы видим, следовательно, что в ходе эволюции возникли не­совместимые требования—с одной стороны, необходимо жидкое состояние значительной части внутриклеточного содержимого, несвязанное состояние внутриклеточных низкомолекулярных веществ (пока они не включаются непосредственно в фермента­тивные процессы), свободная их диффузия, а с другой, необхо­дим строго специфичный противоградиентный перенос через клеточную мембрану. Выход из этого положения может состоять в постулировании аппарата специфического связывания и пере­носа веществ, сосредоточенного в мембране или примембранных слоях, и в сопряжении процессов переноса с расходом макро- эргических соединений (или в более общей формулировкесо­пряжении эндэргонического переноса с каким-либо экзэргониче- ским процессом).

Истинные механизмы специфического трансмембранного транспорта все еще не вполне выяснены. Этим вопросам посвя­щен ряд фундаментальных исследований (см. [5, 33, 48, 62, 158, 171, 172, 177, 178, 180, 197, 225, 226, 285, 314, 365, 383, 434, 435, 451, 459]), к которым и должен обратиться читатель. Тем не менее, в общем виде ответ известен. Противоградиентный пере­нос осуществляется или за счет свободной энергии гидролиза пирофосфатной связи АТФ или за счет распада ее макроэрги- ческого предшественника. Специфичность транспорта веществ через мембрану достигается либо путем связывания этих ве­ществ со специфическими молекулами белков-переносчиков, ли­бо посредством калиброванных пор [399].

Целостность поверхностной мембраны условие существо­вания клетки. Раздражимость и возбудимость. Ясно, что по­вреждение поверхностной оболочки (клеточной мембраны) должно приводить к гибели клетки. Нарушение целостности мембраны сопряжено с потерей внутриклеточного содержимого и вхождением в клетку вредных компонент из внешней среды. Условием дальнейшего эволюционного прогресса оказывается теперь выработка быстрой реакции на повреждение. Эта реак­ция должна быть сопряжена с включением (и выключением) определенных биосинтетических систем, например, с включени­ем системы интенсивного синтеза фосфолипидов и белков. Та­ким образом, очередная задача эволюции состоит в выборе пре­дельно совершенного вида сигналов о целостности и нарушении целостности клеток. Кажется разумным предположить, что эти сигнальные функции могла бы выполнять относительно безвред­ная компонента внешней среды, всегда присутствующая в до­статочных количествах в первичной среде обитания древних ор­ганизмов. Для выбора такой компоненты необходимо выяснить состав первичной среды обитания живых организмов.

При таком анализе становятся ясными следующие выводы. Жизнь возникла в море. Химический состав морской воды опре­делен составом земной коры, физическими и химическими свой­ствами ее компонент, а следовательно, химическим составом планеты. Высокая вероятность возникновения жизни именно в море подчеркивалась почти всеми. Мне также кажется это почти бесспорным. Море замечательно своей стабильностью. Химиче­ский состав морской воды определился условиями ее возникно­вения я существования. Первичная вулканическая вода «рас­сол»—содержала все растворимые компоненты коры в соотно­шениях, определяемых как концентрацией этих компонент в коре, так и их относительной растворимостью. Однако по мере фильтрации извергаемой вулканами воды через образующиеся и уже образовавшиеся осадочные породы глины (алюмосили­каты с разным содержанием железа и алюминия) из первично­го рассола избирательно извлекался калий (по причинам, хоро­шо изложенным Г. Г. Маленковым), а в воде, стекающей в море, оказывалась повышенной концентрация натрия. Избирательное сродство сэндвичевых алюмосиликатов (глин) к калию настоль­ко велико, что уже в первых слоях глины, соприкасавшихся с первичным рассолом задерживалось основное количество калия, и состав профильтрованного раствора приближался к составу морской воды. Свойство глин избирательно накапливать калий делает их в этом отношении похожими на «живое 1вещество» (и оправдывает распространенную ранее гипотезу об изготовле­нии первого человека из глины...).

Ниже приводятся округленные данные о составе морской во­ды (табл. 7).

Солевой состав плазмы крови различных животных, харак­терный для земных организмов, приведен в табл. 8, 9 [68].

Из приведенных данных видно сходство (а иногда даже сов­падение) соотношения концентраций ионов в плазме крови жи­вотных и морской воде. Однако по абсолютным величинам со­держание солей в морской воде отличается от солености плазмы кровив морской воде почти в 3 раза больше натрия, в не­сколько раз меньше калия и почти в 12 раз больше магния. Сто­ронники идеи о том, 4i(j в наших жилах течет, в сущности, мор-таблица 7

КОНЦЕНТРАЦИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ МОРСКОЙ ВОДЫ *

Вещество

%

м

Вещество

%

м

Натрий

10,56

0,44

Стронций

0,01

1,3-10-4

Калий

0,38

0,0095

Хлор

18,98

0,535

Магний

1,27

0,047

Сульфаты

2,65

0,028

Кальций

0,40

0,0096

Карбонаты

0,14

0,0023

* Данные заимствованы из 2-го издания БСЭ.


ТАБЛИЦА 8

СООТНОШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ ПОЗВОНОЧНЫХ И В МОРСКОЙ ВОДЕ (%) [68]

Позвоночные

Калий

Кальций

Магний

Млекопитающие

3,6

1.9

0,8

Птицы

3,2

Пресмыкающиеся

4,1


Амфибии

5,8

1,9

1,1

Рыбы

5,3


Морская вода

3,6

3,9

12,1

Примечание. Концентрация натрия принята равной 100%.


ТАБЛИЦА 9

КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ МОЛ/Л) [68]

Позвоночные

Натрий

Калий

Кальций

Магний

Человек

145

5,12

2,49

1,23

Курица

141

4,2

Черепаха

122

5,1

Лягушка

102

5,9

2.0

1,2

Окунь

88

5,1

ская вода, не смущаются различием в абсолютных величинах содержания катионов. На протяжении сотен миллионов лет гео­логической эволюции солевой состав моря изменялся: осадочные породы поглощали все больше калия, при эрозии коры выщела­чивались все большие количества натрия и т. д. Таким образом, если учитывать все эти изменения, то кровь (вернее, плазма крови) современных животных аналогична по своему солевому составу воде древних морей. Выйдя в давние времена из древ­

них морей, животные унесли в своих кровеносных сосудах при­вычную и необходимую для существования их клеток среду, ставшую теперь внутренней средой организма.

Поддержание необходимого состава этой внутренней среды одно из главных направлений физиологической работы много­клеточных организмових прото- или мезо- или метанефридии (почки) расходуют огромное количество энергии, сопоставимое с количеством энергии, затрачиваемым сердцем и скелетными мышцами (см. [436]).

Эти траты необходимы для обеспечения строго определенных условий существования клеток. Солевой состав, концентрация катионов и анионов в клетке и их соотношение совсем иные, чем во внешней по отношению к клеткам средев морской воде и в жидкости межклеточных пространств (табл. 10).

ТАБЛИЦА 10

КОНЦЕНТРАЦИЯ Ионов В ТКАНЯХ И ЖИДКОСТЯХ ТЕЛА (в мМ) [68]

Животное

Ткань или жидкость тела

Натрий

Калий

Кальций

Магний

Хлор

Крыса

Плазма крови

145

6,2

3,1

1,6

116

Мышца

27

101

1,5

11,0

16

Лягушка

Плазма крови

104

2,5

2,0

1,2

74

Мышца

24

85

2,5

11,3

10

Беззубка

Кровь

15,4

0,38

5,3

0,35

10,5

Мышца

5,2

10,5

5,4

2,46

10,6

Осминог

Кровь

525

12,2

11,6

57,2

480

Мышца

81

101

3,7

12,7

93

Голотурия

Жидкость тела

460

11,8

10,7

50

523

Мышца

191

139

89

39

277

Не имея сейчас возможности отвлекаться на рассмотрение своеобразия солевого состава клеток и внутренней среды раз­ных животных, подчеркнем лишь одно. У большинства живых существ на Земле все полноценные живые клетки содержат нат­рий в концентрациях, значительно меньших, чем в морской во­де или во внутренней среде организмов. Наоборотконцентра­ция калия в клетках во много раз выше, чем во внеклеточной среде.

Итак, мы забежали впередвместо дедуктивного построе­ния предельно совершенного дискретного организма, клетки, мы сразу заглянули в ответпосмотрели, что же получилось на Земле. Мы и дальше будем так иногда поступать, поскольку вполне «честное» решение эволюционных задач в ряде случаев еще невозможно. Зато мы можем с удовлетворением считать, что нам удалось выяснить, решению какой эволюционной зада­чи соответствует известный нам ответ. Итак, ответ гласит: калия в клетке больше, а натрия меньше, чем в среде, ее окружающей. Мы знаем (зернее думаем, что знаем) в чем здесь дело, каков эволюционный смысл такого соотношения концентраций.

Поддержание градиента концентрации такого химически вполне безобидного иона, как ион натрия (или калия), позволя­ет клетке быть в постоянной готовности к реакции на случай по­вреждения (а в дальнейшем, при совершенствовании этого ме­ханизма,—уже лшь при угрозе повреждения). Изменение градиента концентрации служит сигналом для принятия защит­ных мер, прежде всего для включения механизмов синтеза по­граничного веществалипидов и белков клеточной мембраны. Необходима тонкая регулировка процесса биосинтеза элементов мембраны (как и других биосинтетических процессовсинтезов ферментов и матриц). В самом деле, избыточный синтез делает жизнь невозможнойклетка переполняется веществом, на из­быточный синтез напрасно расходуется вещество и энергия. Та­ким образок, возникает необходимость непрерывного (пока су­ществует опасность повреждения) поддержания готовности к реагированию, к раздражению и возбуждению. Для этого при­ходится все время поддерживать искусственный градиент кон­центрации химически безвредных сигнальных веществионов натрия и калия. Постоянная боевая готовность клетки обычно сопряжена с непрерывным расходом энергии. В неблагоприят­ных солевых условиях расходы на поддержание необходимого градиента могут превысить возможности клетки. Тогда стано­вится «дешевле похоронить, чем прокормить».... На этом осно­вано использование в качестве консервирующего средства пова­ренной соли —в сильно соленой среде истощаются и гибнут не­желательные нам микроорганизмы. Поэтому безжизненны резко соленые водоемы и столь мало пригодны для жизни солончаки (см., однако, стр. 141).

Необходимость непрерывного поддержания асимметрии рас­пределения нонов натрия и калия в системе клеткавнешняя среда вовсе не означает, что этот механизм должен все время функционировать.

Было бы нерационально, бессмысленно непрерывно откачи­вать воду из дырявой лодки. Во всяком случае, ни о каком со­вершенстве тут говорить нечего. Необходимый градиент можно сохранить, закрыв пробоины. Конечно, умеют это делать далеко не все органязмы, а лишь специально приспособленные к жизни в необычных условиях чрезмерной солености или пресности. Фи­зиология и биология приспособлений к жизни водных организ­мов при разной степени солености рассмотрена [311].

Итак, первичный механизм реагирования клеток на повреж­дение (раздражение) был, по-видимому, основан на изменении внутриклеточной концентрации ионов калия и натрия.

Мерой градиента концентрации ионов является электрохи­

мический потенциал. Для реагирования на внешние воздействия вовсе не обязательно доводить дело до грубого повреждения клетки функции сигнала может взять на себя изменение элек­трохимического потенциала. Ясно, что обязательным компонен­том такого механизма должен быть процесс резкого активиро­вания биосинтеза биодетергентов и белков. Следовательно, про­цессы считывания текста нуклеотидных матриц и синтезы необходимых ферментов, а также, быть может, активность уже готовых молекул ферментов должны быть чувствительны к уров­ню концентрации одновалентных катионов.

Так возникает в процессе эволюции электрофизиологический механизм, детальное рассмотрение которого выходит за преде­лы задач этой главы.

Нам остается, однако, обсудить здесь еще один важный во­прос: почему в процессе эволюции на Земле возникла именно такая ионная асимметрия.

Мы 'Считали, что ионная асимметрия, т. е. «противоестествен­ный» градиент концентраций возник как эволюционное следст­вие необходимости клетки реагировать на повреждение. Однако мы уже видели, что в «простых» глинах происходит резко изби­рательное накопление калия, и, следовательно, возникает ион­ная асимметрия, а именно, натрий остается вне глины, калий проникает внутрь. Строго говоря, в глине никакого противогра- диентного накопления калия нет. Напротив, строго по предпи­саниям термодинамики калий заполняет пустоты в структуре сэндвичевых глин, в результате чего свободная энергия системы понижается [192]. В глиняной модели живого организма можно предусмотреть и реагирование на повреждение. В самом деле, всякое нарушение целостности сопряжено с механическим воз­действием. А глина, как и другие гелеобразующие материалы, тиксотропна, т. е. разжижается при механическом воздействии (вот почему в мокрой глине ноги вязнут тем сильнее, чем интен­сивнее попытки выбраться). Нарушение структуры тиксотроп- ных гелейвполне удобный в принципе механизм раздраже­ния, который может включить необходимые для восстановления целостности клетки процессы биосинтеза.

Таким образом, даже изменение ионной асимметриивыход калия ,и вход натрия в «глиняную клетку»вполне можно счи­тать следствием, а не условием раздражения и возбуждения клетки. Для этого необходимо только, чтобы при тиксотропном разрушении структуры глины изменялось бы ее сродство к ка­лию. И в самом деле, почему бы не считать такой тиксотропный механизм, механизм перехода гельзоль вполне соответствую­щим эволюционным задачам? Почему бы не считать ионную асимметрию лишь следствием структурных особенностей прото- плазматических структур?

Выбор правильного решения здесь очень не прост. Ведь мы должны найти доводы, основанные на убедительных общих сооб­ражениях, а не только на сведениях о механизмах жизнедея­тельности земных организмов.

Я уже отмечал, что еще очень недавно исследователи были разделены на два непримиримых лагерясторонников сорбци­онной теории, возглавляемых Д. Н. Насоновым, и сторонников мембранной теории во главе с Д. Л. Рубинштейном. Темпера­ментные, не всегда академические споры завершились во вто­ром поколении противников победой мембранной теории. Она восторжествовала благодаря замечательным достижениям в изу­чении биоэлектрических явлений на гигантских аксонах каль­маров и других удобных объектах. В самом деле, можно перфу- зировать, промыть гигантский аксон, удалить из него всю про­топлазму— а способность к раздражению, к генерации нервного импульса останется. Более того, можно получить искусственную- возбудимую мембрану, обладающую всеми основными свойст­вами естественной [434, 435]. Следовательно, функция аксона и. в самом деле обусловлена лишь его мембраной. Следовательно, ионная асимметрия и в самом деле создается без участия изби­рательной сорбции ионов в толще внутриклеточной прото­плазмы.

Мы уже очень много знаем о природе избирательных ионных насосов, локализованных в клеточной мембране. Их функцию' выполняют ферменты, аналогичные асимметрично расположен­ной в мембране К, Na-эктивируемый АТФазе (см. [33, 180, 459]), в сочетании с избирательно проницаемыми каналами.

Мы все больше узнаем о свойствах и природе веществ, мо­дифицирующих проницаемость био-мембран. Все это так. Однако еще раз подчеркиваюнам нужно понять, в силу каких причин в процессе эволюции возникли именно такие механизмы? Один из возможных ответов гласит: данное приспособление возникло как неизбежное следствие физических и (или) химических свойств веществ, вовлеченных в процесс эволюции. В духе та­кого ответа можно сказать, что ионные градиенты, противотер- модинамлческая асимметрия ионов в системе клеткавнешняя среда возникли как неизбежное следствие образования биоде- тергентных мембран. Если в силу эволюционной необходимости в дискретности живого вещества появились мембраны, отграни­чивающие клетки от внешней среды, то вследствие физических и химических свойств этих мембран, их избирательной прони­цаемости возникла и ионная асимметрия. Ионная асимметрия оказалась весьма удачным показателем целостности клетки и в ходе дальнейшей эволюции смогла обеспечить реагирование клетки на внешние воздействия.

Очень возможно, что такой ход рассуждений верен. Однако тиксотропия, превращение геля в зольважнейший физико-хи- мический процесс в протоплазме как современных, так и древних земных организмов. Мало того, этот процесс представляет не­специфический универсальный ответ клетки на различные воз­действия. Я думаю, однако, что процесс превращения гель золь не был выбран в ходе эволюции как универсальный ответ на нарушение целостности клетки по вполне простой причине — отнюдь не любые повреждения клетки сопровождаются механи­ческими воздействиями, вполне вероятны и повреждения в ре­зультате химических воздействий. А «тихое» растворение мем­браны клетки не менее опасно, чем ее разрыв в результате сви­репого укуса.

И все же, почему натрий снаружи и калий внутри? В настоя­щее время мне кажется вполне убедительным ответ на этот во­прос, предложенный В. А. Твердисловым [285]. Натрий не потому изгоняется из клетки, что он изначально был менее желателен, чем калий. И калий входит в клетку не из-за своих особых хи­мических или физико-химических достоинств. Дело обстояло, по-видимому, проще: при концентрациях этих катионов в древ­нем океане только их можно было использовать для сигнализа­ции о целостности клетки. Однако для создания электрохими­ческого потенциала, при котором концентрация «атрия внутри клетки была бы больше, чем в окружающей среде, необходимы очень высокие концентрации ионов натрия в клеткепорядка нескольких молей на 1 л, что весьма существенно изменило бы всю физико-химическую обстановку в клетке. Наоборот, калия в среде, в морской воде настолько мало, что даже при его впол­не безобидных концентрациях внутри клетки порядка 0,1 моль, соотношение концентраций К внутри и снаружи оказывается до­статочным для асимметричного распределения натрия и созда­ния заметного электрохимического потенциала.

Из приведенного рассуждения следует, что при осуществле­нии эволюции в других условиях (если это возможно), при дру­гом ионном составе среды вполне могут возникнуть организмы с другим набором сигнальных ионов внутри и вне клетки.

В земных организмах происходят биохимические процессы, в которых роли ионов натрия и калия противоположны. Так, су­ществуют ферменты, активность которых увеличивается в при­сутствии ионов калия и угнетается в присутствии ионов натрия (см. табл. 6). Однако в соответствии с приведенным логическим построением специфическое, сигнальное значение должны иметь биохимические процессы синтеза компонент мембраны, вклю­чаемые поступающим в клетку натрием (при раздражении мем­браны). Число известных нам ферментных систем, включая активируемых натрием, очень невелико (табл. 11).

В этой связи необходимо сказать, что, как следует из ряда работ [48, 62, 292, 451], влияние натрия на биохимические систе­мы опосредовано ионами кальция. Ионы натрия, проникая внутрь клетки, вызывают изменение состояния ионов кальция их переход из связанного в свободное состояние. Действитель­ным исполнителем сигнальных функций в клетке, звеном, свя­зывающим изменение состояния мембран с внутриклеточной

ТАБЛИЦА II

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ № И К НА НЕКОТОРЫЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ [62]

Фермент или ферментативный процесс

Иои-

актива-

тор

Иои-

ингиби-

тор

Фермент нли ферментативный процесс

Ион-

актива­

тор

Иои-

ингиби-

тор

Синтез ацетилхолина

к+

Na+

РНК-полимераза

к+


Синтез белка на рибосомах

к+

Na+

ДНК-полимераза

к+

Na+

Синтез липидов

Na+

Фосфофруктокинззн

к+

Дыхание митохондрий

К+

Na+

биохимией, является кальций. Число ферментов (ферментных систем), активируемых ионами кальция очень велико.

Из табл. 11 следует, что все внутриклеточные ферментатив­ные процессы, по-видимому, приспособились к нормальной ион­ной асимметрии, тогда как синтез липидов включается при уве­личении концентрации Na+ сигнала о возможном поврежде­нии клеточной мембраны. К сожалению, надежных эксперимен­тальных данных по этим вопросам очень мало [449],

Возможно и другое решение проблемы ремонта поврежден­ной мембраны в ответ на увеличение концентрации ионов натрия в клетке. Опыт показывает, что вытекающая из поврежденной клетки протоплазма немедленно покрывается вновь возникаю­щей липопротеидной мембраной (см., например, [5, 462]). Это происходит так быстро, что говорить о включении биосинтеза, как источника материала для новой мембраны, нельзя. Некото­рый аварийный запас фосфолипидов и белков для быстрой сбор­ки мембраны в клетках имеется. (Тем не менее биосинтезы должны быть включены для восполнения этих запасов). Про­цесс образования поверхностной мембраны при повреждении клетки был предметом глубоких исследований и широких обоб­щений Л. Генльбруна [64, 396, 397]. Гейльбрун считал, что эта «поверхностная реакция преципитации» осуществляется при действии ионов кальция аналогично механизму свертывания крови. Новообразованию мембраны на вытекающей из клетки капле протоплазмы, в соответствии с этой гипотезой, происходит в результате превращения белка типа фибриногена в полимери- зующийся белок типа фибрина (и лишь затем по возникшему белковому каркасу выстраивается липопротеидная мембрана).

В заключение мне хочется обратить внимание на возмож­ность непосредственного влияш-я ионов натрия на образование мембраны. Натриевые соли жирных кислот менее растворимы, чем калиевые: все знают, что калиевое мыло жидкое, а натрие­вое твердое. Вполне возможно поэтому, что проникновение в примембранный слой клетки ионов натрия стимулирует само­сборку мембраны из уже имеющегося запаса липидов, фосфоли­пидов, жирных кислотаналогично превращению жидкого ка­лиевого мыла в твердое натриевое.

Глава 7

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Создание системы энергетического обеспечения конвариантного матричного воспроизведения.

Свет первичный источник энергии в биохимических системах. Накопление буферных рН-систем в фотохимическом преобразовании энергии. Макроэргические соединения.

Общие механизмы сопряженного фосфорилирования. Концепция Митчелла.

Гетеротрофы.

Рост кристаллов, образование полимерных молекул и аналогич­ные процессы завершаются при исчерпании термодинамического потенциала системы, например, тогда, когда раствор перестает быть насыщенным. Представим себе, что некоторые виды крис­таллов (полимеров) могут возникать при меньших концентраци­ях предшественников, чем другие менее совершенные виды. Ясно, что такие более совершенные кристаллы, полимеры и победят в естественном отборе.

Кристаллизация и полимеризация, происходящие вопреки термодинамическому, концентрационному градиенту из истощен­ного раствора, в принципе осуществимы при сопряженном проте­кании экзэргонической реакции, в которой равновесие кристал­лизации или полимеризации может сместиться в противогради- ентном направлении. То же справедливо и для синтезов.

Однако необходимость сверхравновесного синтезане един­ственная причина вовлечения под давлением естественного отбо­ра источников энергии для конвариантного воспроизведения.

Совершенный процесс соединения мономеров в полимерную матричную цепь должен быть термодинамически невыгодным, требовать для своего осуществления подвода свободной энер­гии, быть эндэргоническим. Здесь под «должен быть» подразу­мевается «в результате эволюции» или «чтобы была возможной прогрессивная эволюция». В самом деле, если бы полимериза­ция была экзэргонической, термодинамически выгодной и поли­мерные цепи возникали бы -самопроизвольно, то сколько по­явилось бы ошибок в последовательности мономеров в поли­мерных нитях. Ведь нужно помнить, что любые последователь­ности мономеров в полимерных полинуклеотидной или полипеп­тидной цепях термодинамически равновероятны[9]: необходимбарьер, препятствующий соединению мономеров. Полимериза­ция должна быть термодинамически невыгодной, должна осу­ществляться лишь при контролируемом подводе энергии

В ходе эволюции возникает еще одна энергетическая статья расходов, составляющая в дальнейшем значительную долю от общих потребностей. Чем совершеннее катализатор, тем он сложнее, тем вероятнее его разрушение в ходе функционирова­ния, а также в результате термической денатурации. Становится необходимым восстановительный синтез, необходимы траты энергии для компенсации износа макромолекулярных меха­низмов.

Наконец, в процессе эволюции все время возрастают траты энергии на активное добывание пищи, активное создание необ­ходимых внутренних и внешних условий существования.

Итак, энергия необходима для самого процесса полимериза­ции мономеров, для проведения этого процесса против концент­рационного градиента, для компенсации износа и для обеспече­ния активной жизнедеятельности.

Посмотрим теперь, какие источники энергии могут быть ис­пользованы в ходе эволюции. Оценим сначала количество энер­гии, требуемой для обеспечения указанных выше нужд. Напри­мер, процесс синтеза пептидной связи относится к эндэргоничес- ким реакциямдля синтеза 1 моля пептидных связей необходи­мо затратить 3—4 ккал свободной энергии. По-видимому, когда- нибудь удастся из общих соображений оценить и желательную величину сверхравновесного синтеза. Допустим, что сверхравно- весная концентрация продукта в 105—106 раз превышает вели­чину, определяемую термодинамическими соотношениями. В со­ответствии с известными термодинамическими формулами на это потребуется еще 7—8 ккал/моль:

С С

AF = - RT 1п ~ ж - 1400 lg кал,

где С, и С2концентрации исходных реагентов и конечных про­дуктов соответственно. Так, для обеспечения выбранной сверх- равновесной степени полимеризации аминокислот приходится тратить около 10 ккал на синтез 1 моля пептидных связей. Близ­кие по порядку величины мы получим при оценке энергетических расходов и в других процессах. Эти относительно очень неболь­шие порции энергии всего в 10—20 раз превышают kT. Кванты такой величины соответствуют инфракрасному излучению (дли­ны волн около 3—1,5 мк), которое поглощается вследствие воз­буждения колебательных степеней свободы многими органичес­кими веществами. Казалось бы все в порядкеинфракрасное излучение может быть искомым источником энергии для наших целей. Однако оно сильно поглощается водой (недаром ИК- спектры органических молекул снимают обычно в безводных препаратах). Поэтому волны такой длины практически исключа­ются из числа возможных источников энергии. Следовательно, источником энергии может служить излучение, непоглощаемое водой. Значит, речь может идти о видимом свете (поэтому и ви­димом!) и об ультрафиолете. Короткий ультрафиолет также не годится, так как энергия соответствующих квантов сравнима по величине с энергиями связей в молекулахбудет происходить разрушение молекул.

Первичный источник энергии в биохимической эволюции. Вслед за В. П. Скулачевым [266] можно считать наиболее ве­роятным источником энергии во времена возникновения жизни свет. Этот вывод означает допущение первичности фотосинтеза, возникновения его в самом начале совершенствования систем энергетических превращений в биологических системах. Конеч­но же, речь не идет о процессе, подобном современному фотосин­тезу. Ясно, что только избирательное поглощение излучения спо­собно обеспечить энергией лишь определенные процессы, а не все реакции, как, например, при нагревании. В процессах, идущих в первичных матричных структурах, существование такой изби­рательности вполне вероятно. Для нуклеиновых оснований ха­рактерно сильное поглощение в области 260 нм, что соответству­ет (в расчете на 1 моль) порции энергии около 100 ккал. Это, конечно, слишком много, но для начала эволюционного совер­шенствования вполне терпимо. Основной результат поглощения света с такой длиной волны полинуклеотидными цепямираз­рыв валентных связей [154], например, отрыв нуклеинового ос­нования от рибозы, замена одного основания на другое. Вслед­ствие интенсивных мутаций и обусловленных ими вариаций последовательности аминокислот в полипептидной цепи проис­ходил отбор катализаторов, способствующих синтезу пигментов, которые поглощают видимое и ближнее инфракрасное излуче­ние, соответствующее нужным квантам энергии.

Таким образом, действительный прогресс в эволюции биохи­мических механизмов преобразования энергии сопряжен с совер­шенствованием биосинтезов пигментных систем, преобразующих лучистую энергию света в химические формы энергии.

Нужно заметить, что и в этом направлении эволюция начи­налась не «на пустом месте». Разнообразные пигменты легко синтезируются и без биохимических катализаторов из первично­го бульона, содержащего аммиак, цианид, формальдегид, под действием например ультрафиолетового излучения. (Эти вопро­сы рассмотрены в ряде статей и в докладах на симпозиумах, по­

священных происхождению предбиологических систем, а также в книгах А. И. Опарина [227, 228], Дж. Бернала [24], М. Каль­вина [126] (см. также [1, 37, 53, 75, 127, 132, 240, 243, 250, 416, 448]).

Биологически наиболее важные пигментыпорфирины об­разуются -в среде, содержащей метан, аммиак, воду и водород, под действием электрического разряда и ультрафиолета. Основной частью порфиринов являются пиррольные кольца. Еще в 1915 г. А. Е. Чичибабин показал, что пирролы образуются при пропус­кании ацетилена и аммиака через нагретую трубку. Примерно в то же время Мейер установил образование пирролов и при взаимодействии ацетилена с цианистым водородом. Конденсация пирролов в порфирины (тетрапиррольные кольца) также пред­ставляет собой обычный химический процесс.

Порфирины замечательны сильным поглощением света в об­ластях 400 нм (полоса Соре, энергия жванта в расчете на 1 моль примерно равна 60 ккал), а также поглощения вблизи 550 нм (энергия в расчете на 1 моль около 45—50 ккал). Такие энер­гии, по-видимому, наиболее удобны для наших целей они уже недостаточны для непосредственного разрушения молекул и более чем достаточны для сдвига химического равновесия. При­няв кпд процесса фотохимического преобразования энергии рав­ным приблизительно 50%, мы получим за счет таких порций энергии увеличение концентрации продуктов реакции, идущей вопреки термодинамическому градиенту, в 1020 раз, что заведомо достаточно для синтеза любых необходимых веществ.

Осталось совсем немногонайти способ преобразования энергии поглощенного света в энергию, обеспечивающую специ­фический сдвиг равновесия реакций синтеза полинуклеотидной или полипептидной цепи. Для этого нам нужно прежде всего рассмотреть способы смещения термодинамического равновесия в химических превращениях.

Возможные способы смещения равновесия в эндэргонических химических реакциях. Самый очевидный способ смещения рав­новесия данной реакции осуществление сопряженной реакции, уменьшающей концентрацию одного из продуктов реакции или увеличивающей концентрацию по крайней мере одного из реа­гентов. Этот простейший механизм сопряженияоснова хими­ческих синтезов.

Так, например, очевидно, что выход при синтезе пептидных связей можно существенно увеличить путем поглощения воды, образующейся при конденсации аминокислот:

Н ОН

II I

СООН -f H-N-R2 ^R!-C-N-R2 -f H20. (1)

Однако в интересующем нас случае этот способ непригоден: реакция должна осуществляться в водном растворе.

Процесс синтеза пептидной связи изображен здесь не впол­не верно. В реакцию вступают обычно ионизированные реагенты и ее нужно записывать следующим образом:

О ОН

II II I

Ri-C—O' + H3N+-R2 ^ Ri—С—NR2 + Н20. (2)

Ионы в водных растворах сольватированы, т. е. окружены ориентированными вокруг них молекулами воды. Для разруше­ния сольватной оболочки нужно затратить энергию, и поэтому синтез пептидной связи из ионизированных реагентов термоди­намически менее выгоден. Следовательно, сместить равновесие в сторону синтеза пептидной связи можно посредством уменьше­ния степени ионизации (диссоциации) реагентов. Это можно сделать, проводя реакцию в кислой или щелочной среде, чтобы подавить диссоциацию на ионы карбоксильной или аминогруппы. Доведение pH до нужной величины и будет способом внесения в систему энергии, необходимой для смещения равновесия про­водимой реакции в нужном направлении. Однако по мере осу­ществления синтеза величина pH будет изменяться. При прове­дении синтеза пептидной связи в кислой среде последняя будет все более закисляться:

О ОН

II I

Rj-C-OH 1- H3N+-R2 <1 Rj-C-N-Rz + Н20 + Н+, (3)

при проведении реакции в щелочной средевсе более защела- чиваться:

О ОН

II I

Ri-C-O- + H2N-R2 ^ Ri-C-N -R2 + ОН'. (4)

И в том и другом случаях накопление конечных продуктов от­разится на положении равновесиявыход синтеза пептидных связей будет меньше. Таким образом, мало довести pH исходных реагентов до требуемой величины, необходимо еще поддержи­вать оптимальное значение pH во время реакции. Способ под­держания pH общеизвестеннужен рН-буфер. Что такое рН- буфер? Это система, в которой осуществляется непрерывная со­пряженная реакция нейтрализации избытка образующихся ионов Н+ и ОН-.

Пример с синтезом пептидной связи довольно сложеноба реагента ионизированы. Обратимся поэтому к столь же важному нам процессу синтеза полинуклеотидной цепи. Как известно, нуклеотиды связаны в полинуклеотидной цепи посредством фос­фатных остатков. Рассмотрим образование этой связи с термо­динамических позиций. Запишем интересующую нас реакцию при pH выше 7.

н

о

о

RI-CH,-0-P-CT + H0-C = RfiRI-CHr0-P-0 + ОН , (5)

® L©

О'

где R, и Rn соответствующие нуклеотиды. Напомним, что ор- тофосфорная кислота имеет три гидроксила с резко различной способностью к ионизации: первый гидроксил диссоциирует при pH около 2,5, второйпри pH около 7,0 и третийпри pH около 13 (номера гидроксилов фосфорной кислоты отмечены цифрами в кружках). Ясно, что равновесие синтеза будет сме­щено вправо (в сторону синтеза) в кислой среде и источником свободной энергии для этого синтеза может служить рН-буфер, поддерживающий pH близким к 6,0.

Что могло бы служить в этой реакции буфером? Таких ве­ществ с рК близким 7,0 не так-то многофосфаты, имидазоль- ные производные, система карбонатбикарбонат и, пожалуй, все. Таким образом, если в среде, в растворе, имеется какая- либо фосфорнокислая соль, например, однозамещенный фосфат калия, то ионы гидроксила, образующиеся при реакции синтеза межнуклеотидной связи, будут нейтрализоваться за счет сопря­женно идущего процесса диссоциации второго гидроксила в бу­ферном фосфате.

Итак, рН-буфер является источником свободной энергии, не­обходимой для смещения положения равновесия в эндэргоничес- ких реакциях полимеризациисинтезе полипептидов и поли­нуклеотидов.

Естественно, что эту энергию сначала нужно затратить при образовании буферной системы. Таким образом, обычный рН- буфер является хранилищем свободной энергии, используемой сопряженно с эндэргоническими реакциями. Такая роль буфер­ных систем в биохимии чрезвычайно распространена, настолько широко, что ее обычно не осознают биохимики. Мы еще не раз будем обращать внимание на энергетическую, термодинамиче­скую роль буферных систем в биохимических процессах.

Итак, мы могли бы сдвигать равновесие синтетических про­цессов в сторону синтеза за счет сопряженного осуществления экзэргонических реакций, а именно, за счет нейтрализации воз­никающих ионов ионами противоположного знака, накопленны­ми предварительно в соответствующих буферных системах, и фотохимического преобразования энергии поглощенного света. Непосредственное использование энергии света, прямое фотохи­мическое сопряжение мало совершенны: синтезы могут осу­ществляться лишь при освещении. А ночью, в ненастье, в тени, в пещерах? Буферные системы более совершенныони служат хранилищами теруолинамического потенциала, расходуемого по

мере надобности в любое время. Но тогда главной для нас ока­зывается проблема создания и наполнения буферных емкостей.

Запасание впрок световой энергии становится основной про­блемой совершенствования энергетического обеспечения биохи­мических процессов. Такое запасание, естественно, может осу­ществляться лишь посредством накопления фотохимических про­дуктов.

Накопление рW-буферных систем при фотохимических преоб­разованиях энергии является одним из способов запасания энер­гии на первых этапах биохимической эволюции.

Преобразование энергии фотохимических превращений в сво­бодную энергию ионных, кислотно-щелочных резервов можно осуществить лишь посредством окислительно-восстановительных процессов (см. [95]).

Рассмотрим наиболее вероятный в естественных условиях и простой вид буферной системысоли угольной кислоты, карбо­наты и бикарбонаты. Карбонатно-бикарбонатная смесь служит депо, хранилищем термодинамического потенциала для реак­ций, сопровождающихся изменением pH. Эта буферная смесь поддерживает pH близким к 8,0. Если реакция сопровождается образованием ионов водорода (например, при добавлении HCI), в буферной системе происходит преобразование карбоната в би­карбонат; если же в реакции образуются гидроксильные ионы (например, при добавлении NaOH), бикарбонат превращается в карбонат:

Na2COa + Н+ + Cl' NaHC03 + NaCl, (6)

NaHC03 + Na+ + ОН- Na2C03 -f H20. (7)

Попробуем придумать простейший преобразователь энергии света в свободную энергию буферной pH-системы. Я говорю «простейший», имея в виду заведомо добиологический, вероят­ный для первичного бульона в планетных условиях. Наиболее удобным процессом для указанной цели представляется окисли­тельно-восстановительное превращение железавосстановле­ние и окисление ионов железа с изменением валентности железа от 3+ до 2+ и обратно. В чем особая привлекательность именно железа? В его распространенности и окрашенности его ионов и их комплексов, т. е. в способности поглощать излучение видимого диапазона, излучение, соответствующее приемлемым для наших целей энергиям. Иными словами, можно не придумывать для на­чала никаких пигментов: вещество, претерпевающее окислитель­но-восстановительное превращение, притом минеральное и ши­роко распространенное вещество, само является пигментом, поглощает свет в нужной области спектра. Правда, у минераль­ных соединений железа есть недостаток—обычно они мало­растворимы и легко гидролизуются. Зато железо очень легко образует растворимые комплексные соединения типа красной K3Fe(CN)e и желтой K4Fe(CN)6 кровяных солей.

Но сначала не будем педантично рассматривать химические процессы во всей их сложности. Начнем с раствора треххлорис­того железа и его восстановительного превращения в двухло­ристое:

FeCl3 +~ FeCl, + С1~. (8)

Итак, мы располагаем раствором FeCl3 в воде. В том же вод­ном растворе имеется и рН-буферная система, а то, что она необ­ходима, мы сейчас увидим.

В нормальных условиях для превращения Fe3+ и Fe2+ нужно затратить энергию. Мы будем вводить ее в систему в виде света, поглощаемого раствором хлорного железа *. Возбужденный ион трехвалентного железа Fe3+ может превратиться в ион Fe2+, от­няв у какой-либо молекулы среды один электрон. Отнять элек­трон в разбавленном водном растворе можно лишь у иона гидро­ксила, образующегося при диссоциации воды, который превра­щается в свободный радикал ОН, а в растворе остается неском- пенсированный положительно заряженный ион водорода Н+:

hv

Fe3+ + Н+ + ОН" К Fe!+ + Н+ + ОН. (9)

Свободный радикал ОН очень реакционно способен и может «ус­покаиваться» на-илучшим образом лишь соединившись с другим таким же радикалом, с образованием перекиси водорода:

НО + ОН Н—О—О—Н. (10)

Перекись водорода относительно стабильна. Однако именно в присутствии солей железа она разлагается на кислород и воду (в организмах эта реакция катализируется ферментом катала- зой):

2НА 20 + 02. (11)

Суммарный процесс с учетом стехиометрических соотношений реагентов запишется в виде

4hv

4Fe3+ +20 + 12C1--L 4Fe2+ + 12СГ ++ +а0 + 02. (12)

Четыре иона трехвалентного железа поглощают четыре кван­та света и разлагают две молекулы воды на четыре протона и молекулу кислорода. (То обстоятельство, что по чисто стехио- метрическим соображениям в реакции должны участвовать че­тыре иона железа, кажется мне очень примечательным. Эта че- тырехтактность является условием осуществления перекисного промежуточного пути. Вероятно, именно поэтому -каталаза со­стоит из четырех субъединиц, четырех гемов и четырех полипеп­тидных цепей. И гемоглобин состоит из четырех субъединиц...).

1 Фотохимия окислительно-восстановительных реакций с участием ионов Fe2+ и Fe3+, фотохимическое и радиационное разложение воды являются предме­том ряда специальных работ (см. [8, 145, 156, 287, 345, 457]).

Процесс превращения трехвалентного железа в двухвалентное скоро прекратится вследствие накопления протонов, закислеиия среды. Поэтому условие относительно длительного протекания этой реакции состоит в наличии рН-буферной системы. При до­бавлении в раствор карбоната натрия получим:

4Н+ + 2Na2C03 -> 4Na+ + 2С02 + 20. (13)

При взаимодействии четырех протонов с двумя молекулами кар­боната натрия образуются две молекулы углекислого газа, вы­деляющегося из раствора, две молекулы воды и четыре иона натрия. Но поскольку в растворе присутствуют еще ионы хлора, в итоге получается 4NaCl. Однако при достаточном количестве молекул карбоната натрия углекислый газ не выделяется, а пог­лощается карбонатом натрия с образованием бикарбоната:

2Na,C03 + 2С02 + Н20 4NaHC03. (14

Таким образом, итогом поглощения энергии света и превра­щения Fe3+ в Fe2+ оказывается накопление бикарбоната натрия, наполнение емкости выбранной нами буферной системы.

Возможности такой системы на этом не исчерпываются. Двухвалентный, двухзарядный ион железа Fe2+ можно превра­тить обратно в Fe3+. Последний процесс, хотя он осуществляется и самопроизвольно, может идти и при поглощении энергии света, сопряженном с разложением воды. В самом деле, превращение Fe2+ в Fe3+ сводится к отдаче электрона какому-либо подходя­щему акцептору. В разбавленном водном растворе возбужден­ный ион двухвалентного железа может отдать электрон даже протону, и тогда образуется свободный радикал Натом водо­рода. Радикал этот, естественно, неустойчив и реагирует с дру­гим таким же радикалом (с образованием молекулы водорода Н2) «ли с каким-лбо иным подходящим реагентом. Напомним, что в нашей системе присутствует кислород (см. процесс [12]); тогда свободный радикал Н вступает в реакцию с кислородом (Н+02-^Нб2); затем образовавшийся Н02 вступит в реакцию с еще одним Н, и мы снова получим Н202. Знаменательно, что пе­рекись водорода образуется в качестве промежуточного продук­та в рассмотренных выше противоположных процессах. Пере­кись водорода разлагается с образованием Н20 и 02 и снова по чисто стехиометрическим соображениям в реакцию окисления должны вступать четыре иона Fe2+, поглощаться четыре кванта света, разлагаться четыре молекулы воды:

4 hv

4Fe2+Cl~ +20 + 202 X 4Fe3+ +Г~ +аОа + 40Н -> 4Fe3+ +

+ Г- + 20 + 02 -f- 40Н-. (15)

Как мы видим, при этой реакции в растворе остается избы­точное количество ионов гидроксила ОН. Ясно, что и осущест­вление реакции (15) зависит от рН-буферной системы, способнойпоглощать образующиеся гидроксильные ионы. Возьмем для простоты ту же карбонатную буферную систему:

4NaHC03 + 4NaCl + 40Н -> 4Na2COs + 4С1 +20. (16)

Поскольку гидраты Fe3+ и Fe2+ поглощают излучение разных длин волн, нетрудно представить себе искусственную систему, в которой происходит попеременно то первая, то вторая реакция и цикл превращения железа замыкается. Цикличность этих пре­вращений можно осуществить без попеременного изменения длин волн излучения света, а вследствие кинетических особен­ностей такой и аналогичных систем [102].

Радикалы, образующиеся в реакции превращения Fe2+ в Fe3+ могут реагировать не с кислородом, а каким-либо другим акцеп­тором А, образуя АН2.

Соединим теперь реакции (12)(16) в цикл:

4hv.

2

4hv2

О,

Мне представляется интересной эта выдуманная, искусствен­ная неорганическая система преобразования энергии. В ней осуществляются процессы, аналогичные биохимическому фото­синтезу,— разложение воды с образованием кислорода и восста­новлением акцепторов водорода. Примечательна ключевая роль перекиси водорода в обеих половинах цикла. Вместе с тем ясно, что стационарная концентрация перекиси водорода и других промежуточных продуктов может быть очень малой. Интересна необходимость четырех квантов света для прохождения полови­ны цикла и восьми квантов для полного цикла. (Любители фото­синтеза должны взволноваться, так как пока никто не знает, почему для современного фотосинтеза необходимо восемь кван­тов света на элементарный цикл.)

При всем том, я не говорю, что именно так выглядела пер­вичная, исходная в эволюции система преобразования энергии. Приведенное выше лишь служит иллюстрацией хода мысли, ил­люстрацией возможности и необходимости сопряжения окисли­тельно-восстановительных и ионных реакций при биохимических преобразованиях энергии. Наименее правдоподобно участие в этом цикле железа в виде его хлористых солей, но вполне веро­ятны аналогичные циклы для комплексных соединений железа,например, красной кровяной соли и желтой кровяной соли '. При полном обороте циклачетыре молекулы Н20 разлагают­ся на 4Н+ и 40Н. Это соответствует изменению энтальпии в си­стеме на ДН = 4Х 13 = 42 ккал/моль.

Если же акцептором водорода служит не 02, а какое-либо другое вещество-акцептор А, то цикл оказывается, например,, таким:

В таком виде этот цикл почти полностью аналогичен современ­ному фотосинтезу: разлагается вода, и образуется восстанови­тельный акцептор водорода. Осталось еще придумать способ сопряженного синтеза АТФ...

Будем считать, что мы убедились в принципиальной возмож­ности запасания энергии света посредством создания буферной pH-системы. Суммарная буферная емкостьэто мера количест­ва свободной энергии, которое может накопиться в системе. За­пасенная свободная энергия может расходоваться по мере осу­ществления эндэргонических синтезов. Вполне вероятно, что эта возможность была реализована в ходе эволюции. В процессе ес­тественного отбора возникали специализированные ферменты, катализирующие реакции в циклах, подобных рассмотренному выше. Особую заботу эволюции вызывало, вероятно, совершен­ствование комплексов железаотбор таких комплексов, облас­ти поглощения которых при изменении валентности железа отли­чались бы наиболее резко, а также отбор систем биосинтеза пиг­ментов и др.

«Макроэргические» соединения. Фосфорилирование, сопря­женное с фотохимическим окислительно-восстановительным про­цессом. Теперь настало время усомниться в совершенстве запасания свободной энергии в рН-буферных системах. Термоди­намически здесь, по-видимому, все в порядке. Но кинетически отнюдь не все. Изменение pH в некотором смысле аналогично изменению температурыэти изменения не адресованы какой- либо одной реакции, а сразу многим. Таким образом, путь к совер­шенствованию есть «векторизация», т. е. переход от безадресно-


РИС. 11. Схемы, иллюстрирующие изменения свободной энергии в несопряжен­ных и сопряженных химических превращениях

■а несопряженное превращение А в В; б образование промежуточного макроэргиче- ского соединения В^х сопряжено с превращением А в В; вобразование универсально­го макроэргического соединения х~у сопряжено с превращением А в В

го, статистического подвода энергии к снабжению ею только строго определенных процессов. Механизм такого избирательно­го энергоснабжения в принципе ясен он должен основываться на специфических химических взаимодействиях. Запас энергии должен содержаться в химических группах, способных избира­тельно реагировать с превращаемой молекулой. Потом мы уви­дим, что этот запас в особых так называемых макроэргических группах также в значительной мере обеспечен запасом свобод­ной энергии в рН-буфере. Пока же посмотрим, что это за группы. Что требуется от таких макроэргических групп? Необходимо, чтобы их отщепление от подлежащей превращению молекулы сопровождалось выделением энергии, обеспечивающей сдвиг равновесия соответствующей реакции в нужную сторону.

Главное назначение макроэргических групппредохранение свободной энергии, выделяющейся в данном экзэргоническом процессе, от теплового рассеяния и обесценивания. Свое назна­чение эти группы выполняют посредством сопряженного с экзэр- гонической реакцией присоединения к промежуточным продук­там с образованием макроэргических соединений.

Когда молекула А превращается в молекулу В, свободная энергия системы уменьшается, т. е. выделяется энергия AF° (см. рис. 11, а). Если к молекуле А в реакции, почти не требующей затрат энергии, присоединена специфическая группа х образу­ется А^-х. Превращение Ах в В, в принципе, может не соп­ровождаться выделением энергии, уменьшением свободной энер­гии системы. Это эквивалентно тому, как если бы энергия пре­вращения А в В сохранились в связи В~хстоит разрушить эту связьобразуются свободные В и х и выделится в нашем идеализированном случае та же энергия A, что и при непосред­ственном превращении А в Вис. 11, б). В силу сказанного связь В выступает как вместилище свободной энергии процесса превращения А в В, обозначается значком ~ (тильда) и назы­вается макроэргической.

РИС. 12. Схема, иллюстрирующая возможность образования х~у при последо­вательном сопряжении с реакцией превращения А в В при стационарном ре­жиме процесса

Макроэргическое соединение В ~х недостаточно удобно оно определяется конкретной природой А и В. Термодинамичес­кий потенциал превращения А в В может быть сохранен от теп­лового рассеяния и перенесен для использования в других про­цессах посредством универсальных макроэргических соединений «х». Такие соединения должны образовываться сопряженно с распадом В ~х\

В ~ х-{-уВ-\-х ~ у.

В идеальном случае и образование х может идти изоэнерге­тически или с очень небольшим уменьшением свободной энер­гии системы (рис. 11, б).

Таким образом, свободная энергия, которая при несопряжен­ном превращении А в В превращалась в тепло, теперь сохранена в связи хну

Представленная на рис. 12 схема энергетического сопряже­ния идеально высокоэффективна. Малая добавка вещества А приведет к образованию соответствующего числа (от добавлен­ного Л) молекул у (Af°=0), т. е.:

_ Ml [х] [у] р '

Такое высокоэффективное сопряжение может быть чисто хи­мическим, т. е. не требовать осуществления процесса посредст­вом механических или электрических механизмов.

Менее совершенно сопряжение двух химических реакций по­средством немакроэргического промежуточного состояния си­стемы. Представим себе, что А сначала превращается в В, а затем В реагирует с х (см. рис. 12). Как показал Л. А. Блюмен- фельд [30], такой механизм сопряжения в нестационарном ре­жиме малоэффективен, «импульс» увеличения концентрации А почти не дойдет до увеличения концентрации х~г/ — синтезиру­ется лишь очень немного макроэргических молекулв соот­ветствии с величиной К„ реакции В + х+-В~х. Однако в стацио­нарном режиме, при поддержании постоянной сверхравновесной концентрации А, сопряженный синтез х и по этому механизму может быть вполне эффективен, как эффективно перетекание жидкости в сифоне (см. схему, рис. 12).

Макроэргические соединения х могут служить источником энергии во всех процессах, где возможно их специфическое хими­ческое реагирование. Этим и достигается «векторизация» траты термодинамического потенциала экзэргонических реакций.

Так, например, добавление х к В может привести к обра­зованию в реакции В + х ~у^В~х + у, что никак не уда­лось бы при попытке провести реакцию В+х-^В~х. Таков энер­гетический механизм химических сопряженных реакций, откры­тых в начале нашего века Н. А. Шиловым [331].

Нужно специально подчеркнуть, что «макроэргичность»это не характеристика свойств связи х и у самой по себе, а мера из­менения свободной энергии в процессе превращения распада, гидролиза вещества х. Ясно, что величина изменения свобод­ной энергии процесса (и даже знак этой величины) зависит от условий проведения процесса. Таким образом, микроэргическими называются соединения, распад которых бычно гидролиз) сопровождается существенным уменьшением свободной энергии системы (Д около 10—20 ккалоль) в данных условиях.

Макроэргические соединения должны образовываться за счет энергии, внешней по отношению к системе, например, за счет энергии света. Кроме того, они должны быть универсальными, т. е. годиться для энергетического обеспечения разных синтезов.

Биохимикам ясно, что сейчас речь пойдет в основном о пиро­фосфатах. Установление такой роли пирофосфатоводно и. главных достижений биохимии XX в. (см. [37, 135, 157, 176, 265- 268, 297, 407, 420, 436]). Пирофосфаты представляют собой ан гидриды ортофосфорной кислоты. Неорганический пирофосфа образуется при нагревании, при прокаливании солей ортофос- форной кислоты:

О О 0 0

II II '|° I! II Т

НО-Р-ОН + НО + Р-ОНА НО-Р-О ~ Р-ОН + н2о.

I II

0~Na+ 0~Na+ 0'Na+ 0~Na+

Ангидридная пирофосфатная связь может образоваться между большим числом остатков ортофосфорной кислоты, тогд; возникают молеь^лы полифосфатов:

Пирофосфатная связь макроэргична в указанном смысле — при ее гидролизе в стандартных условиях свободная энергия си­стемы уменьшается на 7—10 ккалоль, т. е. гидролиз идет прак­тически до конца. За счет уменьшения свободной энергии при гидролизе макроэргических связей и может осуществляться сое­динение, например, нуклеотидов в поликлеотидную цепь. Так, в реакции с участием пирофосфатаденозина (АДФ) происходит (за счет энергии, выделяющейся при расщеплении пирофосфатной связи) присоединение аденозинмонофосфорной кислоты АМФ к другому нуклеотиду, например ГМФ (реакция Грюнберг-Мона- го, Очоа):

АДФ +МФ)П^: АМФ- (ГМФ) + Н3Р04.

Аналогичным образом можно сместить равновесие в случае синтеза пептидных связей при сопряженном расщеплении пиро- фосфатных связей в АТФ, образовании активированной, макро- эргической формы аминокислотыаминоациладенилата. Пиро­фосфаты при нейтральном и щелочном значениях pH среды слу­жат универсальными посредниками в превращениях энергии, необходимой для биохимических процессов. Однако создание больших концентраций пирофосфатных производных нуклеоти­дов невозможно: нуклеотидпирофосфаты активно участвуют в синтезе полинуклеотидов и их высокие концентрации могут по­влиять на неконтролируемый синтез полинуклеотидов. Необхо­димы склады для хранения запасов термодинамического потен­циала в менее активной форме.

Наиболее простой выход из создавшейся ситуации хранение энергии в виде минерального пирофосфата или полифосфатов. Это и реализуется в клетках некоторых низших грибов и ряда бактерий (см. работы И. С. Кулаева [162]). В таких организмах хранилищем энергии оказываются минеральные полифосфаты (при числе ортсфоефатных остатков в цепи, достигающем 200— 300). От компактных осмотически (а, значит, и кинетически) не­активных частиц по мере надобности «откусываются» посредст­вом специальных ферментов пирофосфатные группы для энерге­тического обеспечения биохимических процессов.

Однако эти «питательные камни» все же не очень удобны: мала поверхность взаимодействия со средой, мала предельная скорость вовлечения в метаболизм содержащейся в них энергии. Необходимы относительно мелкие, биохимически узко специа­лизированные хранилища термодинамического потенциала.

В организмах животных эти функции выполняют гуанидин- фосфаты: креатинфосфат и (у беспозвоночных) аргининфосфат.

Ясно, однако, что хранение больших количеств энергии в виде гуанидинфосфатных и прочих макроэргических соединений так­же невозможно: на самом-то деле количество энергии, освобож­даемой при гидролизе каждой связи, очень мало (всего около 10—20 ккалоль). Таким образом, мы приходим к вполне три­виальному выводунаиболее удобно хранить энергию в виде запасов пищи: жиров, углеводов, белков (см. с. 131).

Тем не менее, и в данном случае по кинетическим соображе­ниям именно макроэргические соединения служат непосредст­венным источником энергии для эндэргонических биохимиче- ких процессов: свободную энергию из них можно получить в оп­тимальных дозах наиболее быстрым образом.

Универсальным в процессах превращения энергии в живых организмах на Земле веществом является аденозинтрифосфор- ная кислота АТФ *:

Представляется очень интересным установить причины, кото­рые привели к выбору в процессе эволюции именно АТФ в ка­честве универсального посредника для подавляющего большин­ства видов превращения энергии в биохимических процессах. Возможно, что и в этом случае дело не столько в существенном, «деловом» превосходстве АТФ по сравнению, например, с ГТФ или ЦТФ, сколько в легкости спонтанного возникновения фос­форных производных именно аденина.

В соответствии с эволюционной логикой нашего анализа мы должны допустить, что образование АТФ сопряжено с поглоще­нием света. Верность такого допущения можно оценить лишь при осуществлении в эксперименте синтеза пирофосфатных свя­зей АТФ в относительно простой модельной системе при погло­щении света.

Прежде, чем приступить к оценке возможностей такого экспе­римента, попытаемся выяснить физико-химические причины макроэргичности пирофосфатных связей.

Вопросы эволюции биохимических механизмов преобразования энергии (см.

[37, 152, 268]).

О причинах макроэргичности пирофосфатов. Большая вели­чина изменения свободной энергии при гидролизе пирофосфатов, т. е. их макроэргичность, проявляется в сильном сдвиге равно­весия реакции гидролиза:

АТФ4" + Н20 ^ АДФ3- + HPOf- + н+

в сторону продуктов. Как известно, связь константы равновесия реакции К с величиной сопровождающего реакцию стандартного изменения в ней свободной энергии AF0 имеет вид:

A =ЯГ In К,

где К константа равновесия. Следовательно, для гидролиза АТФ можно написать:

[АДФ3-] [НРСЯ- [Н+]

AF =RT In ТФ4-]20]

Однако в написанной выше реакции не отражена нейтрализа­ция образующихся ионов водорода ионами гидроксила среды, т. е. реакция:

н++он-^н2о,

сопровождающаяся очень большим стандартным (AF°) измене­нием свободной энергии, равным примерно 20 ккал/моль. К со­жалению (или к счастью), в биохимических системах отсутству­ют сильные щелочи и кислоты скрытые резервы ОН- и Н+ ионов представлены какой-либо буферной системой, т. е. обычно слабыми кислотами и их солями.

Мы уже видели, что в молекуле ортофосфата содержатся три группы, способные диссоциировать с образованием иона во­дорода. Однако соответствующие рК резко различны. Первый гидроксил (тот, который успевает диссоциировать первым), дис­социирует на 50% при pH около 2,0 (т. е. его рК равна 2). рК для второго гидроксила составляет 7,0, для третьегооколо 13. Таким образом, при pH около 7 полностью диссоциирован пер­вый гидроксил, наполовину второй и совсем недиссоциирован третий. Ниже приведены структурные формулы орто-, мета- и пирофосфата:

О

И

н+о-рч

п © Ч° о о 'jj' Метафостфат ^ ||

н-о-р-о" н-о-р-о-р-о^

© I © I ® I Р

^ сгн+ о~ СГН+

© © (D

Ортофосфат Пирофосфат

Стандартное изменение свободной энергии ДF0, т. е. при единичных концен­трациях исходных реагентов, нормальном давлении, £=25°, рН=7.

В пирофосфате «не хватает» второго гидроксилаон несет 2,5 отрицательных заряда вместо 3,0, как было бы в двух орто­фосфатах. При гидролизе появляется недостающая половина за­ряда и соответствующее количество ионов водорода нейтрализу­ется ионами гидроксила среды. Возьмем для конкретности преж­нюю карбонат-бикарбонатную буферную систему и запишем ре­акцию гидролиза АТФ подробнее, с учетом нейтрализации об­разующихся ионов водорода в буферной системе. При гидролизе пирофосфатной связи появляется новая кислотная группа — второй гидроксил ортофосфорной кислоты:

оо о о

RO-P-0-P-Cr +H305=2-R0-P-0 + H++H-0-P-Cr

®i-®i-® ®£-о © i-®

® © ® ®

Выпишем отдельные стадии процесса гидролиза и найдем для каждой константу равновесия.

Первая стадия записывается в виде:

АТФ4- Н20 ^ ЛДФ3- + Н2Р04 ;

_ [АДФ»~] [Н2Р07]

Kl ~ [АТФ4-] 20]

Во второй стадии образовавшийся ортофосфат диссоциирует:

+] [НРОП

H2POJ ^ Н++ HPOf; Кг

2Р04]

ОГ] +] [НСО-]

В третьей ион Н+ реагирует с ионами С032~ карбонат-бикарбо- натной буферной системы:

С02~ + Н+ ^ НСО;; К3 =

Поскольку [С032-] значительно больше [НР042-], концентрация Н+ определяется лишь свойствами буферной системы и равна:

К3 [HCOJ]

[НЧ - -

[С032~]

Учитывая приведенные выше соотношения для [Н+] и [Н2Р04_], получим ДЛЯ Ki\

К3 [НСО-] [НРО2'] ДФ3~]

К1

х, [СО2-] [АТФ4-]20]

Поскольку концентрация воды в водных растворах постоянна и равна 55,5 М, имеем для константы равновесия R суммарного

кг [ЧСО~] [HTOJ-] [АДФ*-]

К = Кх[ Н20]^-2 4

К9 [СО®-] [АТФ4-]

Из справочников находим 2 = 1,6-10_7 и 3г= 5,6• 10~и, откуда в данных условиях

К = К,-1,6-105.

Иными словами, для AF получаем:

AF = - 2,3RT lg Ki — 2,3RT lg (1,6 105) =

= — (2,3RTlgKi-t 7,3 ккал/мэль).

Как мы видим, изменение свободной энергии, вызванное нейтра­лизацией продуктов гидролиза и наличием воды в большой кон­центрации, весьма заметно. Правда, мы взяли буферную систе­му, поддерживающую сильно щелочную реакцию среды.

Для реакции нейтрализации ионов водорода, например, в фосфатном буфере, где в наших обозначениях Кг=К3, имеем:

^ = K,[HsO].

Нейтрализация продуктов гидролиза в этом буфере не дает выигрыша в энергии, но становится очевидной роль высокой концентрации воды

AFHs0 = - 2,3RT lg 20] = - 1,4 1,74 ж — 2,4 ккал/моль.

Для того, чтобы оценить R, нужно знать Л’,. Величина Ki зави­сит от различий свойств молекул соответствующего пирофосфата и продуктов его гидролиза. Рассмотрим поэтому еще раз про­цесс гидролиза пирофосфатов

О О о о

[I II II II

Н—О—Р-0 ~Р—О- 4 н2о -> Н-О—Р—О- + Н-О—о- + н+.

! I I I

О- О- о- о

При гидролизе пирофосфата рвутся связи Р—О (пирофосфат- ная связь) в пирофосфате и О—Н в воде и образуются снова те же связи Р—О и О—Н, но уже в ортофосфате. Для того, что­бы судить об энергетических изменениях при таком гидролизе, нужно знать различия в энергиях этих связей в пиро- и орто­фосфате, т. е. знать эффекты, обусловленные влиянием третьих атомов на энергию связи двух. Эффекты эти невелики и оцени­ваются 2—3 ккалоль.

Связь Р~0 в пирофосфате менее прочна, чем связь Р—О в ортофосфате, т. е. термодинамически менее выгодна; при ее об­разовании выделяется меньше энергии, чем при образовании такой же связи в ортофосфате. Причины ее меньшей прочности, меньшей стабильности были рассмотрены в 1939 г. Г. Калька-

ром (см. [407]), в 1941 г. Ф. Липманном >[420], в 1950 г.— П. Оспером [438] и т. д. В пирофосфатной связи атом кисло­рода, соединяющий (или, если угодно, разделяющий) два фос­фатных радикала, препятствует резонансному усреднению л-электронной структуры ортофосфата и возникает ситуация «Беспрепятственного резонанса» (opposite resonance). Кванто­вомеханический резонанс сопровождается выделением энергии, он термодинамически выгоден [233, 279]. Нарушение резонанса обусловливает термодинамическую нестабильность: гидролиз устраняет препятствия для резонанса и возникают более выгод­ные связи Р—О в ортофосфате. Приведенная схема иллюстри­рует сказанное:

о

/\\

о

НО—Р^;о-Н

В ортофосфате я-электроны двойной связи растекаются па всем четырем связям фосфор-кислород в результате резонанса структур, что выгодно термодинамически. В пирофосфате резо­нансное растекание л-электронов нарушено на кислородном мо­стике. Поэтому при гидролизе пирофосфата уменьшается сво­бодная энергия, образуются более стабильные продукты. Все эти эффекты, насколько мне известно, не были до сих пор оценены с достаточной точностью о их величине можно судить лишь на основании косвенных, главным образом экспериментальных, данных.

Из экспериментальных данных ДF гидролиза пирофосфатных связей оценивается в 5—8 ккал1моль в зависимости от условий [362], и поэтому на долю ДFa (т. е. К\) остается около 2 ккал[ оль.

Таким образом, нейтрализация продуктов гидролиза и высо­кая «концентрация воды в воде» обусловливают основной вклад в изменение свободной энергии гидролиза пирофосфатной связи

[455].

Макроэргичность пирофосфатов определяется в значительной степени значением pH, поддерживаемым в среде, т. е. величиной буферной емкости. Расход свободной энергии, накопленной в рН-буферной системе векторизуется, т. е. направляется в нуж­ную реакцию посредством сопряжения гидролиза пирофосфата с тем или иным эндэргоническим процессом.

Рассмотренные выше причины макроэргичности нельзя счи­тать единственно возможными.

Так, основной вклад в изменение свободной энергии при гид­ролизе гуанидинфосфатов (креатинфосфат, аргининфосфат), по-видимому, вносит протонирование освобождающейся NH2- группы гуанидина и снятие запрета на резонанс структур:

NH H 0 NH О

I II II II

C-N ~ P—0~ 4- H20+ H+ C-N+H3 -1- HO-P-O-.

II

R O' R O-

Естественно, что изменение свободной энергии при гидролизе этих соединений больше в кислой среде (а не в щелочной, как при гидролизе пирофосфатов).

Особым примером макроэргического соединения, рассмотрен­ным еще Калькаром и Липманном, является фосфоенолпируват. При его гидролизе образующиеся продукты дополнительно не ионизируются:

соон о соон о

II I II

С—О-Р-О- + Н20 СН + H0-P-0-.

Н I I! I

СН2 О- СН2 О-

Основной вклад в макроэргичность вносит превращение тер­модинамически нестабильной енольной формы пирувата в ста­бильную кетоформу.

В этом случае макроэргичность молекулы не проявляется в ее физических свойствах. Термодинамическая невыгодность су­ществования молекулы выявляется лишь в процессе ее разру­шения при гидролизе. Макроэргичность такого типа, характер­ная для пирофосфата, фосфоенолпирувата и гуанидинфосфатов особенно привлекательна для биохимических целей. Перечислен­ные выше молекулы кинетически устойчивы, запас энергии, со­держащийся в них, выделяется лишь при катализе специфиче­ском ускорении реакции их гидролиза. Вероятно, именно в силу особой кинетической стабильности и достаточной макроэргич- ности пирофосфаты и заняли столь выдающееся место в процес­сах превращения энергии в биологических системах.

Мне здесь хочется особенно подчеркнуть, что запасания энер­гии в виде одних только пирофосфатов невозможно нужно еще располагать соответствующей буферной системой, поддержива­ющей pH на должном уровне.

Фотохимический синтез АТФ. Займемся теперь поисками спо­собов запасания энергии, например, света, посредством сопря­женного с поглощением света синтеза пирофосфатных связей н образования буферных систем.

Из рассмотренных выше соображений очевидно, что сами молекулы ортофосфата или пирофосфата не пригодны для фото­химического сопряженного синтеза: они не поглощают свет в не­обходимом для этих целей диапазоне. Вообще-то здесь нужны вещества окрашенные, поглощающие видимый свет. Однако для начяля эволюционного совершенствования пригодились бы и мо­лекулы, поглощающие в ближнем ультрафиолете. Естественно предположить, что такими поглощающими свет -молекуламимогут быть спонтанно возникающие в первичном бульоне моле­кулы нуклеиновых оснований и нуклеотидов. Уже удалось осу­ществить синтез фосфорных производных аденозина за счет энер­гии ультрафиолетового излучения, но в присутствии этилмета- фосфата и метафосфата [447, 448].

Каким образом энергию, поглощенную нуклеиновым основа­нием, можно направить на синтез нирофосфатной связи? Мне представляется чрезвычайно привлекательной гипотеза о меха­низме фосфоршшрования АДФ в АТФ, выдвинутая много лет на­зад Л. А. Блюменфельдом и М. И. Темкиным [28].

Эта гипотеза основывается на том, что при нарушении сопря жения в пиримидиновом кольце 6-аминопурина (аденина) резк< возрастает способность азота аминогруппы переходить в поло жительно заряженное четырехвалентное состояние (четвертич ный азот):

NH2

!

С N

/\/Ч

N С СН

| || | +1е- + 2Н+

С С N

/Ч/ I

Н N R

Изменение рК-аминогруппы, например, в результате нар? шения сопряжения, как изображено выше, при восстановлен!! азота пуринового кольца с образованием свободнорадикально1 состояния углерода, соответствует изменению свободной энерги примерно на 10 ккалоль, т. е. приблизительно на столью сколько нужно для синтеза пирофосфатной связи из ортофосфг тов. Мы видим здесь яркий пример преобразования энерги, окислительно-восстановительного превращения в энергию ион­ных взаимодействий.

Нарушение сопряжения в пуриновом кольце может возник­нуть в результате фотохимического восстановления кольца. Для этого нужен довольно большой квант энергии света. Во всяком случае поглощение излучения с длиной волны 260 нм (энергия около 100 ккалоль), характерное для пуриновых и пиримиди­новых колец, заведомо обеспечивает возможность нарушения со­пряжения в кольце величина этих квантов даже излишне ве­лика.

Однако самое главное здесь представить себе, каким же образом осуществляется сопряжение, т. е. синтез пирофосфат­ной связи, наступающий вслед за восстановлением пуринового кольца аденина. Согласно Блюменфельду и Темкину, дело об­стоит следующим образом.

Возникновение положительного заряда в аминогруппе пури­нового кольца должно способствовать фиксации отрицательнозаряженного неорганического фосфата и, вероятно, также фос­фатного конца молекулы АДФ или АМФ. При этом соответст­вующие нуклеотиды приобретают скорпионоподобную конфигу­рацию:

О

It

+

0

1

0-

1

о

X

сг

1 +

О NH,

1 *

I °-

О

1 II

\ О

.р'

о

/

о

-сн2-Хн н

N

сн

N

н

\

н

он он

Перенос водорода от свободнорадикальной формы аденозин- ;рифосфата на какой-либо подходящий акцептор должен сопро­вождаться значительным уменьшением свободной энергии вы­делением энергии, способной превратиться в работу. При этом восстанавливается сопряжение в пуриновом кольце (свободно- радикальное состояние исчезает) и за счет выделяющейся сво­бодной энергии синтезируется нормальная молекула АТФ:

t н Ф

hl I i

АДФ + фосфат -\- Н = донор ^ (АДФ)’ -)- (окисл.) донор,

Н (АДФ)- фосфат + акцептор АТФ + Н = акцептор.

Таким образом, синтез АТФ, сопряженный с поглощением света, оказывается двухтактным, двухстадийным; в первой ста­дии поглощение света приводит к возникновению свободноради­кальной формы АДФ, восстановленной водородом, поставляемым неким донором, и к образованию комплекса этой активной АДФ с молекулой ортофосфата; во второй стадии происходит реком­бинация свободнорадикальной формы пуринового кольца с со­пряженным замыканием пирофосфатной связи, сопровождаю­щемся отдачей лишнего водорода некоему акцептору.

Фантастична ли нарисованная нами картина? Выглядит она весьма привлекательно и термодинамически, по-видимому без­упречна. Однако термодинамике угодить легко: ей безразличны пути реализации ее предначертаний. А что происходит на самом деле? Исчерпывающего ответа еще нет. Однако уже много лет назад Л. П. Каюшин и его сотрудники {36, 1316] обнаружили свободнорадикальную форму промежуточного продукта при гид­ролизе АТФ (а это делает вероятным появление такой формы и при синтезе).

Вскоре после опубликования гипотезы Блюменфельда и Тем­кина были проведены исследования, показавшие реальность окислительно-восстановительных превращений аденина (в част­ности, входящего в состав АТФ) [153, 270, 170]. Возможность сопряжения окислительно-восстановительных превращений аде­нина и синтеза АТФ была рассмотрена и в книге В. П. Скулаче- ва [266],

Таким образом, можно ожидать в близком будущем осуще­ствления фотохимического или электрохимического модельного синтеза АТФ из АДФ и ортофосфата в присутствии подходящих доноров и акцепторов водорода (электронов) [267]. Мне кажет­ся полезным попытаться теперь соединить две наших гипотети­ческих схемы схему процессов фотохимического разложения воды и создания буферной емкости при посредстве каких-либо соединений железа типа красной и желтой кровяной соли и схе­му фотохимического синтеза АТФ.

Выше уже отмечалось, что осуществление фотохимических реакций за счет энергии относительно короткого ультрафиолета биологически нецелесообразно; в самом деле, при таком облу­чении легко наступает разрушение уже синтезированных моле­кул и естественно ожидать возникновения в ходе естественного отбора биосистем, использующих энергию видимого света. По­этому синтез пирофосфатов, сопряженный с поглощением света непосредственно пуриновым или пиримидиновым кольцом, дол­жен вытесняться синтезом за счет энергии света, поглощаемого какими-либо окрашенными веществамипигментами. Простей­шими, способными к необходимому преобразованию энергии ок­рашенными молекулами являются соединения железа. Поэтому имеет смысл выяснить, вероятно ли образование свободноради­кальной формы активной АДФ, сопряженное с фотохимическими превращениями соединений железа. Мы видели выше, что пере­ход Fe2+ в Fe3+ может происходить с передачей электрона иону водорода с образованием свободнорадикального водорода. Мы считали, что акцептором этого водорода служит молекула кис­лорода и образуется перекись водорода.

Представим себе теперь, что акцептором Н оказывается пу­риновое кольцо АДФ, т. е. идет реакция Н ДФ-v (АДФ)" и образуется активная АДФ. Соединяясь с ортофосфатом она дол­жна отдать лишний водород и вернуться в нормальное, а не сво­боднорадикальное состояние. Для этого необходим соответству­ющий акцептор водорода. Им может быть тот же кислород и тогда образуется перекись водорода:

2Н (АДФ)' +3Р04 + 02 24ТФ + Н202.

Объединив две наши схемы, мы получим следующее. Соеди­нение трехвалентного железа (например, красная кровяная соль), поглощая свет, разлагает за счет поглощенной энергии воду и образуются двухвалентное железо (желтая кровянаясоль), ионы водорода, (наполняющие буферную емкость) и кис­лород. Двухвалентное железо при поглощении света (или спон­танно, в темноте), окисляется в трехвалентное железо при взаи­модействии с водой (разлагая при этом воду на ионы гидроксила,, наполняющие соответственную буферную емкость) и реализует сопряженный синтез АТФ из АДФ и фосфата.

Мы получили комплексную систему, осуществляющую и ре­акции фотосинтеза (разложение воды на водород и кислород, образование восстановленного акцептора водорода) и сопряжен­ное (быть может, темновое) образование АТФ при «обратном» транспорте электронов. Примечательно обязательное наличие перекиси водорода по крайней мере в одной половине цикла. Важно еще подчеркнуть, что наш цикл отнюдь не сводится к транспорту электронов мы имеем здесь и транспорт протонов, и процесс образования и распада перекиси водорода, и процесс разложения воды.

Я подчеркиваю последние обстоятельства потому, что и для биохимических систем фотосинтеза и окислительного фосфори- лирования у ныне живущих организмов на Земле, также веро­ятны все перечисленные выше особенности и участие воды, и перенос протонов *, и существенная роль следов кислорода и перекиси водорода.

Выше неоднократно подчеркивалась необходимость наличия Н202 и 02 в качестве участников многоэтапных превращений энергии в биохимических системах. Такое участие кислорода п перекиси водорода представляется очень вероятным из самых общих соображений. Нужно отметить здесь, что проблема роли Н202 в биохимических процессах одна из основных и старей­ших в биохимии. Огромный вклад в ее исследование внес А. Н. Бах. Однако в течение многих лет после его смерти в биохимии господствовало мнение о Н202 лишь как о нежела­тельном побочном продукте в процессах биологического окис­ления.

Сейчас положение изменяется. Появляются публикации, в со­ответствии с которыми и Н202, и 02 (часто в очень небольших концентрациях) служат необходимыми участниками основных процессов превращения энергии.

Становится все более вероятной картина, в соответствии с которой Н202 и 02 являются ключевыми веществами в процессах синтеза и использования макроэргических фосфатных соедине­ний. Большой материал по этому вопросу опубликован С. Е. Ма- нойловым [195, 196]. Особенно существенно в связи с обсуж­даемым здесь обнаружение синтеза АТФ сопряжено с разложе­нием перекиси водорода под действием каталазы в модельной системе. В растворе, содержащем АДФ, глюкозу, фосфат, гексо-

Об этом свидетельствуют значительные изотопные эффекты в системе мито­хондриального транспорта электронов при замене Н20 на D20 [125, 1816].

киназу, при pH 7, после добавления перекиси водорода и ката- лазы наблюдалась убыль неорганического фосфата (25% от ис­ходного) и синтез АТФ.

Следует отметить также, что в работах М. Н. Кондрашовой и Г. Д. Мироновой [147] показано, что Н202 и 02 обязательно нужны для осуществления и окислительного фосфорилирования, и АТФ-азной реакции в митохондриях. Важность этих фактов как самих по себе, так и для подкрепления изложенных мною общих соображений очевидна.

Мне хочется еще раз подчеркнуть очевидную мысль ничто в ходе эволюции не может возникнуть внезапно, без связи с уже существующими механизмами. Не может появиться . аппарат энергетического обеспечения синтезов полинуклеотидов и поли­пептидов, не родственный уже отобранным в ходе эволюции хи­мическим системам. Поэтому нам следует искать механизмы пре­образования энергии, механизмы сопряжения эндэргонических процессов с реакциями превращения молекул, уже существовав­ших на ранних стадиях эволюции. Вот почему мое внимание и привлекает фотохимическое превращение именно фосфорных про­изводных исходных матричных молекул нуклеотидов.

В дальнейшем всемогущая эволюция шаг за шагом усовер­шенствовала древние механизмы. В фотохимические процессы вовлекутся уже рассмотренные кратко пигменты (скорее всего, порфирины). Отбор каталитических активных полипептидных цепей приведет к возникновению высоко совершенных фермен­тов. Самое трудное (и, может быть, самое важное) найти нача­ло. Таким началом и представляется мне фотохимическое со­пряжение, синтез пирофосфатов аденозина, сопряженный с по­глощением света пуриновым кольцом \ Весьма вероятно, что для такого синтеза абсолютно необходимы ионы тяжелых металлов, железа, кобальта, меди, цинка. Установить это можно лишь экспериментально, что и было выполнено недавно при изучении первичного синтеза аминокислот и нуклеотидов из первичного бульона.

В соответствии с таким подходом следующим шагом после использования непосредственного сопряжения поглощения ульт­рафиолета пуриновым кольцом и синтеза АТФ должно быть со­здание в ходе эволюции аппарата синтеза АТФ, сопряженного с поглощением света комплексными соединениями железа, пор- фириновыми или иными пигментами и лишь затем создание биохимической системы сопряжения синтеза АТФ с реакциями окисления углеводов и т. п. При этом вполне возможно, что фото­химические механизмы сохраняются и в темновых процессах, например, при сопряженном фосфорилировании в митохондриях (см. ниже).

Эта мысль давно высказывалась в ряде работ. Она лежит в основе экспери­ментов Пониамперумы и его сотрудников по синтезу АТФ [447, 448].

Таким образом, следуя логике нашего изложения, следует признать, что фотосинтез должен был появиться в процессе эво­люции раньше, чем темновые процессы биохимического преоб­разования энергии.

Утверждению о первичности фотосинтеза, как я думаю, не противоречит ничто из известного ныне. Мы почему-то связыва­ем относительно позднее в эволюции биосферы Земли образова­ние атмосферного кислорода (см. [49, 126, 1276, 228, 240, 250, 367, 452]) с эволюционным возникновением фотосинтеза. Это неверно. Кислород выделяется при фотосинтезе лишь у высших растений и водорослей. Выделение кислорода в значительных ко­личествах отнюдь не было обусловлено тем, что этот газ столь нужен нам для дыхания. Кислород образовывался первоначаль­но как неизбежный побочный продукт, «экскрет», при радиацион­ном фоторазложении воды. Лишь затем, по мере выработки ме­ханизмов запасания энергии в виде энергии связи органических молекул жиров, углеводов, белков возникла необходимость и стало возможным образование макроэргических пирофосфатов, сопряженное с процессами деградации пищевых молекул, т. е. процессами дыхания и брожения.

Необходимо напомнить, что степень макроэргичности суще­ственно зависит от концентрации воды. Поэтому фотохимический сопряженный синтез макроэргических пирофосфатов значитель­но легче осуществлялся бы в неводной среде. Эти вопросы мы обсудим ниже.

Ожидание осуществления фотохимического синтеза АТФ в простых модельных системах оправдались уже во время завер­шения в 1975 г. работы над текстом этой главы (см. с. 124). В се­рии работ Н. В. Гончарова и В. Б. Евстигнеев осуществили синтез АТФ за счет энергии света, поглощаемого хлорофиллом, а также (!) p-каротином или феофитином, адсорбированными на окиси алюминия [72, 74]. Кроме того эти авторы вслед за С. Е. Манойловым осуществили синтез АТФ за счет энергии, выделяющейся при разложении Н202 под действием каталазы [71] и за счет энергии, получаемой при измерении pH в суспен­зии частиц окиси алюминия с адсорбированными пигментами- хлорофиллами, каротином, феофином в темноте [73]. Ввиду большого принципиального значения достижений Н. В. Гон­чаровой и В. Б. Евстигнеева рассмотрим их работы по­дробнее.

На основании собственных экспериментов на бесклеточных препаратах анаэробных серобактерий и давних результатов хи­миков, изучавших образование перфосфатов и пирофосфатов при электролизе в щелочной среде растворов ортофосфатов, авторы пришли к очень существенному предположению. Они допустили, что в определенных условиях за счет различных эндэргоничных процессов может происходить превращение ортофосфата в мета­фосфат, который далее легко образует пирофосфатную связь при

реакции с молекулами свободных или замещенных ортофосфатов:

HPOJ' -> РО3 + он-

О

II

R-0-P0J- + РО~ R-0-P-0-P-0-.

43 II

о- о-

Превращение ортофосфата в метафосфат в водных растворах при средних значениях pH существенно эндэргонично и может быть осуществлено лишь за счет свободной энергии, выделяю­щейся в сопряженных энзэргонических процессах. Сами авторы полагают вероятным механизм превращения ортофосфата в ме-' тафосфат, основанный на промежуточном образовании свободно радикальных форм: фосфорила, гидроксила атомарного кисло­рода. Мне не кажутся эти допущения вполне вероятными. Но это и не важно. Важен сам факт осуществления сопряженного фосфорилирования в очень простых системах, например, сопря­женно с реакцией разложения перекиси водорода, катализируе­мой каталазой! [71]:

202 -АДФ + Н3Р04

20 + 02<- АТФ + Н20

Реакция разложения перекиси водорода резко экзэргонична: ДF° 59 ккал/моль Н202 {436], поэтому в принципе при разложе- йии моля Н202 могло бы образоваться из АДФ и ортофосфата 6-=-8 молей АТФ. Однако количественная характеристика этого процесса явно преждевременна. Само осуществление его явля­ется большим событием в биохимии. Синтез АТФ сопряженно с каталазной реакцией осуществлен в очень простой модельной системев растворе 7-10~2 М Н202, ЫО-2 М КН2Р04; 0,3- • 10-2 М АДФ в присутствии — 1 -10—6 М каталазы. Примерно 30% АДФ превращалось в АТФ (что было установлено прямым анализом при помощи хроматографии на бумаге).

Затем был осуществлен синтез АТФ за счет энергии света, поглощаемого хлорофиллом, адсорбированным на частицах суспензии окиси алюминия [72]. В 1977 г. эти же авторы опуб­ликовали результаты опытов [74], в которых наблюдали синтез макроэргических фосфатов за счет энергии света, поглощаемого не только хлорофиллами а и Ь, но феофитином (хлорофиллом без атома Mg в центре порфиринового кольца и p-каротином). Модельное фотофосфорилирование было осуществлено также в очень простой системе суспензии соответствующих пигментов в частицах окиси алюминия в водных растворах КН2Р04 и АДФ. В том же 1977 г. Н. В. Гончаров и В. Б. Евстигнеев сообщили [73] о синтезе АТФ, сопряженном с быстрым изменением pH в суспензии адсорбированных на частицах окиси алюминия хло­рофилла в водном растворе КН2Р04 и АДФ и измененным pH от 4,0 до 7,8—8,4. Наблюдалось образование 0,4 мкмолей АТФ

-из 10 бывших исходно мкмолей АДФ, т. е. около 4% —выход продукта нельзя считать большим, но сам факт синтеза АГФ в этих условиях представляется чрезвычайно важным.

ЗАПАСАНИЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ.

БИОСИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И УГЛЕВОДОВ.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЕТЕРОТРОФОВ. АНАЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ

Макроэргические соединения даже в случае предельно эффек­тивного сопряженного с экзэргоническими реакциями их синтеза мало пригодны для длительного запасания больших количеств энергии очень уж мала их удельная энергетическая емкость. Свободная энергия гидролиза макроэргических соединений рав­на 10—20 ккал/моль. Для синтеза макромолекулы среднего раз­мера из нескольких сотен мономеров нужно соответственно в 2— 3 раза большее число сотен молекул типа АТФ (или креатинфос- фата). Накопление высоких концентраций макроэргических со­единений физико-химически невозможно: высокая ионная сила, большое осмотическое давление и т. д. затрудняют сохранение необходимой конфигурации макромолекул. Нужны более ком­пактные хранилища энергии. Один из видов таких хранилищ (уже упоминавшиеся выше полифосфаты) полимеры ортофос- форной кислоты, остатки которой соединены ангидридными пи- рофосфатными связями. Однако эти «питательные камни», по- видимому, имеют принципиальный недостаток при использо­вании накопленной в них энергии образуются те же высокие концентрации кинетически активных молекул фосфорной кисло­ты и множество катионов, связанных на полифосфате, как на поликатионите. И самое главное как мы видели, макроэргич­ность макроэргических соединений обусловлена в основном ем­костью рН-буферных систем. Запасание больших количеств энергии в макроэргических соединениях возможно лишь при вы­сокой концентрации рН-буфера, т. е. при высокой ионной силе большом осмотическом давлении и других «неприятных» физи­ко-химических условиях. Таким образом, по самой своей природе макроэргические соединения не пригодны для запасания значи­тельных количеств энергии. Процесс запасания энергии должен происходить не в результате ионных превращений, а вследствие превращений электрически нейтральных молекул.

Направление эволюционных поисков в связи со сказанным ясно энергия должна запасаться в молекулах, окислительная деградация которых сопровождается освобождением большого количества энергии. Наиболее экзотермичны реакции полного окисления углеводородов:

СПН2П+2 + V2 (Зп + 1) 02 - п С02 + (п + 1) Н20.

Изменение энтальпии АН при таком полном окислении (сжи­гании) углеводородов составляет примерно 106 ккал на 1 мольизрасходованного кислорода. Синтез углеводородов, сопряжен­ный с поглощением энергии, излучаемой Солнцем, можно счи­тать пределом термодинамического совершенства запасания энергии. Кислород, необходимый для освобождения энергии, на­копленной в синтезированных углеводородах, образуется в том же процессе их фотосинтеза (нужно, правда, удержать 02 до момента темнового окисления).

Однако углеводороды гидрофобны и, следовательно, сечение взаимодействия, т. е. поверхность, доступная действию фермен­тов, оказывается очень малым. Кинетика использования углево­дородов весьма несовершенна (мы снова убеждаемся здесь в несоответствии термодинамического и кинетического критериев биологического совершенства). Для запасания энергии нужны гидрофильные вещества. Среди них на первом месте жирные кислоты (особенно ди- и трикарбоновые) и углеводы. Синтез углеводов, сопряженный с фотохимическим разложением воды (аналогичным выдуманному нами процессу разложения воды при превращении Fe2+^=Fe3+), представляет наиболее рацио­нальный способ запасания легко мобилизуемой энергии и ве­щества. Когда быстрое использование энергии не требуется, а нужно запасти ее и отправить на длительное хранение, может происходить фотосинтез жирных кислот с длинной цепью (их триглицеридов жиров и масел) полисахаридов, белков (как, например, в семенах, клубнях ныне существующих растений).

Фотосинтезирующие первичные автотрофы казалось бы рас­полагают всем необходимым для достижения предельного (пока лишь биохимического) совершенства. Каков же биологический смысл возникновения гетеротрофов, зачем они появились? И не просто возникли, а еще достигли столь высокого совершенства. В сущности и автотрофы—химеры; их вполне можно (мысленно, а иногда и в действительности) разделить на две части фото­синтезирующую и потребляющую. Потребляющая часть авто- трофа и есть гетеротроф, еще неотделенный от автотрофа. (Зе­леную эвглену можно заставить разделиться так, что хлоропласт останется лишь в одной дочерней клетке. Другая, бесхлоро- пластная клетка это гетеротроф, нуждающийся в органической пище).

Итак, что же позволяет гетеротрофной части первичного ав­тотрофа отделиться и перейти к самостоятельному, хотя и зави­симому от автотрофа существованию?

Я думаю главное здесь возможность завоевания ареалов, недоступных автотрофам. В самом деле, фотосинтезирующие автотрофы могут расселяться по лику планеты в местах с до­статочно интенсивным потоком солнечного света. Гетеротрофы способны существовать всюду, куда поступают тем или иным способом питательные продукты жизнедеятельности автотрофов. Возможность почти неограниченного расселения гетеротрофов особенно широко реализуется при возникновении в ходе эволю-

РИС. 13. Общая схема аэроб­ных превращений энергии в биосфере

Ei— энергия солнечного света; £2 — низкокачественная тепловая энер­гия; Аакцептор водорода; — макроэргические фосфаты

ции аппаратов перемещения в пространстве, о чем мы специаль­но будем говорить в следующих главах. Разделение живых существ на две группы автотрофов и гетеротрофов обуслов­ливает разветвление дальнейшего пути эволюционного совер­шенствования биохимических процессов на одном пути про­исходит биохимическое совершенствование автотрофов, на вто­ром биохимическое совершенствование гетеротрофов (сначала гетеротрофной части холотрофапервичного автотрофа).

При достижении предельного совершенства и автотрофов и гетеротрофов устанавливается замкнутый цикл преобразования веществ и энергии в масштабах биосферы планеты. Автотрофы за счет энергии поглощаемого ими света разлагают воду на во­дород и кислород. Водород соединяется с какими-либо акцепто­рами в основном с С02 с образованием, сохраняющих энер­гию молекул пищи (фотосинтез). Кислород уходит в атмосферу. Гетеротрофы осуществляют обратный процессобразуют воду, освобождая законсервированную ранее энергию при соединении кислорода с водородом органических молекул (дыхание) (рис. 13). Прохождение этого термодинамического цикла, есте­ственно сопровождается деградацией энергии «высококачест­венное» видимое и ультрафиолетовое излучение Е, в конце кон­цов превращается в «низкокачественное» тепловое излучениеЕ2, т. е. в относительно низкотемпературный белый шум (см. рис. 13). При осуществлении такого цикла, реализующегося со­пряженно с процессами деградации солнечной энергии, совер­шаются все процессы жизнедеятельности, вызванные к жизни (в буквальном смысле этого словосочетания) биологической эволюцией. Сведение всех весьма сложных биохимических про­цессов превращения энергии к разложению и образованию во­ды— вероятно, одно из самых сильных научных обобщений на­шего века.

Нефть, уголь и кислород[10]. К счастью (для насдышащих кислородом), этот цикл замкнулся не сразу. Сначала фотосин- тетическое разложение воды преобладало над образованием во­ды в процессах дыхания. Гетеротрофы могут использовать кисло­род при его не очень низкой концентрации в атмосфере.

Замечательно, что стационарный уровень концентрации кис­лорода в атмосфере соответствует количеству необратимо раз­ложенной при фотосинтезе воды.

Следовательно, количество биогенных углеводородов (и дру­гих органических веществ), накопленных в истории развития аэробной атмосферы Земли, должно быть эквивалентно коли­честву кислорода в атмосфере (которое, согласно оценке, со­ставляет 1,5-1015 т).

Нефть и другие каустобиолиты являются «зеркальными ана­логами» кислорода. Нефть, уголь, торф и другие образуются в результате фоторазложения воды и накапливаются по мере уве­личения концентрации кислорода в атмосфере. Отсюда следует, что, если верна теория биогенного образования кислорода атмо­сферы, то полное окисление всех каустобиолитов приведет к поглощению всего кислорода атмосферы. Кроме того, их полное окисление приведет к образованию воды, и уровень воды в Мировом океане может повыситься примерно на 3 м. Эти рас­суждения позволяют оценить запас по всей Земле органического вещества в каустобиолитах примерно в 1 1015 т.

Таким образом, до накопления в атмосфере достаточного ко­личества кислорода гетеротрофы могли получать энергию лишь в анаэробных процессах (бескислородных). Анаэробные условия сохраняются в ряде мест и после установления стационарной концентрации кислорода в атмосфере. Это объясняется все теми же диффузионными ограничениями в толще воды, при отсут­ствии перемешивания концентрация кислорода быстро падает там могут жить лишь гетеротрофы, способные к добыванию энергии в анаэробных процессах. Практически анаэробные усло­вия легко возникают и в «толще» многоклеточных организмов. Этим объясняется странное, на первый взгляд, обстоятельство. Широкое распространение анаэробных биохимических превра­щений веществ и энергии на протяжении многих сотен миллио­нов лет после установления стационарного уровня концентрации кислорода, а странным это могло бы показаться, поскольку анаэробные превращения во много раз менее энергетически эффективны, чем аэробное окисление (дыхание). Итак, высоко­совершенные анаэробные процессы деградации пищевых ве­ществ условие существования гетеротрофов (и фото-автотро- фов в темноте). Анаэробные биохимические процессы типа гли­колиза или брожения настолько совершенны и неожиданно сложны, что почти невозможно использовать метод их дедуктив­ного, «умозрительного» построения. В этом случае правильнее сразу посмотреть их действительные свойства. Гликолиз и бро­жение прекрасный пример предельно совершенного решения конкретной эволюционно-биохимической задачи. Энергетический и химический смысл этих процессов выделение свободной

энергии в результате внутримолекулярных перегруппировок и расщепления исходных молекул. При гликолизе молекула глю­козы превращается в две молекулы молочной кислоты и свобод­ная энергия системы уменьшается на 50 ккал/моль:

С.Н120. 2QHe03, AF° = — 50 ккал/моль.

При полном окислении глюкозы в стандартных условиях имеем:

СН120 + 602 6С02 +20, AF* = 688 ккал/моль

Сущность анаэробного процесса гликолиза состоит в пере­группировке атомов. Составляя баланс разрываемых и образу­ющихся связей, находим, что превращение состоит в образова­нии одной связи С=0 и одной С—Н вместо одной связи С—О, одной О—Н и одной С—С.

Изменение энтальпии при таком превращении можно оценить по таблицам энергии связей (см. например, книгу Я. К- Сыркина и М. Е. Дяткиной [279]. Результаты оценки дают, что при раз­рыве связей расходуется 248 ккал/моль, а при образовании но­вых связей выделяется 240 ккал/моль. Учитывая неточность таб­личных данных, можно сказать, что при гликолизе изменение энтальпии молекул АН, равное 8 ккал/моль, пренебрежимо мало. Нас, однако, интересует изменение свободной энергии. По-види­мому, главной причиной энергетической выгодности превраще­ния глюкозы в молочную кислоту являются изменения энтропии (образование двух частиц из одной), диссоциация (рНуфер!) и сольватация образовавшихся ионов карбоксила.

Процесс брожения аналогичен гликолизу и отличается от него лишь на последних стадиях. В итоге молекула глюкозы рас­падается на две молекулы этилового спирта и две молекулы С02:

CeH12Oe 2CsH6OH + 2С02, AF0 = — 54 ккал/моль.

Существенным отличием брожения от гликолиза является улету­чивание углекислого газа. С02 выходит из реакции, в результате чего происходит еще больший (чем при гликолизе) сдвиг равно­весия слева направо, и «бродящие» гетеротрофы могут осуще­ствлять такой расточительный процесс и дальше. (Это в сущно­сти, возмутительная расточительность—при образовании спирта теряется большая часть энергии молекулы глюкозы, которую можно было бы получить при полном сжигании до С02 и Н20).

Ясно, что брожение эффективно лишь в условиях, позволяю­щих улетучиваться углекислому газу. Поэтому оно осуществля­ется лишь микроорганизмами, живущими в относительно откры­тых средахв мелких водоемах, на поверхности питательных субстратов; если же сосуд закрыт, то С02 насыщает раствор, и брожение останавливается. Так происходит при изготовлении шампанского и других шипучих вин. Может показаться, что и второй продукт броженияэтиловый спирт улетучивается, и равновесие еще больше сдвигается вправо. Недаром же этило­вый спирт называется по латыни spiritus vini винный дух. Однако, как это ни удивительно, спирт, образующийся при бро­жении, не улетучивается из водного раствора: скорость его испа­рения при умеренных температурах (15—20°) только приближа­ется (снизу) к скорости испарения воды[11]. Так достигается пре­дельная концентрация спирта в сусле (около 16%), останавли­вающая жизнедеятельность дрожжей и превращающая его в сухое вино.

Второе весьма важное преимущество брожения (в тех случа­ях, когда оно возможно) перед гликолизом состоит в том, что молочная кислота очень сильная, а угольнаяслабая. Физио­логически допустимая концентрация молочной кислоты при обыч­ных запасах рН-буферов порядка 10-2 М, предельная концентра­ция спирта около 2—3 М, т. е. примерно в 50 раз выше.

Следует все же отметить, что речь идет о предельной кон­центрации для дрожжевых клеток. В клетках животных даже очень небольшие концентрации спирта вызывают нарушение дея­тельности поверхностных и иных мембран. Клетки теряют спо­собность создавать ионные градиенты, генерировать нервные импульсы и т. д. Поэтому животные не могут воспользоваться некоторыми энергетическими преимуществами брожения еще и из-за устройства мембран своих клеток. Следовательно, процесс брожения все равно остается неприемлемым для животных. По­этому достойна всяческого осуждения привычка иных гетеро­трофов сохранять образующийся при брожении спирт и потреб­лять в чрезмерных количествах конечный продукт анаэробного катаболизма.

Так или иначе, но эти, пусть и энергетически малоэффектив­ные превращения углеводов виртуозно совершенны с точки зре­ния химика.

В их совершенстве легко убедиться, рассмотрев даже про­стую схему гликолиза или брожения [176] (т. е. схему, не учиты­вающую своеобразия кинетического поведения системы, динами­ки взаимной регуляции отдельных этапов и т. п.). Ясно, что осуществление таких процессов, как брожение или гликолиз, тре­бует решения в процессе эволюции ряда сложных задач. Главная задачаобеспечение возможно быстрого, однозначного и стро­го последовательного превращения веществ. Строгий порядок, точное выдерживание последовательности стадий в многоэтап­ных превращениях достигаются посредством строгой специфич­ности ферментов к своим субстратам. Из множества броунирую- щих в среде молекул фермент выбирает молекулу своего суб­страта. Поэтому эволюция первичных гетеротрофов в основном состояла в совершенствовании специфичности ферментов. Итак, длительное, сотни миллионов лет сохраняемое, существование

анаэробных процессов объясняется диффузионными ограниче­ниями доставки кислорода. Одним из способов функционирова­ния в таких условиях свободноживущих организмов, как было показано в гл. 5, является ограничение размеров клеток. Обли­гатные анаэробы (т. е. живущие только в анаэробных условиях) и факультативные анаэробы по-необходимостимелкие 1— 3 мкклетки. Поскольку в анаэробных условиях, в процессах1 гликолиза в многоклеточных организмах в особенности, лимити­рующим является процесс отвода конечных продуктов. Кинети­чески выгодно иметь возможно большую поверхность выхода этих продуктов из клеток. Поэтому, вероятно, образование ка­ких-либо надмолекулярных комплексов полиферментных систем для гликолиза не дает физико-химических преимуществгли­колиз осуществляется в гомогенных растворах ферментов и суб­стратов. Однако до сих пор точно неизвестно, имеется ли струк­турная организация процессов гликолиза и брожения у ныне живущих организмов.

ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ АСИММЕТРИЧНЫХ МЕМБРАН. КОНЦЕПЦИЯ МИТЧЕЛЛА

Из изложенного ясно, что степень совершенства функционирова­ния системы преобразования термодинамического потенциала экзэргонических реакций в термодинамический потенциал макро­эргических соединений становится на ранних стадиях развития жизни фактором эволюции, критерием естественного отбора.

Совершенство образования и использование макроэргических фосфатов слагается из двух компонентов: кинетическогоско­рости соответствующих реакций, разнообразие и концентрации необходимых ферментов и термодинамического — эффективности (КПД) сопряженного преобразования энергии.

Кинетика этих как и других биохимических процессов опре­деляется совершенством соответствующих ферментов и величи­ной диффузионных ограничений.

Термодинамическая эффективность сопряженных преобразо­ваний, хотя это и кажется на первый взгляд странным, опреде­ляется реальными путями, механизмами перехода системы из одного состояния в другое. В самом деле, мы видели, что Л мо­жет быть превращено в В при полном рассеяниипревращении в тепло выделяющейся энергии. Эта энергия до тепловой дегра­дации может быть направлена на выполнение какой-либо работы! Таким образом, качество использования термодинамического потенциала, КПД его преобразования в полезную работу- Пол­ностью определяется (до теоретического предела) реальным ide: ханизмом преобразования энергии. Таким образом биолбгиче* ская эволюция должна быть направлена на выработку предельно совершенных механизмов сопряженного образования иёпользО- вание макроэргических фосфатов. ...v.. ..v.zi:

т

Рассмотрим «а-приорные» свойства таких механизмов.

В сущности сам переход от накопления энергии в простых буферных емкостях к биохимии макроэргических соединений был решающим шагом к такому совершенству. Он, как мы видим, состоял в векторизации потока энергии от безадресного измене­ния pH к точно направленному переносу термодинамического потенциала к строго определенным молекулам и процессам по­средством молекул АТФ.

От чего зависит эффективность сопряженного синтеза АТФ?

Вероятно, более всего эффективность сопряжения зависит от соответствия квантов энергии, поступающей в систему синтеза АТФ и порций энергии, необходимых для синтеза одной макро- эргической связи. В самом деле, при фотохимическом сопряже­нии кванты света относительно очень велики 100—40 ккал/моль, а для синтеза связей нужно около 10 ккал/моль. Следова­тельно, фотохимическое «одноактное» сопряжение не может быть эффективным. Такая же картина наблюдается при фосфорилиро- вании, сопряженном с поглощением кислорода и окислением, на­пример, водорода. Эта реакция «гремучего газа» сопровожда­ется выделением 55 ккал/моль образующейся воды. Общеизве­стен выход из этого затруднения, найденный в ходе эволюции— Замена одноэтапных превращениймногоэтапными, в которых энергия выделяется относительно небольшими порциями. В ре­зультате процесс окисления водорода органических молекул до воды осуществляется посредством последовательной цепи «транс­порта электронов» системы окислительно-восстановительных переносчиков. Теперь возникает новая сложная задачаобеспе­чения синтеза АТФ сопряженно с окислительно-восстановитель- ными переходами разных переносчиков. Кроме того, создание си­стемы переносчиков с идеальными перепадами термодинамиче­ского (окислительно-восстановительного) потенциала очень сложноэффективность энергетических преобразований может быть низкой. Как мы видели, синтез АТФ из АДФ и Н3Р04 при нормальных pH сопровождается образованием ОН-защела- чиванием среды.

АДФ»~ + HPOJ- -> АТФ4- + ОН-.

Процесс синтеза АТФ может быть продуктивным лишь при сопряженной нейтрализации образующихся ионов гидроксила в реакции нейтрализации: он- + н+^н2о,

Эта реакция экзэргонична. Величина АР ее вполне приемлема (~20 ккал/моль) для энергетического сопряжения с синтезом макроэргических фосфатов (AF0'~ 10 ккал/моль).

Мы видели, однако, что в реальных буферных системах с рК близким к рКг фосфатных групп нельзя обеспечить сопряженное изменение свободной энергии более чем на 3—5 ккал/моль.

MEMИРАНА Окзэргоннческие процессы (фотосинтез, дыхание), создающие градиент рН(

ПРАВАЯ СТОРОНА

ЛЕВАЯ СТОРОНА

АДФ

+

н3ро,

II

АТФ

ГТ20

I \

НО ^ И + он"

Нт + ОН

: Н,0

ОН - \

РИС. 14. Схема синтеза АТФ в асимметричной мембране за счет энер­гии градиента pH, созда­ваемого в процессах фо­тосинтеза, дыхания и т. д. в соответствии с концеп­цией П. Митчелла Из активного центра Н+— АТФ-азы, локализованной в асимметричной мембране, ио- иы Н+ могут диффундиро­вать только направо; ионы ОН- только налево. Неиони- зоваиные молекулы АДФ, АТФ, Н3РО4 растворяются в гидрофобной зоне мембраны. Синтез АТФ в этих услови­ях из АДФ и НэР04 происхо­дит почти изоэнергетически. В целом процесс осуществля­ется за счет изменеиня сво­бодной энергии при образо­вании двух молекул воды: слева при нейтрализации иона ОН- в кислой среде, справа иона Н+ в щелоч­ной среде

Выход из этого, непреодолимого для биохимических реакций в гомогенных растворах затруднения, состоит в механизме, пред­ложенном П. Митчеллом [426—428]. Сущность этого механизма состоит в проведении синтеза АТФ посредством асимметричной мембраны, обеспечивающей при синтезе каждой молекулы АТФ расход вместо одного иона Н+двух, что приводит к большему сдвигу равновесия в сторону синтеза и, соответственно к боль­шей эффективности сопряжения.

Представим себе асимметричную фосфолипопротеидную мем­брану, по разные стороны которой существенно различна кон­центрация ионов водорода (рис. 14). Пусть например, слева от мембраны раствор имеет рН=4, а справа рН = 8. Слева в рас­творе имеются АДФ и ортофосфат. В кислой среде они в замет­ной концентрации будут находиться в недиссоциированном, неза­ряженном состоянии. В таком виде АДФ и Н3Р04 легко раство­ряются в мембране и попадают в гидрофобный активный центр АТФ-синтетазы. Так, в гидрофобном окружении АТФ не макро- эргична, и мы примем, что синтез ее из АДФ и H3POt идет изо- энергетично (ДР^О).

АДФ + Н8Р04 ^ АТФ + Н20.

Мембрана асимметрична — из активного центра образовавшаяся АТФ может диффундировать только обратно, налево. Образовав­шаяся вода из активного центра может диффундировать лишьпосле диссоциацииналево ионы ОН- (левая сторона мембра­ны, омываемая кислым раствором с избытком Н+ ионов заряже­на положительно), направоионы Н+ (правая сторона мембра­ны, омываемая щелочным раствором с избытком ОН" ионов за­ряжена отрицательно). Н+ и ОН- из образовавшейся в активном центре АТФсинтетазы воды вступают, соответственно слева и справа в две реакции нейтрализации. Запишем теперь весь про­чесе:

й шаг НР042-+АДФ3- + 5Н+^Н3Р04ДФ

й шаг Н3Р04+АДФ->в мембрану

й шаг Н3Р04+АДФ^АТФ + Н20 в мембране

й шаг в мембране АТФ->АТФ4~-)-4Н+ в среду слева

в мембране Н20->-Н+ в среду направо \

ОН- в среду налево

й шаг слева ОН_ + Н+ 20

справа Н+ + 0Н-^Н20

Сравним теперь процессы синтеза АТФ в гомогенном буфер­ном растворе и в асимметричной мембране при наличии гради­ента pH:

в растворе: НР042_ ДФ3 + Н+^АТФ4~ + Н20;

в мембране: НР042-+АДФ3++2Н++0Н^АТФ4-+2Н20. Видно, что в механизме Митчелла за счет асимметричного рас­пределения Н+, т. е. градиента pH, синтез АТФ сопрягается с образованием вместо одной двух молекул воды, тем самым до­стигается существенный сдвиг реакции в сторону синтеза АТФ.

В самом общем виде смысл механизма Митчелладополни­тельная векторизация потока энергии, обеспечиваемая строго ориентированной переносом веществ соответственно простран­ственному градиенту pH.

Таким образом, к рассмотренным ранее аспектам кинетиче­ских достоинств структурной организации биохимических процес­сов (гл. 5, с. 87) следует добавить увеличение термодинамиче­ской эффективности преобразования энергий. Синтез АТФ в со­ответствии с механизмом Митчелла, посредством специальной структурной организации осуществляется с высокой эффектив­ностью, поскольку он сопрягается с двумя относительно «низко­потенциальными» реакцияминейтрализацией 2Н+ за счет 20Н~ при относительно малых перепадах pH.

В асимметричную мембрану могут быть встроены переносчи­ки электронов, пигменты, ферменты-синтетазы. Энергия света, поглощаемого пигментами (фотосинтез), или энергия, выделяю­щаяся при транспорте электронов от водорода субстратов к кис­лороду (дыхание), тратится в соответствии с механизмом Мит­челла на создание градиента концентрации ионов водорода (или других ионов), что проявляется в возникновении разности pH (или электрических зарядов) по обе стороны мембраны.

Синтез АТФ сопрягается не с отдельными разнообразными

реакциями, а с одной и той же на всех этапах реакцией нейтра­лизации— образовании воды из ионов водорода и гидроксила. Это сопряжение катализируется универсальным ферментом: мембранной Н+АТФ-азой [271]. Разность электрического потен­циала, создаваемая градиентом концентрации отличных от Н+ и ОН-, катионов и анионов, например, К+ и С1~ легко преобра­зуются в разность концентраций Н+ и ОН-:

К+ СГ ^к+он- СГН+

Н20 Н20 ^ н+ ОН-.

Накопление энергии в виде градиента концентраций «иных» ка­тионов и анионов может быть очень удобным ввиду больших запасов этих ионов в протоплазме. Энергетическая эквивалент­ность градиентов концентраций ионов водорода и гидроксила и разных катионов и анионов создает особо совершенную кинети­ку включения и выключения сопряженного фосфорилирования— градиенты электрических зарядов в отличие от градиентов кон­центраций— относится к дальнодействующимэто особенно существенно при трансмембранной передаче энергиидиффу­зия через мембрану процесс относительно медленный. Диэлек­трическая постоянная гидрофобной мембраны маласоответ­ственно велика напряженность трансмембранного электрического поля и высокоэффективна трансмембранная передача энергии электростатических взаимодействий. Электростатический меха­низм накопления свободной энергии экзэргонических реакций в силу дальнодействия градиентов электрических зарядов позво­ляет сопрягающей мембране функционировать как единое целое, эффективно используется все, в том числе весьма малые сами по себе вклады в создание разности электрохимического потенциа­ла по обе стороны мембраны.

Верность термодинамической схемы, т. е. самого общего ме­ханизма, предложенной П. Митчеллом в 1961 г. неоднократно иллюстрировалась экспериментально. Одной из наиболее ярких иллюстраций является опыт Ягендорфа и Урайба, осуществив­ших в 1966 г. синтез АТФ в изолированных хлоропластах за счет искусственно созданного градиента pH [404]. С тех пор число экспериментальных работ, подтверждающих концепцию Митчел­ла, значительно увеличилось. Замечательным примером осуще­ствления фосфорилирования за счет энергии света, преобразуе­мой в энергию градиента pH, являются процессы в пурпурных, солелюбивых бактериях [374]. В мембранах этих клеток содер­жится зрительный пигментродопсин. Поглощаемая им свето­вая энергия используется для работы «протонного насоса», со­здающего градиент pH. АХ'Ф синтезируется за счет этого гради­ента. Большой вклад в выяснение общих механизмов сопряжен­ного фосфорилирования и особенно идущего при посредстве асимметричных мембран внесен В. П. Скулачевым и его сотруд­никами, [266—271]. (См. также [360, 360а, 415,418,419,463,470]).

Глава 8

ПРОБЛЕМЫ МОРФОГЕНЕЗА

Диффузионные ограничения скорости биосинтезов предел биохимического этапа эволюции.

Их преодоление посредством формирования все более совершенной морфологии живых организмов и (или) посредством аппаратов активного перемещения в пространстве.

Отсутствие необходимости в предположении об особом морфогенном поле.

Достаточность кодирования на всех уровнях сложности синтеза определенных молекул и времени их синтеза (временная организация).

Цветковые растения пример морфологического совершенства.

Первый макроэтап биологической эволюции завершается при образовании предельно совершенной системы матричного воспро­изведения, предельно совершенных катализаторов системы пре­образования энергии и механизмов отграничения дискретных организмов от внешней среды.

С некоторого времени скорость все более совершенных про­цессов биосинтеза начинает лимитировать диффузия (см. гл. 5, с. 81).

Некоторый эволюционный потенциал, т. е. возможность уве­личения кинетического совершенства, содержится в ускорении диффузии посредством создания более резких градиентов кон­центрации. Эту возможность мы уже рассматривали. Она реали­зуется при образовании структурно-организованных ансамблей ферментов, например, в митохондриях и хлоропластах. Однако таким способом, посредством «игры на градиенте», достигается скорее экономия материалов, чем макроскопический выигрыш в суммарной скорости процессов. Поэтому показателем дальней­шего прогресса становится скорость диффузии, скорость потока метаболитов, превращаемых в вещество данного вида. Прогресс можно теперь измерять в см/сек. «Диффузионный барьер» не может быть преодолен чисто химическим путем. Дальнейшее со­вершенствование биохимических механизмов (катализа, маршру­тов реакций) оказывается бесполезным.

Ясно, что суммарный поток можно увеличить, увеличивая по­верхность, через которую осуществляется диффузия. Предметом отбора становится форма организма, его геометрические харак­теристики. Наименее выгодной формой организма данной массы является шар, так как его поверхность минимальна, наиболее выгодной нить. Следовательно, первый шаг эволюции в на­правлении морфологического прогресса должен состоять в вы­работке механизмов построения нитевидных организмов вместо шарообразных. Эта задача уже довольно сложна. Ведь нить не может быть длиннойиз-за медленности диффузии нарушатся связи между ее частями. По-видимому, пределом совершенства в данном эволюционном направлении является многолучевой еж, организм типа известных из зоологии беспозвоночных сол­нечников. Но такая сферически симметричная многолучевая мор­фология предельно совершенна лишь в отсутствие градиентов пищевых веществ и энергии. Равномерно питательная во всех направлениях среда окружает лишь планктонные организмы (и то, если пренебречь, например, градиентами света). В боль­шинстве же случаев существует строгая направленность потоков пищи и энергии, что приводит к более сложным морфологиче­ским задачам. Их можно решить путем выработки геометриче­ских структур типа ветвей, стволов, листьев. Этот путь, путь морфологического прогресса для преодоления диффузионных ограничений, привел к возникновению сложной и рациональной геометрии растений (деревьев, трав) и животных, ведущих при­крепленный образ жизни (кораллы, актинии).

Совершенно ясно, что морфологические задачи возникают в дальнейшем и в связи с другими эволюционными проблемами. Однако именно вследствие необходимости преодоления диффу­зионных ограничений должны выработаться все основные мор­фогенные механизмы. Понятно, что естественный отбор наиболее совершенных геометрических форм организмов может осуще­ствляться лишь при наследственном закреплении сведений о наи­более удачных морфологических конструкциях. Следовательно, в матричных текстах должны быть записаны не только сведения о строении войствах) ферментов, структурных белков, биоде­тергентов и т. д., но и инструкции для построения данных мор­фологических, геометрических конструкций, форм. Способ коди­рования все тот жепосредством определенной последователь­ности нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Проблема перевода нуклеотидного текста в пространственное взаиморасположение частей организма, его морфологию—центральная проблема со­временной биологии. Однако прежде чем перейти к этой увлека­тельной проблеме, нужно все же сказать, что морфологический прогрессне единственный способ преодоления диффузионных ограничений. И даже не лучший. Значительно большим эволюци­онным потенциалом характеризуется совершенствование путем создания аппаратов активного перемещения в пространстве. Этим направлением мы займемся в следующей главе, а сейчас продолжим рассмотрение проблем морфогенеза *.

ФИС. 15. Гигантские однокле­точные водоросли [163]

a Caulerpa prolifera; 6 Botridium granulatum; в — Acetobularia medi- terrianea (/) и A. wettsteini (2) и вегетативный гибрид (1+2) реге­нерация стебля (}), посаженного на ризонд (2). Видно, что форма зонта определяется ядром, находящимся в основании ризонда

Когда говорят о морфологии организмов, невольно возникает образ многоклеточного организма сложной формы. В многокле­точном организме морфология обусловлена главным образом пространственным расположением клеток друг около друга.

Однако некоторые вопросы преобразования наследственной ин­формации в морфологические особенности можно сформулиро­вать уже для одноклеточных организмов и даже для неклеточ­ных— вирусов и фагов. В самом деле, многие одноклеточные организмы имеют весьма сложную морфологию. На рис. 15 изо­бражены гигантские (для клеток) одноклеточные (точнее, не­клеточные) водоросли каулерпа, ботридиум и ацетабулярия, на рис. 16сложнейшие из одноклеточных животныхинфузории разных родов и жгутиконосцы, замечательные своей уникальной морфологией. Уникальная и очень сложная морфология свойст­венна и отдельным органеллам одноклеточных животных, (рис. 17), а также изученным Н. К. Кольцовым сперматозоидам насекомых, пауков и ракообразных (рис. 18). О сложности мор­фологии вирусов и фагов можно судить по рис. 19.

Таким образом основные механизмы морфогенеза, вероятно,, в наиболее чистом виде можно надеяться выявить уже для одно­клеточных и даже неклеточных форм жизни.

Морфологические структуры могут возникать в результате самосборки из соответствующих макромолекул. В последние годы было выполнено очень много исследований по самосборке био­логических структур (см. [303]). Правда, основные данные были получены при изучении самосборки вирусов и их частей («дета­лей»), Большой обзор интересных сведений приведен в книге Б. Ф. Поглазова [237]).

Попробуем опять подойти к этому вопросу на основании об­щих эволюционных положений. Речь идет, следовательно, об от­боре в процессе эволюции молекул, агрегация которых автома­тически приводила бы к построению все более биологически целесообразных структур. Наиболее естественно было бы вы­брать с этой целью белки-—вариация их аминокислотного соста­ва и последовательности аминокислот заведомо обеспечивает любое необходимое разнообразие свойств молекул. Свойства молекул, синтезируемых нематричным путем (например, липидов или полисахаридов), могут варьировать в процессе эволюции лишь посредством значительно более громоздких механизмов. Для синтеза любой новой молекулы типа моносахарида или фос­фолипида необходимо большое число строго специфичных фер­ментов. Таким образом, кажется вероятным, что когда потребо­валось не просто отграничить клетку от внешней среды, но при­дать ей уникальную форму, для ее построения понадобились специальные структурные белки. Мысль эта находит подтверж­дение во всех случаях биоморфогенеза. Определяющая роль бел­ков в морфогенезе на молекулярном уровне была выяснена в замечательных исследованиях самосборки вирусов ([см. 237]). Начало было положено при изучении вируса табачной мозаики (ВТМ). Этот вирус состоит из РНК (около 5% по весу) и белка. Частица ВТМ распадается на составные части под влиянием различных воздействий: разбавленной щелочи, концентрирован-

- В

РИС. 16. Одноклеточные инфузории, жгутиконосцы, радиолярии аEuplotes patella (инфузория); бPoludlnium mysozeum (инфузория из кишечника слона); в —скелет Cycladopora pantheon (радиолярия); гHeteronema spirale (жгутико­носец, эвглеиовые); д — Ceratium longlpes (жгутиконосец, перидиниевые); е Gonyaulax polyedra (жгутиконосец, перидиниевые); а, б, в заимствованы из книги [921, остальные ■из книги [163]

РИС. 17. Стрекательная капсула одноклеточного организма-споровика Nasema

Капсула имеет двойную оболочку и ввернутую в капсулу полную нить. Выстреливание обусловлено быстрым развертыванием нити

РИС. 18. Спермий длиннохвостого рака Galathea squamifera [144]

РИС. 19. Иллюстрация сложной морфологии вирусов и фагов [237]

а—модель строения вируса табачной мо-

мой уксусной кислоты, мочевины, додецилсульфата и других агентов. При защелачивании среды до pH 10,5 происходит дез­агрегация белковой оболочки ВТМ на небольшие субчастицы А-белки. При подкислении щелочного раствора А-белка начина­ется упорядоченная агрегация, самосборкаобразуются длин­ные палочкообразные структуры, внешне не отличающиеся от ВТМ. Чрезвычайное волнение вызвало в 1955 г. сообщение Френ- кель-Конрата о самосборке, реконструкции целого инфекцион­ного вируса при агрегации А-белка в присутствии РНК, выде­ленной из ВТМ. Это было первое искусственное воссоздание (почти создание) живого организма. (Вирусы вполне подходят иод определение живого организма объект биологической эво­люции, находящийся или способный находиться в процессе био- .логической эволюции. А то, что вирусы в ходе эволюции облени­лись и разучились самостоятельно добывать, готовить, перевари­вать и использовать пищупросто характеризует их очень ллохо...) И это воссоздание осуществилось посредством само­сборки. Строение ВТМ показано на рис. 19, а. Видно, что само­сборка структурных элементов может происходить и при не очень •сложных белковых субчастицах, субъединицахони должны иметь специфические контакты, определяющие их соединение как друг с другом по спирали, так и с РНК. Успех искусствен­ного осуществления самосборки ВТМ вызвал интенсивные иссле­дования этого процесса на других вирусах. Было установлено, что в результате самосборки из белковых молекул образуются большей частью или полые цилиндры, или плоские мембраны, способные образовывать замкнутые сферы. Большие успехи были достигнуты при изучении самосборки мембраны малых сфериче­ских вирусов (237, с. 29], в частности, вирусов, вызывающих рост незлокачественной опухоли папилломы. Крик и Уотсон предполо­жили в 1956 г., что из идентичных белковых молекул (морфоло­гических единиц) могут возникать плоские мембраны, полые сфе­ры, эллипсоиды, полые цилиндры (трубы) и их комбинации. Каспар и Клуг подтвердили их предположение посредством гео­метрического анализа (см. [237]).

Характер автоматически возникающей структуры зависит в основном от числа контактов, которые способны осуществлять имеющиеся в системе морфологические единицы. Число таких контактных точек в них в свою очередь зависит от числа обра­зующих их белковых субъединиц.

Так, морфологические единицы, имеющие по шесть контакт­ных точек и состоящие из шести субъединиц, образуют плоскую однослойную мембрану (рис. 20, а). Для образования из такой мембраны замкнутой поверхности многогранника она должна быть перегнута во многих местах. Образующиеся ребра делят поверхность на серию треугольников. Для этого наряду с шести­контактными морфологическими единицами в системе должны находиться и пятиконтактные, состоящие из пяти субъединиц

РИС. 20. Модели, иллюстрирующие принципы самосборки надмолекулярных структур [237]

а шестиконтактиые морфологические единицы, образуют плоские мембраны (одиа из единиц зачернена; бпятикоитактные морфологические единицы (одиа из иих зачерне­на) образуют вершниы в ограненных мембранах

(см. рис. 20, б). Пятиконтактные морфологические единицы встраиваются в вершины многогранников, не нарушая непрерыв­ной упаковки [237]. Наименьший многогранник состоит лишь из двенадцати пятиконтактных морфологических единиц. Различные сочетания пяти- и шестиконтактных морфологических единиц обеспечивают решение сложных морфологических задач.

Модель вируса папилломы, предложенная Финчем и Клугом (см. [237]), представляет собой икосаэдр из 72 морфологических единиц, образованных 420 субъединицами первого порядка. Если морфологические единицы образованы не только шестью п пятью субъединицами молекул белка, но и меньшим их числом, то при участии в построении надмолекулярных структур и не­ассоциированных субъединиц первого порядка мо^ут автомати- чески возникать разнообразные геометрические формытрубы, эллипсоиды, икосаэдры (см. рис. 20). Еще более сложные мор­фологические структуры получаются при самосборке отдельных блоков Т-четных фагов (см. рис. 19, б). Самосборка этих фагов определяется большим числом генов синтез белковых субъ­единиц контролируется 17 генами, около 30 генов регулируют самосборку образующихся белковых субъединиц и отдельных блоков фага [237].

Для наших целей совершенная экскурсия в область изучения самосборки вирусов достаточна. Мы видим, что морфология ви­русов является следствием структуры, морфологии специфиче­ских белковых молекул. Теперь нужно попробовать выяснить, могут ли по тому же принципу строиться значительно более круп­ные образования типа клеток инфузорий, сперматозоидов или водорослей?

Интересующий нас вопрос можно сформулировать и иначе: является ли морфология клеток прямым следствием морфологии молекул белков? В таком виде этот вопрос эквивалентен вопро­су о возможности многократного увеличения молекул с сохране­нием их морфологических особенностей. Подобная возможность кажется сомнительной. Форма и морфологические особенности зерен серебра никак не связаны с формой фотографического изо­бражения. Ситуация с клеткой, ее морфологией и формой бел­ковых макромолекул представляется сходной. Диаметр субъеди­ницы белка порядка 10 А, диаметр клетки порядка 10 мк, т. е. их диаметры различаются на 4 порядка. (В фотографии диаметр зерна серебра тоже отличается от линейного размера детали изображения на 4 порядка.) Однако мы не удивляемся тому, что форма даже гигантских монокристаллов является следствием прямого увеличения элементарной кристаллической ячейки ато­марно-молекулярных размеров. Но теперь взглянем на рисунки, на которых изображены инфузории, неклеточные гигантские во­доросли— вошерия, ацетабулярия, ботридиум и др. (см. рис. 15, 20) уж очень их морфология отличается от морфологии кри­сталла. Очень уж эта морфология «неправильна» и «причудли-за». Однако на примере вирусов мы видели, что в зависимости •от строения морфологических единиц, а, следовательно, от набо­ра не очень разнообразных субъединиц, автоматически образу­ются разные достаточно сложные морфологические структуры — полые сферы, эллипсоиды, трубки. Поэтому, если последователь­ность появления (биосинтеза) тех или иных субъединиц зало­жена в генетической программе, то можно представить себе по­следовательность образования очень сложных морфологических структур непосредственно из макромолекул белка.

Следовательно, морфология клетки и ее частей может быть .записана в нуклеотидном коде в виде текстов (генов), опреде­ляющих синтез в необходимой последовательности полипептид- лых цепей с определенной последовательностью аминокислот. Естественно, мы говорим сейчас лишь о принципиальной возмож­ности такого механизма морфогенеза клетки. Весьма привлека­телен и другой принцип морфогенеза на этом уровне. В самом деле, мы по существу рассматривали следующую модель. Набор разных кубиков разной формы с липкими гранями насыпают в ящик и какое-то время трясут (тепловое движение); кубики сли­паются так, чтобы суммарная свободная поверхность, смазанная .клеем, была минимальной, т. е. образуется сложная морфологи­ческая структура (эта модель была реализована Ферстером [303]. Затем в ящик добавляют кубики другой формы и снова трясут— прежняя морфологическая структура достраивается, превраща­ясь в структуру нового типа, и т. д. В этом случае реализуются структурные особенности морфологических единиц и их субъ­единиц, причем их реализация происходит при стохастическом взаимодействии структурных единиц.

Никаких кинетических особенностей, никакой кинетической организации пространства нам не требовалось. Дело в том, что кинетические особенности вполне могут приводить к простран­ственным геометрическим эффектам. Это обязывает нас поста­вить вопросне используются ли в биологических морфоген- яых процессах и кинетические механизмы? А если нет, то почему эволюция прошла мимо столь замечательных явлений?

По-видимому, первым изученным примером кинетического образования структуры были кольца Лизеганга. Они представ­ляют собой правильные периодические структуры, возникающие при образовании осадка в результате реакции равномерно рас­пределенного вещества с другим реагентом, диффундирующим в зону реакции. Кольца Лизеганга легко получить, если пропитать желатиновый слой фотопластинки хроматом калия, а затем кап­нуть на него раствор азотнокислого серебра. По-видимому, для образования кристаллического осадка хромата серебра необхо­димо наличие затравки, появляющейся лишь при некоторой по­роговой концентрации хромата калия. Поэтому при диффузии ионов серебра через область, обедненную (в результате предыду­щего осаждения и диффузии) хроматом калия, осадок не обра­зуется. При достижении некоторого критического соотношения ионов серебра и хромата лавинообразно развивается процесс кристаллизации, с избытком ионов серебра реагируют ионы хро­мата из прилежащих областей (последние обедняются этим анионом). И вновь, при продолжающейся диффузии серебра в этих обедненных зонах не появляется осадок. Так образуются концентрические кольца пустые кольца чередуются с кольца­ми осадка хромата серебра. Получение колец Лизеганга произ­вело большое впечатление на минералоговконцентрические структуры в яшме, малахите и т. п. стали рассматриваться как результат сочетания процессов диффузии и осаждения в период образования этих минералов. Позже, особенно после открытия (методом электронной микроскопии) тонкой структуры миелино- вого волокна с его концентрическими слоями миелина [417], стали высказываться мнения о возможном участии механизмов, анало­гичных рассмотренным выше, и в образовании морфологических структур в биологических системах (например, структуры миели- нового волокна). Но мне кажется это очень сомнительным нельзя «доверять» сферически симметричной диффузии тонкую морфологическую работу. Кроме того давно и точно установле­но, что концентрическая структура миелинового волокна возни­кает при многократном наворачивании тонких блиноподобных клеток на аксон.

Одним из наиболее интересных примеров кинетического ме­ханизма организации пространства является возникновение про­странственных структур в процессе распространения химической колебательной реакции. Такие реакции были капитально иссле­дованы в нашей лаборатории [101, 102]. При реакциях, изучен­ных А. М. Жаботинским и А. Н. Заикиным, образуются подчас весьма сложные узоры, обусловленные распределением в про­странстве окисленных и восстановленных форм соответствующих катализаторов. Таким образом возможны кинетические по про­исхождению структуры, кинетическая организация простран­ства. Пространственные характеристики определяются в данном случае кинетическими параметрамискоростями реакций, со­отношением положительных (активация) и отрицательных (угнетение) обратных связей в реакционной цепи. Следователь­но, пространственная организация структуры легко поддается регулированию. А это именно то, что совсем не нужно в морфо­логии (вернее, обычно не нужно). Морфология должна быть до­статочно консервативной, инвариантной относительно не сильных модификаций условий ее возникновения. Мне кажется, что кине­тический морфогенез не мог устроить эволюцию.

До сих пор мы говорили о морфологических (морфогенных) процессах на уровне клетки. Наиболее сложны, вероятно, про­блемы морфогенеза многоклеточных организмов.

Многоклеточные организмы возникают из одной клетки ?иготы. Морфология на этом уровне определяется взаимным рас­

положением и взаимодействием клеток в пространстве. Значит, и в данном случае должен существовать однозначный механизм перевода нуклеотидного текста в план, чертеж постройки из кле­ток. В самом деле, что определяет соединение клеток друг с другом в строго определенных положениях? Можно представить себе несколько ответов на этот вопрос. Проще всего предполо­жить аналогию в механизме образования морфологических струк­тур из клеток и из макромолекул. Геометрия построек из клеток может определяться геометрией клетокчислом возможных контактов каждой клетки и ориентировкой контактных участков, их расположением на «шкуре» клетки. Как мы видели, сочета­ние гексамерных и пентамерных морфологических единиц при­водит к возникновению разнообразных структур. Гексамерные, шестиконтактные клетки должны образовывать плоские структу­ры, двухконтактные нити.

Другим возможным способом морфогенеза мог бы быть такой процесс дробления яйца (или любой клетки на поздней стадии морфогенеза), при котором взаимное расположение клеток опре­деляется направлением митотического веретена и тем самым границы, разделяющей дочерние клетки. Последовательная пере­ориентация митотического веретена в последовательных актах клеточного деления могла бы приводить к образованию любых сложных морфологических структур (такая возможность каза­лась особенно привлекательной А. Г. Гурвичу (76]). Однако ука­зание на такой способ морфогенеза лишь видоизменяет задачу— все равно нужно выяснить причины той или иной ориентации ми­тотического веретена при очередном делении клеток. Но самое •сильное возражение против подобного механизма, как я думаю, состоит в том, что морфология многоклеточных образований не определяется процессом размножения клеток. Это следует из замечательных опытов по реагрегации клеток после дезагрега­ции органов и тканей (и даже организмов)!

Такие исследования начались на губках. В начале нашего века было обнаружено, что если нарушить связи между клетка­ми, «слегка помяв» кусок губки в морской воде, то происходит мацерация, и свободные клетки начинают плавать в морской воде. Однако очень быстро наступает реагрегация клетокони собираются и вновь восстанавливается исходная типичная для тубок структура [215]. Аналогичный процесс реагрегации можно наблюдать при мацерации печени или почек эмбриона мыши или цыпленка. Реагрегация почки с ее сложной морфологией особен­но впечатляюща клетки разных типов располагаются в нужных местах, образуя характерные морфологические структуры. Сле­довательно, в этих случаях взаимное расположение клеток не •определяется ориентацией митотического веретена. В процессе реагрегации клетки активно перемещаются друг около друга, а их мембраны совершают волнообразные движения. Как только жлетки оказываются в «правильном» положения, их движенияи колебания резко прекращаются; такая реакция остановки явля­ется существенным элементом формообразования в многокле­точных постройках [47, 190, 191]. Вполне возможно, что клетки останавливаются тогда, когда совпадают их контактные участки. Отличие самосборки макромолекул в надмолекулярные структу­ры от самосборки многоклеточных построек, быть может, и со­стоит лишь в способе перемешиванияв первом случае мы име­ем стохастическое тепловое движение, а во второмцелена­правленное или случайное активное перемещение клеток. А геометрия построек в обоих случаях определяется геометрией морфологических единицмакромолекулярных комплексов или; целых клеток.

Так может быть все уже ясно? И можно допустить, что счи­тывание генетических текстов записей инструкций о морфоло­гии многоклеточных организмов-—происходит посредством воз­никновения в нужной последовательности во времени клеток, необходимой формы с нужным числом контактов на поверхности? Но в ряде случаев клетки образуют структуры без непосредст­венных контактов и находятся друг около друга на расстоянии около 200 А. Промежуток же между клетками заполнен колла- геновыми волокнами или иными контактными веществами. Это- первое затруднение. Второе заключается в том, что при формо­образовательных процессах в эмбриогенезе наблюдается пере­стройка структур; например, превращение бластулы в гаструлу происходит посредством изменения взаимного расположения уже образовавшихся ранее клеток, а именно, клетки некоторой зоны, (полюса) сферической бластулы вдавливаются, инвагинируются и образуют гаструлу. Трудно (трудно, но все же можно) пред­ставить себе детерминированное изменение морфологии клетки,, такое изменение числа контактных участков, ори котором из- сферы автоматически образовалась бы двуслойная гаструла.. Третье затруднение состоит в том, что одни и те же клетки в разных условиях дают разные структуры. При пересадке клеток эмбриона они образуют структуры, как правило, соответствую­щие тому месту, в которое их пересадили. Данная морфологиче­ская структура индуцируется окружающими клетками и тка­нями. Явление индукциипредмет многих замечательных исследований в экспериментальной эмбриологии (см. [35, 291 ^ 295а, б]). Пожалуй, наиболее ярким, убедительным примером индуцированного морфогенеза является формирование оптиче­ской системы глаза. Глаз развивается в ходе эмбриогенеза из 'двух источников: передний мозг образует вырост—глазной бо­кал (превращающийся впоследствии в светочувствительную' тканьсетчатку и в зрительный нерв), который индуцирует в ближайшей прикрывающей его эктодерме развитие оптической системы глазахрусталика и роговицы. Глазной бокал можно пересадить в разные места зародыша [182] и в этих местах в эктодерме будет индуцироваться развитие хрусталика и рогови­цы. Природа агентов, вызывающих индукцию данной структуры, не ясна. Вопрос этот очень сложен. Индуцирующим действием могут, например, обладать и заведомо неспецифические повреж­дающие воздействия, что когда-то поразило исследователей и заставило их надолго отказаться от поисков эндогенных специ­фических индукторов. С сожалением должен признаться, что и в данном случае наиболее вероятна доминирующая роль химии (конечно, биохимии), а не физики; определенные вещества, ве­роятно, индуцируют определенные структуры, а неспецифические повреждающие агенты способствуют выработке или освобожде­нию таких веществ. Эти специфические индукторы, по-видимому, представляют собой факторы, снимающие репрессию определен­ного белкового синтеза.

Однако здесь уместно задать традиционный вопрос: Есть ли в жизни место физике? Иными словами нас интересует, суще­ствуют ли кардинальные биологические процессы, в которых фундаментальную роль играют именно биофизические механиз­мы. Существование химических индукторов не решает вопроса в пользу химии. Не вызывает сомнения, что регуляция считыва­ния химического нуклеотидного текста наиболее успешно дости­гается посредством химических веществ. Но, учитывая сказанное

о возможном отсутствии прямых клеточных контактов и о воз­можности перестройки морфологии структур, можно допустить осуществление пространственных структур из клеток и посред­ством физических механизмов. В самом деле, наиболее естест­венно предположить, что пространство организуется под дейст­вием различных физических полей, т. е. совокупности градиентов каких-либо потенциалов электрических, магнитных, механиче­ских, электромагнитных, акустических, гравитационных, а также (и тут нельзя избежать химии!) градиента концентрации каких- либо веществ. Замечательной особенностью процессов биологи­ческого морфогенеза является то, что эти поля (если они суще­ствуют, вернее, если они определяют процессы морфогенеза) вовсе не должны существовать сразу в завершенном виде в са­мом начале морфогенеза.

Морфогенные иологические) поля в каждый данный момент должны характеризоваться относительно несложным распреде­лением градиентов в пространстве. Никакого «образа» морфоло­гии возникающего органа в морфогенном поле не должно быть. Последовательное во времени, соответствующее генетической программе изменение морфогенного поля может определить тре­буемое последовательное построение необходимой структуры из клеток. Таким образом, широко обсуждавшееся в свое время по­нятие биологического поля [18, 19, 76] соответствует интегралу по времени от действительного физического морфогенного поля , (если оно существует мы еще не решили этот вопрос).

Итак, мы вероятно, должны заниматься не столько природой иологических полей, сколько исследовать возможную «сущ­ность» виртуальных биологических полей, т. е. полей, существо­вание которых дало бы эквивалентный эффект. Ввиду важности, этого вопроса задержимся на нем подробнее.

Представим себе, что последовательный во времени морфо­генез осуществляется посредством соответствующего последова­тельного изменения поверхностных свойств клеток. Например,, допустим, что биполярные клетки, образующие нити и тяжи, ста­новятся триполярными и вступают в контакты друг с другом в. трех точках. Возникшая в результате последовательного изме­нения клеток архитектура будет соответствовать некоторому виртуальному морфогенному полю. При таком подходе к пробле­ме биологического морфогенного поля основная задача заключа­ется в выяснении механизма, определяющего относительно про­стую геометрию клетки. В основном речь идет о числе возможных точек контакта клетки с другими клетками. Вполне правильное- расположение этих контактов на поверхности клетки, вероятно, не обязательно микроошибки в геометрии клеток сгладятся в многоклеточном образовании, как сглаживаются, становятся не­существенными нерезкости изображения отдельных кадров при: просмотре кинофильма.

Чрезвычайно существенно также установить природу контак­тов— выяснить роль электростатических взаимодействий, ком- плементарности поверхностей (как при образовании комплемен­тарное™ антиген-антитело), коллагенового клея, белково-поли- сахаридных контактных веществ [191]. Огромная важность этих проблем для теоретической и прикладной биологии очевидна. Геометрия, способность клеток образовывать контакты интерес­ны не только в сеязи с морфогенезом при онтогенезе и регенера­ции, но и в особенности в связи с проблемой злокачественного роста.

Последовательное закономерное образование клеток разной формы, с разным числом по разному расположенных контактов может, следовательно, обеспечить закономерно сложную морфо­логию многоклеточных систем. Механизм образования клеток разной формы в соответствии с генотипическими предначертания­ми вряд ли может основываться на простой самосборке из моле­кул с разным числом контактов.

Мне кажется весьма интересной модель механизма морфоге­неза клеток, предложенная Л. А. Мартыновым [198, 423]. Он от­метил аналогию между морфогенезом клеток и созданием формы надувных игрушек. Форма надувной, например, резиновой игруш­ки зависит от растяжимости отдельных участков ее оболочки, определяющейся толщиной и химическим составом самой оболоч­ки. При надувании лучше растягивающиеся участки выпячивают­ся. «Надувание» клеток происходит в результате избыточного- внутреннего давления. Оно имеет осмотическую природу, созда­ется работой мембранных противоградиентных насосов и под­держивается за счет свободной энергии гидролиза АТФ.

Мне кажется еще более наглядным аналогом процесса созда­ния формы клетки работа стеклодува получение предмета определенной формы путем воздействия на растяжимую разо­гретую стеклянную оболочку. Последовательно, целесообразно1 разогревая разные участки, стеклодув выдувает из стеклянного' пузыря причудливую елочную игрушку или лабораторный при­бор. Последовательное соответствующее генетической программе образование разных компонент оболочки клеток, создающих то более, то менее растяжимые участки поверхности, затвердевание участков, растянутых ранее в результате биохимической дора­ботки, наконец, воздействие постоянного тургора, внутреннего^ давления, поддерживаемого метаболическими процессами та­ковы представления Мартынова о морфогенезе клетки. Марты­нов отнюдь не ограничился созданием этой гипотезы, но выпол­нил также экспериментальное исследование по ее проверке. Он выбрал классический объект уже упомянутую выше ацетабу- лярию (см. рис. 20, в). Сложная морфология зонта этой гигант­ской клетки диаметром около 5 см запрограммирована в един­ственном ее ядре, находящемся у основания корня ризонда. Если отрезать зонт, то в случае неповрежденного ядра он воз­никает снова. Процесс регенерации зонта ацетабулярии и послу­жил Мартынову основанием для его модели. Он измерил пара­метры, определяющие механические свойства клеточной оболочки (модуль Юнга, внутриклеточное давление), а также исследовал оптическими методами расположение волокон целлюлозы в раз­ных местах оболочки клетки на разных фазах морфогенеза.

Я не буду дальше излагать содержание и результаты опытов Мартыновас ними можно познакомиться по его работам. Мне кажется, однако, что «стеклодувная модель» морфогенеза клет­ки хорошо соответствует современной молекулярной биологии она заполняет разрыв между представлениями о самосборке надмолекулярных структур из разных макромолекул и пред­ставлением о пространственно упорядоченном расположении кле­ток в многоклеточной структуре. Так могут образоваться клетки с разным числом по разному расположенных контактов. Меха­низм морфогенеза, следующий из модели Мартынова, также не предполагает существования действительного сложного биоло­гического морфогенного поля в каждый момент времени про­исходит лишь несложный процесс, соответствующий составу кле­точной оболочки.

Итак, остается вопрос существуют ли помимо виртуальных действительные физические морфогенные поля? Он в значитель­ной степени эквивалентен вопросу о существовании дальнодей­ствия при взаимодействии клеток. Естественным способом осу-

ществления дальнодействия клеток в водной среде является их рлияние друг на друга посредством выделяемых в среду веществ.

Клетки могут получать сигналы о присутствии себе подобных посредством «запаха» или «вкуса». Это очень экономный способ•сигнализации: изготовленное сигнальное вещество может дли­тельное время без дальнейших энергетических затрат со сторо­ны клетки-изготовителя выполнять свои сигнальные функции, тогда как сигнализация посредством электромагнитных или аку­стических полей требует непрерывных трат для генерации сиг­налов. Конечно же информация о локализации источника сигна­лов, получаемая при помощи химических веществ, не очень совершеннапресловутая организация пространства посред­ством градиентов концентрации данного вещества затрудняется беспорядочной тепловой диффузией. Однако на не очень боль­ших расстояниях (порядка микрон), вероятно, и диффузия не слишком мешает нахождению клетками нужного направления движения и необходимых мест контакта. «Вкус и запах» естест­венные следствия классической биохимической эволюции. Вос­приятие присутствия и оценка концентрации определенных хи­мических веществ в среде в принципе легко осуществляются нормальными биохимическими механизмами по изменению скоростей ферментативных реакций в результате конкурентного или аллостерического взаимодействия этих веществ с макромо­лекулами ферментов. В ходе эволюции возникли высоко совер­шенные механизмы химической сигнальной регуляции взаимо­действия клеток системы гормональной регуляции, взаимодей­ствие посредством антибиотиков, сигнализация запахами у жи­вотных.

Таким образом, и здесь кажется возможным обойтись чисто химическими, точнее биохимическими средствами. Однако можно поставить вопрос так. А нет ли каких-либо физических свойств, с неизбежностью проявляющихся при биохимических процессах, которые могли бы в ходе эволюции использоваться для дально­действия при взаимодействии клеток в процессе морфогенеза? На вопрос в такой постановке можно ответить определенно: та­кие свойства есть это электрические и акустические сигналы, неизбежно генерируемые клетками при протекании в них биохи­мических процессов. Генерация электрических сигналовслед­ствие изменения ионных градиентов и изменений конформаций макромолекул, несущих заряженные группы. Акустические сиг­налы могут возникать вследствие конформационных изменений макромолекул и их ансамблей. В каждом ферментативном акте макромолекулы ферментов в большинстве случаев претерпевают циклические изменения конформации, сопровождающиеся изме­нением упаковки в системе макромолекула —• вода, изменениями объема этой системы. Каждая макромолекула фермента в про­цессе катализа служит макрогенератором акустических сигна­лов. Взаимодействие одинаковых макромолекул, синхронизация их работы, может привести к генерации звуковой волны с ча­стотой, определяемой числом оборотов фермента в каталитиче­ском процессе. Таким образом, разнообразие и интенсивность работы ферментов в данный момент определяет частотный спектри интенсивность акустического поля, генерируемого клеткой. Любые генотипически или фенотипически обусловленные изме­нения внутриклеточных биохимических процессов должны в та­ком случае отражаться в изменении свойств акустического поля клетки. Возможно, не является чистой фантазией (если выска­занные выше предположения верны) осуществление музыкаль­ного анализа, когда, «выслушивая клетку», удастся получать самые достоверные и оперативные сведения о ее внутренней жизни.

Из общих соображений представляется вероятным, что акус­тическое поле вполне пригодно для морфогенеза. Всякое строи­тельство связано с толчками, передвижениями и прочими меха­ническими воздействиями что же может быть лучше толчков и механических давлений градиентов, создаваемых клетками, для строительства многоклеточных конструкций?

Помимо чисто акустических сил, синхронизированные в мак­рообъеме конформационные колебания ферментов и обусловлен­ные ими пульсации мембран клеток, могут иметь существенное морфогенное значение в силу гидродинамических следствий та­ких колебаний. Пульсирующие клетки, разделенные слоем под­вижной воды, будут притягиваться или отталкиваться в зависи­мости от частоты (и степени синфазности) пульсаций. На воз­можную роль гидродинамических сил, возникающих при пульса­ции клеток, обращает внимание Уоддингтон в книге «Морфоге­нез и генетика» [2956]. Я просто процитирую часть его текста, посвященную этому вопросу ...«Быть может, наиболее простой случай возникновения таких сил это так называемый эффект ГийоБьеркнеса. Этот эффект, известный уже более ста лет, заключается в том, что две пульсирующие сферы, погруженные в жидкость, притягиваются, если их пульсации совпадают по фазе или отталкиваются, если разность фаз равна 180°. Этот эффект обусловлен действием гидродинамических сил, возника­ющих вследствие того, что давление в установившемся течении' жидкости тем меньше, чем больше скорость течения (теорема Бернулли). Фаберже попытался объяснить действием этих сил спаривание гомологичных хромосом в профазе мейоза. Он осно­вывал свои рассуждения на простейшей модели двух сфериче­ских тел, пульсирующих в радиальном направлении по всей по­верхности... В действительности, однако, мы имеем дело с го­раздо более сложной системой. В ней имеется много пульсирую­щих тел разных размеров и с различными (по крайней мере вначале) периодами пульсации. По-видимому, эти колебания взаимодействуют не только вследствие резонанса, возникающего благодаря среде, в которую погружены эти тела; при этом име­ют значения изменения электрического поля вокруг частиц, обусловленные изменениями конфигурации молекул, вызываю­щими пульсацию. Кроме того, в больших макромолекулах и: даже в большей степени в частицах пульсация, по-видимому,.

происходит несимметрично; вероятно, имеется несколько мест пульсации, расположенных в определенных участках на поверх­ности органелл» [2956, с. 162—163].

Нам сейчас не очень важно, действует ли акустическое поле, возникающее при конформационных колебаниях макромолекул, в результате гидродинамических эффектов или непосредственно. В любом случае кажется вероятным, что такое поле может оп­ределять пространственные взаимоотношения клеток (и самих макромолекул), быть существенной частью механизма биологи­ческого морфогенеза.

Взаимодействие клеток может обусловить сложные простран­ственные эффекты в результате интерференции генерируемых ими акустических сигналов. Так, две одинаковые, одинаково зву­чащие клетки, расположенные на близком расстоянии друг от друга, создадут в результате интерференции «тихую плос­кость»— в этой плоскости спокойно, без толчков смогут нахо­диться другие клетки. Четыре «летки-генератора акустических полей могут образовать «тихий луч» и т. д. Различие частот, генерируемых разными клетками, изменение этих частот поере морфогенеза способны обеспечить весьма сложную и совершен­ную пространственную ориентацию клеток (дополняемую еще и специфическими контактами).

Попробуем оценить теперь, в какой мере реальные для био­химических систем клетки частоты возможных звуковых полей могут обеспечить геометрические задачи морфогенеза. Ясно, что речь может идти лишь о волнах, длины которых сравнимы с размерами клеток, т. е. о звуковых волнах длиной порядка 1 — 100 мк\ при нормальной скорости звука их частоты порядка 107—109 гц. Однако в желеобразных протоплазматических струк­турах распространяются преимущественно лишь поперечные сдвиговые волны. Их скорость, как показал А. П. Сарвазян с сотрудниками [253] порядка 1 м!сек. Соответственно, необходи­мые длины волн могут быть получены при частотах порядка 104—-10е гц. Этот диапазон частот вполне биохимически реален на таких частотах работают основные ферменты. Подробнее мы рассмотрим эти вопросы в 9-й рл. Сейчас же достаточно отме­тить, что числа оборотов большинства ферментов соответствуют слышимому диапазону частот (см. табл. 2 в гл. 4). Это наводит на приятные размышления о природе слуха, происхождении му­зыкального восприятия и о многом другом, что принадлежит уже области биохимической эстетики, а не биохимии морфогенеза.

И все же, вероятно, наиболее трудной задачей является объ­яснение механизмов морфогенеза не многоклеточных организмов, в сложно построенных одноклеточных (см. рис. 15, 20). Поэтому наиболее актуальным представляется здесь исследование меха­низмов морфогенеза клеток.

Может показаться, что морфологический прогресс в процес­се эволюции вовсе не обязательно связан с ростом кинетическогосовершенства. Действительно, образование опорного скелета обусловлено приспособлением к существованию в условиях зем­ного притяжения, сложнейшие морфофизиологические корреля­ции цветков и насекомых совершенствованием в ходе сопря­женного естественного отбора процессов опыления цветков и питания насекомых. Все это верно, однако, конечным результа­том всех этих приспособлений, конечным решающим критерием естественного отбора во всех случаях служит итоговая интенсив­ность преобразования веществ в вещества данного вида, т. е. биологическое (кинетическое) совершенство.

Цветковые растения пример морфологического прогресса. По-видимому, предела увеличения кинетического совершенства на пути «чистого» морфологического прогресса достигли на Зем­ле покрытосеменные (цветковые) растения. Поэтому (следуя принятой манере изложения) после анализа общих возможных механизмов морфогенеза рассмотрим некоторые существенные в эволюции особенности цветковых растений.

Цветковые господствующая на Земле группа растений отличаются многими замечательными чертами от всех остальных растений. Причины внезапного бурного заполнения всех возмож­ных ареалов Земли цветковыми растениями служили предметом часто весьма эмоциональных и ярких построений ботаников. (Как и в других аналогичных случаях, я предпочитаю предоста­вить слово специалистам). Н. В. Первухина в книге «Проблемы морфологии и биологии цветка» [234] пишет, что появление по­крытосеменных, или цветковых, растений представляет собой один из самых значительных этапов эволюции органической жизни на Земле. М. И. Голенкин назвал свою книгу, посвящен­ную цветковым растениям, «Победители в борьбе за существова­ние» [70]. В самом деле, покрытосеменные являются господствую­щей группой растений на нашей планете, они составляют глав­ную массу растительного вещества (высших растений). В на­стоящее время, как указывает Первухина, цветковые занимают то место растительных космических деятелей, которое в прежние эры было занято ныне исчезнувшими папоротникообразными, образователями толщ каменного угля. Современный животный мир, особенно высшие позвоночные (млекопитающие, птицы) и насекомые, всецело зависят от покрытосеменных. Человек, по образному выражению Голенкина, является порождением по­крытосеменных. Победа цветковых была переломным этапом, революцией в судьбах всего живого населения Земли. Поэтому середина мелового периодавремя массового появления по­крытосеменных на Земле — начало новой эры в жизни нашей планеты. Замечательно, что эта новая эра наступает внезапно. Сьюорд [280] говорил о победе покрытосеменных на Земле как о «головокружительно блестящей карьере», сравнимой со «всемир­ным взрывом». Еще Дарвин отмечал, что вопрос о происхож­дении покрытосеменных окружен «ужасной тайной». В самом

деле, что обусловило столь явное биологическое совершенство цветковых растений? Вероятно целый комплекс достоинств. Покрытосеменные отличаются от других растений чрезвычайно высокими темпами роста и развития. Голенкин считал наиболее характерной жизненной особенностью покрытосеменных их спо­собность выдерживать максимальные дозы яркого солнечного света. В. Н. Любименко по приспособленности к световому об­разу жизни покрытосеменных считал покрытосеменных «венцом эволюции». Из приведенного «конспекта» текста Н. В. Первухи­ной видно, что главным отличием цветковых растений от всех остальных является их наиболее быстрый рост и развитие, обус­ловленные наиболее интенсивным фотосинтезом. Это позволяет цветковым растениям быстро совершать жизненный цикл (на­капливая большую биомассу!), приспосабливаться к жизни & местностях с кратковременными периодами, благоприятными для жизнедеятельности (краткое лето в околоарктических широтах, краткие периоды достаточной влажности в пустынях и степях). Кратковременность, односезонность жизненного цикла позволя­ет цветковым растениям (первично древовидным) существовать в виде биологически весьма совершенных трав [283, 284]. Все в целом приводит к резкому ускорению эволюционного развития цветковых растений.

Теперь уместно попытаться ответить на вопрос: что является ведущим звеном в процессе биологического совершенствования цветковых растений?

Узловым моментом здесь, вероятно, оказывается скорость движения веществ в проводящих путях цветковых растений, М. И. Голенкин [70] характеризует систему проводящих пучков покрытосеменных как доведенную до последней степени совер­шенства, что обеспечивает одновременно быстрый приток мине­ральных веществ и воды в столь же быстрый отток образовав­шихся в листьях веществ1. А. Л. Тахтаджян полагает, что спо­собность покрытосеменных к значительному увеличению количе­ства синтезируемого в процессе фотосинтеза органического ве­щества связана с возникновением высокосовершенных проводя­щих сосудов. По существу речь здесь идет о следствиях морфо­логического прогресса. У большинства предшественников цвет­ковых растений движение воды (водных растворов) сопряжено с неоднократным прохождением ее через одревесневшие стенки трахеид (например, у голосеменных). Ясно, что такое движение не может быть достаточно интенсивным. У цветковых растений трахеиды становятся члениками сосудов цилиндрическими сег­ментами водопроводной трубы, иногда непрерывно идущей от корней к листьям [357]. Однако известно, что водопроводные со­суды многократно и независимо возникали в ходе эволюции у растений разных группу плауновидных, папоротников, голо-

семенных, покрытосеменных (см. ниже). Таким образом дело не в том, что лишь покрытосеменные растения «научились» изго­товлять сосуды без перегородок. Эта задача решалась и раньше в эволюции менее прогрессивных групп. Зато, вероятно, только цветковые растения смогли извлечь из резкого ускорения потока воды максимальную пользу, что обусловливается особым совер­шенством устьичного аппарата, биохимии фотосинтеза и, нако­нец, самым явным преимуществом покрытосеменных, а именно, образованием настоящих семян, приспособленных для сохране­ния и распространения жизни в весьма суровых и разнообразных условия*. На фоне всего этого комплекса достоинств покрыто­семенных возникновение непрерывных водопроводных сосудов оказалось истинным ароморфозом, резко увеличившим биологи­ческое совершенство этой группы и обеспечившим способность покрытосеменных быстро заполнить занятые ранее другими эко­логические ниши.

Итак, исчезновение перегородок в водопроводных сосудах именно у покрытосеменных представляется мне преодолением по­следнего узкого места, что позволило этим растениям совершить головокружительную карьеру. Теперь вода быстро движется не­прерывным тяжем, нитью за счет корневого давления и капил­лярных сил, сил поверхностного натяжения.

Конечно же, и трахеиды в ходе эволюции достигли предельно возможного для них совершенства. В их одревесневших стенках возникли относительно тонкостенные поры. В одревесневших мембранах этих пор у голосеменных возникли микроскопические отверстия диаметром порядка 10-4 см.

Попробуем дать количественную оценку возможных скорос­тей .движения воды по трахеям водопроводным сосудам у цвет­ковых растений и по системе трахеид (например, у хвойных).

Трахея цветковых растений представляет собой капилляр с радиусом порядка 5-10-3—5-10~2 см и длиной порядка 1 —102 см. Вода движется непрерывным потоком по трахее. Трахеиды-- мертвые одревесневшие .клетки диаметром порядка ЫО-2 ем и длиной порядка 10-1 см. Вода движется по системе трахеид, про­ходя сквозь поры толщиной 10-4—103 см (отверстия в них) от одной трахеиды и другой.

Оценим соотношения скоростей потоков воды по трахеям и трахеидам.

В идеализированной схеме система трахеид аналогична трахее ■с пористой перегородкой, толщина которой определяется числом трахеид, приходящихся на единицу длины трахеи. Примем, что на каждый см. длины приходится 10 пористых мембран (по­скольку размер трахеиды 10-1 см). Тогда толщина /2 суммарной пористой перегородки будет равна 4=Ю где общая дли­на системы трахеид (равная длине сравниваемой с нею трахеи), d толщина единичной перегородки (в см), соответствующая диапазону 10~4—10~3 см.

Движение жидкости в трубах описывается формулой Пуа- зейля.

Q = АРП^4 18(х

где Q расход жидкости в см3/сек, Ар —перепад давления (дн/см2), вязкость (пз), / длина и Я —радиус капилля­ра. Допустим теперь, что суммарная площадь отверстий в пере­городках трахеид равна площади поперечного сечения трахеи, т. е. лпЯ22 = п#Д где 7?, —радиус трахеи, R2 радиус отверстия в поре трахеиды, п число отверстий в порах трахеиды. Пусть в обеих системах будут одинаковы перепады давления. Тогда отношение а объемной скорости потока воды в трахее по срав­нению с системой трахеид определится формулой

_ Qi _ l^_ _

Q* hRl hRl

Ниже приведены численные оценки по этой формуле для при­нятых выше геометрических характеристик. Для самой узкой трахеи ^, = 5-10‘3 я самой тонкой перегородкой трахеиды d= 10~4 см а = 2,5.

R1 МО'3 МО-3 5-10-3 5-10-3 1-10-2 1 10- 2 10-! 1C-1 d МО"4 МО'3 МО'4 1 -103 1 • 10~4 МО'3 МО-4 МО'1 а 0,1 1 2,5 25 10 Ю3 3 Ю4 10'

Как видно, трахеиды с очень тонкими перегородками не усту­пают, а даже превосходят очень узкие трахеи (^ = 10“3 см) по’ скорости транспорта воды. Это, конечно, не следует понимать буквально, в этом случае сопротивление движению жидкости по длине капилляра внутри трахеиды оказывается сравнимым с со­противлением в перегородке. При радиусах трахей больших МО-3 см их преимущество перед трахеидами становится оче­видным. Для трахей с Rt порядка 10г—10-1 см( как у ясеня, дуба и других лиственных деревьев) эти преимущества стано­вятся весьма значительнымив 102—104 раз.

Из этих оценок ясно направление эволюционного совершен­ствования проводящих путей растений: утоньшение перегородок, пористых мембран трахеид и увеличение радиуса трахей.

Мы приняли, что суммарная площадь отверстий в перего­родках трахеид равна площади поперечного сечения трахеи. На самом деле, эта суммарная площадь, вероятно, существенно меньше. Таким образом наши оценки можно считать достаточно осторожными.

Естественно, попытаться найти им фактическое подтвержде­ние. Однако получение данных по объемной скорости потока водыв см3/сек в разных растениях очень сложно. Гораздо более реально измерение средней линейной скорости перемеще­ния воды в стеблях. Попытаемся оценить величины этой скоро­сти для трахей и трахеид в соответствии с уже принятыми до­пущениями. Средняя линейная скорость течения жидкостей по капилляру задается формулами:

у = -9— = АР^2

nR2 18[х

Для численных оценок V по этой формуле необходимо зна­ние величин Др и [1. Перепад давления на метр длины стебля Ар можно принять равным порядка 1 атм (Ю4 дн/см2 [155]), для воды 10-2 пз. Тогда для средней (линейной) скорости пе­редвижения воды в трахеях (Ri= 10_30-1 см) получим вели­чины, сведенные ниже.

R, см

ю-4

10-3

10-2

10-1

V, см/сек

ю-3

10-!

10

103

V, м/час

0,0036

0,36

360

36-103

Посмотрим, чему равна средняя скорость движения воды в системе трахеид при толщине перегородок d и длине одной тра­хеиды 10-1 см. Можно принять, что в системе трахеид основной перепад давления приходится на отверстия в порах. На 1 м дли­ны стебля приходится 103 перегородок трахеид общей длины Ю3 d Отсюда средняя скорость движения воды по трахеидам будет равна (^2-4см)

=Rl см/сек.

d,

см

10~4

10~3

10~2

V,

см/сек

1

10-[12]

10~2

V,

м/час

30

3,0

0,36

В этой оценке мы полагали отверстия в порах«узким ме­стом», определяющим суммарную скорость потока. На самом деле для узких трахеид с радиусом порядка 10_3 см существенно замедление потока и при движении до и после пористых перего­родок. Из сравнения величин, приведенных в табл. 13 и 14. вид­но, что линейная скорость движения воды в трахеях существенно превышает скорость движения воды в системе трахеид при ра­диусе поперечного сечения трахеи порядка 10-2 см.

Если наши оценки правильны, то предельно возможная ско­рость движения воды по трахеидам приближается к нижней гра­нице скорости движения воды по трахеям. Мы вправе считать, что эти оценки свидетельствуют в пользу правильности утверж­дения о возможности резкого ускорения движения воды при пе­реходе от трахеид голосеменных к трахеям цветковых растений.

Теперь пришло время попытаться выяснить, каковы действи­тельные скорости движения воды в стволах (стеблях) голосемен­ных и покрытосеменных растений. Удивительно, но вопрос о

действительных скоростях движения воды в стволах деревьев все еще нельзя считать выясненным *.

Скорость движения воды в ксилеме измеряли последние 50— 100 лет, применяя самые разные методы, однако, среди них нельзя назвать ни одного вполне удовлетворительного. Может быть поэтому Гейне [398] в своем обзоре, опубликованном в 1971 г., в основном опирается на измерения 1905—1930 гг. Не привело к значительному прогрессу и применение радиоактивных индикаторов [46]. В книге Крамера и Козловского [155] приво­дятся, в частности, данные Губера и Шмидта о максимальных скоростях движения воды в ксилеме покрытосеменных и хвой­ных деревьев. Эти авторы измеряли движение воды термоэлек­трическим методом по скорости распространения по стволу нагретой в ксилеме воды и установили, что максимальные скорости движения воды у лиственных пород варьируют от 45 до 3 м/час (дуб43,6, ясень25,7, вяз6, орех3,7 м/час), а у хвойных составляют менее 0,5 м/час.

Приведенные значения порядка 1 см/сек для лиственных по­род близки к полученным оценкам, а для хвойных (0,01 см/'сек) на 1—2 порядка меньше моих оценок. Причины этого расхож­дения скорее всего в завышении суммарной площади отверстий в порах трахеид в приведенных расчетах. Однако то обстоятель­ство, что скорость движения воды у лиственных пород примерно на два порядка выше, чем у хвойных, по-видимому, подтверж­дает главную мысль основой кинетического совершенства цветковых растений является морфология водопроводной систе­мы, обеспечивающая высокую скорость движения воды в рас­тении.

Глава 9

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ. МЕХАНОИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ

П реодоление диффузионное о барьера посредством перемещений в пространстве.

Формирование специальных аппаратов движения на основе: а) изменений поверхностного натяжения, б) ферментативных механо-химических преобразователей энергии. Ограничение предельных размеров и частоты биений макромолекулярных комплексов в двигательных аппаратах диффузией и концентрацией субстратов.

Переход от конформационных циклов к скольжению. Локальные изменения pH в качестве первичного механизма мехам-химических преобразований. Мчогоклеточность как эволюционный результат специализации и интенсификации функций.

Многоклеточность следствие перехода к движению посредством миофибрилл.

Морфологический прогресс — относительно малоэффективный способ преодоления диффузионного барьера. Второйвысоко­эффективный способ активное перемещение в пространстве организмов или среды к организмам. Первым шагом на этом пути служит беспорядочное движение простое перемешивание. Ненаправленное перемешивание приводит к увеличению сечения взаимодействия реагентов, к росту вероятности столкновения молекул, и, следовательно, к возрастанию скорости реакций. Эволюционный потенциал в этом направлении эволюции опреде­ляется возможностью векторизации перемещений в пространст­ве — выработки механизмов все более целеустремленного, все менее беспорядочного движения. «Геометрический образ» эво­люционного процесса и в данном случае (как и в случае катали­за или матричного воспроизведения) переход от сферически симметричных траекторий к уникальной. Предел эволюции здесь физически определен весьма жестко. Скорость биохимических реакций лимитируется скоростью потока реагентов и продуктов, равной скорости свободного пробега молекул в среде, т. е. ско­рости звука. Эволюционный потенциал этого этапа соответствует возможному изменению скорости заполнения пространства ве­ществом данного вида от скорости диффузии (10~210_3 см/сек) до скорости звука (105 см/сек), что составляет 7—8 порядков.

Вопрос о максимальной скорости биосинтеза живого вещест­ва рассматривал много лет назад В. И. Вернадский [49]. Он оце­нивал скорость заселения нашей планеты разными организмамипри условии их беспрепятственного размножения. Максимальная скорость «передачи жизни» была найдена Вернадским для бак­терий и оказалась равной 330 м/сек, т. е. скорости звука в воз­духе. С такой средней скоростью распространялась бы по по­верхности Земли пленка бактерий. Заселение Земли слонами происходило бы гораздо медленнее со скоростью порядка 0,1 см/сек. Однако, если учесть различия в массах бактерий и слонов, то станет ясно, что по скорости прироста биомассы сло­ны не уступают бактериям. Замечательно, что Вернадский свя­зывал скорость звука со скоростью биохимических процессов, а именно, с предельной скоростью дыхания. Он писал: «Получив для самых быстро размножающихся бактерий скорость размно­жения, равную по порядку скорости распространения звука в воздухе, я не счел это случайным совпадением, но принял за реальный факт тесно связанный с дыханием бактерий» [49, с. 313].

Движение, перемещение в пространстве посредством роста и размножения лишь конечный итог, результат активных переме­щений организмов для обеспечения биосинтезов необходимыми веществами и освобождения от конечных продуктов метаболиз­ма. Однако в некоторых случаях и движение вследствие роста и размножения является способом увеличения вероятности взаимо­действия организма к источников пиши.

Попробуем придумать возможные механизмы перемещения в пространстве, исходя из эволюционных достижений предыдущих этапов. В результате этих достижений образовались клетки, со­держащие необходимый комплект матричных макромолекул, белков-ферментов, липопротеидных структур поверхностных мембран и внутриклеточных оргаиелл.

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕНЕНИИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Простейшим механизмом, обеспечивающим перемещение в про­странстве нашей схематизированной клетки, представляется из­менение поверхностного натяжения на границе раздела: наруж­ная мембранавнешняя среда (вода). Причиной увеличения или уменьшения поверхностного натяжения может быть измене­ние соотношения гидрофобных и гидрофильных групп в липопро­теидных комплексах, образующих мембрану. Если расстояние, на которое должны переместиться клетка, превышает ее линей­ные размеры, аппарат, обеспечивающий движение, должен рабо­тать периодически. Поэтому п изменения поверхностного натяже­ния должны быть периодическими. Периодические, обратимые изменения поверхностного натяжения в разных местах наружной мембраны приведут к беспорядочному, разнонаправленному «перетеканию» клетки с места на место образованию псевдо­подий и (к) амебоидному движению. Если такие изменения по­верхностного натяжения будут происходить лишь в некоторыхместах поверхностной мембраны, клетка будет получать импульс и перемещаться в каком-либо определенном направлении, совер­шать более или менее «целесообразные» амебоидные движения.

Наиболее вероятным представляется изменение поверхност­ного натяжения наружной мембраны в результате выделения из клетки низкомолекулярных веществ (лигандов), связывание ко­торых с липопротеидными комплексами изменяет в них гидро­фобно-гидрофильные соотношения. Такими лигандами могут быть спирты, жирные кислоты или двухвалентные катионы, например ионы кальция.

В такой модели клетка уподобляется капле жидкости, поверх­ностное натяжение которой изменяется в результате реакции поверхностных макромолекул с веществом, порциями поступаю­щим изнутри капли (клетки). Форма капли резко изменяется, и сама капля перемещается за счет сообщаемого ей этим измене­нием импульса. Вещество, вступившее в реакцию с поверхностны­ми макромолекулами, расщепляется в ходе ферментативного процесса, катализируемого, например, самими этими макромоле­кулами, и форма капли возвращается к исходной. Многократное, периодическое изменение формы клетки может привести к не­прерывному перемещению организма в пространстве, причем его направление определяется локализацией участков поверхно­сти, изменяющих свои свойства. Прежде чем анализировать эту модель, следует отметить, что она была создана около 100 лет назад и была очень популярна в начале нашего века.

В 1888 г. Квинке предложил теорию протоплазматического (амебоидного) движения, основанную на аналогии с процессом растекания капель масла по поверхности воды. Очень хорошее изложение взглядов Квинке и всей проблемы в целом было осу­ществлено замечательным физиологом и биологом Ж. Лебом в его классической книге «Динамика живого вещества» [167]. Для иллюстрации такого способа движения предлагалось несколько моделей. Одну из них и рассматривает Леб. В его модели к кап^ ле оливкового масла добавлялось такое количество хлорофор­ма, чтобы удельный вес смеси сравнялся с удельным весом рас­твора соды (0,5—2%), в который и погружали каплю смеси. В оливковом масле всегда присутствуют значительные количе­ства жирных кислот, и на поверхности капли они образуют мыло (т. е. соли с ионами натрия окружающего раствора). Поверх­ностное натяжение в месте образования мыла резко падает, и из капли вырастает «псевдоподия», в которую устремляется содер­жимое капли. При этом площадь взаимодействующей со средой поверхности растет, образуются новые порции мыла капля движется.

Таким образом, наша исходная модель отнюдь не нова. Впро­чем, именно наглядность, явная и грубая упрощенность модели Квинке вызывала в свое время вполне справедливые упреки в «механицизме».

Аппараты биологического перемещения в пространстве, ре­альные механизмы движения протоплазмы или амебоидного дви­жения бесспорно специфичны и сложны, поскольку они возникли в результате сотен миллионов лет эволюции. Однако исходные для эволюции физические механизмы, вероятно, вполне соответ­ствуют принципам, механизмам движения неспециализирован­ных макромолекулярных комплексов. И сейчас, с высоты уже имеющихся знаний о специфичных и сложных аппаратах био­логического перемещения в пространстве мы можем попытаться найти эти исходные принципы и посмотреть, куда должна при­вести биологические системы с такими исходными данными последующая эволюция. (В предложенной Л. X. Эйдусом [351] теории мышечного сокращения изменение поверхностного натя­жения, капиллярных сил рассматриваются в качестве основного механизма).

Кинетически механизм перемещения в пространстве, осно­ванный на изменении поверхностного натяжения наружной мем­браны, может быть довольно совершенным. Можно представить себе быстрое выделение необходимых лигандов вслед за «воз­буждающим» сигналом через мембрану, а также довольно быст­рое обратное всасывание или ферментативное разрушение этих веществ, что необходимо для периодичности функционирования механизма движения.

Однако термодинамически этот механизм оказывается мало совершенным. Выделяемые вещества будут вымываться в среду, создание нужной их концентрации достигается ценой расточи­тельных затрат.

Работа по перемещению в пространстве совершается в дан­ном случае за счет перепада концентраций лиганда при его свя­зывании липопротеидными структурами (A^~RT 1п(с21)). Этот перепад концентраций не может быть очень большим при возбуждении лиганд переходит из связанного состояния вну­три клетки в свободное. Такой переход может осуществляться при резком изменении сродства лиганда к какому-либо внутри­клеточному макромолекулярному комплексообразователю. Труд­но представить себе наличие в клетке большой концентрации этого комплексообразователя без чего нельзя обеспечить вы­сокую концентрацию этого поверхностно активного вещества — лиганда с наружной стороны липопротеидной мембраны. Таким образом, перемещения в пространстве посредством изменения поверхностного натяжения липопротеидных структур наружной мембраны клетки несовершенны по двум причинам: 1) из-за большого объема наружной среды, что сопряжено с расходом больших количеств вещества для обеспечения нужной концент­рации лиганда, и 2) из-за низкой удельной энергопродукции — малой величины механической работы, производимой на едини­цу массы лиганда, связываемого «рабочим телом» наружной мембраны. Последнее обусловлено как малыми реальными пере^падами концентрации лиганда в рабочем цикле, так и большим «паразитным» объемом системы.

Эти причины несовершенства, «узкие места» первоначальных, неспециализированных аппаратов перемещения в пространстве физико-химические по существу и становятся критериями естественного отбора, направляющие эволюцию, т. е. являются очередными физико-химическими факторами биологической эво­люции.

Предельно совершенным решением эволюционной задачи создания молекулярного механизма перемещения в пространст­ве будет предельно возможное уменьшение паразитного объема, переход к созданию локальной концентрации лиганда в активном центре макромолекулы, изменяющей свою конформацию при связывании лиганда. Для обеспечения не просто -периодичности, а выполнения полезной работы связываемый лиганд должен рас­щепляться на одной из стадий циклического процесса в экзэрго- нической реакции.

Всем этим условиям удовлетворяет ферментативный механо- химический преобразователь энергии.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ МЕХАНО-ХИМИЧЕСКИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

Таким образом, предельно совершенным молекулярным аппара­том перемещения в пространстве будет предельно совершенный фермент, максимально возможно изменяющий свою третичную (конформацию) или четвертичную (конфигурацию комплекса макромолекул) структуру сопряженно с превращением субстра­та в продукт [58].

Мы видели в главе 4, что изменение конформациинеобхо­димое условие совершенного ферментативного катализа. Однако вообще в ферментативном катализе изменение конформации лишь необходимое условие, средство проведения реакции по наиболее выгодному маршруту. В аппаратах перемещения цик­лические изменения конформации в некотором смысле «основ­ной продукт» реакции. Поэтому в ходе эволюции должны воз­никнуть специализированные на механо-химических преобразо­ваниях ферменты.

Рассмотрим общие принципы работы идеальных фермента­тивных механо-хим'ических преобразователей, следуя в основном работам А. Е. Букатиной и сотр. [40, 41, 42, 87, 214, 430, 431].

Представим себе макромолекулярную «пружину» с двумя одноименными (пусть это будут ®) электрическими зарядами на концах (рис. 21, Е). Из-за отталкивания одноименных заря­дов пружина находится в максимально растянутом состоянии. При появлении в среде вещества S-молекулы с двумя отрица­тельно заряженными концевыми (например, карбоксильными) группами пружина сжимается (рис. 21, Е) и производит меха-

РИС. 21. Схема работы ферментативного механо-химического преобразователи энергии

Е — свободный фермент; 5 — субстрат; ES — фермент-субстратный комплекс; ЕР — фер- мент-продуктиый комплекс; /g длина £: /gs Длина £ в ЈS комплексе /Ј>/eS

РИС. 22. Изменение потенциального профиля при работе идеального фермента­тивного механо-химического преобразователя энергии

/ стадия образования £5-комплскса п >корочения Е. 1-й барьер понижен. II стадия — £5-комплекс превращается в £Р-комплекс. происходит каталитическое превращение суб­страта в продукт. 1-й барьер повышен, 2-й — понижен; III стадия £Р-комплекс расщеп­ляется. Оба барьера повышены

ническую работу. При завершении сжатия макромолекулярной пружины на макромолекуле образуется каталитический центр, в котором осуществляется реакция (в нашем примере) «дека- питации», S обе отрицательно заряженные группы уничтожа­ются в реакции декарбоксилирования (рис. 21, ЕР) пружина распрямляется. Такая молекулярная пружина будет циклически совершать механическую работу за счет энергии, выделяющейся при расщеплении субстрата S. Замечательно, что сама по себе реакция разрушения субстрата может и не быть экзэргониче­ской. Энергия может выделяться и на другой стадии цикла, на­пример, при связывании субстрата. Поэтому определяющим условием работы такого механо-химического преобразователя будет целесообразное изменение кинетических потенциальных барьеров целесообразное изменение каталитических свойств в определенных фазах цикла. Субстрат S не должен расшепляться несократившимся ферментом, что обеспечивается большим по­тенциальным барьером, препятствующим расщеплению. Этот барьер должен резко понижаться в конце процесса укорочения «пружины» и вновь резко возрастать, как только субстрат пре­вратится в продукт. Иначе будет идти обратный процесс ресинтез субстрата из продукта за счет механического напряже­ния макромолекулы под влиянием нагрузки. Новая молекула субстрата не должна соединяться с ферментом до его полного распрямленияиначе амплитуда перемещения (Д/) уменьшит­ся, и соответственно уменьшится выполняемая работа. Это может быть обеспечено целесообразным изменением потенциального барьера, препятствующего образованию комплекса (рис. 22). Понижение барьеров аналогично открыванию клапанов в паро­вой машине или двигателе внутреннего сгорания. Открылся пер­вый клапан, т. е. понизился первый барьер (в результате растя­жения пружины при отталкивании одноименных зарядов в на­шей модели) субстрат получил доступ к центру связывания фермента, пружина в £5-комплексе сократилась, совершилась механическая работа одновременно повысился первый барьер, т. е. закрылся первый клапан, образовался каталитический центр, резко понизился второй барьер, т. е. открылся второй клапан, субстрат превратился в продукт, пружина (каждая макромоле­кула в отдельности) распрямилась, второй барьер повысился, второй клапан закрылся, но снова открылся первый, и т. д. Так работает механо-хнмический ферментативный «трехтактный» преобразователь энергии (рис. 23).

t

Наш трехтактный ферментативный механо-химический двига­тель построен на основании общих соображений, теоретического анализа, проведенного в работах [41, 42]. Реальные механизмы биологической подвижности не обязательно должны соответство­вать этой абстрактной схеме. Разным видам биологической под­вижности могут отвечать различные модификации предельно совершенного образца. Однако во всех случаях речь идет о ме- хано-химических, вернее, химико-механических преобразованиях энергии. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что сам прин­цип механо-химических ферментативных преобразований был сформулирован, н его первые экспериментальные подтверждения были получены В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой в 1937— 1946 гг. [184, 354]. Непреходящая ценность работ М. Н. Люби­мовой и В. А. Энгельгардта, открывших АТФ-азную активность миозина (актомиозпча пи современной терминологии), состоит

РИС. 23. Характеристики иде­ального «ферментативного трех­тактного двигателя»

Изменения: а —длины макромо­лекулы фермента; б —высоты по­тенциального барьера, определяю­щего скорость связывания субстра­та 8j и в высоты потенциального барьера, определяющего скорость превращения субстрата в продукт 8 ij. По оси абсцисс — времяименно в обнаружении экспериментальных оснований для фор­мулирования общего принципа. Этот механо-химический прин­цип должен по праву называться принципом Энгельгардта. По существу, ставшее столь популярным представление о конформа- ционных движениях макромолекул фермента в связи с его функ­цией есть развитие принципа Энгельгардта. Естественно, что наиболее явственно он выступает в механизмах биологической подвижности.

В последовавшие за работами Энгельгардта годы принцип механо-химических преобразований при ферментативном ката­лизе получил широкое признание и развитие [175, 176, 409].

Особое, весьма большое значение для развития этой области имели работы А. Качальского и В. Куна и их учеников и сотруд­ников [409]. Созданные ими на основе биополимерных материа­лов двигатели осуществляли механо-химические преобразования энергии. Строгий анализ термодинамических и кинетических закономерностей при механо-химических преобразованиях был осуществлен А. Е. Букатиной и В. Н. Морозовым [41, 42], как это отмечено выше.

СИНХРОНИЗАЦИЯ КОНФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРМЕНТОВ

Пока мы рассматривали механо-химический преобразователь энергии, состоящий из одной свободно плавающей макромоле­кулы фермента. При сколь угодно эффективном преобразовании химической энергии в механическую такая макромолекула мало пригодна для перемещений в пространстве макрообъектов. Ее собственные перемещения в пространстве будут осуществляться лишь реактивно, посредством импульсов отдачи. Действительно, в растворе таких макромолекул, движущихся несинхронно и в случайных направлениях, будет происходить лишь некоторое перемешивание, эквивалентное возрастанию амплитуд «броуни- рования» (по терминологии Н. И. Кобозева [136]). Таким обра­зом, «эволюционный потенциал» возможность эволюционного совершенствования определяется переходом от беспорядочно движущихся макромолекул ферментов, осуществляющих механо- химические преобразования к предельно векторизованным пере­мещениям макроскопических многомолекулярных ансамблей таких макромолекул.

Простейшим и, вероятно, исходным способом создания таких многомолекулярных ансамблей является синхронизация кон- формационных циклов свободно растворенных макромолекул ферментов.

Реальна ли синхронизация конформационных движений от­дельных макромолекул? Мне кажется, что вполне [335—338, 342, 458]. В са,мом деле, представим себе обстановку в прото­плазме. Макромолекулы разных ферментов, отделенные друг отдруга большим или меньшим слоем воды, грызут или сшивают свои субстраты, претерпевая циклические изменения своей кон­формации. Что это значит? Изменения конформации макромоле­кул состоят ,в изменении взаимного расположения отдельных функциональных групп макромолекулы, т. е. радикалов амино­кислот. Эти группы сближаются и раздвигаются, таким обра­зом, для контактов с окружающей водой и субстратами откры­ваются то одни, то другие аминокислотные остатки. Соответст­венно изменяются электрические заряды на поверхности макро­молекулы. К открывающимся заряженным группам устремляют­ся молекулы воды и соответствующие мелкие противоионы. Дви­жущаяся, изменяющая свою конформацию макромолекула ока­зывается источником, генератором электромагнитного поля. Правда, противоионы и молекулы воды компенсируют в значи­тельной степени это поле (радиоволны плохо распространяются в морской воде), но конфирмационные колебания — каталитиче­ские циклыпроисходят с относительно очень малой частотой (1 —105 гц). Такие низкочастотные колебания, такие сверхдлин- ные волны (3-105 3 км) вполне хорошо проходят и сквозь мор­скую воду. Однако сейчас нам важно лишь, что -изменения элек­трических зарядов на поверхности макромолекул в ходе их кон­формационных колебаний могут передаваться и на некоторое расстояние от молекулы фермента.

При изменении взаимного расположения аминокислотных радикалов в макромолекуле будут то открываться, то закры­ваться для контактов с водой и неполярные группы гидрофоб­но-гидрофильная мозаика поверхности макромолекулы будет претерпевать циклические изменения рисунка, соответствующие конформационным изменениям макромолекулы. Всякое измене­ние степени экранированное™ гидрофобных групп, любое изме­нение рисунка полярно-неполярной мозаики на поверхности мак­ромолекулы вызовет немедленное .изменение ориентации моле­кул воды около макромолекулы. Молекулы воды, повернутые к полярным группам макромолекулы, отвернутся от возникших на их месте неполярных, образуя связи по преимуществу друг с другом, образуя структуру чистой воды. Это вызовет переориен­тацию в следующих слоях воды, и волна структурной перестрой­ки воды распространится на некоторое расстояние от поверхно­сти макромолекулы. Таким образом, претерпевающая конфор- мационные колебания макромолекула белка должна быть так­же и генератором волн структурной перестройки окружающей воды.

Наконец, все эти изменения (и изменения электрических за­рядов, и изменения полярно-неполярных соотношений) будут сопровождаться объемными эффектами (о чем мы уже говорили выше). Так, упаковка молекул воды, ориентированных в направ­лении заряженных групп, и упаковка ее молекул вблизи гидро­фобных поверхностей, различна. Конформационные колебаниядолжны, как правило, сопровождаться колебаниями объема си­стемы молекулы белкавода. Значит, претерпевающая кон­формационные колебания макромолекула должна быть также и генератором акустических колебаний.

Я излагаю здесь все эти соображения с единственной целью показать, что между отдельными макромолекулами, испытываю­щими конформационные колебания, может происходить взаимо­действие той или иной природы. Не существенно, сильно оно или слабоэтот вопрос могут решить лишь строгие физические ис­следования; здесь важно лишь, что оно физически реально. Сле­довательно, реальна и синхронизация конформационных колеба­ний многих макромолекул одного сорта. Общеизвестно явление синхронизации, взаимного затягивания по частоте и фазе коле­бательных систем, генераторов электрических, акустических, механических[13]. Связь между генераторами может быть сколь угодно слабой, но захват, синхронизация все равно осуществля­ется. Должны возникать синхронно колеблющиеся ансамбли макромолекул. Размеры таких ансамблей должны быть доста­точно велики для создания потоков жидкости (а, следовательно, и для перемещения самих ансамблей в жидкости), обеспечиваю­щих преодоление диффузионного барьера в биохимических про­цессах. Попробуем оценить размеры таких ансамблей.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ АНСАМБЛЕЙ МАКРОМОЛЕКУЛ В АППАРАТАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ

Итак, мы хотим построить макроскопический двигатель, рабо­тающий за счет энергии, выделяющейся в ходе катализируемой в самом двигателе реакции. Ясно., что его размеры, размеры та­кого ансамбля макромолекул должны быть ограничены условия­ми диффузии. Синхронность конформационных изменений от­дельных макромолекул фермента в ансамбле будет определять­ся отнюдь не только условиями синхронизации в ходе взаимо­действия генераторов. Необходимо, чтобы она не нарушалась вследствие различия в доступе субстрата ко всем макромолеку­лам фермента в ансамбле. Для конформационных колебаний с частотой порядка 1 кгц время образования фермент-субстратно- го комплекса не должно превышать 10_3 и даже 10~4 сек, для колебаний с частотой порядка 10 кгц оно порядка 10-5 сек. Сле­довательно, при учете скорости диффузии размеры двигатель­ного ансамбля макромолекул должны быть порядка 100— 1000 А. По-видимому, можно найти оптимальные соотношения между частотой конформационных колебаний в ходе фермента­тивных актов и размерами ансамбля макромолекул, обеспечи­вающего макроскопические перемещения. Более эффективным

двигателем будет, вероятно, относительно низкочастотный фер­мент. Чем ниже частота конформационных колебаний, тем боль­ше размер ансамбля, в котором возможна синхронизация. 'Гак, при частоте 10 гц можно пренебречь диффузионными искаже­ниями синхронности в ансамблях размером порядка долей микрона (а то и целых микрон)., Итак, мы приходим к выводу о возможности построения в биохимических (биологических) системах аппаратов перемещения в пространстве на основе макромолекул ферментов, испытывающих в ходе каталитических циклов синхронные конформационные колебания и объединен­ных в дискретные ансамбли. Такие дискретные ансамбли могут быть органами движения, элементарными движителями. Зато число их в клетке может быть большим нужно только, чтобы все ансамбли клетка могла обеспечить горючим (например, АТФ).

Таким образом, в ходе эволюции должны возникнуть белки- ферменты, способные расщеплять АТФ с предельно высокой эффективностью преобразования свободной энергии гидролиза макроэргических связей в механическую работу.

Как сказано выше, вероятно, что такие молекулярные осцил­ляторы, даже разделенные средой (водой), образуют синхронно ьолеблющиеся ансамбли. Однако в ходе эволюционного совер­шенствования вырабатываются более надежные химические, а не физические способы создания определенных ансамблей спе­цифических макромолекул . Эти способы известны и естествен­ны— самосборка ансамблей макромолекул в результате специ­фического взаимодействия макромолекул друг с другом, осно­ванного «а химических и физико-химических механизмах. Речь идет здесь об образовании макромолекулярных агрегатов опре­деленной формы, обусловленной последовательностью амино­кислот в полипептидной цепи. Существование таких ансамблей не ограничено лишь временем их функционирования. Возникшие молекулярные ансамбли проходят свой обычный эволюционный путьсовершенствование посредством специализации, разделе­ния функций. Автоматический ритмический режим изменения конформаций должен быть подчинен задачам целесообразного движения, что достигается наиболее естественным образом пу­тем регуляции ферментативной активности макромолекулы и тем самым частоты ее конформационных колебаний.

Следовательно, из общих эволюционных, физических и хими­ческих соображений мы пришли к представлению об универсаль­ных элементарных аппаратах движения в биологических объек­тах. Они должны представлять собой дискретные, самособира- ющиеся ансамбли ферментативных макромолекул, претерпеваю­

щих синхронные, или во всяком случае, упорядоченные во всем ансамбле конформационные колебания, конформационные цик­лические изменения, происходящие за счет выделения свободной энергии в экзэргонической реакции.

ЛОГАРИФМИЧЕСКАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЧАСТОТЫ КОНФОРМАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТОВ

Одним из интересных признаков кооперативного функциониро­вания всего ансамбля макромолекул фермента в этом дискрет­ном двигательном аппарате должна быть логарифмическая за­висимость частоты конформационных колебаний ансамбля мак­ромолекул от концентрации АТФ. Иными словами,

г л т I, dv г/ 1 dC 1 ,

~ In [АТФ], или = /( ; отсюда — = dC С dv К

где С=[АТФ]концентрация АТФ, v частота колебаний, по­роговая концентрация АТФ при v = 0.

Физический смысл этой зависимости, по-видимому, таков: число макромолекул фермента (АТФазы), вовлеченных в фер­ментативный процесс, пропорционально концентрации АТФ. Макроскопические колебания возникают вследствие синхрониза­ции по ансамблю конформационных колебаний отдельных мак­ромолекул. По мере увеличения числа вовлекаемых в процесс макромолекул вклад каждой следующей в синхронные колеба­ния становится меньше. Таким образом, приращение частоты колебаний с увеличением концентрации АТФ (или, что то же, с увеличением числа вовлеченных в колебания макромолекул) обратно пропорционально числу уже вовлеченных макромоле­кул, величине уже образовавшегося синхронного ансамбля. Ко­личественный анализ этой логарифмической зависимости может дать очень важные сведения о размерах такого ансамбля, о сте­пени кооперативное™ конформационных колебаний отдельных макромолекул. Для такого анализа нужны, однако, дополни­тельные экспериментальные исследования. Стоит, однако, выяс­нить, почему вообще частота макроскопических колебаний, мо­жет зависеть от числа макромолекул, вовлеченных в такой ан­самбль.

Дело в том, что речь идет не о синхронизации осцилляторов, имеющих собственную частоту ко-нформационных колебаний, а о синхронизации механо-химических циклов [41]. В каждом цик- те происходит преобразование энергии макроэргических связей АТФ в механическую работу. Время оборота такого цикла зави­сит как от каталитической активности, неодинаковой на разных фазах цикла, так и от скорости преодоления механического со­противления среды. Чем быстрее это сопротивление будет пре­одолено (сопротивление вязкой среды, инерция перемещаемого тела), тем быстрее наступит фаза расщепления следующей мо­лекулы АТФ. При кооперативной работе макромолекул скорость преодоления механического сопротивления растет. При механи­ческих деформациях убыстряется и каталитическое расщепле­ние макроэргических молекул. Тем самым скорость оборота, частота механо-химических циклов растет по мере образования синхронизированного ансамбля макромолекул.

Проведенное рассмотрение логарифмической зависимости частоты механо-хим,ических циклов от концентрации субстрата имеет, возможно, более широкий биологический смысл: логариф­мическая зависимость вообще характерна для процессов реа­гирования живых систем, для физиологических процессов. Ло­гарифмическая зависимость величины ответной реакции от силы воздействия (например, громкость звука определяется логариф­мом его интенсивности) давно известна в физиологии под названием закона Вебера — Фехнера. Закон этот неоднократно критически переосмысливался и млого раз сужалась область его применимости, но зависимость такого рода исе же существует для значительного диапазона интенсивностей раздражителя. Я убежден, что причина логарифмической зависимости самых разных ощущений от интенсивности раздражителя всегда оди­накова— наличие кооперативно-ансамблевого аппарата вос­приятия.

Наиболее важным для дальнейшего выводом из анализа за­висимости частоты макроскопических колебаний от концентра­ции «топлива» является существование предельной частоты та­ких колебаний. В самом деле, концентрация АТФ в клетке не может превышать некоторую, довольно низкую величину, поряд­ка 104-М0~3М. Следовательно, и частота конформационных циклов ансамблей макромолекул не может быть выше некото­рой величины, пропорциональной логарифму предельной кон­центрации АТФ.

Итак, размеры макромолекулярных ансамблей и частота их конформационных колебаний-биений предельно ограниченны.

РОЛЬ КОНФОРМАЦИОННЫХ ДВИЖЕНИИ И ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИИ pH В АППАРАТАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ

Существенной частью механизма описанной выше модели фер­ментативного механо-химического преобразователя являются силы взаимодействия заряженных групп макромолекулы. Сле­дует отметить, что модель биологической подвижности, основан­ную на конформационных изменениях полипептидных цепей (спиралей) в результате изменения взаимодействия электриче­ских зарядов боковых групп, предложил в 1929 г. К. Майер^см. [407]). Он полагал, что заряды на полипептидной цепи из­меняются при изменении pH внутриклеточной среды. Мысль эта была тогда вполне естественной. Мейархоф, казалось бы, одно­значно установил, что мышца сокращается в результате закис- лення, вызванного образованием в процессе гликолиза молочной кислоты [407]. Впоследствии (после работы Лундсгаардта в ла­боратории М'ейерхофа) «стало ясно», что мышца сокращается не потому, что образуется молочная кислота, а за счет расщеп­ления макроэргических фосфатов [407], а после знаменитых ра­бот Дж. Хэнсон, X. Хаксли и Э. Хаксли (см. [104]) была остав­лена идея конформационных изменений макромолекул, как при­чина биологической подвижности и стала общепринятой «теория скользящих нитей»— сокращение мышц и другие виды биологи­ческой подвижности в результате встречного скольжения не из­меняющих свою конформацию фибриллярных структур. Однако «на самом деле» установление уникальной роли макроэргиче­ских фосфатов и открытие явления скольжения не опровергает ни ключевого значения изменений электростатических взаимо­действий, определяемых в свою очередь уменьшениями pH, ни изменений конформации макромолекул в аппар.ата.х биологиче­ской подвижности. «Скольжение» основано на конформационных движениях ТММ-фрагментов миозиновых молекул, циклически замыкающих и размыкающих связь («мост») с нитями фибрил­лярного актина [86]. Важную роль изменений конформаций мак­ромолекул в явлениях скольжения неоднократно подчеркивал Г. М. Франк [307]. Возможное значение изменений pH в аппара­тах биологической подвижности практически ускользает из поля зрения современных исследователей. В соответствии с представ­лениями, изложенными в гл. 7, основной способ накопления сво­бодной энергии в биохимических системахнаполнение емко­сти рН-буферов. Там же приведены утверждения, согласно кото­рым биохимическое назначение макроэргических пирофосфат­ных связей состоит в локальном (в нужном месте и в нужное время) изменении pH, сопровождающем гидролиз этих связей. Я полагаю вероятным, что такой же смысл имеет расщепление АТФ в ходе АТФ-азной реакции при мышечном сокращении. Миозинавая АТФ-аза, расщепляя АТФ, осуществляет быстрое локальное закисление района активного центраобласти кон­такта ТММ-участка молекулы миозина с актином. Такое ло­кальное изменение концентрации водородных ионов приводит к изменению конформации белков и к возникновению механиче­ской силы. Если меромиозиновый мост уже соединен с актино- в-ой нитью, то развивается натяжение —форма мышечной клет­ки изменяется, т. е. мышца сокращается.

На самом деле, ситуация, конечно, много сложнее (см., на­пример, [40, 84, 85]); однаш сейчас серьезных возражений про­тив такого смысла элементарного акта АТФ-азной реакции, по- видимому, нет. Вполне вероятно, что смысл гидролиза макро-эргических фосфатов состоит в обеспечении локальных, контро­лируемых изменений pH. Так, что, может быть, Нобелевская премия, присужденная более 50 лет назад А. Хиллу и О. Мейер- хофу, была не напрасной (см. [407]).

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ МЕХАНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

ПЕРЕХОД ОТ КОНФОРМАЦИОННЫХ ДВИЖЕНИЙ К СКОЛЬЖЕНИЮ

Итак, мы пришли к выводу, что, следуя физико-химическим кри­териям, естественный отбор должен привести к возникновению универсальных механизмов, обеспечивающих перемещение кле­ток в пространстве. Эти универсальные механизмы должны представлять собой ансамбли ферментативных механо-химиче- ских преобразователей энергии. Размер этих ансамблей поряд­ка 1 —10 мкм ограничен диффузией субстратов и продуктов. Час­тота периодических изменений конформации макромолекул в ансамбле, ограниченная концентрацией АТФ, имеет порядок де­сятков гц. Непосредственной причиной изменений конформации макромолекул при преобразовании химической энергии в меха­ническую может быть локальное изменение pH.

Ясно, что все это соответствует реально существующим уни­версальным двигательным аппаратам клетокундулоподиям жгутикам и ресничкам [259]. Специализация ундулоподий может привести к усложнению их структуры и разделению функций ферментативное расщепление макроэргических субстратов может осуществляться в специализированном активном центре в от­дельной макромолекуле, а изменение размеров—.производство механической работыв других макромолекулах. Такое разде­ление единого ма.кромолекулярного механо-химического преоб­разователя на специализированные макромолекулы обусловле­но, вероятно, задачей увеличения эффективности механо-химиче- ских циклов (А. Е. Букатина). В самом деле, в нашей модели- пружине с двумя одноименными зарядами требовалось довольно искусственное предположение о полном уничтожении зарядов субстрата в результате, например, декарбоксилирования за­мене сильных кислотных групп карбоновых жислот слабой уголь­ной кислотой. Кроме того, «обратный ход»распрямление пру­жины сопряжен с преодолением более алт менее сильного взаимодействия внутри пружины. Существенное облегчение «об­ратного хода», предотвращение или сильное «уменьшение трат энергии на этот процесс достигается в двухкомпонентной систе­ме— взаимодействии двух «независимых частей» .пружины, на­пример, по тому же электростатистическому механизму. Те­перь обратный ход«расслабление»—может осуществляться почти без затрат энергии.

Переход к двухкомпонентным .системам, преобразование хи­мической энергии в .механическую работу— переход от совер­шения работы за счет конформационных движений макромоле­кулы самого ферментак «скольжению»активному «встреч­ному» перемещению двух макромолекулярных компонентов обеспечивает максимальную эффективность механо-химических преобразований.

В двухкомпонентных системах активное встречное движение макромолекулярных компонентов, т. е. сокращение системы мо­жет осуществляться за счет конформационных движений. Обрат­ный ход — [расслаблениеможет осуществляться без изменения конформации компонентов системы. Для этого встречное дви­жение— скольжениедолжно осуществляться в результате от­носительно большого числа циклов изменения конформации одного из компонентов (периодического замыкания и размыка­ния мостов ТМ1М и актина), а обратное движениескольжение несцепленных макромолекул должно осуществляться пассивно.

Такая двухкомпонентность—наличие актина и миозина ха|ра,ктерна для большинства систем биологической .подвижно­сти [86].

Итак, логика рассмотрения физико-химических критериев естественного отбора при эволюционном построении аппаратов перемещения в пространстве цривела нас от изменений поверх­ностного натяжения к изменяющим свою конформацию фермен­там, и, наконец, к двукомпонентным механо-химическим фермен­тативным преобразователям, м.акромолекулярные компоненты которых не обязательно .изменяют свою конформацию.

ОТ УНДУЛОПОДИЙ к МЫШЦАМ

Пока мы обращали внимание лишь на термодинамическую эф­фективность и на скорость (кинетику) преобразования энергии в аппаратах перемещения организмов в пространстве. Однако име­ются еще чисто механические .критерии совершенства аппаратов перемещения в пространстве. Совершенство перемещения в про­странстве в значительной степени определяется абсолютной ско­ростью движения. Чем быстрее организм достигнет источника пищи или избегнет опасности, тем больше вероятность его вы­живания. Абсолютные скорости перемещений в пространстве определяются размерами рычагов. Размеры ундулоподий, как было показано, ограничены диффузией субстратов и продуктов ферментативного катализа. Единственным способом увеличения скорости перемещения посредством ундулоподий оказывается увеличение их числа у каждого организмаклетки. Так возни­кают клетки, покрытые большим числам ресничек.

Было бы о.чень интересно рассчитать предельно возможную скорость перемещения организмов .посредством жгутиков и ресни­чек. Однако расчет этот очень сложен. Движение клеток посред-«ствам ресничек было предметом ряда исследований (см. [259]). Как показал Л. Н. Серавин [260, 231], движение инфузорий осу­ществляется посредством движения «чехла» воды, прилегающе­го поверхности клетки. Реснички при биениях .вызывают дви­жение этого поверхностного слоя. Таким образом, основная энергия затрачивается на преодоление вязкого сопротивления б этом слое движению ресничек. Это следует .из весьма низких значений чисел Рейнольдса, характерных для движения инфузо­рий и жгутиконосцев [368, 464, 472]. Следовательно, предельная скорость движения таких организмов определяется трением. При биениях ресничек в прилегающем слое воды накапливаются импульсы и клетка «разгоняется»—скорость ее перемещения относительно (отдаленных слоев воды или) этого прилегающего слоя воды постепенно возрастает. Ясно, что существует предел этой скорости, заданный частотой биения ресничек. При некото­рой скорости движения клетки реснички цр биении не будут передавать импульс окружающей среде. Таким образом, пре­дельная скорость движения клетки будет лимитирована предель­ной частотой биений, лимитируемой, в свою очередь, диффузией субстратов («топлива») к ферментативным мехаио-химическим преобразователям. Поэтому задача увеличения .максимальной скорости перемещения в пространстве может быть решена лишь посредством увеличения скорости движения «весел». Это нельзя сделать посредством увеличения частоты биений, но это, каза­лось бы, можно осуществить посредством увеличения длины рычага. Мы уже видели, что размеры у.ндулолодий также лими­тированы диффузией. Поэтому можно представить себе удлине­ние рычага лишь при условии, что большая часть этого рычага погружена в среду, содержащую «топливо» (например, АТФ). Это значит, что большая часть двигательного аппарата должна находиться внутри клетки. Мы приходим к новому принципу движенияклетка движется посредством максимального рыча­га, равного ей и даже превосходящего ее размеры, и движение совершается посредством изменений форы клеток. Для этого необходимо прикрепить «сократительную» нить изнутри к двум максимально отдаленным участкам клеточной стенки. При со­кращении этой нити клетка будет (более или менее резко) изме­нять свою форму. Скорость движения клетки будет определять­ся скоростью движения «концов» клетки при ее, например, сжа­тии и распрямлении. Такой аппарат является, по сути, мышцей.

Ясно, что организмы, вставшие на этот путь эволюции, будут увеличиваться в размерах: чем больше размеры рычага, клетки, органа, организма, тем выше абсолютная скорость движения организма.

В настоящее время трудно оценить из общих соображений величину выигрыша в абсолютной скорости движения при пере­ходе от ресничек к мышцам. Воспользуемся поэтому экспери­ментальными исследованиями и их анализом, выполненными

РИС. 24. Зависимость макси­мальной скорости перемещений

У су /сен

в воде от длины тела различ­ных животных [346]

to Z Wj to31, см

/ жгутиковые; 2 — ресничные; 3— весточогие ракообразные; 4 рыбы* 5 киты

В. В. Шулейкиным и его сотрудниками еще в 1939 г. [347]. На рис. 24, взятом из [346], приведены данные о зависимости макси­мальной скорости перемещения в .воде различных животных от длины их тела. Видно, что для движения посредством ундуло­подий характерна предельная скорость порядка 10-1 см/сек. Для движения веслоногих рачков, обусловленного сокращением мышц, парящего движения взвешенных в воде организмов ха­рактерна предельная скорость порядка 10 см/сек, рыбы движут­ся со скоростью порядка 5-10—5-102 см/сек, и, наконец, кито­образные с предельной скоростью порядка 103 ом/сек.

Следовательно, переход от движения посредством ундулопо­дий к движению посредством мышц позволяет в принципе уве­личить абсолютную скорость перемещения в пространстве на четыре порядка (от 10'1 до 103 см/сек). Таким образом, направ­ление эволюции от ундулоподий к мышцам характеризуется большим эволюционным потенциалом, скорость .перемещений в пространстве оказывается мощным фактором биологической эво­люции.

Эволюция в направлении совершенствования перемещений в пространстве посредством мышц приводит к формированию мно­жества новых свойств :и приспособлений. Становится возможным не только полное овладение водной стихией, но и выход на сушу и полет в воздухе [140]. Одним из важнейших следствий эволю­ционного совершенствования перемещений в пространстве по­средством мышц является образование многоклеточных орга­низмов.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИМ СМЫСЛ НОГОКЛЕТОЧНОСТИ

Переход от ундулоподий к мышцам сопряжен с возникновением многоклеточности. В самом деле, каждая сокращающаяся (мы­шечная) клетка с сократительной нитью, прикрепленной к внут- генней стороне оболочки клетки, функционально равнозначнаодной ресничке или одному жгутику. Задача управления движе­нием, осуществляемым с максимально возможной скоростью, решается посредством 'объединения в один организм некоторого числа специализированных, сокращающихся лишь в определен­ном направлении мышечных клеток. Специализация (мышеч­ных) клеток на совершении сокращения лишь одного вида — естественный путь эволюционного совершенствования их работы. Образование многоклеточных организмов — естественное след­ствие такой специализации. Колоссальное увеличение скоростей перемещения, возникающее при замене ресничек мышцами, дает многоклеточным макроорганизмам огромные преимущества в естественном отборе.

Миофибриллы, обеспечивающие быстрое изменение формы клеток, появляются уже у одноклеточных организмов инфузо­рий[14]. Однако действительно эффективным средством не только быстрого изменения формы, но и перемещения в пространстве миофибриллы становятся при специализации всей клетки на движении в данном направлении. Быстрое перемещение в про­извольном направлении в пространстве может быть достигнуто лишь у многоклеточных организмов.

Эволюция многоклеточных животных в дальнейшем в значи­тельной мере определялась совершенствованием самих органов движения я аппаратов управления их работой— системой рецеп­торов, нервных клеток и нервных центров. Глубокие обобщения в проблеме эволюции локомоторных органов беспозвоночных животных принадлежат Л. А. Зенкевичу (112].

Из сказанного не следует, что переход от ундулоподий к мыш­цам и специализация мышечных клетокединственная причина возникновения многоклеточное™ [15]. Многоклеточность обусловли­вает предельное совершенство перемещений в пространстве, пре­дельно возможную абсолютную скорость перемещений и управле­ния этими перемещениями.

Однако наиболее общей причиной многоклеточности является выгодность специализации функций, частным случаем которой оказывается и возникновение мышечных клеток.

В самом деле, всякая функция сопряжена с синтезом опреде­ленных белков; чем интенсивнее данная функция, тем интенсив­нее синтез данных белков. Целесообразное чередование функций основано на соответственном чередовании синтезов определен­ных белков.

Ясно, что преимущественный синтез белков для обеспечения какой-либо преобладающей в данный момент функции основан на репрессии синтезов других белков, не нужных в данный момент. Это требует очень громоздкой и неэкономичной системы регуля­ции считывания матричных текстовбольших концентраций разных на разных стадиях жизни клетки белков-репрессоровг сложного аппарата управления синтезом самих репрессоров, су­ществования механизмов целесообразной дерепрессии (актива­ции) синтеза очередных белков.

Помимо громоздкости и неэкономичности такой системы су­щественна медленность включения очередных функцийнеоб­ходимо длительное время для прекращения уже идущих синте­зов, появления репрессоров, дерепрессии очередных генов и т. д.

Специализация клеток состоит прежде всего в специализации их геномаутрате или прочной репрессии большей части генов. Предельно специализированной клеткой является эритроцит мле­копитающих. Он содержит практически (по массе) лишь один белокгемоглобин— и выполняет лишь одну функцию: тран­спорт кислорода и углекислоты. В гораздо более сложных мыше­чных клетках преобладает синтез сократительных белков.

Итак, специализацияосновной путь совершенствования функцийдостигается лишь в многоклеточных организмах. Спе­циализация обеспечивается дифференциацией клеток стойкой репрессией .или даже утратой значительной части наследствен­ных текстов в процессе онтогенеза.

Ясно, что специализация клеток в многоклеточном организме' возможна лишь при возникновении системы взаимосвязи специа­лизированных клеток, объединяющей их в единый организм «государство клеток», как говорил Р. Вирхов. Такая связь осу­ществляется посредством химических (гормональных) или элек­трических (нервных) сигналов.

Само существование многоклеточных организмов сопряжено с новыми эволюционными «заботами» обеспеченней определен­ной «внутренней среды», целостности, регенерации при поврежде­нии и т. п. Обсуждение этих проблем выходит за пределы задач этой книги.

ОБЗОР РЕАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ

На самом деле имеется несколько типов явлений биологи­ческой подвижности. Прежде всего это движение протоплазмы’. Потоки протоплазмы омывают или даже увлекаюте собой клеточ­ные органеллы, осуществляя активное перемешивание внутри­клеточного содержимого. Кинетический смысл такого перемеши­вания очевиден. Движение протоплазмы происходит в клетках растений, животных, низших грибов. Удивительным образом его механизм, несмотря на примерно 200-летнюю историю исследо­ваний, все еще не ясен. Об этом свидетельствует чрезвычайное изобилие остроумных гипотез и теорий, объясняющих этот фено­мен. Яркая особенность движения протоплазмы состоит е правиль­ной периодической смене направления движения потоков. Мне представляется наиболее вероятной причиной движения прото­плазмы синхронизация конформационных движений ансамблей специализированных макромолекул. Изменения направления колебания вектора напряжениямогут быть результатом явле­ния, аналогичного «волнам структурной перестройки»перекри­сталлизации то по одной, то по другой затравке. Следует отме­тить, однако, что Н. С. Аллен [361] сообщила об обнаружении в эндоплазме нителлы нитей, аналогичных жгутикам, биением ко­торых обусловлено движение протоплазмы.

Ко 2-му типу явлений биологической подвижности можно отнести амебоидное движение, очень часто неотличаемое от дви­жения протоплазмы. Однако мне представляется их различие существеннымобразование и исчезновение псевдоподий сопря­жено не только с перетеканием протоплазмы, но и образованием (исчезновением) поверхностной мембраны, а также с изменени­ем кортикального слоя клеток типа гельзоль (см. [362]).

3-й тип явлений биологической подвижности движения хромо­сом при митозе и мейозе. При этом существенна все еще необъяс- ненная правильность пространственного взаиморасположения гомологичных хромосом. Расхождение хромосом к соответству­ющим центриолям происходит в результате сокращения нитей веретена, пучков, микротрубочек, состоящих из белка тубуллина (см. [362]) ‘.

Своеобразные движения 4-го типа осуществляются в результа­те изменения тургора гидростатического давления, обусловлен­ного осмотическими или иными механизмами. Так, посредством амбулакральной системы перемещаются иглокожие. Изменения тургора обусловливают движения растенийоткрывание и за­крывание устьиц, опускание и поднятие листьев.

К 5-му типу движений относится перемещение бактерий (про­кариот вообще) посредством жгутиков. Каждый жгутик бактерий состоит обычно из трех фибрилл, образованных последовательно соединенными глобулами белка флагеллина. В большинстве слу­чаев нити жгутиков длиной порядка микрон и диаметром около 120 А, лишены оболочки (мембрана).

Как следует из работ недавнего времени [366], механизм дви- женин жгутиков бактерий неожиданно своеобразен. Сам жгутик является лишь пассивным органомдвигатель расположен в основании жгутика в мембранеэто базальное тельце. Движе- ние осуществляется посредством вращения базального тельца в мембране. Существует представление, в соответствии с которым это вращение непосредственно обусловливается градиентом кон­центраций ионов водорода [269, 366]. Таким образом, в биологи­ческих структурах давным-давно изобретено колесо (!). Более то­го, это колесо аналогично ротору электродвигателя. Во всех этих типах движений скорость перемещении имеет лишь второстепен­ное значение. Этим объясняются малые абсолютные значения скоростей перемещения этих типов.

Скорость перемещений становится критерием естественного отбора, фактором биологической эволюции при решении задачи поиска подвижной добычи или активного избегания опасности. Эта задача решается посредством движений трех различных ти­пов. При своеобразных движениях 6-го типа происходят быстрые изменения формы тела инфузорий и некоторых жгутиковых. Яр­ким примером такого движения является быстрое сокращение стебелька сувойки с укорочением в несколько раз за сотые доли секунды (скорость движения порядка 20 см/сек). Сокращение этого типа осуществляется за счет изменения упаковки (конфор­мации субъединиц) лолиглобулярнсй белковой фибриллы —- спазмонемы (мионемы). Непосредственной причиной такого из­менения является увеличение концентрации (активности) ионов, кальция [363]. Такой механизм позволяет сувойке и ее родствен­никам быстро, «мгновенно» выходить из опасного контакта с врагом. Однако обратное движение, лимитируемое, по-видимо- му, откачкой ионов кальция специфическими насосами, происхо­дит медленно. В то же время для любого перемещения в прост­ранстве а расстояния, существенно превышающие размеры тела, нужны быстрые, многократные, периодические движения.

Отличие спазмонемы от мышцы состоит в том, что в первом случае возможен лишь один акт сокращения при увеличении кон­центрации ионов кальция вблизи сократительной системы, и про­изводимая работа определяется непосредственно величиной из­менений концентраций (активностей) ионов кальция, а в мыш­це— после запуска ионами кальция начинается циклический про­цесс, на один импульс ионов кальция эсвобождаются многие сот­ни порций энергии макроэргических фосфатов, происходит резкое возрастание мощности. Пределом совершенства таких механиз­мов являются перемещения 7-го и 8-го типовпосредством жгу­тиков и ресничек эукариот и посредством мышц. Сведения об устройстве и функционировании жгутяков и ресничек можно най­ти в книгах Л. Н. Серавина [259] и Н И. Арронега [10], а также в [362, 402]. Поэтому нет необходимости подробно излагать имею- шиеся данные. Замечательна однотитность строения жгутикови ресничек эукариот. Жгутики н реснички (ундолоподии) всех эукариотных организмов состоят из 9 пар периферических фиб­рилл и 2 центральных фибрилл, погруженных в относительно бес­структурную протоплазму и окруженных трехслойной мембраной. Сами же фибриллы, как и в жгутиках бактерий, состоят из глобу­лярных макромолекул белка тубулина и динеина, полимеризиро­ванного в виде нити или трубочки. Важным научным достижением было создание моделей жгутиков и ресничек, способных к ритми­ческой активности. Это впервые удалось сделать ГофманБер­лин гу IB 1953—1954 гг. Он показал, что у мертвых, экстрагирован­ных 50%-ным раствором глицерина, простейших и сперматозои­дов после помещения в раствор, содержащий хлористый калий (в концентрации 0,1 М), ионы магния (в концентрации порядка 10~3М), буферную смесь, поддерживающую pH близ 7—8 и АТФ в концентрации порядка 10_3М, возобновляются энергичные бие­ния жгутиков. С тех пор такие глицеринизированные препараты ундолоподий были получены из разных организмов (см. книгу Н. И. Арронета [10]). При обработке глицерином и другими экс­трагирующими веществами разрушается клеточная мембрана, вымывается протоплазма, и остаются лишь фибриллы. Образу­ющие их макромолекулы белка расщепляют АТФ. И этот про­цесс, эта АТФ-азная реакция сопровождается ритмическими до­стижениями фибрилл. В моделях частота биения жгутиков и рес­ничек пропорциональна логарифму концентрации АТФ. Значение этого обстоятельства рассмотрено выше. Движение ундолоподий отражает, вероятно, циклические изменения конформациикон- формационные колебания — макромолекул фермента в каталити­ческом акте. Способность к таким колебаниям, равно как и спо­собность образовывать многомолекулярные ансамбли, должна быть свойственна самим белковым макромолекулам, образую­щим фибриллы ундулоподий.

Наблюдавшиеся мною [335—339, 458] и другими авторами [293, 323] синхронные в макрообъеме конформационные колеба­ния в растворах белков актимиозинового комплекса или креа- тинкиназы происходят без субстратов и не отражают непосред­ственно циклические изменения макромолекул в ходе фермента­тивного катализа. Эти колебания беспорядочны, непериодичны, однако в них, вероятно, проявляется способность этих белков к синхронным колебаниям в ходе ферментативного катализа. Од­нако колебания, посредством которых работают аппараты био­логического перемещения в пространстве, должны осуществлять­ся за счет расщепления макроэргических соединений, вероятнее всего за счет расщепления АТФ.

Так, Паутард (см. [362, с. 97]) наблюдал колебания (сокраще­ния частиц геля контр актильного белка, выделенного из ундуло­подий сперматозоидов рыб, в среде с АТФ в присутствии ионов магния.

Весьма интересные наблюдения описаны А. Оплаткой и Р. Ти- рошем [440, 441]. В работах А. Оплатки и Р.Тироша [440] описано явление, возможно имеющее прямое отношение к приведенным рассуждениям. Авторы показали, что в растворах универсально- ю 'Сократительного белкового комплекса ,актомиозина, выделен­ного из плазмодия (или же из мышц кролика) и помещенного в узкие капилляры, в присутствии АТФ происходит энергичное дви­жение потоков раствора. Направления этого движения время от времени ритмически изменяются.

Оплатка и Тирош полагают, что движением растворах белков актомиозинового комплекса происходит в результате конформа­ционных колебаний макромолекул за счет энергии АТФ. Это их предположение соответствует всей системе рассуждений, приве­денных выше. Однако прежде всего необходимо подтверждение феномена, описанного этими авторами, в новых эксперименталь­ных исследованиях \

Поскольку биохимии и биофизике мышечного сокращения по­священо большое число фундаментальных работ [20, 40, 81, 82, 84, 85, 104, 376], и особенно книга В. И. Дещеревского [86], нам нет необходимости описывать современные представления по это­му вопросу.

Глава 10

УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ. НЕРВНАЯ СИСТЕМА

Совершенствование перемещений в пространстве. Возникновение рецепторов и нервов. Необходимость концентрации нервных центров

(образование мозга) и рецепторов

для обеспечения высокого совершенства управления движением.

Эволюционный потенциал эгапа эволюции, начинающегося с выработки .аппаратов активного перемещения, обусловлен в ос­новном возможностью векторизации перемещений в пространстве, выработки механизмов строго направленного движения. Наибо­лее сложно при этом обеспечение перемещений к произвольно движущейся цели. Такая задача возникла в процессе эволюции после выработки механизмов произвольного перемещения к относительно неподвижным целям. Но особенно острой она ста­новится при «взаимодействии» жертвы и хищника. Речь здесь идет о высокосовершенной жертве, способной к сложным произ­вольным движениям, и соответственно о не менее совершенном хищнике. Преследование совершенной жертвы совершенным хищ­ником сопряжено с предельно совершенным управлением пере­мещений в пространстве.

Как хищник, так и жертва должны прежде всего быть способ­ны воспринимать сигналы, информацию о местонахождении «друг друга». Оба они должны, кроме того, быть в состоянии прослежи­вать траектории взаимного движения, обобщать увиденное и ус­лышанное, создавать абстрактный образ, т. е. находить общую закономерность перемещения «партнера», запоминать обобщен­ную картину, сопоставлять ее с реальной траекторией, направ­лять свое движение в ожидаемую точку пространства и, победив, съесть жертву или, избежав съедения, продолжить свое сущест­вование.

Отсюда ясно, что предельно совершенные жертвы и хищники должны обладать предельно совершенной нервной системой, спо­собной к анализу поступающих сигналов, к сопоставлению обра­зов (отсюда и произошло слово соображение «соображение»), обладающей памятью, способной к абстракции, к принятию и реализации решений. Таким образом, при решении задачи управ­ления движением в ходе эволюции рано или поздно должны воз­никнуть предельно совершенные нервная система и система ре­цепторов.

В самом деле, представим себе жертву, которая может пере­мещаться в пространстве не менее совершенно, чем хищник. Хищ- ник не в состоянии догнать жертву и превратить ее в