Чтение онлайн

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

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

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

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

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

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

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

Объяснение подобному явлению следует, по-видимому, искать в своеобразной «ошибке» процесса репликации, происшедшей в прошлом (и, судя по различию в аминокислотных последовательностях, в довольно отдаленном прошлом). Участок ДНК, несущий информацию об аминокислотной последовательности некоего предкового, «ископаемого» глобина, оказался в матричной копии сдублированным дважды, и каждая из двух последовательностей после этого формировалась в процессе дальнейшей эволюции отдельно.

Вообще говоря, последовательность этого типа дублировалась в геноме млекопитающих не один и даже не два раза, судя по наличию обладающих особыми функциями цепей гемоглобина — так называемых - и -цепей, а также уже упоминавшейся молекулы миоглобина (как мы помним, ее пространственная структура весьма сходна со структурой субъединиц, составляющих молекулу гемоглобина). Этот эффект, называемый дупликацией гена, был известен генетикам еще в «домолекулярную» эпоху, однако выяснение его роли в эволюционном процессе следует целиком «записать на счет» молекулярной биологии.

Описанный пример свидетельствует о том, что точечные мутации являются вовсе не единственным способом осуществления эволюционного процесса. Наоборот, помимо дупликации гена, эволюция может идти за счет многих других хитроумных, хотя и редких по сравнению с точечными мутациями, но крайне важных явлений.

Назовем прежде всего выпадения части последовательности генетического материала, так называемые делеции. Механизм их возникновения можно представить себе следующим образом: молекула ДНК, с которой в процессе репликации снимается комплементарная копия, изогнулась в какой-то части с образованием петли, скажем, так, как рисуют траекторию самолета на схемах, поясняющих, что такое «мертвая петля». В результате часть генетического «текста» оказывается пропущенной. При сравнении аминокислотных последовательностей белков, состоящих в сравнительно близком «родстве», такие выпавшие участки обнаруживаются очень легко.

Рассмотрим вкратце еще один эффект, влияющий на формирование аминокислотных последовательностей белков, — кроссинговер при аберрантной конъюгации. Использование здесь этих мудреных слов следует понимать всего лишь как авторскую шутку, желание немножко припугнуть читателя, до сих пор тщательно оберегаемого от всяких научных терминов. Мы обойдемся без объяснения точного смысла каждого из этих устрашающих понятий, а попросту рассмотрим пример названного эффекта — аномальный гемоглобин Лепоре.

В отличие от названий аномальных гемоглобинов, возникших в результате точечной мутации, название гемоглобина Лепоре не происходит от географической местности — это просто фамилия семьи, в которой он был впервые обнаружен.

Аномалия типа Лепоре отличается от только что рассмотренных. Состоит она в следующем: в нормальном организме среди прочих типов цепей гемоглобина встречаются уже упоминавшиеся выше - и -цепи. Они имеют одинаковую длину — 146 остатков и очень близки по аминокислотной последовательности; различия касаются лишь 10 положений. Так вот: у лиц с аномалией типа Лепоре есть только одна цепь такой длины. Ее структуру легко может себе представить всякий, кто хотя бы однажды видел кентавра или русалку: начальная часть этой молекулы имеет последовательность -цепи, конец — последовательность -цепи. Хорошо изучены два случая аномалий подобного типа: Нв Лепоре Вашингтони Нв Лепоре Голландия. Различие между ними заключается в том, что у первого -последовательность сменяется -последовательностью на участке между 22-м и 55-м остатком, у второго — между 87-м и 116-м остатком. Столь приблизительное определение этой границы объясняется просто: на участках 23-54 и 86-115 аминокислотные последовательности обеих цепей совпадают.

Вот и все (или, по крайней мере, все основные) «методы» и «приемы» эволюционного процесса на молекулярном уровне. И пожалуй, приведенных сведений вполне достаточно для иллюстрации того, откуда взялась «целесообразность» организации биологических молекул и механизмов постоянного совершенствования их функционирования, совершенствования, происходящего на протяжении многих поколений. Стало быть, пора завершать наш краткий очерк процессов молекулярной эволюции?

К сожалению, нет, ибо ответ на более общий вопрос — о том, откуда взялись столь «разумно» организованные системы, какими являются живые существа, — не может ограничиться только описанием сути и механизмов молекулярной эволюции.