<<
>>

ЭВОЛЮЦИЯ ПРОТОБИОНТОВ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ

  Постулированная нами в предыдущей главе организация про- тобионтов должна была послужить исходной точкой для их дальнейшей эволюции на пути становления жизни. Главным в этой организации являлось то, что протобионты были не только динамически устойчивыми системами, не только могли неопределенно долго сохраняться в «первичном бульоне», получая вещества и энергию из окружающей их внешней среды, но что они при определенном сочетании совершавшихся в них реакций обладали способностью увеличиваться в объеме и весе, расти наподобие построенных нами коацерватных моделей.
При этом росте протобионты сохраняли до известной степени неизмененными присущие им формы организации. В частности, при синтезе все новых и новых полимерных молекул постоянству состава разрастающихся протобионтов в какой-то мере содействовала основанная на комп- лементарности, уже возможная в этих условиях, но еще очень несовершенная репликация содержащихся в протобионте полинуклеотидов. Однако главное заключалось в том, что протобионты сохраняли постоянство соотношения скоростей и согласованности совершавшихся в них реакций. Это определялось тем, что и при разрастании они все время сохраняли в себе исходную повышенную концентрацию простейших неорганических или органических катализаторов, избирательно поглощая их из внешней среды.

Маловероятно, чтобы в условиях первичной гидросферы Земли протобионты могли все время разрастаться как единая масса. Под влиянием внешних механических сил (например, удара волн или прибоя) они должны были дробиться наподобие дробления капель эмульсии при ее встряхивании. При этом чем больших размеров достигал любой индивидуальный протобионт в процессе своего роста, тем значительнее увеличивались его шансы раздробиться на более мелкие дочерние образования. Эти последние до известной степени должны были сохранять ту же организацию взаимодействия с внешней средой, которая была присуща и исходному про- тобионту, так как они являлись лишь простыми кусками, частями относительно однородного во всей своей массе образования.

Конечно, указанное явление по своему постоянству и точности ии в коей мере не может быть сопоставлено с самовоспроизведением даже наиболее примитивных ныне существующих организмов. При разрастании и дроблении протобионтов очень легко могли происходить всякого рода уклонения и сдвиги, в особенности при любом изменении условий окружающей среды. Однако все это вместе взятое неизбежно должно было приводить к возникновению своеобразного «предбиологического естественного отбора», который и определил собой дальнейшую эволюцию протобионтов на пути формирования первичных живых существ.

В настоящее время в научной литературе высказывается ряд соображений о правомочности использования термина «естественный отбор» только применительно к живым существам. Согласно широко распространенному среди биологов мнению, естественный отбор, являясь специфически биологической закономерностью, не может быть распространен на еще не живые объекты, в частности и на наши протобионты.

Однако ошибочно думать, что сначала возникли живые тела, а потом уже и биологические закономерности, или, наоборот, что первоначально сформировались биологические законы, а затем живые тела. В таком виде эта постановка вопроса напоминает старый схоластический спор о том, что возникло раньше — курица или яйцо.

Диалектика обязывает нас рассматривать образование живых тел и формирование биологических закономерностей происходящими в неразрывном единстве. Поэтому вполне допустимо считать, что протобионты — эти исходные для возникновения жизни системы — эволюционировали, подвергаясь действию не только собственно физических и химических законов, но и зарождающихся биологических закономерностей, в том числе и предбиологического естественного отбора. Здесь можно провести аналогию со становлением человека, т. е. с возникновением еще более высокой, чем жизнь, социальной формы движения материи, которая, как известно, складывалась под влиянием не столько биологических, сколько формирующихся общественных факторов, прежде всего трудовой деятельности наших предков, возникшей на очень ранней стадии антропогенеза и затем все более совершенствовавшейся.

Поэтому как возникновение человека не есть результат действия всего лишь биологических законов, так и возникновение живых тел нельзя свести к действию только одних законов неорганической природы.

Для иллюстрации сказанного приведем следующий конкретный пример, который до известной степени доступен и для экспериментальной проверки. Представим себе, что в одном и том же растворе присутствуют два типа систем (подобных нашим моделям), из которых одни обладают согласованным сочетанием реакций, ведущим в данных условиях внешней среды к син

тезу и разрастанию всей системы в целом.

В других системах, напротив, эта согласованность нарушена, и совершающиеся здесь процессы ведут к относительному замедлению синтеза или даже к преобладанию распада. Понятно, что второй тип систем будет постепенно отставать в своем росте и в конечном итоге исчезнет, уступив свое место первому более приспособленному к данным условиям существования типу (рис. И).

Только в таком элементарном смысле и нужно понимать «предбиологический естественный отбор». Прежде всего он выражается в том, что всякое нарушение согласованности реакций обязательно вызывает гибель, исчезновение данной, так сказать «неудачной», индивидуальной системы.

Напротив, если в том или ином прото- бионте в условиях постоянной или изменявшейся внешней среды происходило ускорение реакций окисления, сопряжения и полимеризации, повышение их согласованности, вообще изменение обмена, способствующее ускорению синтеза и роста системы, то такая система естественно приобретала преимущество перед остальными и начинала образовываться все в большем и большем количестве экземпляров. На этой основе и должно было происходить постепенное усовершенствование организации подавляющей массы разрастающихся и размножающихся нротобионтов.

Прежде всего оно должно было касаться их каталитического аппарата как главнейшего фактора организации обмена веществ, основанного на соотношении скоростей отдельных составляющих обмен реакций. Конечно, на разбираемой нами стадии развития не могло быть и речи о таких сложных, наделенных специфическим внутримолекулярным строением веществах, какими являются ферменты современных организмов. Доступными для протобион- тов катализаторами могли служить только присутствовавшие в значительных количествах в «первичном бульоне» простейшие органические вещества или неорганические соединения. В частности, например, соли железа, меди и других тяжелых металлов могли значительно ускорять реакции переноса водорода. Правда, их каталитическое действие несравненно слабее, чем действие таких ферментов, как пероксидаза или фенолоксидаза. Они являются, так сказать, очень «плохими» по сравнению с ферментами катализаторами, но как это было показано В. Лангенбеком, их ката

литическая активность может быть значительно повышена при сочетании их с теми или иными радикалами или молекулами.

Так, например, реакция переноса водорода может быть ускорена уже ионом неорганического железа. Ho это ускорение очень слабое. Оно несколько возрастает при сочетании железа с пирролом. Если же железо включить в четырехпиррольное соединение — в порфириновое кольцо, то полученный таким образом ге- мин будет обладать каталитическим действием, в 1000 раз превосходящим аналогичное действие неорганического железа. Как показал В. Лангенбек, даже такое простое органическое соединение, как метиламин, может ускорять реакцию декарбоксилирова- ния кетокислот аналогично тому, как это осуществляется в живой клетке ферментом карбоксилазой. Однако сам по себе метиламин действует в указанном направлении настолько слабо, что это действие может быть обнаружено только при повышенной температуре (в условиях автоклава). Включение в молекулу метиламина карбоксильной группы (синтез гликокола) повышает его каталитическую активность почти в 20 раз. Еще в несколько раз она увеличивается при включении ароматического или гетероциклического кольца и т. д. Идя этим путем, сознательно включая в исходную молекулу все новые и новые атомные группировки, Лангенбек получал свои знаменитые «искусственные модели ферментов», в частности такого рода соединения, каталитическое действие которых во многие тысячи раз превосходило аналогичное действие метиламина.

Этот же путь последовательного усовершенствования простейших катализаторов мог быть использован и в процессе эволюционного развития протобионтов, на основе их естественного отбора. На такого рода возможность эволюционного формирования биологических катализаторов справедливо указывал М. Кальвин. Однако просто в растворе отдельные молекулы катализаторов не могли подвергаться действию естественного отбора, так как для самих этих молекул их способность лучше или хуже катализировать реакции окисления не давала им никакого преимущества в отношении длительности существования или увеличения числа по сравнению с другими аналогичными молекулами, не обладавшими этой способностью. Иные отношения создавались для катализаторов, включенных в целостную систему протобионта. Отдельные растворенные в окружающей среде части сложной каталитически активной молекулы сами по себе могли быть почти полностью лишены этой активности. Однако избирательно поглощаясь протобионтом, они сочетались в нем в каталитически активный комплекс и если этот комплекс ускорял (по сравнению с внешней средой) полимеризацию или другие указанные выше реакции, именно он определял собой поточный характер системы, ее динамическую устойчивость и способность к росту (как это мы видели на примере модельных опытов).

Отсюда ясно, что чем более совершенным являлся данный комплекс, т. е. чем больше его молекулярное строение соответствовало его каталитической функции и чем более эта функция была согласована с другими реакциями, осуществлявшимися в данном протобионте, тем большие преимущества получал этот про- тобионт, тем лучше он сохранялся в данных условиях внешней среды, тем скорее он рос и размножался, а следовательно, и занимал ведущее место в прогрессивной эволюции предбиологиче- ских систем.

Можно себе представить колоссальное число атомных группировок, радикалов, органических и неорганических соединений и их комплексов, которые в той или иной мере обладали способностью катализировать необходимые для существования протобионтов реакции, например реакцию переноса водорода.

В многочисленных первично возникших протобионтах эта функция переноса, конечно, должна была осуществляться очень разнообразными каталитическими механизмами, строение которых сильно варьировало как в зависимости от состава той среды, из которой черпался материал для построения этих химических механизмов, так и от индивидуальных особенностей каждого отдельного протобионта.

Однако в результате того, что естественный отбор все время отметал менее совершенные механизмы, уничтожая все те системы, которые были ими наделены, это разнообразие делалось постепенно все уже. Из необозримого моря химических возможностей, которыми обладал «первичный бульон», отбирались лишь немногие наиболее эффективные комбинации молекулярных группировок. При этом чем раньше в процессе развития протобионтов осуществлялась такая стандартизация того или иного каталитического механизма, тем более универсальным он должен был явиться для всего последующего мира живых существ.

В качестве одного наиболее поразительного в этом отношении примера здесь нужно назвать НАД (никотинамидадениндинуклео- тид), который участвует как универсальный переносчик водорода в многочисленных окислительно-восстановительных процессах живой клетки. Мы находим его положительно во всех без исключения современных живых существах, как в микробах, так и в высших растениях или животных; как в гетеротрофах, так я в автотрофах, как в организмах, сбраживающих и окисляющих разнообразные сахара, так и в живых существах, источниками углеродистого питания которых являются фенолы и другие ближайшие производные углеводородов. Это указывает на то, что НАД был отобран живой природой из множества аналогичных соединений еще на сравнительно ранней стадии эволюции органической материи, у самых истоков жизни. Этому, конечно, содействовали преимущественные возможности абиогенного синтеза в условиях «первичного бульона» именно адениновых производных. Поэтому

адениновые производные должны были поступать из внешней среды в разрастающиеся протобионты с самого начала их возникновения. В дальнейшем они приобретали все большее и большее значение как переносчики водорода по мере своего усложнения и приспособления к этому процессу.

Нечто аналогичное можно сказать (на основании их сравнительнобиохимического изучения) и о флавиновых производных, этих весьма универсальных катализаторах окислительно-восстановительных процессов у современных организмов, затем о ко- ферменте A (KoA) и некоторых других аналогичных соединениях.

Приведенные данные позволяют высказать предположение, что на определенной стадии эволюции протобионтов роль ускорителей совершавшихся в них процессов стали играть кофермеыты, которые заменили собой более простые, но менее совершенные органические и неорганическуе катализаторы.

Коферменты и сейчас играют ведущую роль в обмене веществ всех современных организмов. Их число очень невелико, но любой из них является чрезвычайно широко распространенным универсальным ускорителем биологических процессов, что указывает на их очень раннее образование в процессе возникновения и развития жизни.

Совершенно необязательно, чтобы уже на первых этапах эволюции коферменты полностью синтезировались в самих прото- бионтах. Необходимое для динамической устойчивости разрастающихся протобионтов постоянство концентрации катализаторов могло поддерживаться и просто путем поступления этих относительно сложных соединений или образующих их компонентов из внешней среды. В связи с этим следует напомнить, что и многие современные даже высокоорганизованные живые существа, несмотря на безусловную потребность их обмена в определенных ко- ферментах, не способны синтезировать некоторые из них и принуждены получать их из внешней среды в форме витаминов.

Однако формирование процессов, ведущих к синтезу кофер- ментов из все более и более простых соединений, явилось существенным шагом вперед на пути прогрессивной эволюции протобионтов. Оно создавало условия для возможности существования протобионтов в среде все менее сложного состава, но вместе с тем требовало согласованного взаимодействия все большего числа необходимых для синтеза реакций.

Интересную схему такого рода эволюционного усложнения синтезирующей способности дал в свое время Н. Горовиц на основании своих исследований над грибом Neurospora. До некоторой степени она может быть применена и к разбираемому нами случаю синтеза коферментов в эволюционирующих протобионтах. Ядро этой схемы заключается в следующем. Допустим, что какой- то простейший организм или вообще какая-то открытая система нуждается для осуществляемого ею обмена в более или менее сложном органическом соединении А. Если это соединение присутствует в готовом виде в окружающей среде, система может его непосредственно воспринимать, даже не обладая какими-либо специальными химическими приспособлениями для синтеза этого вещества. Ho если возникает дефицит вещества А в окружающей среде или оно вообще здесь совсем исчезает, существовать дальше смогут только те системы, в которых тем или иным путем возникали новые химические механизмы, позволяющие синтезировать соединение А из более простых веществ В, G или D, присутствующих в достаточном количестве в окружающем растворе. В дальнейшем то же самое должно повториться и для вещества В, после того как оно будет исчерпано из внешней среды, и т. д.

Таким образом, исходные формы эволюционирующих систем должны были быть полностью гетеротрофными, т. е. целиком зависеть от сложного состава окружающей среды. Дальнейшая эволюция пошла в направлении возникновения в системах все более комплексных и многозвенных процессов, уменьшавших зависимость систем от внешней среды.

До известной степени этот путь эволюции может быть продемонстрирован даже на примере наших коацерватных моделей. Капли, обладавшие только способностью к полимеризации, могли сохраняться и расти лишь в среде, содержащей макрозргические фосфорные соединения. Включение окислительно-восстановительных реакций и сопрягающих механизмов позволило самим каплям синтезировать макрозргические соединения и создавало возможность роста капель в менее сложной и специальной среде. Аналогично этому существование протобионтов, использовавших для ускорения и согласования указанных трех реакций только готовые находившиеся в окружавшей их среде катализаторы, было очень ограничено этим условием, а сами катализаторы могли в этом случае быть представленными только сравнительно примитивными малоспециализированными веществами. Существенным шагом вперед являлся поэтому синтез в самом протобионте более эффективных катализаторов (коферментов) из менее сложных компонентов среды. Ho для этого требовалось уже дополнительное возникновение в протобионте новой реакции синтеза, приключавшейся к трем ранее названным. Так, в процессе разрастания и естественного отбора протобионтов должна была все более и более усовершенствоваться, а вместе с тем и усложняться система реакций обмена внутри протобионтов.

Уже чисто теоретические соображения, высказываемые рядом современных авторов, заставляют нас предполагать, что прогрессивная эволюция таких открытых систем, какими, в частности, являлись и наши протобионты, шла не только по пути улучшения согласования небольшого числа указанных выше реакций, но и в направлении увеличения числа этих реакций, удлинения образуемых ими цепей, разветвления этих цепей и их замыкания в постоянно повторяющиеся циклы. Это действительно подтверждается наличием у всех современных организмов весьма сложной, состоящей из очень большого числа реакций сетки метаболизма У различных представителей живого мира эта сетка может, как мы увидим ниже, очень сильно варьировать, но и в качестве своих отдельных звеньев она обязательно содержит в себе те три 1ипа реакций, о которых мы говорили выше. Эти реакции были присущи уже протобионтам, составляли основу их зачаточного обмена, но в процессе эволюции они многократно добавлялись и усложнялись путем включения все новых отдельных реакций и их сочетаний.

Однако чем длиннее и разнообразнее становились цепи реакций, чем большее их число входило в общую сетку обмена, тем строже должна была быть согласованность скоростей отдельных реакций и тем более совершенные каталитические механизмы были необходимы, чтобы этого достигнуть. Поэтому ранее существовавших малочисленных и относительно слабо специализированных катализаторов — коферментов — оказалось недостаточно для решения этой сложной задачи, и следующим весьма важным шагом прогрессивной эволюции протобионтов явилось создание целого арсенала новых мощных катализаторов-ферментов, т. е. белков, внутримолекулярная структура которых чрезвычайно хорошо приспособлена к выполняемым ими каталитическим функциям.

Ферменты обладают исключительной активностью и специфичностью своего каталитического действия именно потому, что их внутримолекулярное строение весьма совершенно приспособлено к осуществлению этой их биологической функции, а эта приспособленность, конечно, не могла возникнуть случайно, просто в растворе органических веществ.

Правда, мы уже познакомились с возможностью возникновения известной приспособленности каталитического аппарата К осуществлявшейся им функции в примитивном обмене веществ на примере формирования коферментов. Ho, во-первых, это формирование, как мы видели, могло осуществляться не просто в растворе «первичного бульона», а в динамически устойчивых разраставшихся и размножавшихся протобионтах, на основе естественного отбора этих индивидуальных систем. Во-вторых, нужно ясно себе представить ту принципиальную разницу, которая существует между коферментами и современными белковыми ферментами.

Многие ферменты (протеиды) в составе своего каталитически активного центра содержат ту или иную простетическую кофер- ментную группировку. Ho кроме того, как в них, так и в других ферментах (протеинах), в их активном центре сочетаются и боковые цепи аминокислотных остатков, содержащие гидроксильные, аминные, карбоксильные, сульфгидрильные, имидозольные, индольные и другие группировки, химические свойства которых хорошо известны. В некоторых случаях эти группировки, как и коферменты, и сами по себе могут выступать в качестве катализаторов, но в отношении своей каталитической активности они весьма заурядны и не могут идти в какое-либо сравнение с самими ферментами, способность которых ускорять ту или иную определенную реакцию поистине колоссальна. Так, например, фермент гексокиназа ускоряет реакцию взаимодействия АТФ с глюкозой более чем в IO11 раз, алкогольдегидрогеназа — окисление спирта более чем в миллиард (109) раз и т. д. Совершенно поразительной является также очень высокая специфичность ферментативного действия, послужившая основанием Э. Фишеру высказать в свое время афоризм, согласно которому любой фермент подходит к своему субстрату как ключ к замку.

То обстоятельство, что каждый данный фермент катализирует только строго определенную реакцию из множества других потенциально возможных для данного субстрата реакций, имеет громадное значение для организации обмена веществ не только с точки зрения общего ускорения всего жизненного процесса, но и в связи с определенной последовательностью реакций метаболизма, его общей направленностью.

Сказанное можно проиллюстрировать следующей элементарной схемой. Допустим, что какое-то органическое вещество А может превращаться в вещества В, С, D и т. д. На прилагаемой схеме скорости этих превращений изображены радиусами-векторами, длина которых соответственно характеризует скорость той или иной реакции.

На этой схеме мы видим, что скорость реакции А -gt; В в 7 раз больше, чем скорость превращения А D, а эта последняя идет в 2 раза медленнее, чем реакция A-^G. Понятно, что когда по истечении определенного времени исчезнет весь запас вещества А, в полученной смеси будет присутствовать 70% В, 20% G и 10% D. Таким образом, при данных условиях основная масса вещества А превращается в вещество В, так как это превращение идет по пути наиболее быстрой реакции.

Если применять в описанном случае какие-либо воздействия, которые равномерно увеличивают скорости всех возможных реакций (например, повышение температуры), то соотношение выходов конечных продуктов при этом нисколько не изменяется. Ho если внести в первоначальную смесь катализатор, специфически ускоряющий во много, например, в миллионы раз только реакцию A-^D и не затрагивающий скорости реакций А-gt;-В и А-gt;-С, эффект получится совершенно иной. При этом вещество А практически полностью превратится в D, а В и С окажутся лишь едва уловимыми или даже неуловимыми примесями.

Возникающее таким путем вещество D так же, как и А или любое другое органическое соединение, обладает многими химическими возможностями, но оно тоже в основном пойдет в своих химических превращениях по наиболее быстрому пути, а образовавшееся из него соединение N может аналогичным образом стать исходным веществом для последующих химических превращений. Таким путем возникает цепь последовательных, согласованных между собой во времени реакций, закономерная организация которой базируется на соотношении скоростей.


Ho такая цепь возможна только при наличии целой серии катализаторов, из которых каждый специфичен для соответствующего звена цепи. Еще в большей степени значение этой специфичности выступает при разветвлении цепей. В этом случае уже приходится принимать во внимание не только обязательность наличия всех катализаторов (ферментов), специфических для каждого звена цепи, но и соотношение их каталитической активности. Любое промежуточное соединение, находящееся в пункте разветвления цепи, практически следует не по одному, а по крайней мере, по двум различным путям, из которых каждый определяется своим специфическим ферментом, относительной величиной его каталитической активности.

Когда число звеньев в цепи обмена было невелико, порядок его мог регулироваться такими относительно мало совершенными катализаторами, как коферменты. Усложнение системы обмена стало возможным только при возникновении очень мощных и строго специфичных катализаторов — ферментов.

Вместе с тем формирование самих коферментов могло осуществляться на чисто кинетических основах в результате согласования скоростей относительно небольшого числа реакций. Напротив, синтез ферментов потребовал гораздо более сложных механизмов, определяющих не только формирование молекулярных группировок, входящих в активный центр, но и строго закономерного построения всей белковой молекулы (или, по крайней мере, ее значительной части) как в отношении точной последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, так и пространственной упаковки этой цепи в белковой глобуле. Хотя большое число современных данных и говорит о том, что каталитическая активность и специфичность действия ферментов в первую очередь определяются активным центром, представляющим собой только очень небольшую часть белковой молекулы, мы все же знаем, что и остальной структуре полипептидной цепи также принадлежит очень важная роль. Ее нужно рассматривать как некий каркас, назначение которого сводится к созданию соответствующего расположения в пространстве группировок, определяющих каталитическую активность и специфичность.

В противоположность этому расположение аминокислотных остатков в первично возникших белковоподобных полимерах могло иметь только случайный, беспорядочный характер. Эти полимеры вполне могли служить материалом для образования коа- церватных капель и входить в состав разраставшихся протобионтов, но они или совсем были лишены каталитической активности, или являлись очень плохими катализаторами.

Конечно, в процессе непрерывно совершавшейся в динамически устойчивых каплях или протобионтах полимеризации поступавших в них из внешней среды аминокислот могли образовываться и такие отдельные сочетания аминокислотных остатков, которым в некоторой степени была присуща полезная для системы каталитическая активность. Однако это возникновение более совершенного в указанном отношении полипептида создавало преимущество для породившего его протобионта только в том случае, если и при дальнейшем разрастании этого протобионта синтез в нем полипептидов все время приводил к неизменному выгодному в каталитическом отношении сочетанию аминокислотных остатков. При обычной «беспорядочности» полимеризации поступавших в протобионт из внешней среды аминокислот указанное преимущество быстро терялось, нивелировалось в разраставшемся протобионте.

Таким образом, для дальнейшей прогрессивной эволюции протобионтов очень важным являлось создание такой организации, которая позволяла бы осуществлять синтез полипептидов, уже наделенных некоторым более или монее постоянным расположением аминокислотных остатков, и закрепляла бы постоянство внутримолекулярной структуры во вновь синтезировавшихся полипептидах. Такая организация уже не могла целиком базироваться только на кинетических основаниях, на постоянстве последовательности реакций в цепи обмена и потребовала возникновения принципиально новых пространственных («матричных») механизмов. Исключительно важная роль в этом отношении выпала на долю полинуклеотидов.

Как указывалось выше, в первичном «питательном бульоне» Земли был возможен только «беспорядочный» синтез полинуклео-


тидов, наделенных случайным расположением мононуклеотидных остатков в их молекулярной цепи. Ho как только эта цепь достигала известной величины, так сейчас же даже «беспорядочно» построенные полинуклеотиды, обладавшие известной степенью полимеризации, вступали во взаимодействие с полипептидами и другими полимерами «питательного бульона» и совместно с ними выделялись из общего раствора в форме коацерватных капель, как это было продемонстрировано нами выше на модельных опытах.

Полинуклеотиды отличаются, однако, от других полимеров следующей замечательной особенностью. Уже более 10 лет тому назад Дж. Уотсон и Ф. Крик, исходя из ряда стерических и химических соображений, показали, что две полинуклеотидные цепочки могут сочетаться между собой в двойную спираль только комплементарно (рис. 12), т. е. так, что то или иное пуриновое или пиримидиновое основание одной цепочки соединяется водородными связями только с иным, с определенным, но не идентичным ему основанием другой цепочки (например, аденин соединяется с ти- мином или уридином, а гуанин всегда с цитозином) (рис. 13). Это положение было подтверждено экспериментально вначале на простых синтетических полинуклеотидах, целиком составленных только из одинаковых мононуклеотидных остатков. Так, например, было показано, что полиуридиловая кислота комплементарна по- линуклеотидной цепочке, не содержащей в себе никаких других оснований кроме аденина (полиадениловой кислоте). В дальнейшем на примере как естественных нуклеиновых кислот (ДНК), так и искусственных полинуклеотидов, построенных из всех четырех оснований, была выяснена та роль, которую комплементар- ность полинуклеотидных цепей играет в их синтезе, когда последовательность оснований в одной такой цепи определяет собой их последовательность и в другой.

Согласно Г. Шрамму, это явление имеет место и при абиогенном, неферментативном синтезе полинуклеотидов. Так, например, в его опытах при поликонденсации уридинмонофосфата синтез

уридиловой кислоты шел во много раз скорее в присутствии комплементарной ей полиадениловой кислоты и, наоборот, образование уридиловой кислоты ускоряло синтез полиадениловой цепочки.

В простом водном растворе «первичного бульона» такого рода ускоренное образование одного какого-либо определенного полимера могло вызвать только его постоянное (накопление в виде своеобразных органических залежей. Даже в том случае, если при этих синтезах происходили какие-либо случайные изменения, например, включения в первоначально однородную цепочку других мононуклеотидов, эти, так сказать, «мутации» не могли играть какую-либо роль в дальнейшей эволюции органической материи. То обстоятельство, что в полиадениловой цепочке один или несколько остатков аденина заменились на другие основания, не давало этой цепочке никаких преимуществ по сравнению с прежними неизменными цепочками в их дальнейшем «размножении». Поэтому в условиях простого водного раствора не могло происходить никакого отбора отдельных полинуклеотидных молекул.

Совершенно иные отношения создавались при включении этих молекул в целостные системы, содержащие в себе другие полимеры, в частности белковоподобные полипептиды, как это имело место при образовании в «первичном бульоне» коацерватных капель.

В этом случае та или иная последовательность мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи могла влиять на сочетание амино-

Рис. 13. Образование водородных связей между пуриновыми и пиримидпиовымп основаниями

кислотных активных групп в образовавшихся в системе полипептидах, а это сочетание оказывало свое действие на организацию примитивного обмена всей данной системы в целом. Если возникавшие таким путем изменения обмена были выгодны в смысле сохранения и роста целостной системы, они сохранялись естественным отбором и закреплялись в данной разрастающейся системе Iia основе репликаций образующихся полинуклеотидов. В противном случае они исключались из последующей эволюции протобионтов в результате гибели породившей эти изменения системы. Таким образом, собственно отбору подвергалась не сама полинуклеотид- ная цепь как таковая, а целостная система, в которой она создала известное изменение обмена.

Благодаря тем успехам, которые достигнуты биохимией за последние годы, мы знаем, что в современных организмах синтез белков, наделенных определенной последовательностью аминокислотных остатков в их полипептидной цепи и, в частности, синтез ферментов, осуществляется чрезвычайно сложным и совершенным предсуществующим в любой клетке механизмом, упрощенную схему которого мы даем на рис. 14.

Этот механизм включает в себя около 20 различных специфических ферментов — активаторов аминокислот, приблизительно 20 различных специфических типов растворимой рибонуклеиновой кислоты с низким молекулярным весом (sPHK) (так называемую транспортную РНК) и известного рода матрицу, определяющую последовательность нанизывания аминокислот в белковой цепи. Этими матрицами, по-видимому, служат крупные молекулы информационной тРНК, осуществляющие свою функцию на специфических субклеточных частицах — рибосомах (рис. 15). Сами молекулы тРНК синтезируются в клеточных ядрах под контролем ДНК. Последняя выполняет две функции: во-первых, она обеспечивает воспроизведение самой себя путем репликации при делении клеток, сохраняя во вновь образующихся молекулах присущее исходной молекуле расположение мононуклеотидов в цепи; во-вторых, ДНК обладает способностью строить комплементарные цепи тРНК в соответствии со своей структурой и через нее определять порядок расположения аминокислот при синтезе белка. Кроме названных веществ и химических механизмов, вероятно, требуется еще определенный набор ферментов для синтеза пептидной связи, для

Рис. 15. Рибосомы из бактериальной клетки

снятия готовой молекулы белка с рибосомальной матрицы, а также для реактивации sPHK. Кроме того, на соответствующих этапах синтеза в систему должна поставляться энергия в форме аде- нозинтрифосфорной кислоты (АТФ), синтезируемой в митохондриях.

Процесс синтеза белков, вероятно, протекает следующим образом. Сначала аминокислота, активируясь посредством реакции с АТФ, образует аминоациладенилат. Для осуществления этой стадии необходимо присутствие фермента и, по-видимому, для разных аминокислот требуются различные ферменты. Аминоациладенилат, который, очевидно, остается прикрепленным к активирующему ферменту, затем переносится на sPHK. Далее каждая частица, педставляющая собой комплекс sPHK и активированной аминокислоты, связывается со специфическим местом на матричной тРНК рибосомы. Таким образом, аминокислоты собираются в по- липептидную цепь в определенном порядке, зависящем от расположения мононуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи тРНК. При этом, в принципе, той или иной аминокислоте (или точнее ее комплексу с sPHK) соответствует определенный моно- нуклеотидный триплет в цепи тРНК, так, например, аспарагиновой кислоте — гуанин, урацил, аденин (ГУА), аланину — цитозин цитозин, гуанин (ЦЦГ), фенилаланину — урацил, урацил, урацил (УУУ) и т. д.

Совершенно ясно, что такого рода исключительно сложный и совершенный белоксинтезирующий аппарат современных организмов мог сформироваться только в результате очень длительной эволюции предшествовавших систем, устойчивость которых первоначально носила в основном динамический характер и зависела от согласованности совершавшихся в них реакций обмена и взаимодействия с внешней средой. Возникновение пространственных «молекулярно-матричных» аппаратов явилось дополнительной надстройкой, поднявшей эту более древнюю форму организации на новую небывалую высоту совершенства согласованности химических процессов и точности самовоспроизведения системы, но в принципе сохранившей прежний динамический характер устойчивости формирующихся таким образом живых существ.

Б. Коммопер справедливо предостерегает от слишком большого увлечения матричной концепцией самовоспроизводящейся ДНК, указывая, что в отношении биологических систем это неизбежно ведет к преформизму. Даже для современных организмов нельзя всю специфику белкового синтеза целиком сводить только к пространственной организации макромолекул, к матричному копированию. Важную роль в этом процессе играют и кинетические свойства реагирующих систем, а не только структура исходных молекул. Тем более это справедливо для предшествовавших появлению жизни систем. Поэтому возникновение строго упорядоченных по- линуклеотидных цепей, пространственных матриц для белкового синтеза являлось отнюдь не начальной исходной точкой предбио-. логической эволюции, а ее завершающим высшим этапом.

Очень интересный эскиз такого рода эволюции дал в недавнее время А. Рич в своей посвященной этому вопросу сводной статье. Однако Рич мыслит себе эту эволюцию происходившей целиком лишь на молекулярном уровне, как процесс постепенного усложнения и упорядочивания внутримолекулярной структуры полинуклеотидов и полипептидов на основе их естественного отбора просто в растворе вне каких-либо целостных систем.

Нам в противоположность этому представляется, что, во-пер- вых, взаимодействие даже неупорядоченных по своей структуре полипептидов и полинуклеотидов «первичного бульона» прежде всего должно было обязательно привести к формированию многомолекулярных индивидуальных систем (коацерватов и протобионтов), и, во-вторых, естественному отбору подвергались не отдельные молекулярные структуры, а именно эти индивидуальные динамические системы по признаку соответствия их примитивного метаболизма задаче сохранения и разрастания системы в данных условиях внешней среды.

Исходя из всего изложенного можно было бы (конечно, пока еще очень гипотетически) наметить некоторые последовательные этапы предбиологической эволюции белоксинтезирующего аппарата. На первом этапе этой эволюции растворенные в «первичном бульоне» нуклеотидные мономеры собирались в беспорядочно построенные цепи полинуклеотидов вне зависимости от какого-либо каталитического действия белковоподобных веществ чисто абиогенным путем. Рич, используя результаты опытов А. Корнберга по синтезу АТ-сополимеров в отсутствие затравки и данные по выделению такого рода полимеров из некоторых организмов, высказывает очень интересное предположение, что строение первичных полинуклеотидов могло бы быть гораздо более монотонным, чем в современных нуклеиновых кислотах. Так, например, первичные полинуклеотиды могли бы содержать лишь 2 комплементарных основания — аденин и тимин, которые сравнительно легко получаются в абиогенных условиях. Аналогично этому также более монотонными могли бы быть и беспорядочно построенные полипептиды, которые синтезировались в «первичном бульоне» абиогенным путём одновременно с полинуклеотидами, но совершенно независимо от них. Это, в частности, могло быть обусловлено и тем, что не все 20 аминокислот современной белковой молекулы обязательно должны были образоваться абиогенным путем под влиянием ультрафиолетового света или электрических разрядов атмосферы.

Однако, как показали приведенные выше опыты нашей лаборатории, молекулы даже такого рода очень примитивных, монотонно и беспорядочно построенных полимеров аминокислот и мононуклеотидов при их одновременном синтезе в общем растворе, достигнув определенной величины, обязательно объединялись в

многомолекулярные рои и выделялись из раствора в форме коацерватных капель. Образование этих систем весьма способствовало ускорению полимеризации, но и внутри капель эта полимеризация примитивных пептидов и нуклеотидов могла идти совершенно независимо одна от другой. Вначале ей способствовали, а потом и целиком ее определяли возникавшие в каплях и протобионтах сопряженные энергетические реакции. Скорость всех происходивших в системе реакций зависела от поступления в нее примитивных катализаторов и коферментов, тогда как аминокислотные полимеры могли играть лишь незначительную и случайную роль. Также невелика была и роль явления репликации примитивных полинуклеотидов.

На втором этапе начало выявляться значение взаимодействия постепенно усложнявшихся молекул различных полимеров. Даже в современных организмах можно обнаружить синтез полипептидов и специализированных белков, имеющих сравнительно очень простую химическую структуру вне рибосомально-матричного аппарата, но с обязательным участием нуклеозидфосфатов.

Так, например, в некоторых микроорганизмах установлен синтез полипептидов, идущий по схеме: нуклеозидтрифосфат + аминокислоты -gt; нуклеозиддифосфат + пептид + ортофосфат, при этом для каждого из 4 нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ) существует определенная группа аминокислот, которые он может активировать. Таким образом, структура полипептида в известной мере определяется природой участвующего в реакции нук- леозидтрифосфата.

Если в системе, подобной нашему протобионту, участвующий в образовании полимера нуклеотид содержит в своем составе рибо- зу, то 3'- и б'-гидроксильные группы используются в процессе полимеризации, однако третья группа, находящаяся в положении 2', остается свободной, и она через эфирную связь может присоединить к себе соответствующую данному нуклеотиду аминокислоту. «Можно предположить,— пишет Рич,— что именно на этой стадии начинает создаваться система, в которой полимеризация молекулы нуклеиновой кислоты оказывается связанной со «сборкой» определенной последовательности аминокислот. После того как благодаря присоединению к соседним нуклеотидам аминокислоты оказались собранными в линейную последовательность, может произойти их полимеризация». Таким образом, легко понять, как последовательность мономеров в полинуклеотиде могла до известной степени определять собой некоторый порядок расположения аминокислотных остатков в синтезировавшемся полипептиде.

Однако именно здесь и начинаются основные трудности для гипотезы, рассматривающей все явление на молекулярном уровне. В этом случае необходимо, чтобы синтезировавшийся указанным путем полипептид в свою очередь влиял на синтез полинуклеотидов, был специфическим катализатором этого процесса. Только

при этом он имел бы известные преимущества с точки зрения пред- биологического отбора. В современных организмах это действительно имеет место, но в условиях простого раствора «первичного бульона» такого рода соответствие крайне невероятно, представляет собой какой-то исключительный «счастливый случай». Совершенно иные отношения создается, если мы будем рассматривать все явления в целостной динамической системе, в разраставшемся и размножавшемся протобионте. В этом случае возникавшая под влиянием полинуклеотида комбинация аминокислотных остатков могла непосредственно и не влиять на полимеризацию нуклеотидов, но она катализировала те или иные реакции, протекавшие в данном протобионте наподобие поступивших в него или синтезировавшихся в нем коферментов. Если ускорение данной реакции в сочетании с другими происходившими в протобионте процессами было выгодно для его существования, протобионт получал преимущество перед другими аналогичными системами в скорости своего роста и размножения. В противоположном случае, если возникавший аминокислотный порядок был лишен полезной для протобион- та каталитической активности или эта активность уменьшала динамическую устойчивость системы, данная комбинация аминокислот исчезала под действием естественного отбора вместе с породившей ее системой.

Таким образом, отбору собственно подвергались не те или иные способные к репликации полинуклеотиды и даже не возникавшие под их влиянием уже наделенные некоторой последовательностью аминокислотных остатков полипептиды, а целостные системы — протобионты, с примитивным, но более или менее совершенным обменом веществ, соответствующим или не соответствующим данным условиям существования. Роль полинуклеотидов в этом случае состояла в том, что они пространственно закрепляли постоянство синтеза каталитически выгодных аминокислотных комбинаций в разраставшихся и размножавшихся протобионтах, служили стабилизирующим фактором в процессе их эволюции.

На этой основе происходило одновременно совершавшееся постепенное усложнение и усовершенствование как полинуклеотидов, так и полипептидов,— удлинение их цепей, увеличение разнообразия включенных в эти цепи звеньев и установление определенного строгого порядка расположения этих звеньев в полимерных цепях.

Молекулы белковоподобных полимеров, а также управляющих их синтезом полинуклеотидов становились все более упорядоченными, все более приспособленными к тем функциям, которые они несли в эволюционирующих предбиологических и биологических системах. Это положило начало возникновению ферментов, приспособленность которых к их каталитическим функциям все время совершенствовалась в процессе эволюции. Вместе с тем эволюционировали и полинуклеотиды, сложные функции которых в дальнейшем подверглись глубокой дифференциации в процессе, представлявшем собой уже третий завершающий этап совершенствования белоксинтезирующего аппарата.

В современных организмах мы имеем два вида нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, функции которых глубоко различны, несмотря на большое химическое сходство их молекул. ДНК функционально специализировалась на цикле молекулярной репликации. В связи с отсутствием гидроксильной группы у второго углеродного атома в дезоксирибозе ДНК не способна присоединить к себе аминокислоты и поэтому не участвует непосредственно в синтезе белка. Ho, являясь метаболически сравнительно инертной, она обеспечивает относительно высокое постоянство воспроизведения самой себя и передачу путем репликации содержащейся в ее поли- нуклеотидной цепи генетической информации рибонуклеиновым кислотам. Функция последних непосредственно связана с синтезом белков, с установлением строго определенного порядка расположения аминокислотных остатков в их молекулах.

Однако нужно отметить, что эта функциональная специализация РНК не является абсолютной. В принципе и РНК может нести генетическую информацию, что имеет место, например, в случае РНК-содержащих вирусов.

Поэтому есть основание предполагать, что начальные формы нуклеиновых кислот представляли собой РНК-подобные полимеры, способные осуществлять как хранение и передачу наследственной информации, так и организацию последовательности аминокислот при синтезе белков. Однако разделение этих функций между двумя нуклеиновыми кислотами, из которых одна менее метаболити- чески активная специализировалась на самовоспроизведении, а другая — на непосредственном участии в синтезе белка, явилось весьма прогрессивным шагом в процессе эволюции и поэтому было закреплено естественным отбором.

Понятно, что современные белоксинтезирующие системы и возникающие в результате их действия ферментные белки являются уже конечным результатом сложной конкуренции между многими различными системами, начавшейся еще на очень ранней стадии возникновения жизни. Нужно, в частности, ясно себе представить, что между исходными мало каталитически активными полипептидами и исключительно совершенно построенными современными ферментами в процессе эволюции протобионтов было испробовано и отвергнуто не меньше, а может быть, значительно больше вариантов организации, чем, например, между плавниками акулы и человеческой рукой. Подавляющее число возникавших в процессе эволюции каталитических вариантов уничтожено естественным отбором. Поэтому из современных организмов мы сейчас извлекаем только очень совершенные по своему строению ферменты, хотя при более внимательном изучении вопроса и сейчас можно подметить некоторую эволюцию этих катализаторов.

Еще в большой мере это относится к эволюционному развитию сочетания отдельных ферментативных реакций в общей организации обмена Ii к постепенному формированию пространственной макроструктуры в современных живых существах, стоящих на различных ступенях эволюционного развития. Основные принципы этой организации в пространстве и во времени были заложены еще в процессе постепенного совершенствования протобионтов, и поэтому они являются общими для всех живых существ.

Однако в дальнейшем эволюционное развитие возникших на этой основе наиболее примитивных организмов пошло различными путями, и мы можем судить об этом развитии, а следовательно, и о его истоках, на основании того огромного фактического материала, который сейчас накоплен современной сравнительной биохимией. 

<< | >>
Источник: А. И. Опарин. ЖИЗНЬ, ЕЕ ПРИРОДА, ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ Второе дополненное издание. 1968

Еще по теме ЭВОЛЮЦИЯ ПРОТОБИОНТОВ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ:

  1. Возникновение теории эволюции
  2. Возникновение и эволюция рифовых сообществ
  3. Эволюция популяций и эволюция организмов
  4. 6-1. Эволюция организмов и эволюция природы
  5. 14. Эволюция организмов и эволюция сообществ
  6. ГЛАВА 7 Возникновение учения о микроэволюции. Популяция — элементарная единица эволюци
  7. 13.1. ЭВОЛЮЦИЯ ГРУПП ОРГАНИЗМОВ 13.1.1. Уровень организации
  8. 5-18. Случайность в эволюции организмов
  9. Общие представления об онтогенезе разных организмов и специфика его эволюции
  10. Первичные формы филогенеза
  11. Первичная продукция. 
  12. 5-12* Первичные половые клетки и новый пангенез
  13. 16.5. ГИГИЕНА УБОЯ И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШКУРОК
  14. Первичная глаукома (Glaucoma).