 ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
С. Б. Пашутин
Доктор биол. наук. E-mail: sergepashutin@yandex.ru
(Окончание. Начало см. «Эволюция» № 5)
Фактически, природа воспользовалась оптимальным алгоритмом организационного развития, основанном на фрактальном принципе внутреннего подобия. В определённой степени на это указывает биогенетический закон Геккеля-Мюллера о повторяемости эмбриональных стадий предков при индивидуальном зародышевом развитии современного организма. Прохождение масштабной симметрии через все уровни эволюционной иерархии, в плане сходных принципов структурного построения, свидетельствует о заложенных в основе биологического развития фрактальных механизмах – видимо как наиболее подходящих вариантах морфогенеза. Изначальная жизненная форма в виде сферической полости в том или ином виде воспроизводится на всех этапах филогенеза. Скорее всего, устойчивая полостная конструкция, оказавшись удачным решением на уровне одиночной клетки, переносится эволюцией и на многоклеточные организмы. Стремление к обособлению от окружающей среды становится более совершенным. Каркас из внешней оболочки с внутренней полостью выстраивается биологической системой из собственных специализированных клеток. В качестве технологического шаблона, взятого за основу при конструировании фрактальных форм самоорганизующейся биосистемы, служит исходная клеточная мембрана и цитоплазматическое содержимое клетки.
К эукариотической клетке (с наличием сформированного ядра), применимы двойные стандарты – её мы вправе рассматривать и как самостоятельное целостное образование, и как структурную единицу высокоорганизованной биологической системы. Подобное делегирование полномочий широко задействовано в морфогенезе, что позволяет ещё недифференцированным стволовым зародышевым клеткам трансформироваться в клетки разных типов. В эволюционном плане – это шаг вперед, но обратная сторона медали заключается в том, что каждая из специализированных клеток многоклеточного организма потеряла свою, пусть и примитивную, но универсальность.
Например, издержки специализации не допускают для многоклеточной особи способа размножения простым делением. Та же дифференцировка стволовых клеток в ходе онтогенеза сопровождается инактивацией или потерей определённых генных локусов. При «далеко зашедшей специализации» у одних клеток, в той или иной степени, может наблюдаться деградация ДНК, у других – полное репрессирование генома, вплоть до разрушения клеточного ядра. Поэтому на каждой стадии специализации стволовая клетка теряет свою тотипотентность, то есть способность реализовать всю генетическую информацию, заложенную в ядре, а её дифференцировка становится необратимой. Cуществуют и исключения – растительная клетка не расстаётся со способностью к универсальной трансформации, а стромальные клетки костного мозга позвоночных, не являясь тотипотентными, способны заменять погибшие специализированные клетки в разных органах. При определённых обстоятельствах в универсальные стромальные клетки можно превратить адипоциты жировой ткани. Кроме того, в экспериментах по клонированию небезызвестной овцы Долли были подобраны условия, при которых цитоплазма ооцитов могла репрограммировать ядро соматической клетки, возвращая ей тотипотентность, то есть вновь обретённую способность стать универсальной стволовой клеткой [2].
б) совершенствование процессов размножения
Параллельно с морфологической специализацией шло усложнение и механизма размножения, основной смысл которого – обеспечить открытой биологической системе устойчивость и предсказуемость её динамики на протяжении как можно более длительного срока. Как правило, открытая система является хаотической структурой, т. е. неравновесной и нелинейной системой, лишённой традиционной устойчивости. И тем самым подверженной действию феномена сильной зависимости от начальных условий, где исходно «незаметные» различия в цепи событий способны обернуться совершенно неожиданными итоговыми результатами. При хаотических или нелинейных процессах в открытой системе составляющие её элементы различаются по величине своих первичных энергетических параметров. Неупорядоченная динамика этих термодинамически неоднородных элементов может привести к критической точке, в которой небольшие изменения приобретут особую значимость.
При внутренней неустойчивости процесса незначительные внешние воздействия или случайные флуктуации способны вызывать крупные последствия, в том числе и нежелательные. Тогда как при полностью детерминированном и прогнозируемом состоянии малые возмущения в системе спровоцируют такие же ничтожные метаморфозы. Следовательно, в открытой биологической системе, из-за пресловутой сильной зависимости от начальных условий, будут постепенно накапливаться изменения, способные индуцировать сбои и нарушать оптимальное функционирование процессов жизнедеятельности. С увеличением времени существования системы у неё возрастает шанс стать искаженной многочисленными воздействиями разного происхождения, т. е. из ранее упорядоченного состояния трансформироваться в хаотическое.
Таким образом, без периодического обновления система будет изнашиваться. И чтобы избежать появления закономерных нарушений, сохранить стабильность и условно вечный порядок, природа нашла изящное решение. Она сумела закрепить удачные молекулярные сочетания с помощью матричного самовоспроизведения в виде периодического копирования отдельных индивидов популяции, что собственно и гарантирует при благоприятных обстоятельствах формальное бессмертие для такой популяции. В отличие от непосредственных участников этого процесса, существование которых лимитировано более или менее конкретным временны´м диапазоном.
Изначально единственным способом возникновения новых особей являлось бесполое размножение в виде простого копирования. При этом все вегетативные клетки (никаких других ещё не существовало) были гаплоидными, то есть с одинарным набором хромосом – в двойном наборе они не нуждались. Это стало прерогативой полового размножения как более прогрессивного пути развития и значимой, в эволюционной иерархии, схемы выживания биологической системы.
Во-первых, это был рациональный способ противостоять длительным периодам неблагоприятных внешних условий, особенно актуальный при выходе жизни на сушу. Пока всё нормально, примитивные организмы по возможности пользуются более простыми, нежели половой, способами размножения. Например, гидра, относящаяся к кишечнополостным организмам, в оптимальных условиях размножается бесполым путем – почкованием. А её половые формы с женскими или мужскими гонадами возникают только при неблагоприятных условиях.
Во-вторых, это способствовало обновлению генетической информации, недоступной клеткам при других способах размножения, что послужило катализатором расширения разнообразных морфологических структур или новых биологических форм, революционно возникших в кембрийском периоде.
В-третьих, половое размножение в определённой степени предусматривает коррекцию мутаций во время конъюгации хромосом в мейозе, т. е. при формировании половых клеток. В отличие от этих репродуктивных гамет соматические клетки не подвергаются подобному контролю, из-за чего частота пороков развития у них должна быть выше. Такая тенденция не является преимуществом бесполого размножения.
Главное в половом размножении – возможность достичь большей морфологической и генетической устойчивости, поскольку в гетерозиготном состоянии доминантные гены прикрывают рецессивные и, таким образом, позволяют скрыть появление нежелательных признаков. При слиянии наследственного материала от двух разных клеток, снижается вероятность перехода вредных рецессивных генов в гомозиготное состояние и, соответственно, их фенотипическое проявление.
Приблизительная схема архаичного полового процесса была следующей: при смене времён года (условно – весна / осень) одноклеточные вегетативные структуры путём митотического деления превращались в половые клетки – гаметы, мало чем отличающиеся от исходной родительской особи. При их последующем слиянии формировалась диплоидная зигота, которая в виде споры дожидалась благоприятных условий, и как только это происходило, то, уже за счёт мейотического деления, эта спора образовывала вегетативные гаплоидные клетки. У многоклеточных форм за половой процесс отвечали отдельные гаметообразующие клетки с различным уровнем специализации. При этом произошла эволюционная смена приоритетов. Увеличилась продолжительность диплоидной фазы зиготы в состоянии споры. Спора трансформировалась в самостоятельный многоклеточный организм, сведя основную вегетативную гаплоидную стадию к образованию яйцеклеток и сперматозоидов. Последние обрели вынужденный статус процедуры, направленной на процветание и организационное усложнение своей бывшей вспомогательной диплоидной структуры.
Эволюционное развитие пошло в направлении перехода популяции от преимущественно гаплоидных особей к практически диплоидным организмам. Хотя исторически диплоидная зигота, будучи даже многоклеточной, являлась лишь средством для выживания и обеспечения репродуктивных функций исходной гаплоидной вегетативной особи, тем не менее, подобная метаморфоза (морфологическая инверсия) благоприятствовала переходу биологических форм к адекватному наземному существованию. Она по всей вероятности явилась основным пусковым механизмом кембрийского «скачка» биологической эволюции.
Причины видового и морфологического разнообразия
К факторам, ответственным за появление новых видов и последующее усложнение их иерархического статуса, можно отнести конкурентные взаимоотношения, а также закрепление ранее отобранных удачных форм с последующим перебором вариантов из числа возможных на данный момент. Не исключён и выбор наиболее подходящих для конкретных условий новых генов с отбором уже лучших из них на системном уровне, при адаптации нового организма к окружающей среде. Следует упомянуть и о дрейфе генов, когда в нарушение закона Харди-Вайнберга, случайные изменения генных частот в ограниченной популяции приводят к исчезновению некоторых генотипов (аллелей) и доминированию хромосом определённого типа, что может способствовать видообразованию. Такая ситуация вполне реальна, поскольку популяция в середине ареала и по его краям различается по генетической структуре, что кстати позволяет рассматривать те же подвиды как популяцию в процессе дрейфа. К другим генетическим факторам, имеющим отношение к видовому разнообразию, можно отнести уже ранее упоминавшиеся типы мутаций. Наиболее значимым для видообразования моментом является не столько последовательность большого числа незначительных точечных генных мутаций, сколько крупномасштабные изменения всего нескольких генов. Определённый вклад в экспрессию и изменчивость генов вносят подвижные фрагменты генома, или так называемые мобильные генетические элементы.
Однако если ход биологической эволюции попытаться объяснить только вышеприведенными причинами, то для выстраивания имеющейся иерархии и всего биологического разнообразия потребовалось бы более 15 млрд лет – срок, почти сопоставимый с возрастом самóй Вселенной. Делать бы это пришлось с учетом специфики наследственного материала, принимая во внимание тот факт, что, например, геном человека отличается от такового у мышей приблизительно на 10% и практически сходен с геномом шимпанзе, за исключением разве что генов эмбриогенеза, отвечающих за ранние стадии развития зародыша. Следовательно, в морфо- и филогенезе, биологическими структурами были дополнительно задействованы некоторые более эффективные механизмы, позволяющие проявиться видовым признакам или достичь организационного усложнения не длительным эволюционным способом и без особого качественного геномного разнообразия.
Основные механизмы биологической эволюции и морфогенеза
Ближе всего к таковым механизмам стоит комплекс регуляторных процессов [3]. И прежде всего это практически сходные и существующие у всех современных эукариотов регуляторные гены, последовательно управляющие развитием частей тела в процессе формирования взрослой особи из зародыша. Действие этих регуляторов основано на каскадной координации следующего иерархического уровня генов, уже непосредственно отвечающих в эмбриогенезе за создание именно тех органов, которые свойственны конкретному виду [4]. В связи с этим представляется закономерным, что изменения, приводящие к абсолютно новому строению тела, могут быть опосредованы обычной мутацией хотя бы одного из видов регуляторных генов. В этом случае для существенной трансформации организма достаточно доминирующей мутации лишь в одной хромосоме из их парного набора.
Незначительная мутация регуляторного гена приводит к полной реорганизации как внешнего вида, так и метаболизма данной особи. При прочих равных условиях это значительно сокращает сроки появления новых видов, не требуя дополнительных генетических ресурсов, поскольку модифицирует механизмы планомерного включения генов дифференцировки, отвечающих за процессы специализации эмбриональных клеток и последующую закладку органов, то есть за основные принципы построения структурной организации. Достигается это изменением функции белка, производимого первым, регуляторным геном. До появления определённых условий производимый регуляторным геном белок не отключал, или наоборот, не включал гены, отвечающие за образование конкретных морфологических структур в эмбриогенезе [4]. Скорее всего, по видовым морфологическим признакам эти сегментарные гены не рестриктированы, поскольку при транспонировании воспроизводится эффект генов реципиента, а не донора [5]. Следовательно, под контролем регуляторных генов находятся ещё и общие принципы управления формообразованием.
Все феномены эволюции являются производными от результата регуляторных процессов реализации генетической информации. Регуляторные гены играют весьма важную роль при морфогенезе, а их мутации – при образовании новых форм организмов. Что лежит в основе в основе регуляции самих регуляторных генов? Главное – это возможность осуществления разнотипной регуляции белкового синтеза. Она может происходить как по транскрипционному механизму путем изменения активности генов, через модуляцию продукции матричной (информационной) мРНК на матрице ДНК, так и за счёт изменения активности мРНК на трансляционном уровне регуляции [3]. Кроме того, существует регуляция на уровне посттрансляционных модификаций, когда уже синтезированный продукт, например какой-либо фермент, не способен функционировать в конкретном химическом окружении. Но в иных, более подходящих условиях, у него отмечено адекватное проявление активности [3, 5].
Каким образом зародышевые клетки с исходно одинаковой генетической информацией приобретают в онтогенезе несхожее обличье? При одних обстоятельствах это обусловлено активацией неидентичных генов в клетках разных участков эмбриона и, соответственно, сопровождается формированием гетерогенных фракций мРНК. По всей вероятности, это связано с неоднородностью химического состава цитоплазмы в отдельных зародышевых сегментах, неодинаково влияющей на структуру хроматина, что приводит к изменению его пространственной конфигурации и освобождению определённых участков ДНК от связи с гистоновыми белками, то есть к подготовке конкретных фрагментов двойной спирали к последующей транскрипции. «Химически правильное» содержимое клетки весьма важно для регуляторных процессов любого уровня. Например, нарушение оптимальной концентрации микроэлементов, в частности Mn2+ или Mg2+, меняет активность РНК-полимеразы и соответственно «узнавание» промоторов – стартовых участков транскрипции на ДНК. А стресс-активированное фосфорилирование специфическими фосфокиназами фактора инициации, способно к тотальному подавлению инициации трансляции любых мРНК [6].
В другой ситуации некий определённый ген может одинаково функционировать во всех клетках эмбриона, но идентично реплицированные мРНК будут неоднозначно транслироваться в разных клетках. То есть, при попадании в конкретную химическую среду цитоплазмы, мРНК благодаря особенностям своей трехмерной организации приобретает и соответствующую конформационную уникальность [7]. Это приводит к открытию для трансляции вполне определённых участков полинуклеотидной цепи. Естественно, что в других условиях будут и новое пространственное расположение мРНК и закономерно иные участки для трансляции, в итоге синтезирующие белок с измененными свойствами. С другой стороны, компактная геометрия трехмерной структуры, опосредованная сродством к определённым репрессорным белкам, может вообще «замаскировать» мРНК, лишая её инициаторные участки связывающих свойств [3]. Данный феномен позволяет предположить, что материнские мРНК, накопленные в процессе онтогенеза и находящиеся в цитоплазме яйцеклетки в замаскированном состоянии, дерепрессируются после оплодотворения и запускают самые первые процессы превращения зиготы в эмбриональные стволовые клетки зародыша.
Также к подавлению трансляционной активности мРНК могут быть причастны места её неспецифической локализации, химические условия которых способствуют связыванию пространственно модифицированных полинуклеотидов мРНК с репрессорными белками, тогда как на «своей клеточной территории» подавления активности не наблюдается [8]. Кстати не исключено, что дискретность считывания, то есть пропуски последовательности нуклеотидов при трансляции в пределах одного цистрона, кодирующего определённую полипептидную цепь, также опосредованы именно своеобразием пространственной структуры мРНК. Это явление, обнаруженное у фагов, является прообразом феномена «процессинга», свойственного эукариотическим клеткам, и заключается в посттранскрипционном формировании мРНК, т. е. в доведении её до стадии функционально зрелого элемента белкового синтеза [8]. В эволюционном плане обе составные части этого феномена – сплайсинг и редактирование, чрезвычайно важны для клеточной специализации. Очень значима их роль в качестве оригинального и гибкого способа адаптации биологической системы к изменениям окружающей среды, который, по всей вероятности, является одним из существенных механизмов формирования генетической «нормы реакции».
Так, процесс редактирования заключается в химической модификации азотистых оснований, образующих кодирующие кодоны мРНК, что сопровождается синтезом белков с новыми свойствами, в структуре которых отдельные аминокислоты будут определяться триплетами мРНК, отсутствующими в нуклеотидной последовательности матрицы ДНК [9]. Это один из регуляторных механизмов компенсаторно-приспособительных реакций организма, индуцированный условиями внешнего окружения. Другой способ регуляции активности генов, в том числе и процессов клеточной дифференцировки в морфогенезе – сплайсинг, предусматривает удаление «ненужных» участков (интронов) с последующим сращиванием между собой «нужных» фрагментов мРНК (экзонов). Это происходит в ядре с помощью комплементарного каталитического взаимодействия так называемых малых ядерных мяРНК с нуклеотидами предшественника мРНК. И в присутствии специальных белков с ферментативной активностью, кодируемых определёнными генами и, не исключено, что регуляторными. Эти белки, связываясь с мРНК, в зависимости от условий среды и пространственной конфигурации полинуклеотидов, блокируют либо активируют вырезание соответствующих интронных участков. При этом экзоны могут сшиваться в разных комбинациях, т. е. какая-то нуклеотидная последовательность, являясь экзоном в одних условиях, ведёт себя как интрон при других обстоятельствах [9]. В ряде случаев сплайсинг осуществляется без каталитической активности белков – только взаимодействием пространственно изменённых участков трёхмерной структуры мРНК с последующим выпетливанием полинуклеотидных фрагментов и удалением этих интронов. Экзон-интронная регуляция ответственна за уникальный механизм целесообразного расширения биологических функций. Исходно однотипные мРНК, транскрибируемые с одного и того же гена, окажутся, в зависимости от физико-химических обстоятельств, по-разному сформированными для последующей трансляции и будут кодировать белки с разными свойствами. Разнообразие белков будет обеспечено небольшим количеством разных генов и разными мРНК, произошедшими за счет сплайсинга из одного и того же РНК-предшественника в результате транскрипции всего лишь одного гена. Благодаря этому достигается генетический прогресс, свидетельствующий о реальных эволюционных достижениях самоорганизующейся биологической системы.
Спектр регуляторных процессов, в том числе и на уровне сплайсинга, расширяет представления об эволюционных возможностях эукариот. Он отчасти объясняет, какие способы могут быть задействованы для обеспечения разнообразия белков и, соответственно, для формирования функционально- морфологических элементов, в том числе и филогенетически новых. Недаром у бактерий, как правило лишённых интронов и подобного сплайсингу способа регуляции, отсутствует и аналог архивной базы для перебора вариантов. Неинформативная зона в транскриптоне прокариот, то есть на участке считывания генетического кода между промотором и терминатором, у прокариот практически отсутствует. Тогда как в эукариотической клетке, наоборот – информативная зона составляет незначительную часть транскриптона, а основной его участок представлен в виде резерва нейтральной генетической информации. Естественно, что при таком соотношении эукариотическая клетка обладает более высокой потенцией к биологическому (морфологическому и видовому) многообразию. А также и бóльшими возможностями к совершенству, в плане лучших селективных характеристик, как для усложнения иерархического статуса, так и для экспансии, либо оптимального существования в самых разнообразных условиях внешнего окружения.
Литература
1. Скулачев В. П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №5. С. 11-19.
2. Wilmut I. et al. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cell line // Nature. 1997. V. 380. P. 64-66.
3. Спирин А. С. Биосинтез белка: регуляция на уровне трансляции // Соросовский Образовательный Журнал. 2000. №5. С. 2-7.
4. Ronshaugen M. McGinnis N. McGinnis W. Hox protein mutation and macroevolution of the insect body plan // Nature. 2002. V. "415. P. 914-917. (21 Feb 2002).
5. Корочкин Л. И. Как гены контролируют развитие клеток // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. №1. С. 17-22.
6. Спирин А. С. Биосинтез белка: инициация трансляции // Соросовский Образовательный Журнал. 1999. №5. С. 2-7.
7. Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни// Вестник РАН. 2001. № 4. С. 320-328.
8. Овчинников Л. П. Что и как закодировано в мРНК // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. №4. С. 10-18.
9. Гвоздев В. А. Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК // Там же. 1996. № 12. С. 11-18.
|
