Навигация
Различают два типа процессов образования новых белков
28348
знаков
0
таблиц
0
изображений
2. Различают два типа процессов образования новых белков.
а) градуальный, или приспособительный, когда "новый" белок мало отличается от уже существующих. В этом случае "новый" белок может возникнуть за счет небольшого числа точечных мутаций.
б) появление нового белка с принципиально новыми функциями и/или системы таких белков. Такие события в эволюции называются "ароморфозами" (в буквальном переводе с греческого - изменение формы); используется также название "большие скачки". В этом случае новая система не может возникнуть за счет точечных мутаций.
Примером может служить образование фотосинтетического аппарата, т.е. системы белков, способной утилизировать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических соединений (сахаров). Такие процессы играют роль только на дивергентных стадиях.
3. Основная проблема биологической эволюции связана с ее скоростью. Бытует утверждение о том, что в течение времени существования Земли (или даже Вселенной) наблюдаемое биологическое разнообразие не могло возникнуть. Оно относится главным образом к "большим скачкам". Существует и противоположное мнение, так что вопрос остается дискуссионным.
Для корректной постановки этого вопроса необходимо сравнить две величины: число "попыток" N и вероятность создать новый белок за одну попытку. Число попыток уже обсуждалось выше, оно порядка десяти в двадцать девятой степени. Вероятность создать белок с новой функцией за счет точечных мутаций существенно зависит от того, сколь сильно отличается новый белок от своего предшественника и сколько аминокислотных остатков нужно заменить в белке, чтобы он мог выполнять новую функцию. При градуальной эволюции число таких остатков не велико. Вероятность создания белка (или системы белков) с принципиально новой функцией за счет точечных мутаций того же порядка, что и вероятность создания функционального белка заново. Оценки ее приводились выше и было показано, что она абсурдно мала. В этом, собственно, и заключается проблема темпов биологической эволюции.
Информационный аспект биологического разнообразия. В биологической эволюции базовый этап - выбор единого кода, т.е. алфавита. Код отработан на основе одного белка - репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию - образование репликазы как слепка с ДНК.
Следующий этап - образование белка, способного усваивать новые субстраты, - генерация новой информации на основе единого кода, который является тезаурусом на следующем этапе. Геном организмов, способных синтезировать несколько белков с разнообразными функциями, можно уподобить фразе, имеющей определенный смысл. Действительно, если весь словарный запас сводится к одному слову, то о смысле его говорить трудно. Точнее, оно имеет столь общий смысл, что его трудно выразить иначе как "Бог" ("...и слово было Бог").
При появлении генома, кодирующего несколько разных белков, понятие "смысл" становится содержательным. Его можно выразить фразой "поглощать такой-то субстрат, чтобы жить". При дальнейшем усложнении организмов и увеличении кодируемых белков информация становится не только кодовой, но и смысловой. Цель организмов та же - сохранить свою (теперь уже смысловую) информацию.
Следующий уровень - создание принципиально новой информации.
Ароморфоз. Наиболее яркие примеры "больших скачков" - появление фотосинтезирующих организмов в воде и возникновение дышащих организмов на суше. Это свойства обеспечивали очень большие эволюционные преимущества и позволили заселить практически пустые экологические ниши. Однако каждая из новых функций требовала появления сразу нескольких новых белков, т.е. новой белковой системы. При этом каждый из белков системы в отдельности не давал никаких эволюционных преимуществ. Поэтому градуальная (постепенная) реализация "большого скачка" невозможна. С другой стороны, возникновение всей системы в целом "сразу" (за один акт) за счет точечных мутаций тоже крайне маловероятна.
Физическими причинами каждого из упомянутых этапов дивергентной эволюции являются, во-первых, истощение ресурсов питания (продовольственная проблема) и, во-вторых, загрязнение окружающей среды "отходами" биогенной деятельности.
Так, в начальный период (до появления фотосинтезирующих) основными субстратами питания были органические вещества абиогенного происхождения и остатки отмерших организмов. Атмосфера Земли в то время была восстановительной и основным энергетическим процессом являлся гликолиз. Настал момент, когда наши далекие предки все эти продукты съели - наступил продовольственный и энергетический кризис, и темп репродукции сильно уменьшился.
Усвоение энергии света и использование ее для синтеза АТФ позволило решить энергетическую проблему. Возникновение белковой системы фотолиза воды и использование углекислоты для синтеза сахаров (цикл Кальвина) позволили решить продовольственную проблему.
Однако тут же возникла проблема загрязнения окружающей среды. Дело в том, что атмосфера наполнялась кислородом, который, с точки зрения наших анаэробных предков, являлся сильным ядом.
Следующим "большим скачком" было образование дыхательной цепи - белковой системы, способной усваивать кислород, окислять сахара вплоть до углекислоты (цикл Кребса) и синтезировать АТФ за счет энергии окисления (окислительное фосфорилирование). Это позволило превратить ядовитые отходы в полезный субстрат. Одновременно появилась новая экологическая ниша - суша.
Дальнейшие ароморфозы были связаны с образованием многоклеточных и высших организмов.
Из изложенного следует, что биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, а также голод и загрязнение окружающей среды биологическими отходами.
Механизм образования ароморфозов. Рассмотрим проблему на примере образования белков, способных усваивать и утилизировать свет. Как правило, это мембранные белки. Они отличаются от растворимых в воде белков (протеаз, эстераз и т.д.). Глобулы растворимых белков устроены так, что на поверхности расположены гидрофильные остатки аминокислот. Глобулы мембранных белков с боковых сторон покрыты гидрофобными, а с торцовых сторон - гидрофильными остатками. Поэтому для образования таких белков необходимы новый активный центр и новая глобула. Соответственно, ценную информацию, необходимую и достаточную для функционирования нового белка, можно разделить на две части: одна относится к активному центру, другая - к конструкции глобул.
Вероятность спонтанного возникновения системы из нескольких (хотя бы трех) таких белков, необходимых для функции фотосинтетического фосфорилирования, уже оказывается абсурдно мала.
Именно это обстоятельство лежит в основе проблемы араморфозов, и именно на этом основании делается вывод о невозможности объяснить наблюдаемый (т.е. быстрый) темп эволюции.
Разрешение проблемы в информационном аспекте выглядит достаточно просто. Действительно, в приведенных выше оценках делается неявное предположение о том, что при возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции. Это предположение действительно оправдано, если имеется только механизм точечных мутаций и другие отсутствуют.
Проблема решается, если допустить, что помимо точечных мутаций существует другой механизм - блочные мутации. При этом новый белок собирается из уже имеющихся блоков (деталей) старых белков. Информация, содержащаяся в блоках, не пропадает, а сохраняется и используется уже в новой белковой конструкции, выполняющей новые функции.
Вероятность появления целой белковой системы не мала (в наших масштабах).
В целом создание новых белков из уже имеющихся блоков сходно с детской игрой "конструктор", в которой из одних и тех же деталей можно собрать мост, дом, экипаж и т.д. Поэтому обсуждаемую гипотезу можно условно назвать "конструктор".
Выше мы оперировали блоками, входящими в белки. В действительности перестановки блоков совершаются на уровне генома. На оценку вероятности перестановки блоков это не влияет. Однако с молекулярной точки зрения это важно, ибо в запасе должны храниться не лишние белки, а лишь информация о них. Используя аналогию с эволюцией техники, можно сказать, что при конструировании новой машины инженер использует чертежи прежних машин, хранившиеся в архиве, и выбирает из них чертежи нужных деталей.
Другой пример "большого скачка": возникновение аппарата усвоения кислорода происходило аналогично и закончилось образованием простейших дышащих организмов. Впоследствии в результате симбиоза они внедрились в другие клетки и превратились в органеллы - митохондрии.
Таким образом, проблему скорости биологической эволюции можно считать решенной. Она протекала действительно быстро. Впрочем, тот же вопрос можно было бы поставить и в отношении эволюции техники. Она также осуществлялась достаточно быстро, но была бы гораздо более медленной (или даже невозможной), если бы при создании каждой новой машины приходилось каждую ее деталь изобретать заново. Большую роль при этом играли стандартизация деталей и сохранение в архивах чертежей прежних конструкций.
Список литературы1. Александров Ю., Захожай В. Существование планетных систем в Галактике и проблемы их поиска/Проблема поиска жизни во Вселенной. М., 1986
2. Кардашев Н. О стратегии поиска внеземных цивилизаций/Астрономия. Методология. Мировоззрение. М., 1979
3. Комаров В. Чтобы лучше познать себя/Вселенная и разум. М., 1988
4. Комаров В. В космическом зеркале. М., 1989
5. Левитан Е., Мамуна В. Наши ближайшие звездные соседи//Наука и жизнь. 1990. № 9
6. Липунов В.М. Научно открываемый Бог//Земля и Вселенная. 1995. № 1
7. Липунов В.М. О вероятности контакта с технологической цивилизацией//Астроном. журнал. 1988. Т. 65
8. Открыты ли, наконец, планеты?//Земля и Вселенная. 1988. № 2
9. Страйжис В. Некоторые астрономические явления как возможный результат деятельности высокоразвитых цивилизаций//Проблема поиска жизни во Вселенной. М., 1986
10. Фейнберг Е.Л. Кибернетика, логика, искусство. М., 1981
11. Циолковский К.Э. Монизм Вселенной//Грезы о Земле и Небе. Тула, 1986
12. Шварцман В.Ф. Поиск внеземных цивилизаций - проблема астрофизики или культуры в целом?/Проблема поиска жизни во Вселенной. М., 1986
13. Шкловский И. С. Проблема внеземных цивилизаций и её философские аспекты//Вопросы философии. 1973. № 2.
14. Шкловский И.С. Возможна ли связь с разумными существами других планет?//Вопросы философии. 1979. № 9
15. Шкловский И.С. Существуют ли внеземные цивилизации?//Земля и Вселенная. 1985. № 3
16. Шкловский И. С. Вселенная. Жизнь. Разум. М., 1987
17. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. М., 1967. Т. 4
18. Half of galaxy's stars may have planets//Nando Times. 1996. Sept. 11
19. Tarcali G. Surprise of Christmas night//Australian International UFO-Flying Saucer Research. 1993. № 58
20. Аветисов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира//Успехи физ. наук. 1996. Т. 160.
21. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. М., 1975.
22. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М., 1998.
23. Кастлер Г. Возникновение биологической организации. М., 1967.
24. Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М., 1924.
25. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическая биофизика. М., 1984.
26. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическое моделирование в биофизике. М., 1975.
27. Чернавская Н.М., Чернавский Д.С. Туннельный транспорт электронов в фотосинтезе. М., 1977.
28. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М., 1990.
29. Чернавский Д.С., Чернавская Н.М. Белок-Машина: Биологические макромолекулярные конструкции. М., 1999.
30. Чернавский Д. С. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики//Успехи физ. наук. 2000. № 170.
31. Уоддингтон К. Морфогенез и генетика. М., 1964.
32. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., 1973.
33. Avetisov V. A., Goldanskii V. I., Kuzmin V. V. Handedness, Origin of Life and Evolution//Physics Today. 1991. V.44.
34. Chernavskaya N.M., Chernavskii D.S. Some aspects of the Problem of Life Origin//J. Theor. Biol. 1975. V. 53.
35. De Duve C. Origin of Life. Blueprint for a Сell. Burlington, 1991.
36. Frontiers of Life/Ed. Tran Thanh Van et al. Sigapore, 1991.
37. Molecular Evolution and Protobiology/Ed. K. Matsuno et al. NY; London, 1984.
Похожие работы
... формами географической (территориально-механической) изоляции, известны и разные формы биологической изоляции, которые могут быть разбиты на три основные группы: эколого-этологическую, морфо-физиологическую и собственно генетическую. Биологическая изоляция приводит к уменьшению вероятности встречи особей разных полов в период размножения, снижению полового влечения и эффективности спаривания, к ...
... полей космоса и окружающего нас мира. Изучение информационных полей живого вещества и сфер биологических макромолекул-кристаллоидов может дать дополнительные сведения о природе и принципах организации живой формы материи. 4. Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой формы материи. Вещество, энергия и информация являются важнейшими сущностями нашего мира и ...
... появившиеся информационные макромолекулы, предвестники жизни, стали на длительный путь формирования биологических структур. Можно без преувеличения сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции – ...
... строго не доказана. Космическое зарождение и космический транспорт С развитием спектральных методов исследования космического пространства, были получены новые интересные факты, говорящие в пользу возможности возникновения жизни вне Земли и занесения её в дальнейшем на нашу планету метеоритным или иным транспортом. Ранее было обнаружено, что многие метеориты содержат в себе самые разнообразные ...
0 комментариев