Естественные технологии биологических систем

Уголев Александр Михайлович

Нам удалось также найти ряд примеров быстрых макроэволюционных сдвигов, основанных на смещении одного или двух функциональных блоков в каудальные отделы кишечной трубки насекомых и рыб.

Наконец, в последнее время при изучении ассимиляторных процессов у млекопитающих в онтогенезе было обнаружено, что срок перехода от молочного к смешанному питанию сильно варьирует. Эти вариации оказывают существенное влияние на формирование растущего организма.

Итак, гетерогенность популяции по распределению универсальных функциональных блоков и по их комбинаторике — важнейший механизм прогрессивной эволюции. Эта эволюция частично отражает различия в генетической информации, а частично — фенотипические дивергенции.

Таким образом, изучение вариабельности физиологических признаков и популяционного

фонда функциональных блоков может оказаться столь же плодотворным для понимания эволюции функций, как и популяционный подход для характеристики эволюции структурных признаков (как морфологических, так и биохимических). Значительная вариабельность в пределах популяции какого-либо признака (например, секреция, скорость всасывания, соотношение различных ферментов, их распределение между клеточными органеллами и т.д.) означает, что биологическая система построена не идеально и многие признаки не имеют определенного физиологического значения. При этом побочные эффекты являются обязательным атрибутом каждого биологического процесса. В ходе эволюции достигается

Некоторое равновесие между полезными биологическими эффектами, побочными эффектами и биологической стоимостью каждой функции.

Таким образом, отсутствие идеальных биологических систем — следствие лежащего в основе эволюции такого технологического принципа, как принцип эффективности. Он основан на существовании полезных и побочных эффектов, а также отрицательного эффекта, обозначаемого как метаболическая, или биологическая, стоимость функции (структуры). Принцип эффективности и входящие в него частные закономерности могут быть применены для анализа многих общих закономерностей. Следовательно, технологические особенности организации различных систем, в том числе экологических, по-видимому, определяются технологичностью самой эволюции.

***

Итак, за немногими исключениями можно обнаружить, что самые примитивные и самые совершенные организмы используют близкие или идентичные по своей молекулярной и функциональной архитектуре функциональные блоки. Особенно сходны функционально активные части таких блоков, что проливает свет на основные закономерности эволюции. Под этим подразумевается идентичность функционально значимых частей блоков и меньшее сходство функционально индифферентных частей.

Идентичность или близость первичных структур в одноименных функциональных блоках исключает конвергенцию как механизм сближения функциональных свойств. Имеющаяся информация говорит, что главный путь эволюции — это комбинаторика. В ходе эволюции на основе некоторого набора функциональных блоков, сформировавшихся на начальных этапах эволюции, возникали новые, иногда принципиально новые системы. Это не означает, что функциональные блоки не менялись. Тем не менее основной путь формирования сложных функциональных комплексов на уровне клеток, тканей, органов и систем происходил в результате комбинации функциональных блоков в комплексы первого, второго, третьего и более высоких порядков. Рекомбинация функциональных блоков всегда достигается изменением набора блоков, их соотношении, взаимодействий в пространстве и времени и т.д. Именно так происходит превращение секреторной клетки во всасывающую, т.е. клетки, обеспечивающей сохранение воды, в клетку, обеспечивающую сохранение солей.

Общность на уровне элементарных функций и функциональных блоков является продолжением той общности, которая ранее была обнаружена на уровнях атомного состава и простых органических молекул, служащих строительными блоками. Такое единство — предпосылка для взаимодействия отдельных компонентов экосистемы и биосферы. Суть и причина единства заключаются в том, что для циркуляции веществ и жизни на планетарном уровне необходимы трофические цепи. Для формирования трофических круговоротов и трофических цепей обязательно единство элементарной структуры. Однако для жизни необходимо, чтобы макроструктура была бы также близкой или идентичной, так как усвоение пищи предполагает, что гидролизуемые связи во всех случаях одинаковы.

Возникает вопрос, не противоречит ли концепция функциональных блоков представлениям об эволюции на молекулярном и близком к нему уровнях?

Однако в этой связи следует отметить, что возможность рекомбинаций функциональных блоков можно справедливо рассматривать как эволюционный процесс, поразительный по богатству своих возможностей. Примером этому служит эволюция генетического аппарата и других информационных систем, где рекомбинация становится основным механизмом. В ряде случаев идея о существовании универсальных функциональных блоков не только не отвергает их изменений, но и постулирует ускоренную эволюцию. Эта же идея позволяет понять случаи поразительного консерватизма некоторых молекул или их частей на протяжении огромных отрезков времени. Наконец, единство функциональных блоков реализуется на уровне экосистем. Если бы не существовало подобного единства, то члены одного и того же сообщества были бы разобщены, а существование сообщества было бы невозможно.

Сравнительная физиология свидетельствует, что общность функциональных блоков не только обеспечивает трофические взаимодействия, но и превращает сообщества организмов в единые взаимодействующие системы. Вместе с тем такая общность служит причиной, из-за которой человек становится особенно опасным противником природы. Полагая, что выработанное им ядовитое вещество действует лишь на растения или животные одного вида, человек часто оказывает огромный вредный эффект на растения или животные многих других видов, нанося неисчислимый экологический ущерб. Следовательно, концепция универсальных функциональных блоков позволяет понять особенности современного мира и природы, а также взаимоотношения человека и природы.

Наконец, становится ясно, что физиология должна перейти к изучению более высоких иерархических уровней, чем организм, т.е. к популяционному, экосистемному и биосферному. В конечном итоге будут сформированы две области физиологии: 1) физиология популяций, которая должна стать важной частью экологической физиологии; 2) популяционная физиология, рассматривающая варьирование физиологических признаков и свойств популяциониого генофонда и фонда функциональных блоков, а также их изменения под влиянием различных эволюционных факторов.

Глава 7

НЕКОТОРЫЕ СЛЕДСТВИЯ КОНЦЕПЦИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ

Каждый функциональный блок (или ограниченное число блоков, так называемые изоблоки), реализующий определенную элементарную функцию, универсален в том смысле, что выполняет соответствующую функцию в клетках животных, растений, грибов, простейших, а в некоторых случаях даже у прокариотов. Точно так же одни и те же функциональные блоки осуществляют одни и те же функции в разных органах и разных клетках независимо от их функциональной специализации. Специализация и специфичность достигаются в результате специфических сочетаний или специфического расположения функциональных блоков. Такое представление находится в противоречии с фундаментальными концепциями, положенными в основу ряда прикладных аспектов современной биологии и медицины, в частности в основу взглядов на действие лекарственных препаратов, токсических веществ, различных методов борьбы с паразитами и вредителями сельскохозяйственных культур и др. Попытаемся рассмотреть некоторые следствия, вытекающие из концепции функциональных блоков.

7.1. «Синдром общих блоков»

Концепция универсальных функциональных блоков вводит нас в новую область медицины, относящуюся к молекулярным заболеваниям. В настоящее время уже обнаружены заболевания, которые должны быть истолкованы с позиций этой концепции. Такие заболевания, по-видимому, могут возникать при нарушении различных блоков: ферментных, транспортных, регуляторных, сократительных и др. По-видимому, со временем будет обнаружено много различных форм патологии, где применение концепции универсальных функциональных блоков будет особенно плодотворно. Сейчас обратим внимание лишь на несколько заболеваний. Рассмотрим дефекты транспорта аминокислот. Оказалось, что это — системные заболевания, но дефектность транспорта аминокислот проявляется в тех случаях, когда дублирующие или вспомогательные механизмы (например, пассивный перенос) не могут компенсировать основного нарушения.