Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции
Шрифт:
Суть этого раздела этой главы в том, что "правильный фермент" достигает своей "правильности" в значительной степени вследствие своей физической формы (и это важно, потому что физическая форма определяется генами, и это - гены, чьим вариациям, в конечном счете, благоприятствует или не благоприятствует естественный отбор). Молекулы в большом количестве дрейфуют, вертятся и кружат в бульоне, омывающем внутренности клетки. Молекула вещества A могла бы быть счастлива прореагировать с молекулой вещества B, но только если им доведется столкнуться, будучи повернутыми в строго правильном направлении друг относительно друга. Важно то, что это редко случается - если в процесс не вступает подходящий фермент. Точная форма фермента, форма, в которую он свернулся как магнитное ожерелье, оставляет его изрытым впадинами и вмятинами, у каждой из которых есть своя точная форма. У каждого фермента есть так называемый "активный центр", который обычно представляет собой специфическую впадину или карман, чья форма и химические свойства придают ферменту его специфику. Слово "впадина" недостаточно передает особенность, точность, этого механизма. Возможно, лучшее сравнение с электрической розеткой. В том, что мой друг зоолог Джон Кребс назвал "великим штепсельным заговором", различные страны во всем мире, что раздражает, приняли разные произвольные соглашения для штепселей и розеток. Британские штепсели не будут подходить к американским или французским розеткам, и так далее. Активные центры на поверхности молекул белка - розетки, которым будут отвечать только определенные молекулы. Но если великий штепсельный заговор ведет только к полудюжине отдельных форм во всем мире (вполне достаточно, чтобы создать постоянные неудобства путешественнику), различные виды розеток, представляемых ферментами, намного более многочисленны.
Представьте себе конкретный фермент, который катализирует химическую комбинацию двух молекул, P и Q, создавая соединение PQ. Одна половина активного центра "розетки" как раз подходит, чтобы в нем устроилась молекула типа P, как часть пазла. Другая половина той же розетки столь же точно приспособлена, чтобы в нее вставлялась молекула Q - обращенная в точности в правильном направлении, чтобы химически соединиться с молекулой P, уже находящейся там. Находясь в одной впадине, твердо удерживаемые как раз под нужным углом друг к другу сводящей молекулой фермента, P и Q объединяются. Новое соединение, PQ теперь отделяется в бульон, оставляя активную впадину в молекуле фермента готовой примирять другую P и другую Q. Клетка может быть заполнена роем идентичных молекул фермента, продолжающих работать как роботы на автомобильном заводе, производя в большом количестве PQ в клеточном аналоге промышленных количеств. Поместите другой фермент в одну и ту же клетку, и он произведет в большом количестве другой продукт, возможно PR, или QS или YZ. Конечные продукты различны, даже при том, что доступное сырье -одно и то же. Другие типы ферментов заняты не созданием новых соединений, а расщеплением старых. Некоторые из этих ферментов вовлечены в переваривание пищи, и они используются также в "биологических" стиральных порошках. Но, так как эта глава о строительстве эмбрионов, мы здесь рассматриваем главным образом строительные ферменты, которые посредничают в синтезе новых химических соединений. Один такой процесс показан в действии на цветной странице 12.
Проблема могла прийти Вам в голову. Все это очень хорошо, говорить о пазле впадин и розеток, высокоспецифичных активных центрах, способных ускорить конкретную химическую реакцию в триллионы раз. Но разве это не звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Как молекулы фермента как раз нужной формы эволюционировали из менее совершенных начал? Какова вероятность, что у розетки, сформированной случайным образом, будет как раз нужная форма и как раз нужные химические свойства, чтобы обеспечить соединение между двумя молекулами, P и Q, ловко устраивая их столкновение под точно правильным углом? Не очень большая, если Вы представите себе "законченный пазл" - или, на самом деле, если Вы представите себе "великий штепсельный заговор". Вместо этого Вы должны представить себе "плавный градиент усовершенствования". Поскольку нередко, когда мы сталкиваемся с загадкой, как сложные и невероятные вещи могут явиться результатом эволюции, ошибочно предполагать, что итоговое совершенство, которое мы видим сегодня, было всегда. Полностью сформированные, сильно эволюционировавшие молекулы фермента обеспечивают увеличение в триллион раз скорости реакций, которые они катализируют, и они делают это за счет свей красивой, как раз подходящей формы. Но Вам не нужно увеличение скорости в триллион раз, чтобы вам благоприятствовал естественный отбор. Вполне устроит и в миллион раз! Подойдет и тысяча раз. И даже в десять или в два раза было бы достаточно естественному отбору для надлежащего закрепления. Есть плавный градиент усовершенствования эффективности фермента на всем протяжении от почти полного отсутствия впадины, через впадину грубой формы, до розетки совершенно правильной формы и химических деталей. "Градиент" означает, что каждый шаг является заметным усовершенствованием, каким бы небольшим он ни был, относительно предыдущего. И "заметное" для естественного отбора может означать усовершенствование, меньшее, чем тот минимум, который был бы необходим нам, чтобы его заметить.
Итак, Вы видите, как это работает. Изящно! Клетка -переналаживаемая химическая фабрика, способная выплевывать в массовых количествах широкое разнообразие различных веществ, выбранных под влиянием того, какой присутствует фермент. И как делается этот выбор? В соответствии с тем, какой ген включен. Так же как клетка является чаном, заполненным большим количеством химикатов, только меньшая часть которых реагирует друг с другом, так же и каждое клеточное ядро содержит весь геном, но только меньшая часть генов включена. Когда ген включен, скажем, в клетке поджелудочной железы, его последовательность кодовых букв непосредственно определяет последовательность аминокислот в белке; а последовательность аминокислот определяет (помните образ магнитного ожерелья?) форму, в которую сворачивается белок; а форма, в которую сворачивается белок, определяет точную форму впадин, которые соединяют вещества, дрейфующие вокруг в клетке. Каждая клетка, за очень немногими исключениями, такими как красные кровяные тельца, не имеющие ядра, содержит гены для того, чтобы производить все ферменты. Но в любой клетке только несколько генов будут включены в любое конкретное время. Скажем, в клетках щитовидной железы гены, которые продуцируют ферменты, подходящие для катализа производства гормонов щитовидной железы, включены. И соответственно для всех различных видов клеток. Наконец, химические реакции, протекающие в клетке, определяют форму клетки, и особенность ее поведения, и то, как она участвует в взаимодействиях в стиле оригами с другими клетками. Таким образом, всем течением эмбрионального развития управляют, через запутанную последовательность событий, гены. Это гены, которые определяют последовательности аминокислот, которые определяют третичные структуры белков, которые определяют розеткоподобные формы активных центров, которые определяют химию клетки, которые определяют "подобное скворцам" поведение клетки в эмбриональном развитии. Так различия в генах могут служить причиной, в начальном конце сложной цепи событий, различий в том, как развивается эмбрион и, следовательно, различий в форме и поведении взрослых. Выживание и репродуктивный успех этих взрослых в таком случае действуют обратной связью в выживании в генофонде генов, определивших разницу между успехом и неудачей. И это - естественный отбор.
Клеточная родословная Caenorhabditis elegans
Эмбриология кажется сложной - является сложной - но легко понять важную суть, состоящую в том, что мы на всем пути имеем дело с локальными процессами самосборки. Отдельный вопрос, учитывая, что (почти) все клетки содержат все гены, как определяется, какие гены включаются в каждом различном виде клеток. Теперь я должен кратко рассмотреть этот вопрос.
Включен ли данный ген в данной клетке в данное время, часто определяется посредством каскада других генов, названных генами переключателями или регуляторными генами, под влиянием химического окружения клетки. Клетки щитовидной железы весьма отличаются от мышечных клеток и т. д., даже при том, что их гены -одни и те же. Все это очень хорошо, Вы можете сказать, если только развитие эмбриона идет полным ходом, и различные виды тканей, такие как щитовидная железа и мышцы, уже существуют. Но каждый эмбрион начинает свою жизнь как одна клетка. Клетки щитовидной железы и клетки мышц, клетки печени и клетки костей, клетки поджелудочной железы и клетки кожи, все происходят от одной оплодотворенной яйцеклетки через ветвящееся генеалогическое дерево. Это генеалогическое дерево клеток, берущее начало не далее чем в момент оплодотворения, не имеет ничего общего с эволюционным деревом, берущим начало миллионы лет назад, которое продолжает появляться в других главах. Позвольте мне показать Вам, например, полное генеалогическое дерево всех 558 клеток недавно рожденной личинки червя нематоды, Caenorhabditis elegans (ниже: пожалуйста, обратите особое внимание на каждую деталь этой диаграммы). Между прочим, я не знаю, что совершил этот крошечный червь, чтобы заработать свое видовое название elegans, но я могу подумать о серьезном основании, почему он мог его заслужить ретроспективно. Я знаю, что не всем моим читателям нравятся мои отступления, но исследование, которое было сделано на Caenorhabditis elegans является таким звучным триумфом науки, что Вам меня не остановить.
Caenorhabditis elegans был выбран в 1960-ых как идеальное экспериментальное животное потрясающе блистательным южноафриканским биологом Сиднеем Бреннером. Он недавно закончил свою работу с Фрэнсисом Криком и другими в Кембридже по расшифровке генетического кода и искал, какую бы новую большую проблему решить. Его вдохновенный выбор и его собственное исследования в области генетики и нейроанатомии привели к международному сообществу исследователей Caenorhabditis, которое разрослось до тысяч. Было бы некоторым преувеличением сказать, что мы теперь знаем все о Caenorhabditis elegans! Мы знаем весь его геном. Мы знаем точно, где каждая из его 558 клеток (в личинке; 959 во взрослой гермафродитной форме, не считая репродуктивных клеток), находится в теле, и мы знаем точную "семейную историю" каждой из этих клеток на протяжении эмбрионального развития. Мы знаем о большом количестве мутантных генов, которые производят неправильных червей, и мы знаем точно, где мутация действует в теле и точную клеточную историю того, как аномалия развивается. Это небольшое животное известно от начала до конца, известно наизнанку, известно от головы до хвоста и всех промежуточных станций, известно вдоль и поперек ("O замечательный день!"). Бреннер был с запозданием удостоен Нобелевской премии по физиологии в 2002 году, а родственный вид назвали в его честь, Caenorhabditis brenneri. Его постоянная рубрика в журнале "Current Biology", подписываемая "Дядя Сид", является образцом интеллектуального и непочтительного научного остроумия - столь же изящного, как международные усилия в исследовании C. elegans, которые он вдохновил. Я бы хотел, чтобы молекулярные биологи поговорили бы с некоторыми зоологами (как сам Бреннер) и научились бы не называть Caenorhabditis просто нематода или даже просто червь, как если бы не было никаких других.
Конечно, Вы не можете прочитать названия типов клеток у основания диаграммы (потребовалось бы семь страниц, чтобы распечатать все это разборчиво), но они перечисляют такие вещи как "глотка", "кишечная мышца", "мышца тела", "мышца сфинктера", "кольцевой ганглий", "люмбальный ганглий". Клетки всех этих типов являются буквально кузенами друг друга: кузенами по своему происхождению за время жизни отдельного червя. Например, я смотрю на особую мышечную клетку тела, названную MSpappppa, которая является родной сестрой другой мышечной клетки тела, двоюродной сестрой еще двух мышечных клеток тела, племянницей еще двух мышечных клеток тела, троюродной сестрой шести клеток глотки, четвероюродной сестрой семнадцати клеток глотки... и так далее. Не удивительно ли, что мы можем фактически использовать такие слова как "троюродная племянница", с предельной точностью и уверенностью, чтобы указывать на проименованные и однозначно идентифицируемые клетки тела животного? Число "поколений" клеток, отделяющее ткани от первоначального яйца, не особенно велико. В конце концов, в этом теле всего лишь 558 клеток, и Вы можете теоретически создать 1 024 (2 в 10 степени) за десять поколений клеточного деления. Число поколений для клеток человека было бы намного большим. Однако теоретически можно было бы сделать подобное генеалогическое дерево для каждой из триллиона с лишним Ваших клеток (в отличие от 558 клеток личинки самки C.elegans), прослеживая родословную каждой назад к одной оплодотворенной яйцеклетке. У млекопитающих, однако, невозможно идентифицировать конкретные, однозначно проименованные клетки. У нас больше имеют место статистические популяции клеток, чьи детали различны у разных людей.
Я надеюсь, мое эйфорическое отступление к элегантности исследования Caenorhabditis не слишком нас отвлекло от проводимого мною рассуждения о том, как меняются типы клеток по своей форме и характеру по мере их ответвления друг от друга в эмбриональном генеалогическом дереве. В точке ветвления между клоном, которому предстоит стать клетками глотки, и " клоном-кузеном", которому предстоит стать клетками кольцевого ганглия, должно быть нечто, что отличало бы их, иначе как бы они сумели включить различные гены? Ответ в том, что когда последний общий предок двух клонов разделился, две половины клетки перед делением были различными. Поэтому, когда клетка разделилась, две дочерних клетки, хотя идентичные в своих генах (каждая дочерняя клетка получает полный комплект генов), не были идентичны в окружающих химикатах. И это означает, что были включены не одни и те же гены, что изменило судьбу их потомков. Тот же принцип применяется сплошь в эмбриологии, включая самое ее начало.
Ключом к дифференциации у всех животных является асимметричное деление клетки.
Сэр Джон Салстон и его коллеги проследили каждую из клеток в теле червя назад к одной и только одной из шести клеток-основательниц -мы могли бы даже назвать их "клетками-матриархами" - названных AB, MS, E, D, C и P4. Называя клетки, они использовали аккуратные обозначения, которые кратко подытоживают историю каждой. Название каждой клетки начинается с названия одной из тех шести клеток-основательниц, той, от которой она происходит. Дальнейшее ее название является последовательностью букв, начальных букв адреса отдела клеток, давшего ей начало: передний, задний, спинной, брюшной, левый, правый. Например, Ca и Cp являются двумя дочерьми матриарха C, передней [anterior] и задней [posterior] дочерьми соответственно. Заметьте, что у каждой клетки есть не больше двух дочерей (из которых одна может умереть). Теперь я смотрю на конкретную мышечную клетку тела, название которой, Cappppv, кратко раскрывает ее историю: у C была передняя дочь, у которой была задняя дочь, у которой была задняя дочь, у которой была задняя дочь, у которой была задняя дочь, у которой была брюшная [ventral] дочь, которая является рассматриваемой мышечной клеткой тела. Каждая клетка в теле обозначена сопоставимой последовательностью букв, возглавляемой одной из шести клеток-основательниц. Возьмем другой пример, ABprpapppap является нервной клеткой, которая находится в брюшном нервном стволе, идущем вдоль червя. Стоит ли говорить, что нет необходимости вдаваться в детали. Красивый момент в том, что у каждой отдельной клетки тела есть такое название, которое полностью описывает ее историю во время эмбриологенеза. Каждое из десяти делений клетки, давших начало ABprpapppap и любой другой клетке, было асимметричным делением с возможностью различных генов быть включенными в каждой из двух дочерних клеток. И у всех животных это является принципом, благодаря которому дифференцируются ткани, даже при том, что все их клетки содержат одни и те же гены. У большинства животных, конечно, гораздо больше клеток, чем 558 клеток Caenorhabditis, и их эмбриональное развитие в большинстве случаев менее жестко детерминировано. В частности, как мне любезно напомнил сэр Джон Салстон, и как я уже вкратце упомянул, у млекопитающего "генеалогические деревья" наших клеток различны для каждой особи, тогда как в Caenorhabditis они почти идентичны (кроме особей-мутантов). Однако принцип остается одним и тем же. У любого животного клетки отличаются друг от друга в различных частях тела, даже хотя они и генетически идентичны, из-за их истории асимметричного клеточного деления во время короткого курса эмбрионального развития.