Величайшее Шоу на Земле: свидетельства эволюции.
Шрифт:
Моя цель разъяснения моделей Остера состояла в том, чтобы показать общий принцип, благодаря которому отдельные клетки могут взаимодействовать друг с другом, строя тело без какого-либо чертежа, отображающего целое тело. Подобно складыванию оригами, инвагинация и отделение в стиле [эксперимента] Остера являются лишь некоторыми из самых простых уловок для построения эмбрионов. Другие, более сложные, играют роль позже в эмбриональном развитии. Например, изобретательные эксперименты показали, что нервные клетки, когда растут от спинного или головного мозга, находят дорогу к своему конечному органу не следуя какого-либо рода общему плану, а благодаря химическому привлечению, почти как пес вынюхивает, выискивая суку в период течки. Ранний классический эксперимент Нобелевского лауреата, эмбриолога Роджера Сперри отлично иллюстрирует этот принцип. Сперри с коллегой взяли головастика и удалили крошечный
В нормальном эмбриональном развитии, согласно интерпретации Сперри, произошло следующее: аксоны (длинные «провода», каждый — узкий, трубчатый выступ отдельной нервной клетки) вырастают из спинного мозга в поисках кожи живота, вынюхивая ее как собака. Другие аксоны растут из спинного мозга, вынюхивая кожу спины. И обычно это дает правильный результат: щекотание спины ощущается, как если бы оно было на спине, в то время как щекотание живота ощущается, как если бы оно было на животе. Но у экспериментальной лягушки Сперри некоторые из нервных клеток, вынюхивающих кожу живота, нашли почтовую марку кожи живота пересаженной на спину, по-видимому, потому что она правильно пахла. И наоборот. Люди, которые верят в своего рода теорию tabula rasa (чистой доски), согласно которой мы все рождены с разумом в виде с чистого листа, и заполняем его опытом, должны быть удивлены результатом Сперри. Они должны ожидать, что лягушки будут учиться на опыте разбираться с ощущениями их собственной кожи, связывая правильные чувства с правильными местами на коже. Вместо этого кажется, что каждая нервная клетка в спинном мозге помечена, скажем, как нервная клетка живота или нервная клетка спины, даже прежде, чем она вступит в контакт с соответствующей кожей. Позже она найдет свой назначенный, целевой пиксель кожи, где бы он ни был. Если бы муха проползла вдоль ее спины, лягушка Сперри, по-видимому, испытала бы иллюзию, что муха внезапно перепрыгнула со спины на живот, проползла немного дальше, а затем мгновенно перепрыгнула снова на спину.
Подобные эксперименты вынудили Сперри сформулировать свою гипотезу «хемо-афинности», согласно которой нервная система монтируется не следуя всеобщему чертежу, а благодаря тому, что каждый отдельной аксон, ищет конечные органы, с которыми у него есть особое химическое сродство. Еще раз, у нас есть маленькие, локальные единицы, придерживающиеся локальных правил. Клетки обычно изобилуют «ярлыками», химическими значками, которые позволяют им найти своих «партнеров». И мы можем вернуться к аналогии оригами, чтобы найти другое место, где принцип маркировки оказывается полезным. В человеческом бумажном оригами не используется клей, хотя мог бы. А в оригами эмбриона, в соответствии с которым собираются тела животных, действительно использует что-то аналогичное клею. Скорее клеям, потому что их существует много, и именно здесь маркировка торжествующе получает должное признание. У клеток есть сложный ассортимент «молекул адгезии» на их поверхностях, посредством которых они липнут к другим клеткам. Это клеточное слипание играет важную роль в эмбриональном развитии во всех частях тела. Тем не менее, есть существенное отличие от клеев, с которыми мы знакомы. Для нас клей является всего лишь клеем. Некоторые клеи сильнее других, некоторый из клеев схватываются быстрее других, некоторые клеи больше подходят, скажем, для дерева, в то время как другие лучше работают с металлами или пластмассами. Но это, пожалуй, и все относительно разнообразия среди клеев.
Молекулы клеточной адгезии работают намного более тонко. Можно сказать, они более разборчивы. В отличие от наших искусственных клеев, которые будут клеить большинство поверхностей, молекулы клеточной адгезии связываются только с другими особыми молекулами клеточной адгезии в точности правильной разновидности. Один класс адгезивных молекул у позвоночных, кадгерины, имеется в приблизительно восьмидесяти известных в настоящее время специфичных разновидностях. За некоторыми исключениями, каждый из этих приблизительно восьмидесяти кадгеринов свяжется только со своей собственной разновидностью. Забудьте на минутку клей: лучшей аналогией могла бы быть игра на детском празднике, где каждому ребенку назначают животное, и все они должны, кружа по комнате, производить звуки, как отведенные им животные. Каждый ребенок знает, что только одному из других детей назначили то же животное, что и ему, и он должен найти своего партнера, слушая какофонию, имитирующую фермерский двор. Подобно работают и кадгерины. Возможно, как и я, Вы смутно можете представить, как толковое добавление конкретных кагдеринов на поверхности клеток в стратегически важных местах могло бы улучшить и усложнить принципы самосборки оригами эмбриона. Заметьте, снова же, что это подразумевает не какой бы то ни было всеобщий план, а скорее разрозненную коллекцию локальных правил.
Видя, как целые слои клеток играют в игру оригами при формировании эмбриона, давайте теперь погрузимся в отдельную клетку, где мы обнаружим тот же принцип самосворачивания и самосгибания, но в намного меньшем масштабе, масштабе отдельной молекулы
Белки — цепочки меньших молекул, называемых аминокислотами, и эти цепочки, подобно слоям клеток, которые мы рассматривали, также сворачиваются весьма строго заданным способом, но в намного меньшем масштабе. В белках, встречающихся в природе (это — один факт, который, по-видимому, будет другим в инопланетных мирах) есть только двадцать разновидностей аминокислот, и все белки являются цепочками, собранными лишь из этого ассортимента двадцати, выделенного из намного большего набора возможных аминокислот. Теперь — к автооригами. Белковые молекулы, просто следуя законам химии и термодинамики, спонтанно и автоматически скручиваются в трехмерные конфигурации точной формы — я почти сказал «узлы», но, в отличие от миксин (если я могу необоснованно сообщить не относящийся к делу, но занимательный факт), белки не завязываются буквально в узлы. Трехмерная структура, в которую загибается и скручивается цепочка белка, является «третичной структурой», с которой мы кратко познакомились, рассматривая самосборку вирусов. Любая конкретная последовательность аминокислот диктует специфическую схему сворачивания. Последовательность аминокислот, в свою очередь определяемая последовательностью букв в генетическом коде, определяет форму третичной структуры. Форма третичной структуры, в свою очередь, имеет чрезвычайно важные химические последствия.
Автооригами, в соответствии с которым сворачиваются и закручиваются цепочки белка, управляются при помощи законов химической притягательности и законов, определяющих углы, под которыми атомы связаны друг с другом. Вообразите ожерелье из магнитов необычной формы. Это ожерелье не висело бы грациозно прогибающейся линией вокруг грациозной шеи. Оно приняло бы какую-то другую форму, став запутанным, поскольку магниты удерживали бы друг друга и нашли бы друг у друга уголки и щели в различных местах вдоль цепочки. В отличие от случая с цепочкой белка, точная форма переплетения не была бы предсказуемой, потому что любой магнит притягивает любой другой. Но она иллюстрирует, как цепочки аминокислот могут спонтанно формировать сложную узловатую структуру, которая может быть не похожа на цепь или ожерелье.
Подробности того, как законы химии определяют третичную структуру белка, полностью еще не поняты: химики еще не могут установить во всех случаях как свернется данная последовательность аминокислот. Однако есть хорошие свидетельства, что третичная структура в принципе выводима из последовательности аминокислот. Нет ничего таинственного во фразе «в принципе». Никто не может предсказать, как упадет игральная кость, но все мы верим, что это всецело определено точными деталями того, как она брошена, плюс некоторыми дополнительными фактами о сопротивлении воздуха и так далее. Проверенный факт, что определенная последовательность аминокислот всегда сворачивается в определенную форму или одну из дискретного набора альтернативных форм (см. длинную сноску напротив). И — важный вопрос для эволюции — сама последовательность аминокислот полностью определена, через применение правил генетического кода, последовательностью (триплетами) «букв» в гене. Даже при том, что смертным химикам нелегко предсказать, какое изменение в форме белка будет следствием конкретной генетической мутации, тем не менее существует факт, что, как только мутация произошла, итоговое изменение формы белка будет в принципе предсказуемо. Один и тот же мутантный ген надежно произведет одну и ту же измененную форму белка (или дискретное меню альтернативных форм). И это — все, что имеет значение для естественного отбора. Естественному отбору не нужно понимать, почему генетическое изменение имеет определенное последствие. Достаточно, что оно есть. Если это последствие влияет на выживание, то сам измененный ген погибнет или уцелеет при конкуренции за доминирование в генофонде, независимо от того, понимаем ли мы точный путь, которым ген влияет на белок.
Учитывая, что форма белков очень разнообразна, и учитывая, что она определена генами, почему она так в высшей степени важна? Частично, потому что некоторые белки играют в теле непосредственно структурную роль. Фибриллярные белки, такие как коллаген, объединяются в крепкие веревки, которые мы называем связками и сухожилиями. Но большинство белков не является фиблиллярными. Вместо этого они сворачиваются в свою характерную шаровидную форму с едва уловимыми впадинами, и эта форма определяет характерную роль белка как фермента, то есть катализатора.
Катализатор — химическое вещество, которое ускоряет, в миллиарды или даже триллионы раз, химическую реакцию между другими веществами, в то время как сам катализатор выходит из процесс, невредимым и готовым катализировать снова. Ферменты, которые являются белками-катализаторами — чемпионы среди катализаторов благодаря своей специфичности: они очень разборчивы в отношении того, какие химические реакции они ускоряют. Или, пожалуй, можно сказать: химические реакции в живых клетках очень разборчивы в отношении ускоряющих их ферментов. Многие реакции в клеточной химии настолько медленны, что без подходящего фермента практически не происходят вообще. Но с нужным ферментом они протекают очень быстро и могут производить продукты в большом количестве.