Третья планета

Природа

История происхождения и развития жизни





6.3. Биохимия и молекулярная биология

Сходство живых существ доходит и до молекулярного уровня: клетки в основном используют одинаковые химические элементы, такие, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и т. д. (рис. 6.8). Их процессы обмена веществ катализируются, в основном, ферментный, которые состоят из длинных цепочек аминокислот. Пространственная структура протеинов и, разумеется, ферментов определяется последовательностью аминокислот, образующих протеин. Последовательность эта определена генетически, каждые три нуклеотида ДНК образуют вместе кодов, называемый также триплетом. Нуклеотиды состоят из трех частей: сахара, остатка фосфорной кислоты и азотсодержащего основания. В общей сложности имеется 4 различных основания (аденин, тимин, гуанин, цитозин), которые, распределившись по три в различные группы, кодируют одну аминокислоту (см. рис. 4.1). Размещение 64 возможных триплетов в 20 различных аминокислотах протеинов называется "генетическим кодом". Этот генетический код до недавнего времени рассматривался как универсальный, то есть применимый для всех живых существ - предполагалось, что тем самым было найдено весомое доказательство в пользу теории эволюции. Однако чем больше организмов подвергается обследованиям, тем больше встречается исключений. В наибольшей степени от "универсального" кода отличаются ДНК митохондрий, прокариотов (доядерные организмы) и ресничных инфузорий.

До настоящего времени полностью еще не ясно, каким образом могло произойти изменение генетического кода. Поскольку подобная мутация должна изменить последовательность всех аминокислот, для синтеза которых задействован соответствующий кодон, то велика вероятность тяжелых селекционных последствий. Особенно это касается сигналов управления в ДНК (например, стоп-кодоны UAG, UAA, или UGA прекращают считывание информации). В митохондриях млекопитающих кодон UGA предназначен не для конца цепочки, а для аминокислоты триптофан. С другой стороны, триплеты AGA и AGG в митохондриях выполняют роль стоп-сигналов, в то время как в "универсальном" коде они предназначены для аминокислоты аргинин. Подобные отклонения у различных эукариотов носят разный характер и поэтому должны многократно проявляться после предполагаемого эндо-симбиоза (см. раздел 6,4). Если предположить, что произошло изменение, превратившее кодой АСА (соответствует аргинину в "универсальном" коде) в стоп-сигнал, то за этим должно было бы последовать внезапное прекращение протеинового синтеза везде, где присутствует аргинин, следствием чего стало бы появление протеина, лишенного отдельных ферментов. И даже если утверждают, что подобные изменения наступают в митохондрии, синтезирующей относительно мало протеинов, то все же никаких селективно-положительных шагов не произойдет. К тому же теперь известны инфузории (ресничные), у которых даже ДНК, находящаяся в ядре, имеет генетический код с отклонениями!

Еще некоторое время назад универсальность генетического кода считалась сильнейшим аргументом в пользу единства происхождения жизни, так как наступающее после "фиксации" генетического кода изменение сторонниками эволюционной теории считается невозможным. Сегодня с таким же правом можно утверждать, что существование различных кодов можно расценивать как явное доказательство происхождения жизни от многих исходных форм.

В ходе протеинового синтеза, который проходит у всех доныне исследованных живых существ в основных чертах одинаково, содержащаяся в триплетах ДНК информация переводится в соответствующие цепочки аминокислот. Эти цепочки у различных живых существ часто бывают либо одинаковыми, либо очень похожими.

Поэтому большая часть организмов использует одинаковые пути обмена веществ: расщепление сахара (гликолиз), дыхание как окисление соответствующих богатых энергией молекул (дыхательная цепочка) и способ образования АТФ - это лишь некоторые примеры того, что пути обмена веществ организмов, несмотря на многообразие деталей, в своей основе похожи. Проявляющееся таким образом сходство живых существ повсеместно рассматривается как одно из наиболее весомых доказательств теории эволюции.

"Сходство" - это неясное понятие, которое не всегда можно выразить с помощью цифр. Следует особо отметить молекулярную биологию, которая дает количественный анализ аргументации "сходства" ("количественный анализ" - выражение в цифрах). Это можно сделать с помощью разных методов (сывороточные реакции, последовательность аминокислот в протеинах, последовательности нуклеотидов ДНК или РНК и многое другое). Ожидалось, что протеины живых существ вновь подтвердят и уточнят явления сходства. И, как следствие этого сходства протеинов, должно иметь место и сходство внешних и внутренних органов.

Так называемая сывороточная реакции показывает открытое с помощью экспериментов с антителами сходство поверхностных структур протеинов Так как с помощью определения последовательности аминокислот можно установить гораздо более точную степень сходства, а реакции с антителами, бывало, давали ошибочные результаты, то эти реакции в настоящее время очень редко используются для исследования филогенетических взаимосвязей.

Построение молекулярного родословного дерева

Выясняется, что положение становится тем сложней, чем больше расшифровывается последовательностей протеинов, или спиралей ДНК/РНК Толкование этого множества данных становится все более сложным. Для того, чтобы можно было понять ход последующего развития размышлений, следует сначала дать количественную характеристику сходства различных протеинов. Примером может служить цитохром С.

На рис. 6.9 сверху изображены последние 11 аминокислот молекулы цитохрома 4-х живых существ в буквенном сокращении. Степень сходства каждой пары живых существ определяется по числу различий в аминокислотном составе этих последовательностей.

Таким образом, реконструируют изображенную на средней части рис. 6.9 матрицу отличий. Итак, если сравнивать человека с собакой, то он имеет одну, если сравнивать с петухом, то уже три различных аминокислоты молекулы цитохрома. С помощью математических действий можно рассчитать из этой матрицы отличий дендрограмму (дерево сходства, "родословное дерево"). Одно из них изображено на рис. 6.9.

В нашем случае матрица отличий сама еще свободна от интерпретаций. Но, как правило. это не так, так как цитохром С позвоночных животных в среднем имеет на 8 аминокислот меньше, чем цитохром С. растений. В рамках эволюционного учения это трактуется как последствие мутаций. Но сколько же различий тогда должно быть воспринято матрицей отличий? Если цитохром растений был первоначальным, а у животных (см. главу 4) возник путем делеции (потери), то это могло бы быть равносильно единичной мутации. Если же более короткий цитохром животных появился раньше, то у растений он мог бы развиться путем постепенного суммирования аминокислот, что вызвало бы множество мутаций и сделало бы возможным появление различных аминокислот в дифференциальной матрице. Решить вопрос о том, имели ли место 8, 5 или одна мутация лишь при помощи исследования цепочек аминокислот, невозможно. Необходимо прибегнуть к дополнительным гипотезам.

Уже очень скоро перешли к тому, чтобы включить гипотетическую эволюционную историю протеинов в построение матрицы отличий. Вероятность того, что в результате мутации одна аминокислота превратится в другую, все-таки неодинакова для различных "пар аминокислот". Это показано на рис. 6.10: на нем перечислены основания РНК, кодирующие лизин (К), серии (S) и аланин (А). В нашем примере с цитохромом как раз именно эти аминокислоты имеются у собаки, петуха или голубя в позиции 103. Чтобы превратить серии путем мутации в аланин (петух -> голубь), в лучшем случае, необходима только одна точечная мутация (например, UCU -> GCU).

Можно, однако, было бы представить - даже если это кажется менее вероятным - что в основе лежат две точечные мутации (например, UCU -> GCА). Если же серин замещается лизином (петух -> собака), то в этом случае необходимы, по крайней мере, две (ИГА -> ААЛ), а с большей вероятностью даже три мутации (например, UCU -> AAG).

Подобные рассуждения можно произвести со всеми парами аминокислот. И если теперь предположить что эволюция "состоялась" и "путь наименьшего сопротивления" пройден с наименьшим числом мутаций, то можно было бы рассчитать поправочные коэффициенты, с помощью которых можно корректировать выведенную из цепочек аминокислот матрицу отличий. Часто привлекаются еще и дополнительные корректирующие факторы, чтобы учесть вероятные во время длительной эволюции обратные мутации. Поскольку в этих случаях эволюционное учение является предпосылкой для того, чтобы сконструировать генеалогическое дерево протеина, то это не может служить независимым подтверждением эволюционной теории.

О следующем возражении можно здесь лишь упомянуть. С возрастанием количества сравниваемых цитохромных цепочек следует учитывать и все возрастающую неточность расчетов генеалогического дерева. Поэтому существует множество методик для расчетов подобных генеалогических деревьев и они дают иногда довольно разные результаты. Таким образом, приведенные в учебниках варианты генеалогического дерева представляют собой лишь некоторые из множества возможных, которые те или иные авторы на основании различных, зачастую субъективных, критериев посчитали наиболее подходящими.

"Ложные" и "истинные" генеалогические деревья протеинов

Протеины не могут сегодня уже больше считаться "молекулярными часами эволюции", хотя все же вполне могло бы быть, что именно протеиновые генеалогические деревья, по крайней мере, "точно" воспроизводят положение организмов по отношению друг к другу. Наряду с методическими проблемами при расчетах генеалогического дерева становятся известны все более противоречивые результаты. Из всевозможных вариантов мы рассмотрим генеалогическое дерево, сконструированное на основании цепочек аминокислот различных ферродоксинов. Ферродоксин - это (подобно цитохрому С) растворимый в воде способный проводить электроны протеин длиной в 100 аминокислот. Этот протеин находится в конце фотосинтетического электронного транспорта во всех задействованных в фотосинтезе клетках. Слева на рис. 6.11 изображено генеалогическое дерево, построенное на основании классической эволюционной теории. Из рисунка видно, что цианобактерии стоят изолированно рядом с красными водорослями; рядом с ними - произошедшие от неизвестных предшественников зеленые водоросли. От сосудистых растений должны были сначала отделиться хвощи и папоротники, и лишь после этого, приблизительно через 150 миллионов лет, должно было произойти разделение на однодольные (например, пшеница) и двудольные растения. Сравнение с изображенным на правой стороне рисунка генеалогическим деревом по ферродоксину не выявляет никакого сходства. Сине-зеленые водоросли находятся в одной группе с лаконосом и семенными растениями, а папоротник - вместе с зелеными водорослями. Хвощ стоит абсолютно отдельно. Среди покрытосеменных нет разделения на такие большие группы растений, как одно- и двудольные.

Так, например, пшеница находится в одной группе с петрушкой и капустой.

Ферродоксин - это не единственный случай. Подобное явление наблюдается в цитохроме С растений, цитохроме С водорослей, в гемоглобине птиц, в плазмоцианине водорослей и растений, в релаксине и инсулине животных и т.д. И здесь имеет место уже упомянутое явление: с ростом объема данных значительно усложняется их интерпретация в русле эволюционного учения, для поддержки которого требуется все больше дополнительных гипотез. Вернемся еще раз к примеру с ферродоксином: здесь еще не раз встретятся дополнительные гипотезы, которые помогут приспособить эти данные, минуя противоречия, к эволюционной модели. Из множества протеиновых генеалогических деревьев, которые можно рассчитать, совпадающие с классическими представлениями считаются "правильными", все другие - напротив (иногда не напрямую), "ложными". Однако, в подобных условиях протеиновые генеалогические деревья не могут служить объективной поддержкой эволюционного учения, даже если имеются такие, которые достаточно хорошо совпадают с классическими представлениями о сходстве. Особенно следует в этом случае упомянуть цитохром С животных, который, за малым исключением (если сравнивать по этому признаку, то жабы окажутся ближе к голубям, чем к змеям), хороню согласуется с. разветвленной классификацией (не в качество "молекулярных часов"!) классической таксономии.

Стремительный прогресс молекулярной биологии дает нам возможность сравнить рибосомные РНК или т-РНК и генетические последовательности в плане1 молекулярных родословных деревьев. Не вдаваясь в детали, мы должны сказать, что против этого способа можно привести все вышеупомянутые возражения.

Эволюционные молекулярные часы?

Часто встречается утверждение, что из разницы в последовательностях аминокислот можно рассчитать время, до которого жил общий предок двух живых существ. Это, однако, представляет собой устаревшую трактовку, которая тем больше уходит на второй план, чем больше установлено структур аминокислотных цепочек. И для цитохрома С и гемоглобина следовало бы эту теорию пересмотреть. Если сегодня еще и встречаются подобные высказывания, то они опираются на науку вчерашнего дня. Представленная в учебнике "Начальный курс биологии" (kondel и bay-rhuber, 1982, с. 401) диаграмма показывает разницу в последовательностях аминокислот двух групп и определенное с помощью геологии приблизительное время, в котором предположительно жил их последний общий предок. Нередко, однако, это время абсолютно точно определить невозможно, оно может резко сдвигаться в зависимости от результатов палеонтологических исследований (см. предположительное время жизни последнего общего предка человекообразных обезьян и человека в гл. 9). На вышеупомянутой схеме указано, например, время разделения позвоночных животных и беспозвоночных в 760 миллионов лет. Вопреки утверждениям легенды, это значение никоим образом не подтверждается возрастом древних пластов с палеонтологическими находками.

Учитывая гипотезу эволюционного учения, следует предположить, что скорость эволюции сходных протеинов у различных животных абсолютно разная. Эволюционно-теоретического обоснования этого, однако, не существует. То, что скорость эволюции цитохрома С не могла быть постоянной, видно даже из нескольких фактов, приведенных в учебнике "Начальный курс биологии". В качестве примера может служить отделение насекомых (бабочек и плодовой мушки Drosophila) от других типов животных. С этого времени цитохром дрозофилы должен был измениться в 5 + 8 = 13 местах, цитохром млекопитающих за этот же временной период - в 14 + 5 + 7 = 26. "Скорость эволюции" в последнем случае была бы вдвое больше.

И хотя эта гипотеза еще встречается во многих учебниках, тот факт, что протеины являются "молекулярными часами эволюции", не выдерживает критики перед лицом все возрастающего объема фактического материала. В качестве примера на рис 6.12 приведены "молекулярные часы" цитохрома С, фибринопептидов и ферродоксинов. Как показывают сравнения со многими другими протеинами, цитохром С и фибринопептиды можно отнести еще к "одним из лучших" молекулярных часов. Однако на схеме ясно продемонстрировано, почему сегодня уже и их невозможно использовать для установления сроков прохождения эволюционных процессов.

Давайте мысленно вернемся к началу этой главы. Там шла речь о постепенном проявлении сходства между протеинами. Не нанося ущерба всем приведенным выше фактам, следует, однако, признать, что между цитохромом С или гемоглобином обезьян, которые очень похожи на таковые у человека, обнаружены лишь незначительные различия. Разве что по говорит в пользу эволюции? По нечто подобное следовало бы ожидать и в модели сотворения: почему же молекулы внешне похожих друг на друга живых существ должны быть различны? Мы предполагаем, что структуры макромолекул устроены рационально, и в зависимости от необходимости имеют свою специфику, продиктованную строением организма в целом. И поскольку приматы морфологически и функционально построены по одному принципу, того же следует ожидать и от их протеинов. Нам представляется более рациональным направлением размышлений и исследований такое, когда при рассмотрении структуры макромолекул, в первую очередь, ставится вопрос о функциях, а не о происхождении. И в настоящее время ученые разрабатывают альтернативную трактовку последовательностей аминокислот протеинов в рамках модели сотворения

Заключение

  1. Основополагающее сходство живых существ в биологической и молекулярной области нельзя объяснить ни процессом эволюции, ни актом сотворения. Обе теории являются равноправными умозрительными моделями (см. главу 1).
  2. Основанная на последовательности аминокислот структура генеалогических деревьев становится тем более сложной и противоречивой, чем больше организмов подвергается исследованию и сравнению. Тем временем появляется все больше примеров, в которых не было найдено соответствия в ожидаемых эволюционистами генеалогических деревьях, так что эта методика не может служить независим им подтверждением эволюционных представлений.
  3. Последовательности аминокислот протеинов нельзя рассматривать в качестве молекулярных эволюционных часов, так как стало известно слишком много несоответствий и для поддержания этой теории необходимо много дополнительных гипотез.

Рис. 6.8. Четыре основных элемента ДНК(А). Основания расположены и таком порядке, в каком они располагаются друг против друга и цепочке ДНК. Соединение в пары (по два основания, точно подходящих друг к другу, дополняющих друг друга) происходит при помощи водородных "мостиков" (пунктирные линии). С помощью спиралей ДНК (последовательность нуклеотидов) программируется последовательность аминокислот в протеине. Некоторые аминокислоты изображены на схеме В. Они могут соединяться друг с другом в ходе протеинового синтеза. Возникающие протеины могут в качестве ферментов синтезировать другие вещества я клетке: например, сахара (С) или жиры и липиды (D). To, что все живые существа по своим основным элементам идентичны, нельзя объяснить ни теорией эволюции, ни теорией сотворения.

Рис. 6.9. На левой части этой схемы изображены последние 11 аминокислот цитохрома С четырех живых существ. Цифры воспроизводят позиционные номера (расстановка зависит от сравнения с растениями). Каждая буква обозначает одну аминокислоту. Цепочки расположены в таком порядке, что возникает наивысшая степень совпадения (гомология цепочек). Из различий цепочек аминокислот в средней части схемы можно реконструировать "матрицу отличий. Она выдает для любой задуманной пары исследуемых живых существ число различных аминокислот в протеине или в протеиновом сегменте. Изображенная на схеме дифференциальная матрица является однозначной и не поддается интерпретации. Сконструированное на основании матрицы отличии "дерево сходства изображено на правой части схемы. Числа на шкале показывают количество различных аминокислот, которые, согласно интерпретации эволюционной теории, возникли после расщепления. (Методика реконструкции родового дерева называется в этом случае "single linkage - "методика одиночного присоединения .)

Рис. 6.10. Одна и та же аминокислота может кодироваться различными триплетами (это называется также "вырожденностью генетического кода"). Из схемы видно, что два первых нуклеотида всегда одинаковы, изменен лить последний нуклеотид. В первой колонке использован тот же буквенный код, что и на рис. 6.9.

Рис, 6.11. Слева изображено родословное дерево некоторых растений, последовательно выстроенное на основании морфологических, анатомических и палеонтологических данных. В действительности же ни один из переходов (на рисунке показан продольными линиями) не подтвержден ископаемыми. Шкала показывает предположительные временные отрезки в миллионы лет. В правой части рисунка воссоздано родословное дерево ферродоксина, на шкале - исправленные различия в аминокислотах. (По scherfr и sontag, 1983.)

Рис. 6.12. Гипотезу о том, что протеины являются молекулярными часами эволюции, можно проверить нанеся на диаграмму предположительное время разделения типов организмов и отмеченные различия в аминокислотах и нуклеотидах. Если существуют молекулярные часы, то, как утверждают теоретики эволюционного учения, в результате должна получаться прямая линия. Чем больше аминокислотных последовательностей подвергалось исследованию, тем более уязвимой становилась теория молекулярных часов. Это явствует из всех трех приведенных здесь примеров. Так, к отмеченному отличию нуклеотидов цитохрома С на 100 кодонов относится время разделения от 25 до МО миллионов лет. (Схема наверху и справа по schekkr, 1990; внизу по schkskr и bindfk, 1986.)

 

Рис. 6.13. Прокариоты и эукариоты. Схема упрощена. (По schwemmer, 1979.)



Атлас мира: страны и города. История земли, мир животных, биология, ботаника, географические карты, общая география...


Третья планета © 2007-
При копировании материалов с сайта, гиперссылка на сайт обязательна.
Рейтинг@Mail.ru