Шон Кэрролл - Приспособиться и выжить!
Объяснение удивительного сходства последовательностей пептидных антифризов арктических и антарктических рыб заключается в естественном отборе компонентов, предотвращающих образование льда в теле рыбы. Подробные биохимические исследования показали, что действие пептидных антифризов основано на их способности связываться с кристаллами льда и предотвращать их разрастание. Через остатки треонина пептиды связаны с молекулами углеводов, которые, в свою очередь, играют главную роль во взаимодействии с кристаллами льда. Такой простой повтор, как треонин-аланин-аланин, по-видимому, образует оптимальную повторяющуюся структуру для взаимодействия с регулярной повторяющейся структурой кристалла льда. Конвергентная эволюция антифризов арктических и антарктических рыб свидетельствует о том, что для создания антифриза с определенной структурой и функцией природа нашла несколько путей.
Удивительное сходство антифризов при их различном происхождении вызывает вопрос: обязательно ли молекулы с близкими функциями должны иметь сходные последовательности?
Чтобы ответить на этот вопрос, я предлагаю вам сыграть в одну игру. Ниже представлены последовательности четырех небольших природных белков. Посмотрите внимательно на эти последовательности, изображенные с помощью кода, в котором каждая из 20 основных аминокислот обозначается одной буквой.
1. VCRDWFKETACRHAKSLGNCRTSQKYRANCAKTCELC
2. ZFTNVSCTTSKECWSVCQRLHNTSRGKCMNKKCRCYS
3. CRIONQKCFQHLDDCCSRKCNRFNKCG
4. ZPLRKLCILHRNPGRCYQKIPAFYYNGKKKQCEGFTWSGGCGGNSNRFKTIEECRRTCITRKD
Видите ли вы какое-нибудь сходство между этими последовательностями?
Нет?
Не расстраивайтесь, я тоже не вижу, но при этом между ними обязательно должно быть нечто общее.
Суть вот в чем. Четвертый белок в списке принадлежит змее. Я всю жизнь интересовался змеями и всегда разыскивал их, если оказывался в местах, где встречаются любопытные виды. Эта белковая последовательность принадлежит той единственной змее, которая действительно меня напугала. Однажды я посетил небольшой змеиный питомник вблизи озера Баринго в Кении. Один из дрессировщиков с удовольствием продемонстрировал мне очень нервную трехметровую черную мамбу. Змея была настолько крупной и проворной, что я невольно отступил назад, но дрессировщик придвинулся ко мне еще ближе.
Если бы он допустил ошибку, я уже ничего не смог бы вам рассказать. От укуса черной мамбы человек может погибнуть за полчаса. В яде змеи содержатся мощные нейротоксины (под четвертым номером в списке как раз представлена последовательность основного токсина из яда черной мамбы). Смертельное действие этого токсина основано на блокировании так называемых калиевых каналов. Эти каналы играют важнейшую роль в проведении электрических сигналов в нейронах и мышцах. Когда их функция блокирована, нарушается работа нервов и мышц. После укуса черной мамбы у людей обычно прекращается нервная и мышечная активность, и без немедленного введения противоядия люди умирают от остановки дыхания.
Три других белка в списке тоже блокируют калиевые каналы и тоже обнаружены в различных ядах. И вот что забавно: первый принадлежит морскому анемону (актинии), второй — скорпиону, а третий — морской улитке-конусу. Все четыре вида животных относятся к разным типам: анемон — кишечнополостное, скорпион — членистоногое, конус — моллюск, а мамба — позвоночное. Представленные в списке токсины эволюционировали независимо друг от друга и имеют разное строение, но функция у них одна и та же — перекрывание калиевых каналов жертвы. Это разные молекулы, имеющие разное происхождение, но общее смертоносное назначение.
Я очень надеюсь, что рассказ об эволюции этих токсинов, а также другие примеры повторения эволюционных событий вас не просто впечатлили, но по-настоящему потрясли. Мне кажется, что они принадлежат к числу самых ярких и убедительных свидетельств того, как действует эволюция в природе. В этих примерах сочетаются два важнейших элемента — повторяемость событий и совпадение в деталях.
Есть старая латинская поговорка: repetitio est mater doctrinae, повторенье — мать ученья. А что верно для обучения, то верно и для науки. Примеры адаптации отдельных видов, безусловно, весьма информативны, но повторение эволюционных изменений, иногда в мельчайших деталях, говорит о том, что под влиянием похожих факторов получаются похожие результаты. Эволюция обладает замечательной способностью воспроизводиться.
До сих пор мой рассказ о повторении эволюционных событий сводился к рассмотрению вопроса «как»: каким образом приобретаются похожие способности или теряются определенные признаки. Но мы пока ничего не сказали о том, почему это происходит. Почему эволюция воспроизводит саму себя? Ответ складывается из трех основных составляющих — вероятности, отбора и времени, вступающих в игру по законам простейшей математики эволюции (см. главу 2). Возможно, эти арифметические выкладки покажутся (или уже показались) вам лишними и непонятными, однако взаимосвязь этих трех элементов и их влияние на информационное содержание ДНК полностью объясняют, почему одни и те же события в естественной истории повторяются вновь и вновь.
Вероятность, необходимость и (вос)создание наиболее приспособленного
Во второй главе, когда мы знакомились с основными движущими силами эволюции, у нас еще не было возможности проследить за ходом эволюции на уровне ДНК. Теперь мы знаем, что эволюция опсинов, рибонуклеаз, рецептора MC1R, ферментов, ответственных за расщепление галактозы, и т. д. включала повторяющиеся и иногда совершенно идентичные изменения соответствующих генов. То, что во второй главе было «просто» теорией, мы подтвердили примерами эволюции видов на самом фундаментальном уровне — на уровне отдельных элементов ДНК.
Значение открытий, о которых идет речь в этой главе, можно заключить в ряд общих тезисов, касающихся основных факторов эволюции: i) Стечением времени ii) идентичные или эквивалентные мутации случайным образом возникают снова и снова, iii) причем их судьба (сохранение или устранение) зависит от действия отбора на тот признак, на который эти мутации влияют.
Оставшуюся часть главы я посвящу рассмотрению этих утверждений, используя реальную математику мутаций, реальные биологические факты и реальные примеры из этой и предыдущих глав, чтобы показать, почему эволюция может повторяться и повторяется. Расчеты и закономерности, выявленные на основании анализа ДНК, не оставляют сомнений в том, что причиной и исчерпывающим объяснением биологической эволюции является сочетание случайных мутаций, естественного отбора и фактора времени.
За доказательствами мы с вами обратимся к миру очень больших чисел. Предупреждаю, что по пути вам может прийти в голову мысль: «Это невозможно!» На самом деле противники дарвиновской теории эволюции достаточно часто привлекают математический псевдоанализ, чтобы обосновать ее «невозможность». Однако в их аргументах всегда остается неучтенным один или несколько важных факторов. Мы увидим, что при учете всех факторов оказывается, что эволюция посредством специфических отбираемых изменений в ДНК не просто возможна, а возможна «с избытком».
Случайность: «идентичные или эквивалентные мутации случайным образом возникают снова и снова»
Давайте начнем с фактов, касающихся эволюции ультрафиолетового зрения у птиц. В четырех разных отрядах птиц есть и те, кто видит ультрафиолетовый свет, и те, кто видит только фиолетовый. Это означает, что переход от одной способности восприятия к другой происходил независимо не менее четырех раз. На способность воспринимать ультрафиолетовый или фиолетовый свет влияет аминокислота, находящаяся в положении 90 в последовательности коротковолнового опсина. Птицы, в опсине которых в этом положении находится остаток серина, настроены на восприятие фиолетового света, а те, у которых в этом месте находится остаток цистеина, — на восприятие ультрафиолетового света.
Эти аминокислотные остатки кодируются основаниями ДНК, расположенными в позициях 268–270 в последовательности гена коротковолнового опсина птиц. Более точный анализ показывает, что наличие в этом участке серина или цистеина определяется лишь одним основанием, находящимся в положении 268 (табл. 6.1).
Таблица 6.1. Повторяющаяся эволюция УФ-чувствительного опсина
Зебровая амадина, серебристая чайка, нанду и волнистый попугайчик принадлежат к разным отрядам. Основное различие между их опсинами состоит в замене A на T в положении 268, которое произошло в ходе эволюции как минимум четыре раза.
Какова вероятность того, что одна и та же конкретная мутация произойдет у разных видов животных? Пришло время арифметики.
