Истоки эволюционной биохимии

Продолжительное время эволюционное направление в биохимии развивалось значительно медленнее, чем эволюционная морфология животных. Объясняется это в первую очередь трудностями методического порядка.

Истоки эволюционной биохимии относятся к XIX в. Уже Ч. Дарвин в 1837—1838 гг. обдумывал проблему происхождения жизни и закономерностей прогрессивной эволюции простейших жизненных форм. Позже он использовал данные о единстве химического состава живых организмов при обосновании общности происхождения органического мира. Теория эволюции дала стимул к поиску связей между химическим составом организмов и их систематическим положением (Е. Аббот, 1886, 1887; Е. А. Шацкий, 1889). Так, например, оказалось, что алкалоиды составляют принадлежность высокоразвитых форм и растения, занимающие более высокое систематическое положение, вырабатывают более сложные алкалоиды. Справедливо указывалось, что биохимия может дать морфологам- систематикам вспомогательный материал для суждения о филогенетической близости форм (М. Гресхов, 1893). Значение эволюционного принципа для биохимии было отмечено А. Я. Данилевским (1894). Г. Галлир (1918) высказался за превращение биохимии растений в теоретическую науку,, способную проникнуть в закономерности онтогенеза и филогенеза сложнейших органических веществ и судить о генеалогических отношениях растений. Основываясь, например, на наличии у представителей рода Саггуа. вещества аукубина, он отнес этот род к семейству Согпасеае. Обширный фактический материал, касающийся распространения различных химических веществ в растительном мире и их содержания в пределах вида (с учетом систематического положения последнего) можно найти в трудах Ф.

В качестве систематического признака у растений был изучен такой признак, как кристаллические отложения шавелево-кальциевой соли в листьях представителей двух семейств — Апопасеае и Violarieae (И. П. Бородин, 1891).

Большой интерес был проявлен к пигментам, изучение которых, как правило, связывалось с решением филогенетических вопросов. Примером: таких исследований может служить работа Г. А. Надсона (1893—1895), в которой была показана близость пигментов ряда растений и высказано предположение о сходстве растительных и животных пигментов. В пользу единства растительного и животного мира свидетельствовало химиче-

ское и физиологическое сходство хлорофилла растений и гемоглобина животных, установленное М. Б. Ненцким, Е. Шунком и JI. Мархлевским.

Разнообразные данные из области биохимии и смежных разделов биологии были систематизированы А. С. Щепотьевым (1910), по-видимому, в первой обобщающей работе в области эволюционной биохимии'. В ней рассматривался широкий круг проблем: от сущности эволюции, причин появления новых признаков, изменчивости, наследственности до констатации существования химических различий между видами и объяснения биогенетического закона Геккеля. Примечательно, что главную роль в передаче наследственных свойств Щепотьев отвел нуклеиновым кислотам73.' Предвосхищая современные представления, он писал: «Непрерывным

при... развитии является... не вещество, которое постоянно меняется..., а способность его делать посторонние стереохимические комплексы подобными своей соответствующей биологической структуре, вследствие чего у потомков сохраняется как внешняя форма, так и свойства предков» 74.

Эволюционная биохимия в 20—40-х годах XX века

В рассматриваемый период накопление конкретного сравнительно-биохи-' мического материала пошло более быстрыми темпами. Получила значительное развитие химическая эмбриология (Дж.

Биохимическое подтверждение получил вывод А. О. Ковалевского о принадлежности ланцетника к хордовым: у ланцетника был обнаружен фосфаген (креатин-фосфат), который считался исключительной принадлежностью позвоночных. Вслед за этим было показано, что в мышцах беспозвоночных содержится родственное соединение — аргинин-фосфат, выполняющее ту же роль, что и креатин-фосфат в мышцах позвоночных.

Удалось выявить закономерности в распределении некоторых масел среди растений и зависимость состава масел в растении от географического происхождения последнего (С. JI. Иванов, 1914 и позднее). По Иванову, близкородственные виды располагают большим числом общих биохимических признаков, чем виды, состоящие в более отдаленном родстве; физиолого-химические признаки растений эволюируют и ряды химических веществ в пределах родов и семейств отражают пути этой эволюции. Полувековой опыт изучения закономерностей превращения веществ в онто- и филогенезе растений накоплен А. В. Благовещенским. Им исследовано содержание в цветковых растениях алкалоидов, эфирных масел, ферментов и белков. Обобщая большой материал, Благовещенский (1950, 1966) установил, что филогенетически более древние систематические группы растений характеризуются тенденцией к образованию богатых замкнутыми гомоциклическими или гетероциклическими группировками соединений, а филогенетически молодые группы — образованием преимущественно соединений с открытыми углеродными цепями. Развитие организмов как в онто-, так и в филогенезе сопряжено с падением их энергетического потенциала. Ферменты филогенетически древних форм обладают более высокой энергией активации катализируемых ими реакций, чем ферменты вышестоящих форм. Филогенетическим признаком является и степень специализированное™ обмена веществ: она тем сильнее выражена, чем филогенетически древнее группа. Эволюция в сторону снижения энергетического уровня не составляет непреодолимого препятствия для дальнейшего прогресса. Подъем на новую, более высокую энергетическую ступень осуществляется в ходе биохимической эволюции через своеобразный ароморфоз (йрохимоз, по Благовещенскому).

Диапазон закономерностей биохимической эволюции был расширен

В. И. Ниловым (1933, 1934), обнаружившим параллелизм в развитии химических процессов. Эту открытую им закономерность Нилов подчинил закону гомологических рядов Н. И. Вавилова (см. главу 2).

Широкую известность приобрели исследования Дж. Нидхэма (1930, 1931), в которых обосновывалась возможность приложения к биохимическим структурам теории рекапитуляции. Нидхэм показал, что в процессе эволюции белковый распад претерпел изменения: у морских безпозвоноч- ных конечпым продуктом азотистого обмена является аммиак, у рыб и амфибий — мочевина, а у рептилий и птиц — мочевая кислота. Между тем, как считал Нидхэм, куриный эмбрион проходит все эти этапы: первоначально он ведет себя как аммониотелический организм (подобно иглокожим), затем как уреотелический (подобно амфибиям), и, наконец, как урикотелический.

Эволюционно-биохимическими исследованиями было выявлено, что биохимические системы, причастные к основным проявлениям жизнедеятельности, обнаруживают общий план строения в пределах широкого ряда животных форм. Так, универсальным механизмом оказался биохимический механизм сокращения мышечных волокон. Как было показано В. А. Эн- гельгардтом и М. Н. Любимовой (1940), источником энергии для работы мышц является аденозинтрифосфат (АТФ), связи двух фосфатных остатков в котором богаты энергией. Дальнейшие исследования показали, что любой сократительный акт или движение, свойственные живым существам ^животным и растениям), вплоть до перемещения хромосом при митозе и движении спермиев, осуществляются за счет энергии АТФ.

«Бесчисленные факты...,— писал Холдейн,— указывают, что раскрываемые эволюционной теорией родственные отношения внутри растений и животных распространяются в одинаковой степени как на химические особенности, так и на структурные» *. Холдейн поставил в один ряд со сравнительной анатомией и эмбриологией биохимию как науку, которая дает возможность устанавливать родственные отношения организмов и с известной вероятностью определять направление их эволюции.

В 1944 г. М. Флоркэн предпринял попытку систематизировать некоторые данные, подтверждающие биохимическую сторону эволюции. В небольшой книжке, озаглавленной «Биохимическая эволюция», он с разной степенью полноты рассмотрел проблемы единства биохимического плана животных, биохимических различий, эволюции ряда биохимических структур и механизмов (перенос кислорода, электронов и фосфата, осмотическое давление жидкости внутренней среды, гемоглобин и т. д.), направления эволюции биохимических структур в разных филогенетических ветвях, а также вопросы биохимической адаптации, рекапитуляции и др. Согласно Флоркэну, биохимическая эволюция осуществляется путем приобретения нового компонента, выполняющего новую роль за счет модификации ранее существовавшей в организме молекулы или за счет приобретения старым компонентом новых функций (например, мочевина у акуловых не выводится из организма, а приобретает значение фактора, поддерживающего осмотическое давление внутренней среды).

Эволюционная биохимия в 50—60-х годах XX века

Положение эволюционной биохимии существенно изменилось за последнюю четверть века: к ней обращается все большее число крупных биохимиков, возросло количество работ по различным вопросам сравнительной и эволюционной биохимии растений и животных. Благодаря успехам, достигнутым в разработке теории возникновения жизни, эволюционно-биохимическая проблематика по инициативе А. И. Опарина (Ленинская премия, 1974) стала предметом обсуждения на международных симпозиумах, конференциях и конгрессах. В 1957 г. в Москве состоялся Международный симпозиум, посвященный проблеме возникновения жизни на Земле. В 1961 г. в рамках V Международного биохимического конгресса был впервые организован специальный симпозиум по эволюционной биохимии. В 1963 г. во Флориде (США) собралась конференция по происхождению предбиологических систем. В 1966 г. во Франции состоялся симпозиум по биогенезу; в 1966 г. специальная сессия Отделения Академии наук СССР была посвящена абиогенезу и начальным стадиям эволюции жизни. В 1969 г. на конференции европейских биохимических обществ в Мадриде состоялся коллоквиум по эволюционной биохимии75.

В СССР с 1965 г. издается «Журнал эволюционной биохимии и физиологии». Все чаще появляются обобщающие исследования в виде сборников статей и монографий. По убеждению Дж. Бернала, эволюционная биохимия «представляет интерес не только сама по себе и не только в силу неоценимого значения ее изучения для жизни и здоровья человека, но и как существенная, хотя все еще почти неисследованная, часть космической истории»

Эволюционная биохимия приобретает все более прочную экспериментальную основу. Теснее становятся ее связи с другими областями биологии — дарвинизмом, эволюционной морфологией, физиологией, генетикой, а также со смежными отраслями естествознания — химией, биогеохимией, геологией, физикой, астрономией, космическими исследованиями. Ныне накоплены экспериментальные данные, на основании которых можно судить о возможных путях абиогенного синтеза аминокислот, входящих в структуру белков, азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, и других соединений (см. главу 22). Прослежен путь биосинтеза полипептидов, образующих первичную структуру белка. Исследованы ферменты, участвующие в полимеризации мононуклеотидов и образовании нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов. Продвинулось изучение вопроса 0

возникновении и эволюции биокаталитических систем (см. также главы 6 и 23).

Среди разных классов биохимических соединений наибольшее внимание привлекают к себе в последние десятилетия нуклеиновые кислоты. Нередко их помещают в основании «древа» биохимической эволюции и эволюции жизни вообще. В начале 50-х годов Э. Чаргафф показал, что ДНК обладает видовой специфичностью. А. Н. Белозерский исследовал связь филогенетической систематики с особенностями строения нуклеиновых кислот. По данным Белозерского, охватывающим нуклеотидный состав ДНК и РНК бактерий, водорослей, грибов, высших растений и животных, РНК, как правило, характеризуется относительно малой вариабельностью своего нуклеотидного состава при переходе от одной систематической группы к другой. Что касается ДНК, то у некоторых микроорганизмов ее состав является таксономическим признаком и заметно меняется от вида к виду; у высших растений и животных ДНК характеризуется малой изменчивостью состава, что служит отражением единства их происхождения а организации. Специфичность нуклеиновых кислот, согласно А. Н. Белозерскому и А. С. Спирину, связана с положением организмов в филогенетической системе.

Наметились подходы к решению вопроса о возникновении и эволюции ферментов (О. Гоффман-Остенгоф, М. Кальвин76, JI. Полинг77, Ф. Шрауб и др.). Изучение ферментов современных простейших организмов не позволяет судить о предшествующей эволюции этих соединений, ибо функциональная специфичность ферментов низших и высших современных форм различаются очень мало. Каталитическими функциями обладают многие неорганические соединения и элементы — ионы водорода, гидроксила, обычных и тяжелых металлов, окислов металлов и т. д. Но ни один из этих катализаторов не обладает столь узкой специфичностью, как ферменты, и способен ускорять более широкий круг процессов. Не идут в сравнение с ферментами по активности и степени специфичности и низкомолекулярные органические вещества, которые могут выступать в роли катализаторов.

Какие же из упомянутых катализаторов могут рассматриваться в качестве предшественников ферментов? О. Гоффман-Остенгоф (1959) полагает, что ион металла, входящий в состав фермента, в ряде случаев может считаться его предшественником, а низкомолекулярные простетические группы ряда ферментов — модификациями исходных катализаторов. Необходимой предпосылкой существования ферментов должен служить хотя бы простейший генный аппарат. Случайное образование любого фермента, если бы этот процесс не закреплялся, не имело бы никакого эволюционного значения. По М. Кальвину, понять, каким образом на смену зачаточным каталитическим функциям пришли ферменты, помогают химия и генетика. Кальвин привлекает представление Н. Горовица, согласно которому первые живые существа — гетеротрофы — располагали всем необходимым для самовоспроизведения. Каждое последующее поколение использовало для построения своего тела предыдущее поколение. Появлению первых существ предшествовал, вероятно, какой-то процесс, продолжительность и самое существование которого лимитировались истощением того или иного ингредиента организованной единицы. Выживала та единица, в которой нужный ингредиент строился за счет остальных молекул. Постепенное уменьшение количества субстратов и параллельное развитие удлиняющихся цепей синтеза и привели, по-видимому, к возникновению сложных процессов синтеза, свойственных современным организмам.

Исследования по эволюции ферментов позволили продвинуться в понимании происхождения и эволюции одного из важнейших приобретений органического мира — фотосинтеза. Прежние попытки нарисовать схему эволюции фотосинтеза, опиравшиеся на представления о возможном ходе эволюции типов обмена веществ (К. А. Тимирязев, В. Н. Любименко, Д. И. Сапожников, К. Ван-Ниль и др.), дополнились в последние 10—15 лет работами, преследующими цель восстановить вероятные пути развития железопорфириновых соединений, с одной стороны, и хлоропластов, с другой. Объединение этих структур составило важный этап в становлении хлорофиллового типа фотосинтеза (М. Кальвин, Г. Гаффрон, Т. Годнее и др.).

Изучение энергетического обмена мозга в онтогенезе и филогенезе позволило сопоставить ход развития ферментных систем в передних (филогенетически молодых) ж задних (филогенетически более древних) отделах мозга. Оказалось, что активность ферментов в передних отделах мозга в конце эмбрионального и начале постэмбрионального периода очень низка, тогда как в продолговатом и спинном мозгу биохимическое «созревание» идет быстрее.

В ходе онтогенеза наблюдается повышение ферментативной активности в передних и снижение ее в задних отделах мозга.

Как было показано С. Е. Севериным (1964), природные дипептиды в значительных количествах содержатся только в скелетной мускулатуре и только у позвоночных. У кошки, кролика и кур анзерина в мышцах больше, чем карнозина, тогда как у лошади, быка и свиньи наоборот — карнозина больше, чем анзерина. У рыб содержание анзерина и карнозина сильно варьирует. В течение онтогенеза количество и состав дипептидов изменяются. Так, у новорожденного грача содержится небольшое количество карнозина, которое увеличивается до момента, когда птица начинает летать, после чего карнозин чрезвычайно быстро замещается анзерином. У утки свободные аминокислоты, достигающие высокой концентрации в период эмбрионального развития, перед вылуплением быстро исчезают, заменяясь сначала карнозином, а затем анзерином.

Проникновение в мир тончайших структур и процессов принесло П0НЫ1! доказательства единства органического мира. Гликолиз, протеолиз, распад жирных кислот и другие процессы совершаются довольно единообразно как в растительных, так и в животных организмах, однородны и структурные основы метаболической активности в живой природе. В пользу единства и общности происхождения органического мира свидетельствуют факты, полученные при изучении свободных аминокислот. Об этом же говорит тот факт, что протоплазма всех живых организмов, обитающих на Земле, состоит из левых стерических форм аминокислот; правые стериче- ские формы в ней не встречаются (Г. Ф. Гаузе). Белки, нуклеиновые кислоты, коферменты и тому подобные вещества у всех известных организмов построены одинаково. Близки пути биогенеза соединений, из которых построены эти сложные вещества,— аминокислот, витаминов, гетероциклических оснований и др. Синтез данных компонентов протекает в организмах через сходные промежуточные реакции и при участии сходного комплекса каталитических агентов. Продолжительное время глутамин и аспарагин считали специфической принадлежностью растений. Оба названных вещества составляют конечные продукты белкового обмена у растений. Теперь представлены убедительные данные о присутствии глутамина и аспарагина и в составе животного организма (С. Р. Мардашев и др., 1949). Глубокое единство биохимических процессов и структур свидетельствует 0

чрезвычайно древнем происхождении механизмов биосинтеза, свойственных современным организмам (Дж. Бернал, А. Е. Браунштейн, К. Анфин- сен78 и др.).

Наметился сдвиг в изучении молекулярных основ эволюции регуляторных механизмов (В. П. Скулачев, 1969). В отличие от большинства других биохимических механизмов, обнаруживающих единство в пределах всего органического мира, регуляция обменных процессов намного более диф- ференцированна и совершенна у многоклеточных организмов по сравнению с одноклеточными. Нервная и гормональная системы регуляции биохимических процессов делают животных, и в особенности высших, биохимически более совершенными по сравнению с бактериями и растениями.

Большие трудности стоят на пути,изучения возникновения и эволюции системы трансляции. Предстоит объяснить, как сложился рибосомный аппарат — единственная система синтеза белка в организме, механизм работы которой не обнаруживает никаких принципиальных отличий у представителей различных царств живой природы от бактерий до человека. Данные по экспериментальному воссозданию упрощенной системы трансляции, так называемой «неэнзиматической» транслокации, позволили предположить, что подобные примитивные системы, в которых заложены основные принципы работы рибосомы, могли предшествовать более эффективной современной системе трансляции (Л. П. Гаврилова, А. С. Спирин, 1973).

Обсуждение общих для различных организмов черт превращения энергии убедило Г. Кребса и Г. Корнберга (1959) в том, что химические процессы, совершающиеся в различных организмах, и различные химические процессы в одном и том же организме обнаруживают известные общие черты. Из этого они сделали вывод, что различные химические процессы, протекающие в живой материи, представляют собой модификации ограниченного числа одних и тех же основных процессов. Отвечая критикам, полагающим, что подчеркивание подобного единства искусственно и ошибочно, Кребс и Корнберг отметили, что концепция единства основных химических процессов в живой материи хорошо согласуется с теорией эволюции.

Морфологи (Г. Симпсон, 1962, и др.) справедливо упрекали биохимиков за неоправданно широкое истолкование данных по таксономии биополимеров как показателя эволюции организмов. Некоторые молекулы маловариабельны и поэтому не могут служить хорошим объектом для филогенетических исследований. Те же молекулы, которые могут служить удобной моделью для этой цели, как, например, гемоглобин или цитохром ?,• дают материал для суждения об их таксономии или филогении, но окончательные выводы могут быть сделаны только в том случае, если знания об эволюции данной молекулы будут подчинены анализу эволюции целостных организмов.

Эволюция любой биохимической структуры или механизма может быть понята только с позиций теории естественного отбора. Не составляет исключения и ДНК, в которой заключена наследственная информация. Существует и противоположная точка зрения, получившая отражение в концепции «недарвиновской эволюции» (Д. Кинг, Т. Джукс, 1969). Как полагают Кинг и Джукс, не обязательно, чтобы все или большинство эволюционных изменений в ДНК были обязаны естественному отбору. Существует значительная свобода для случайных генетических изменений на молекулярном уровне, не влияющих на приспособленность организма. Подобные селективно нейтральные мутации фиксируются через механизм случайного генетического дрейфа. По Кингу и Джуксу, естественный отбор — это скорее «издатель», чем «сочинитель» генетической информации. Близкую точку зрения развивает С. Оно (1970) *. Заслугой Оно является попытка вскрыть генетические механизмы прогрессивной эволюции, опираясь на новейшие достижения молекулярной биологии в целом и молекулярной генетики в особенности. Оно обосновал идею зависимости между увеличением генома и прогрессивной эволюцией и попытался найти ответ на один из сложнейших вопросов эволюционной биологии — как возникают новые гены и как они воздействуют на процесс эволюции? Однако Оно абсолютизировал представления молекулярной биологии и это обстоятельство послужило причиной неправильной трактовки им роли отбора в эволюции. По мнению Оно, отбор не создает ничего нового, это сила чисто консервативная. Подлинно новое возникает благодаря мутациям, появлению новых генов с новыми функциями. Эволюция генома рассматривается Оно в отрыве от организма, хотя можно с уверенностью сказать, что в эволюции генома наверняка отразилась эволюция целостной организации живых существ, протекавшая по законам естественного отбора.

Концепции недарвинской эволюции не находят поддержки. В эволюционной биохимии все прочнее устанавливается принцип целостного подхода к эволюционному процессу. По справедливому замечанию Д. Грина и Р. Гольдбергера, отбор в процессе эволюции «действует не на уровне молекул, а на уровне популяций организмов» 79.

В 40-х годах XX века многие исследователи отмечали, что эволюционная биохимия делает лишь первые шаги и не оформилась еще в самостоятельное научное направление. С тех пор, однако, положение изменилось. Уровень, достигнутый современной биохимией, настоятельно требует эво люционного осмысления огромного фактического материала. «Любое исчерпывающее представление о биохимической структуре,— пишет Дж. Бернал,— приобретает смысл только в том случае, если имеется гипотеза возникновения этой структуры. Такая гипотеза столь же необходима для современной биохимии, как сто лет назад была необходима идея об эволюционном древе для биологической систематики» *.