Реферати » Реферати з біології » Стратегії еволюції і кисень

Стратегії еволюції і кисень

Стратегії еволюції і кисень

В.П. Скулачев

Так колись в розрослися хвоща

ревла від свідомості бессилья

Тварь слизька, відчувши на плечах

Ще не з'явилися крила.

Н. Гумільов

Споконвіку людей хвилювало питання, як виникли живий світ і вони самі. Удавана незбагненність походження організмів у всій їх складності і досконало незмінно штовхала людство до релігії. Справді, як можна, не вдаючись до Творця, пояснити появу живих істот у всьому їх надзвичайній різноманітності? Випадкові блукання в "тривимірному просторі" майже нескінченної кількості можливих варіантів звичайно ж не в змозі пояснити, чому ми опинилися в даний момент в даній точці еволюційного шляху.

Дарвін, ввівши поняття природного відбору, обмежив рамки цих блукань, як би перевівши пошук з тривимірного простору в площину. Але й після Дарвіна залишилися великі проблеми. Природний відбір хороший для кількісного вдосконалення приватних ознак живих істот. Легко уявити собі, як відбір випадкових мутацій дозволив оптимізувати довжину і форму передньої кінцівки двоногого ящера, яка використовувалася для хапання. Але як з цієї кінцівки вийшло крило археоптерикса? Адже тут потурбувалися виникнення і закріплення в потомстві десятків (якщо не сотень) нових ознак, і кожен з них не тільки не давав особини яких переваг у боротьбі за існування, але фактично не міг не погіршувати виконання колишньої функції кінцівки, вже оптимізованої для хапання природним відбором.

Блукання по площині навряд чи може вирішити питання. Необхідно прокреслити на ній борозенку, потрапивши в яку, кулька з неминучістю прикотив в потрібну точку. Требуется скоротити ще один вимір і від двомірного простору перейти до одновимірного.

У цій статті зроблена спроба пояснити, яким чином можна було б подолати обмеження, що накладається природним відбором при виникненні якісно нових складних функцій живих систем.

Природний відбір міг би стати гальмом еволюційного прогресу

Прогресивна еволюція за допомогою природного добору в сучасному розумінні повинна включати в простому випадку наступну ланцюг подій:

випадкова поява мутації або якого-небудь іншого зміни в тому чи іншому гені;

Зміна тієї біологічної функції, яка залежить від даного гена;

Закріплення зміни, якщо воно дає переваги в боротьбі за існування, як результат перемоги мутанта в конкуренції з особинами, що не мають корисної мутації (виживання найбільш пристосованих).

Подібна схема цілком придатна для тих випадків, коли мова йде про мутації, яка приносить негайну вигоду. Однак вона не працює, якщо корисні властивості виникають тільки за рахунок наступних мутацій в даному чи інших генах. І вже зовсім погано, якщо мутація в перших поколіннях шкодить мутантам, а користь може відбутися лише у віддаленому майбутньому - коли з'явиться велика кількість нових мутацій. В останньому випадку природний відбір повинен перешкоджати, а не сприяти, прогресу.

У вступі вже згадувалося, що перетворення передньої лапи ящера в крило вимагає безлічі окремих мутацій, які ніяк не можуть відбутися одночасно. Якби передня кінцівка поступово видозмінювалася в крило, це неминуче призвело б до кардинального погіршення "хапальної" функції, причому ще до того, як завершилося формування функції "літальної". Крізь сито природного відбору не пройшли б проміжні форми, передні кінцівки яких вже не могли використовуватися в колишніх цілях, але ще зовсім не були пристосовані до польоту. Яким же чином вивести проміжні форми еволюції з-під тиску природного відбору?

Можна, звичайно, припустити, що динозавр мав можливість пожертвувати старої (хапальної) функцією, яка в силу змінених умов стала менш важливою, ніж швидкість бігу. Такий приклад начебто б являють собою тираннозавра з їх зовсім маленькими передніми кінцівками. Розмахуючи зачатками крил, попередник археоптерикса міг би додати у швидкості, ще не навчившись літати. Однак, щоб залишатися в рамках концепції природного відбору, нам довелося б визнати, що кожен наступний крок у формуванні крила неодмінно поліпшував бігові якості динозавра. Таку стратегію за принципом "Ні кроку назад!" навряд чи можна назвати гнучкою і універсальною, коли вже мова зайшла про настільки складному завданні, як підкорення повітряного океану. Поява будь-якого нового якості було б вкрай утруднено, якби кожне з попередніх йому кількісних змін неодмінно давало організму якісь тимчасові вигоди. Легко уявити собі, як прискорився б еволюційний процес за умови, що існують спеціальні механізми еволюції, які захищають проміжні форми від тиску природного відбору.

R-і К-стратегії

У 1967 р. Р.Макартур і Е.Уілсон, аналізуючи динаміку чисельності популяцій, запропонували r-і К-коефіцієнти [1 ]. Ми не будемо розглядати їх математичний сенс, а використовуємо ці коефіцієнти для позначення двох стратегій еволюційного розвитку живих істот. r-Стратегія передбачає бурхливе розмноження та коротку тривалість життя особин, а К-стратегія - низький темп розмноження і довге життя. Відповідно до r-стратегією популяція розвивається на переломних етапах своєї історії, при зміні зовнішнього середовища, що сприяє появі нових ознак і захоплення нових ареалів. К-стратегія характерна для благоденства популяції у вже захопленому ареалі і при порівняно стабільних умовах. Очевидно, що у популяції вірогідність новацій буде тим вище, ніж вона швидше розмножується і чим частіше відбувається зміна поколінь, тобто коротше тривалість життя особин. Щоб вирішити проблему перехідних форм, r-стратегії недостатньо, бажано доповнити її ще однією властивістю, а саме підвищеної життєздатністю, або кращими якостями в боротьбі за існування, на короткому (порівняно з К-стратегією) часовому проміжку, відведеному природою для життя особи. Це загалом-то логічно: за підвищення життєздатності, як і за плодючість, доводиться платити, а плата ця - скорочення тривалості життя.

Якщо життєздатність особин при r-стратегії підвищена, це могло б компенсувати зазначені недоліки проміжних форм, пов'язані з формуванням нової функції. У результаті вони вистояли б у боротьбі за існування.

Прийнявши, що здатність до перемикання r-і К-стратегій є один з механізмів біологічної еволюції, ми приходимо до питання: а як саме воно влаштоване?

Щоб залишитися в межах уявлень про еволюцію як закріпленні випадково виникли нових ознак шляхом природного відбору, потрібно прийняти також, що і перемикання стратегій відбувається без будь-якої закономірності, а виживають ті, хто вибрав стратегію, більш відповідну даними умов середовища. У простому випадку повинен існувати якийсь один ген або координована група генів, режим роботи яких і визначає вибір стратегії.

Відкриття Ентоні Мура: K-> r Перехід?

Влітку 1998 р. англієць Ентоні Мур зробив сенсаційне повідомлення на 10-й Європейській біоенергетичної конференції в Гетеборзі [2]. Спочатку ім'я Мура було відсутнє в списку доповідачів, але йому була надана можливість виступити з позачерговим доповіддю через очевидну неординарності результатів виконаної роботи.

Автор отримав трансгенні рослини тютюну з підвищеною активністю (експресією) гена, який кодує мітохондріальну різновид так званого білка теплового шоку з молекулярною масою 70 кД (mitochondrial Heat shock protein 70, mHsp70). В результаті суперекспрес кількість mHsp70 збільшилася в 30 разів.

Втручання в геном мало вражаючі наслідки. Трансгенний тютюн виявився вдвічі вище нормального (рослини культивували в оптимальних для зростання умовах), втричі збільшилася його біомаса і швидкість дихання мітохондрій. Кілька зросла інтенсивність фотосинтезу, хоча цей ефект був значно скромнішим, ніж згадані зміни. Голландська дослідниця Аннеке Вагнер, яка відвідала оранжерею Мура в Брайтоні, сказала мені, що на перший погляд трансгенний тютюн Мура зовні справляє враження рослини якогось іншого виду.

Що ж таке mHsp70 і які його функції?

Білки теплового шоку, до яких належить і mHsp70, відомі насамперед як "ремонтники". Вони "виправляють" інші білки, якщо ті прийняли неправильну форму або, як кажуть біохіміки, денатурированную конформацію. Будь білок - довгий полімер, що складається з сотень, а іноді і тисяч мономерів (амінокислот), з'єднаних між собою пептидними зв'язками в єдину поліпептидних ланцюг. У робочому стані вона згорнута цілком певним чином. При біосинтезі в рибосомах поліпептидний ланцюг утворюється в розгорнутому вигляді. Її наступне згортання - неодмінна стадія утворення зрілого, активного білка. Допомагають ланцюга правильно згорнутися саме білки теплового шоку, які називають також шаперонами.

Однак придбана правильна форма може втратитися під впливом тих чи інших несприятливих умов. Типовий приклад - денатурація білків при нагріванні. Їх ренатурації, відновлення, ведуть всі ті ж білки теплового шоку, кількість яких зростає у відповідь на нагрівання.

У рослин різновиди таких білків є в цитозолі, хлоропластах (де здійснюється фотосинтез) і мітохондріях (органелах, відповідальних за внутрішньоклітинний дихання). mHsp70 "прописаний" у мітохондріях. Крім участі в дозріванні 15 типів білків, синтезованих в цих органелах, і їх ренатурації mHsp70 грає найважливішу роль в імпорті мітохондріями білків, синтез яких відбувається в цитозолі (їх переважна більшість - близько 500). Роль ця двояка. Білки імпортуються в розгорнутому вигляді: як тільки передня частина поліпептидного ланцюга показується всередині мітохондрії, вона зв'язується з mHsp70, що по якійсь ще не зовсім ясною причини прискорює затягування залишився поліпептиду. Крім того, mHsp70 бере участь у правильному згортання розгорнутої поліпептидного ланцюга.

Крім перерахованих функцій (правильне згортання знову синтезованих і імпортованих білків, прискорення білкового імпорту та відновлення правильної конформації білків мітохондрій) за mHsp70 помічено ще одна властивість, роль якого залишається загадковою і понині: він пов'язує каталітичну субодиницю мітохондріальної ендонуклеази з масою 50 кД - ферменту, що розщеплює ДНК мітохондрій в строго

Сторінки: 1 2 3

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар