Молекулы – свидетели эволюции

Уже первые успехи эволюционной биохимии оказались многообещающими. Что может быть более точным мерилом эволюционного сходства, чем сходство в строении молекул предка и потомка? Если это белки, то совпадение последовательности аминокислот в молекулах из различных организмов — самый надежный показатель их родства. Если углеводы, там наиважнейшим является совпадение в чередовании одиночных и двойных связей и т. д.

И если бы на стол ученых легли сейчас точные схемы строения существ, населяющих Землю, не было бы более сильных аргументов для установления родства между ними. Все другие критерии поблекли бы и отступили бы на второй план перед схемами молекулярного родства. Но в том-то и дело, что сегодня об этом приходится только мечтать.

Молекулы белков и других органических соединений построены неимоверно сложно. До сих пор расшифровано ничтожно малое их число. Недаром до сегодняшнего дня за расшифровку каждой новой молекулы автор открытия удостаивался Нобелевской премии. И если эти, самые первые сведения дают невероятно много для изучения эволюции, то какие же открытия ждут нас впереди!

Я приведу два примера из биохимической эволюции, и их будет достаточно, чтобы понять, как важны выводы этой науки.

Первый пример — структура гемоглобина. Красным цветом наша кровь обязана одной из своих составных частей — клеткам эритроцитов. Цвет эритроцитов, в свою очередь, зависит от цвета молекул гемоглобина, входящих в их состав. Почему гемоглобин красного цвета? В каждой их молекуле есть четыре атома железа. Вот они-то и дают гемоглобину красную окраску. Клетки эритроцитов в буквальном смысле нашпигованы молекулами гемоглобина. Это трудно себе представить, и, тем не менее, это факт: одна клетка содержит 280 миллионов молекул гемоглобина!

Чтобы жить, надо дышать кислородом. Это банальная истина. Но если бы человека полностью лишить гемоглобина, а затем поместить в атмосферу чистого кислорода, он погиб бы от кислородного голодания. Он купался бы в чистом кислороде и — задыхался. Гемоглобин человека состоит из четырех частей: верхняя светлая половина сложена двумя одинаковыми альфа-цепями, нижняя темная половина составлена из двух также одинаковых бета-цепей. Альфа-цепи, похожи на бета-цепи. Все белки, как известно, сложены из 20 аминокислот: из самых различных чередований этих блоков. И все различия между цепями гемоглобина, о которых мы будем сейчас говорить, относятся именно к различным комбинациям этих 20 блоков. В альфа-цепи 141 аминокислота, в бета-цепи — 146. В них не совпадает лишь 76 аминокислот: не совпадает порядок их размещения. Вот оно, первое указание на родство: почти наполовину альфа- и бета-цепи одинаковы.

Но когда организм только еще зарождается, молекула гемоглобина имеет совсем другой вид. Вся нижняя половина ее составлена не из бета-, а из двух так называемых гамма- цепей. Эти гамма-цепи отличаются от бета- расположением всего тридцати семи аминокислот. По мере развития зародыша гамма-цепи постепенно замещаются бета-цепями, и к его рождению все гамма-цепи уже исчезают. Но и это еще не все. Два процента всех молекул гемоглобина несет не альфа-, не бета- и не гамма-, а дельта-цепи. Дельта-цепи отличаются от бета-цепей всего десятью аминокислотами.

Предок молекул гемоглобинов, как предполагают, мог появиться более 80 миллионов лет назад.

А наибольший путь в эволюции совершили альфа- и бета-цепи: их различие максимально. Между бета- и гамма- родства значительно больше. Бета- и дельта-, можно сказать, вообще не отличаются друг от друга: вся их разница в 10 точках из 146.

До сих пор мы говорили о гемоглобинах человека. Но можно подвергнуть анализу и гемоглобины животных.

Морские осьминоги считаются гораздо старше многих других животных: когда они появились на Земле, ни обезьян, ни человека еще в помине не было. Доказательства этого были косвенные. Но вот самое последнее и самое прямое доказательство: гемоглобин осьминог примитивен по своей природе, он содержит всего одну белковую цепь.

Есть такая теория, что человек — потомок обезьяны. Когда был изучен порядок аминокислот в бета-цепи гемоглобина у гориллы, это родство выявилось с новой силой. Бета-цепи человека и гориллы различаются лишь одной аминокислотой. У человека на 104-м месте стоит аргинин, у гориллы — лейцин. Остальные 145 одинаковы. У человека и свиньи не сошлись 14 аминокислот. В гемоглобинах лошади и человека различия касаются 18 аминокислот. И так далее.

Изучение гемоглобинов человека, гориллы, свиньи, лошади, крупного рогатого скота выявило много молекулярных отличий. Вот тогда-то и настало время проверить правило Четверикова о точечных мутациях, но — уже на молекулярном уровне. Да тут еще подоспели данные о том, какие тройки нуклеотидов в ДНК кодируют одну аминокислоту в молекуле белка. Вспомните: в гене — линейно расположенные нуклеотиды-основания. В молекуле белка — аминокислоты. Каждая тройка нуклеотидов шифрует, кодирует одну аминокислоту. Изменение в тройке либо лишает шифр смысла, либо превращает его в шифр другой аминокислоты. С этими данными в руках легко проанализировать структуру гемоглобинов.

Анализ показал: первой в альфа-, бета- и дельта-цепях стоит аминокислота валии. В гамма-цепи она заменена глицином. А шифры, кодирующие в гене валин и глицин, отличаются всего одним нуклеотидом: валин — УГУ, глицин — УГГ. Вот уж поистине точечная мутация. Аминокислоты, стоящие на втором месте, во всех цепях одинаковы — гистидины. В третьем положении в гамма-цепи опять мутация, и опять точечная — лейцин заменен фенилаланином: УУГ на УУУ. Снова правило Четверикова подтверждается. На четвертом месте мутация произошла в альфа-цепи, там треонин заменен серином. Подставим шифры: серии — УЦЦ, треонин — АЦЦ. Опять отличие всего в одном знаке. Дальше можно не продолжать. Подавляющее большинство замен — точечные.

Так молекулы подтвердили справедливость предположения С. С. Четверикова.

Эволюция зрительных пигментов

Еще со времен Дарвина считалось, что предки всех наземных организмов обитали в воде. Переход к наземному образу жизни не мог пройти незамеченным для молекул. От древних времен должны были остаться какие-то следы, и они действительно остались.

Глаза насекомых не имеют ничего общего с глазами позвоночных. Глаза моллюсков совершенно отличны и от тех и от других. У каждого из этих типов живых существ зрительный орган — свое, уникальное изобретение.

Немудрено, что ученые искали в каждом типе глаз и свой зрительный пигмент, свою светочувствительную молекулу, которая изменяется после попадания кванта света и сигнализирует об этом в нервную систему, а по ней — в зрительный центр мозга.

И поначалу казалось, что эта схема верна. В глазах наземных позвоночных был найден один пигмент — его обозначили символом А1, в древних рыбах оказался другой пигмент — А2.

Но стоило приглядеться к обоим пигментам пристальнее, как различия между ними почти стерлись: они остались всего-то в одной лишней двойной связи и, следовательно, в потере двух атомов водорода.

На вид-то глаза разные, а по сути одинаковые — в разных домах распоряжаются две сестры: старшая и младшая — витамины из группы А.

Родство всех существ доказано, не правда ли? Если только каждая из эволюционных ветвей не придумала самостоятельно одно и то же соединение.

Дальнейший анализ витаминов A1 и А2 привел к еще более интересным выводам. Истинно пресноводные рыбы резко отличаются от истинно морских. У первых найдены в глазах только молекулы витамина А2 а у морских рыб — только А1.

Между тем, еще с древних времен известно: есть рыбы (например, лосось и морская форель), которые большую часть жизни живут в соленых морях, но зато метать икру возвращаются в пресные воды. Другие, напротив, живут в пресной воде, а мечут икру только в морской (таков пресноводный угорь). Но ведь мы говорили — пресноводные рыбы несут витамины А2, морские же А1. Какой же витамин присутствует в глазах «блуждающих» рыб? Результат неожидан. Пока рыбы живут в морской воде — в их глазах находят только А1. Стоит им уплыть в пресные воды, и большая часть молекул пигмента заменяется на А2.

Эволюционная память — самая старая! Миллионы лет прошли с тех пор, как первые пресноводные рыбы покинули привычную им среду и переместились в новое место, но остались гены, которые управляли их зрением в те далекие годы. Пока рыбы живут в морской воде, ничто не напоминает им о «пресном» прошлом. Надежно заблокированы старые гены. Вся информация о зрительных пигментах поступает от новых генов. Но стоит им вернуться в родную стихию, — блокада со старых генов снимается, и в короткое время все пигменты младшей сестры заменяются пигментами старшей.

Эволюция оставила следы, и они были обнаружены, как только ученые спустились до уровня молекул!

Эволюция и молекулы — так раскрывается девиз новой науки: эволюционной биохимии.

Автор: В. Сойфер.