Молекули – свідки еволюції

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Вже перші успіхи еволюційної біохімії виявилися багатообіцяючими. Що може бути більш точним мірилом еволюційного подібності, ніж подібність у будові молекул предка і нащадка? Якщо це білки, то збіг послідовності амінокислот у молекулах з різних організмів — самий надійний показник їх спорідненості. Якщо вуглеводи, там найважливішим є збіг у чергуванні одиночних і подвійних зв’язків і т. д.

І якби на стіл вчених лягли зараз точні схеми будови істот, що населяли Землю, не було б більш сильних аргументів для встановлення спорідненості між ними. Всі інші критерії зблякли б і відступили на другий план перед схемами молекулярної спорідненості. Але в тому-то і діло, що сьогодні про це доводиться тільки мріяти.

Молекули білків та інших органічних сполук побудовані неймовірно складно. Досі розшифровано мізерно малу їх кількість. Недарма до сьогоднішнього дня за розшифровку кожної нової молекули автор відкриття удостоювався Нобелівської премії. І якщо ці, самі перші відомості дають надзвичайно багато для вивчення еволюції, то які ж відкриття чекають нас попереду!

Я наведу два приклади з біохімічної еволюції, і їх буде достатньо, щоб зрозуміти, які важливі висновки цієї науки.

Перший приклад — структура гемоглобіну. Червоним кольором наша кров зобов’язана однією зі своїх складових частин — клітинам еритроцитів. Колір еритроцитів, в свою чергу, залежить від кольору молекул гемоглобіну, що входять до їх складу. Чому гемоглобін червоного кольору? В кожній їх молекулі є чотири атома заліза. Ось вони-то і дають гемоглобіну червоне забарвлення. Клітини еритроцитів в буквальному сенсі нашпиговані молекулами гемоглобіну. Це важко собі уявити, і, тим не менш, це факт: одна клітина містить 280 мільйонів молекул гемоглобіну!

Щоб жити, треба дихати киснем. Це банальна істина. Але якщо б людину повністю позбавити гемоглобіну, а потім помістити в атмосферу чистого кисню, вона загинула би від кисневого голодування. Вона купалася б у чистому кисні і — задихалася. Гемоглобін людини складається з чотирьох частин: верхня світла половина складена двома однаковими альфа-ланцюгами, нижня темна половина складена з двох також однакових бета-ланцюгів. Альфа-ланцюги, схожі на бета-ланцюги. Всі білки, як відомо, складені з 20 амінокислот: з самих різних чергувань цих блоків. І всі відмінності між ланцюгами гемоглобіну, про які ми будемо зараз говорити, відносяться саме до різних комбінацій цих 20 блоків. В альфа-ланцюга 141 амінокислота, бета-ланцюга — 146. У них не збігається лише 76 амінокислот: не співпадає порядок їх розміщення. Ось вона, перша вказівка на спорідненість: майже наполовину альфа – і бета-ланцюги однакові.

Але коли організм ще тільки зароджується, молекула гемоглобіну має зовсім інший вигляд. Вся нижня половина її складена не з бета-, а з двох так званих гамма – ланцюгів. Ці гамма-ланцюги відрізняються від бета – розташуванням всього тридцяти семи амінокислот. По мірі розвитку зародка гамма-ланцюги поступово заміщуються бета-ланцюгами, і до його народження всі гамма-ланцюги вже зникають. Але і це ще не все. Два відсотка всіх молекул гемоглобіну не несуть альфа-, не бета – і не гамма-, а дельта-ланцюги. Дельта-ланцюги відрізняються від бета-ланцюгів всього десятьма амінокислотами.

Предок молекул гемоглобінів, як припускають, міг з’явитися більше 80 мільйонів років тому.

А найбільший шлях в еволюції вчинили альфа – і бета-ланцюги: їх відмінність максимальна. Між бета – і гамма – споріднення значно більше. Бета – і дельта-, можна сказати, взагалі не відрізняються один від одного: вся різниця в 10 точках з 146.

Досі ми говорили про гемоглобін людини. Але можна піддати аналізу і гемоглобін тварин.

Морські восьминоги вважаються набагато старіше багатьох інших тварин: коли вони з’явилися на Землі, ні мавп, ні людини ще в помині не було. Докази цього були непрямі. Але от саме останній і саме прямий доказ: гемоглобін восьминога примітивний по своїй природі, він містить всього один білковий ланцюг.

Є така теорія, що людина — нащадок мавпи. Коли був вивчений порядок амінокислот в бета-ланцюга гемоглобіну у горили, ця спорідненість виявилася з новою силою. Бета-ланцюг людини і горили розрізняються лише однією амінокислотою. У людини на 104-му місці стоїть аргінін, у горили — лейцин. Інші 145 однакові. У людини і свині не зійшлися 14 амінокислот. У гемоглобінах коня і людини відмінності стосуються 18 амінокислот. І так далі.

Вивчення гемоглобінів людини, горили, свині, коня, великої рогатої худоби виявило багато молекулярних відмінностей. Ось тоді-то і настав час перевірити правило Четверикова про точкові мутації, але — вже на молекулярному рівні. Та тут ще надійшли дані про те, які трійки нуклеотидів в ДНК кодують одну амінокислоту в молекулі білка. Згадайте: у гені — лінійно розташовані нуклеотиди-підстави. В молекулі білка — амінокислоти. Кожна трійка нуклеотидів шифрує, кодує одну амінокислоту. Зміна в трійці або позбавляє шифр сенсу, або перетворює його в шифр іншої амінокислоти. З цими даними в руках легко проаналізувати структуру гемоглобінів.

Аналіз показав: першої в альфа-, бета – і дельта-ланцюгах стоїть амінокислота валії. У гамма-ланцюгу вона замінена гліцином. А шифри, що кодують в гені валін і гліцин, відрізняються лише одним нуклеотидом: валін — УГУ, гліцин – УГГ. Ось вже воістину точкова мутація. Амінокислоти, які стоять на другому місці, у всіх ланцюгах однакові — гістидні. У третьому положенні гамма-ланцюга знову мутація, і знову точкова — лейцин замінений фенілаланіном: УУГ на УУУ. Знову правило Четверикова підтверджується. На четвертому місці мутація відбулася в альфа-ланцюгу, там треонін замінений серином. Підставимо шифри: серії — УЦЦ, треонін — АЦЦ. Знову відмінність лише в одному знаку. Далі можна не продовжувати. Переважна більшість замін — точкові.

Так молекули підтвердили справедливість припущення С. С. Четверикова.

Еволюція зорових пігментів

Ще з часів Дарвіна вважалося, що предки всіх наземних організмів мешкали у воді. Перехід до наземного способу життя не міг пройти непоміченим для молекул. Від стародавніх часів повинні були залишитися якісь сліди, і вони дійсно залишилися.

Очі комах не мають нічого спільного з очима хребетних. Очі молюсків абсолютно відмінні і від тих і від інших. У кожного з цих типів живих істот зоровий орган — свій, унікальний винахід.

Не дивно, що вчені шукали в кожному типі очей і свій зоровий пігмент, свою світлочутливу молекулу, яка змінюється після поглинання кванта світла і сигналізує про це в нервову систему, а по ній — зоровий центр мозку.

І спочатку здавалося, що ця схема вірна. В очах наземних хребетних був знайдений один пігмент — його позначили символом А1, у древніх риб виявився інший пігмент — А2.

Але варто було придивитися до обох пігментів пильніше, як різниці між ними майже стерлися: вони залишилися лише у одного зайвого подвійного зв’язку і, отже, у втраті двох атомів водню.

На вигляд-то очі різні, а по суті однакові — в різних будинках розпоряджаються дві сестри: старша та молодша — вітаміни з групи А.

Спорідненість всіх істот доведена, чи не так? Якщо тільки кожна з еволюційних гілок не придумала самостійно одне і те ж з’єднання.

Подальший аналіз вітамінів А1 і А2 призвів до ще більш цікавих висновків. Істинно прісноводні риби різко відрізняються від істинно морських. У перших знайдені в очах тільки молекули вітаміну А2, а у морських риб — тільки А1.

Між тим, ще з давніх часів відомо: є риби (наприклад, лосось і морська форель), які більшу частину життя живуть у солоних морях, але зате метати ікру повертаються в прісні води. Інші, навпаки, живуть у прісній воді, а метають ікру тільки в морській (такий прісноводний вугор). Але ж ми говорили — прісноводні риби несуть вітаміни А2, морські ж А1. Який же вітамін присутній в очах «блукаючих» риб? Результат несподіваний. Поки що риби живуть у морській воді — в їх очах знаходять тільки А1. Варто їм відплисти в прісні води, і велика частина молекул пігменту замінюється на А2.

Еволюційна пам’ять — сама стара! Мільйони років пройшли з тих пір, як перші прісноводні риби покинули звичне їм середовище і перемістилися в нове місце, але залишилися гени, які керували їх зором в ті далекі роки. Поки риби живуть у морській воді, ніщо не нагадує їм про «прісне» минуле. Надійно заблоковані старі гени. Вся інформація про зорові пігменти надходить від нових генів. Але варто їм повернутися в рідну стихію, — блокада зі старих генів знімається, і в короткий час всі пігменти молодшої сестри замінюються пігментами старшої.

Еволюція залишила сліди, і вони були виявлені, як тільки вчені спустилися до рівня молекул!

Еволюція і молекули — так розкривається девіз нової науки: еволюційної біохімії.

Автор: В. Сойфер.