Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 2

Это единственный класс макромолекул, обладающих способностью к самовоспроизведению. Однако физические силы, определяющие точность самореплнкации, имеют ограниченную специфичность. Увеличение точности могло произойти только благодаря наличию катализатора, причем катализатор — чтобы он мог подвергаться эволюционной адаптации — тоже должен был воспроизводиться. На этом этапе эволюции появилась необходимость в трансляции информации, унаследованной воспроизводящимся материалом.

Барьер был колоссальной высоты. Эволюция, повидимому, фактически остановилась. Требовалась машина, но чтобы создать ее, нужна была все та же машина. Даже примитивный аппарат трансляции должен был содержать, вероятно, не менее четырех адапторов для четырех разных аминокислот плюс соответствующее число ферментов и их мРНК, Коли. чество информации, необходимое для такой системы, сравнимо с количеством информации в вирусе, содержащем одноцепочечную РНК. Однако такие вирусы могут использовать совершенный аппарат.трансляции клетки-хозяина. Кроме того, они воспроизводятся с помощью высокоадаптированного ферментатнвного аппарата — конечного, т. е. оптимального продукта эволюции. Геном РНК-содержащего фага не превосходит ,нескольких тысяч нуклеотндов, что как раз достаточно для кодирования небольшого числа (например, четырех) молекул белка.

Как показано в части А, этот предел обусловлен точностью копирования, которая может быть достигнута с помощью хорошо адаптированного фермента репликацни. Любое дальнейшее увеличение информационного содержания потребовало бы таких совершенных механизмов, как коррекция с участием экзонуклеазы и лигазы, что стало доступно лишь ДНК-полимеразам на очень поздних стадиях эволюции. Как могла возникнуть даже примитивная система трансляции, если точность воспроизведения определялась исключительно физическими свойствами нуклеиновых кислот, не позволяющими воспроизводимо реплицировать отдельные нуклеотидные цепи длиной более 50— 100 нуклеотидов? Количество информации, необходимое для системы трансляции, без которой не могло произойти увеличения точности, во много раз превышает то количество, которое может содержаться в отдельных самовоспроизводящихся цепях.

Гиперцикл — это средство объединения самовоспроизводящихся единиц ограниченной длины в новую устойчивую систему, способную к согласованной эволюции. Никакой другой способ организации — возникновение компартментов илн образование нециклнческих сетей — не может гарантировать одновременного выполнения трех следующих условий: — поддерживать конкуренцию в распределениях дикого типа всех самореплицирующих единиц, чтобы сохранить нх информацию; — допускать сосуществование нескольких (в других условиях конкурирующих) единиц и их мутантных распределений и — объединять эти единицы в систему, способную к согласованной эволюции, где преимущества одного индивида могут использоваться всеми членами системы, причем система как целое продолжает интенсивно конкурировать с любой единицей иного состава.

Наше утверждение логически следует из результатов части А: Если искать физический механизм, гарантирующий непрерывную эволюцию аппарата трансляции„ Пиедиеюеие Предиеюеие то наличие гиперциклической организации является мняямальным требованием. Необходимо, чтобы вовлеченные в гиперцикл носители информации были способны к саморепликации — однако одного этого недостаточно.

При анализе условий гиперциклической ор1анизации сразу же видна эквивалентность этих условий предпосылкам дарвиновского отбора. Последний основан на самовоспроизведении, которое является одним из видов линейного автокатализа. Гнперцикл — это следующий, более высокий уровень в иерархии автокаталитическях систем (как показано в части А). Он построен из автокатализаторов, или циклов воспроизведения, которые сочленены посредством циклического катализа, т.

е. посредством еще одного автокатализа, наложенного на систему. Таким образом, гиперцикл основан на нелинейном автокатализе (например, второго нли более высокого порядка). Поскольку гиперциклы ведут себя «регулярно», их можно исследовать как конкретный класс сетей реакций. Такой общий анализ проводится в части Б (см. второе утверждение).

Они проявляют уникальные физические свойства, которых лишены другие типы связей, и поэтому требуется унифицированное рассмотрение «абстрактного гиперцикла». Этот способ представления предмета сам по себе оправдывает учебную форму изложения. С другой стороны, гиперцикл никоим образом не является лишь абстрактным продуктом нашего ума. Этот принцип еще сохраняется в цикле размножения РНК-содержащего фага, хотя здесь он прилагается только к замкнутому миру клетки-хозяина. Фаговый геном после трансляции производит фактор, становящийся субъединицей в репликазном комплексе, другие части которого поставляет клетка-хозяин, Этот фактор, кодируемый фагом, придает ферменту абсолютную фаговую специфичность.

Поскольку фагоспецифичный репликазный комплекс отвергает все РНК клетки-хозяина, его наличие равносильно наложению петли обратной связи, автокаталитически усиливающей фаговый геном. Наше утверждение относительно необходимости гиперциклической организации примитивного аппарата трансляции имеет природу «если — то» я еще яе означает, что исторически именно так все и было. На самом деле могли происходить неожиданные экстраординарные события — флуктуации, которые не отражают нинакой регулярности природы, но влияют иа ход событий.

Если мы собираемся показать, что эволюция протекала, подчиняясь определенному физическому принципу, то иам нужно искать этому исторические свидетельства, т. е. следы ранних организационных форм в современных организмах. Это сделано в части В, и наше третье утверждение относится к ней. Некоторую информацию о своем происхождении дают нам транспортные РНК вЂ” ключевые вещества трансляции. По-видимому, они указывают на естественный путь разрешения проблемы инициации нелинейной сети реакций — проблемы нуклеацин. Все члены этой сети являются потомками одной и той же родоначальной копни, тРНК-предшественнина. Мутанты квазивидового распределения этого предшественника могли накопиться прежде, чем начал работать организационный принцип гиперцикла. Будучи близкородственными мутантами, все адапторы и молекулы мРНК, а также их продукты трансляции функционируют весьма сходным образом (как мишени и как исполнители).

Поэтому они автоматически «вовлекаются» в организацию с многими перекрестными связями, включающую некий цикл. Как показано в части В, этот цикл может постепенно стабилизироваться путем эволюционного развития специфичности связей, причем все опи могут быть типа «репликаза — ее мишень» (такой тип связи все еще используется РНК-содержащими. фагами). Реалистический гиперцикл можно исследовать экспериментально, например, при детальном изучении современного механизма трансляции. Мы надеемся, что эта книга будет способствовать постановке адекватных вопросов, направленных на изучение проблем эволюции. Теория лишена 14 Предисловие ЧАСТЬ А ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГИПЕРЦИКЛА Гегвяягея, 6 ноября 1978 г, МанФред Эйзен Петер Шустер абсолютной ценности, если ее выводы нельзя проверить экспериментально.

С другой стороны, теория должна давать нечто большее, чем простоеобъясиение экспериментальных фактов. Как сказал Эйнштейн: «Только теория может указать нам, какие эксперименты осмысленны». В этом отношении наша книга написана не только для физика, который стремится к единообразному применению физических законов ко всей природе.

Она адресована также химику, биохимику и биологу, чтобы подвигнуть их на постановку новых экспериментов, которые способствовали бы более глубокому пониманию жизни как проявления «регулярности природы» и ее происхождения. Нашу работу в значительной степени стимулировали дискуссии с Фрэнсисом Криком, Стэнли Миллером и Лесли Оргелом; эти дискуссии были равносильны для нас «давлению отбора», заставлявшему искать ббльшую непрерывность в молекулярной эволюции. Особенно полезными были советы и замечания Кристофа Бибрихера, Ирвинга Эпштейна, Бернда Гутте, Дитмара Першке, Карла Зигмунда, Пола Вули и Роберта Вольфа. Рутхильд Винклер-Осватич предложила большинство иллюстраций и была всегда терпеливой и критичной собеседницей.

Спасибо им всем за помощь. Ь Парадигма единства и разнообразия в эволюции Почему существуют миллионы видов животных и растений несмотря на то, что молекулярный аппарат клетки в своей основе одинаков: один универсальный генетический код и макромолекулы определенной хиральности? Современные генетики без колебаний немедленно ответят на первую часть этого вопроса. Разнообразие видов является результатом грандиозного ветвящегося процесса эволюции с мириадами отдельных шагов воспроизведения и мутаций.

В процессе эволюции происходит отбор среди конкурентов, потребляющих общие пищевые ресурсы, хотя допускается также изоляция, смена ниши нли даже взаимная толерантность и симбиоз — при наличии достаточно мягких селекционных ограничений. Дарвиновский принцип естественного отбора представляет собой принцип управления, дающий дифференцированную оценку генной популяции в отношении ее оптимальной приспособленности к среде. Строго говоря, он эффективен только при наличии подходящих граничных условий, которые в природе могут выполняться или не выполняться. В работах Фишера, Холдейна и Райта — основоположников главных направлений популяционной генетики — принципу естественного отбора была дана точная формулировка, показывающая его возможности и ограничения.

Этот принцип опирается на общие свойства живых организмов, особенно на механизмы их воспроизведения. Последние зависят от ряда факторов, определяющих как генетическую однородность, так и неоднородность, которые были известны еще до установления детальных молекулярных механизмов наследственности (табл. 1). Часть А. Возликновениг гиперцикла й Гуарадигма единства и разнообразен е эволюции )1 Сознавая эту гетерогенность живого мира, действительно трудно понять причину его однородности на субклеточном уровне. Многие биологи просто объединяют все доклеточные эволюционные события и собирательно называют их «возникновением жизни». Конечно, если бы жизнь возникла в результате однократного колоссального акта творения и если бы Таблица 1 Факторы естественного отбора (по Райту [з]) Факторы генетической однородности Факторы генетической неоднородности Дупликацня генов Агрегация генов Мигов Конъюгация Сцепление Ограничение размеров популяции Давление среды Кроссбридинг между подгруп- пами Мутации генов Случайное деление агрегата Хромосомные аберрации Редукция (мейоз) Кроссииговер Гибридизация Индивидуальная адаптнруе.

мость Подразделение группы Локальная среда подгрупп этот акт — как уникальное и экстраординарное событие, выходящее за пределы всего статистически возможного с точки зрения физики,— в прошлом имел место только один раз, то мы могли бы удовлетвориться подобным объяснением.