Эволюция протеиновой Вселенной

Какой предок дал старт эволюции на Земле – пока загадка.
Художник Райнер М.Матюшек, Captator involvens (лат. Путаник) заискивающий), 2007. Источник: каталог выставки "Прототипы постэволюционных форм жизни", Wesen, 2007

Сегодня, когда геномы самых разных форм живого и околоживого – вирусов, например – стали известны, биологов уже волнует пусть пока и формальное, но все же тестирование теории универсальности общего предка всего живого (Theory of Universal Common Ancestry – TUCA). Именно этот предок в результате эволюции всего живого на Земле дал не обладающие ядром археобактерии и просто бактерии, а затем и ядерные клетки (эукариты – Еukariota). Большой шаг в этом направлении сделали Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, работающие в барселонском Институте биомедицинских исследований. Они провели анализ геномных последовательностей и на их основе – экспансии протеиновой Вселенной (рrotein universe).

При этом ученые исходили из того факта, что гены белков в своей эволюции весьма ограничены в вариантах мутации, поскольку замены аминокислот в молекулах протеинов могут резко нарушать структурно-функциональную целостность. Отсюда получается, что в большинстве случаев приходится иметь дело с белками, которые продолжают, подобно галактикам, «разбегаться» друг от друга, что и приводит к упоминавшейся экспансии – расширению – протеиновой Вселенной.

Можно сказать, что темпы эволюции ограничены этим медленным процессом, потому что до 98% аминокислот не могут меняться по определению. Замены все же происходят, что мы, несомненно, наблюдаем в эволюции, но при соответствующей компенсации изменений.

Российские теоретики полагают, что 3,5 млрд. лет эволюции протеиновой Вселенной явно недостаточно для достижения пределов ее расширения-экспансии. Говоря проще, наши белки в своем разбегании еще не достигли того, что римляне называли «Ультима Туле» (Ultima Thule), или края земли.

В качестве иллюстрации приведем конкретный пример, обсуждение которого стало возможно благодаря еще одной работе наших ученых, а именно Руслана Ефремова и Леонида Сазанова, которые вместе со своим коллегой по Кембриджскому университету провели рентгеноструктурный анализ знаменитого респираторного, или дыхательного Комплекса I (Complex I). Это – огромный по своим физическим размерам фермент, занимающий первое место в дыхательной цепи.

Наши «структурщики» просветили с помощью рентгеновских лучей ферментный комплекс теплолюбивой бактерии Thermus thermophillus. У этой примитивной безъядерной клетки он состоит всего лишь из 14 субъединиц, которых вполне хватает ей для осуществления квантовой операции с электронами и протонами. Общий вес белка составляет около 300 тыс. углеродных единиц (или дальтон).

Бактериальный комплекс, конечно же, ни в какое сравнение не идет с нашим, масса которого под миллион, а количество субъединиц достигает 45. Но те исходные 14, доставшиеся нам в наследство от общего предка, оказываются эволюционно консервативными. Это означает, что при неизменности квантовой реакции нет смысла и менять последовательность аминокислот (никто же не меняет четыре колеса, доставшиеся автомобилю в наследство от телеги). Замена же аминокислот в Комплексе I ведет к разного рода нейродегенеративным заболеваниям, паркинсонизму в частности.

Но есть ли разница между нами и микроорганизмом, черпающим энергию в глубинах океана? Есть, но не в консервативной области «сердца» фермента. На протяжении миллиардов лет он надстраивался, обогащался, подобно современному авто, разного рода опциями, поскольку эффективность извлечения энергии у «термофиллюса», и в наших клетках несравненна. В конечном итоге бактерия не генерирует мощный потенциал действия, на что способен наш нейрон, для которого и двухминутного отключения от кислорода достаточно, чтобы погибнуть.

Не хотелось бы проводить аналогий с усложнением галактических и иных структур во Вселенной, но сравнение напрашивается само собой.

Эволюция Вселенной началась задолго до возникновения жизни на Земле, которая развивалась по тем же единым законам. И мы видим сегодня, что механизм саморазвития Вселенной после Большого взрыва заложен в ней самой. Точно так же, как и процесс эволюции всего живого, черпающего энергию существования и изменения от своего ближайшего энергетического источника, ультрафиолетовой составляющей которого вполне достаточно, чтобы вносить постоянные изменения в геномы.

Эти изменения на 98% не реализуются в замены аминокислот, но и двух процентов вполне хватает, чтобы жизнь пусть и медленно, но все же постепенно менялась, то есть эволюционировала. Эта эволюция привела к общему предку всего человечества. Сегодня, на заре геномной эры, завеса вечной тайны над загадкой эволюции начала постепенно приоткрываться.