Черный ящик Дарвина: Биохимический вызов теории эволюции

В конце XIX в., когда физика стремительно развивалась, Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а через несколько десятилетий был изобретен электронный микроскоп. Поскольку длина волны электрона меньше длины волны видимого света, электронное «освещение» позволяет увидеть значительно меньшие объекты, чем световое. У электронной микроскопии есть ряд практических слабостей, в первую очередь – вероятность того, что электронный пучок «поджарит» образец. Но и эти проблемы удалось обойти, и после Второй мировой войны электронная микроскопия получила широкое распространение. Были открыты новые субклеточные структуры: в ядре разглядели поры, а вокруг митохондрий («электростанций» клетки) – двойные мембраны. Клетка, такая простая под световым микроскопом, теперь выглядела совершенно иначе. Увидев сложную структуру клетки, ученые ХХ в. испытали удивление, сходное с тем, какое чувствовали первые пользователи световых микроскопов, увидев в деталях строение насекомых.

На этом уровне открытий биологи приблизились к величайшему из всех «черных ящиков». Дарвин и его современники не могли ответить на вопрос, как устроена жизнь. Они знали, что глаза нужны для того, чтобы видеть, но как именно они видят? Как свертывается кровь? Как организм борется с болезнями? Сложные структуры, открытые электронным микроскопом, сами состояли из более мелких компонентов. Что это за компоненты? Как они выглядят? Как работают? Ответы на эти вопросы выводят нас из области биологии в область химии – и возвращают в девятнадцатый век.

ХИМИЯ ЖИЗНИ

Как легко видеть, живые существа выглядят и ведут себя не так, как неживые. Они и на ощупь другие: шкура и волосы – совсем не то же, что камни и песок. Большинство людей вплоть до XIX в. вполне закономерно полагало, что все живое состоит из особого материала, который отличается от материала неодушевленных предметов. Но в 1828 г. Фридрих Вёлер нагрел цианат аммония и с изумлением обнаружил, что при этом образуется мочевина – продукт биологических отходов. Оказалось, что мочевина может получаться из неживого вещества – а значит, простого различия между живым и неживым нет. Тогда химик-неорганик Юстус фон Либих начал изучать химию жизни (то есть биохимию). Он показал, что тепло тела животных обусловлено сгоранием пищи, а не просто врожденным свойством жизни. На основе своих успехов Либих сформулировал идею метаболизма, согласно которой организм создает и расщепляет вещества посредством химических процессов. Эрнст Феликс Гоппе-Зейлер кристаллизовал красное вещество крови (гемоглобин) и показал, что оно соединяется с кислородом, чтобы разносить его по всему организму. Эмиль Фишер продемонстрировал, что большой класс веществ под названием «белки» состоит всего из двадцати типов строительных блоков (так называемых аминокислот), которые соединяются в цепочки.

Как выглядят белки? Эмиль Фишер показал, что они состоят из аминокислот, однако детали их структуры оставались неизвестными – слишком мелкими, чтобы рассмотреть их даже под электронным микроскопом. Тем не менее было ясно, что белки – фундаментальные машины жизни, которые катализируют химические процессы и создают клеточные структуры. Но для изучения структуры белков требовалась новая техника.

В первой половине ХХ в. для определения структуры малых молекул использовался рентгеноструктурный анализ (РСА). РСА – это процесс, в ходе которого на кристалл химического вещества направляют пучок рентгеновских лучей, рассеивающихся в результате дифракции. Если за кристалл поместить и экспонировать фотопленку, то на снимке можно обнаружить рассеянные рентгеновские лучи, а с помощью некоторых вычислений по картине рассеяния можно определить положение буквально каждого атома в молекуле. Теоретически РСА должен был показывать структуру белка, но тут возникла большая проблема: чем больше атомов в молекуле, тем сложнее вычисления, а в белках в десятки раз больше атомов, чем в молекулах, обычно исследуемых при помощи РСА, и это делает задачу в десятки раз сложнее. Правда, у некоторых людей упорства в десятки раз больше, чем у других.

В 1958 г., после десятилетий работы, Д. К. Кендрю определил структуру белка миоглобина с помощью РСА – наконец-то методика показала детальную структуру одного из основных компонентов жизни. Ожидалось, что белки окажутся простыми и правильными структурами, как кристаллы соли, – но что же мы увидели? Очередную сложность. Макс Перутц, увидев сложную, запутанную, похожую на кишечник структуру миоглобина, простонал: «Неужели поиски окончательной истины и правда вывели на такую отвратительную, кишкообразную штуку?»

С тех пор биохимики все же полюбили хитросплетения белковой структуры. Нынешние усовершенствованные компьютеры и прочие приборы существенно облегчают процесс РСА по сравнению с временами Кендрю, но все равно эта процедура требует значительных усилий.

Рентген использовал и Кендрю, исследуя белки, и Уотсон и Крик, исследовавшие ДНК. В результате биохимики впервые смогли увидеть форму интересующих их молекул. Рождение современной биохимии, которая с тех пор развивается бешеными темпами, можно отнести именно к этому времени. Достижения в области физики и химии помогали друг другу и создавали мощный синергетический эффект в исследованиях жизни.

Теоретически РСА мог определить структуру всех молекул живых существ, однако практические проблемы ограничивают его применение относительно небольшим числом белков и нуклеиновых кислот. Тем не менее в дополнение к ней с головокружительной скоростью появляются новые методы, и один из важнейших – ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Благодаря ЯМР молекулу можно изучать в растворе, без кристаллизации. Как и РСА, ЯМР позволяет определить точную структуру белков и нуклеиновых кислот. Как и РСА, ЯМР имеет ограничения, из-за которых он эффективно работает лишь с частью известных белков. Но вместе ЯМР и РСА показали структуры немалого количества белков, а ученые получили детальное представление о том, как они выглядят.

Когда Левенгук с помощью микроскопа увидел крошечного клеща на крошечной блохе, Джонатан Свифт сочинил вдохновенный стишок, в котором предсказывал бесконечную прогрессию все более мелких насекомых:

И обнаружил микроскоп,Что на клопе бывает клоп,Питающийся паразитом,На нем – другой, ad infinitum.[5]

Но Свифт ошибся: прогрессия не бесконечна. В конце ХХ в. мы – на пике исследований жизни, конец их близок. Клетка была последним «черным ящиком», открыв который мы обнаружили молекулы – основу природы. Ниже нам не опуститься. Более того, работа, которая уже проделана над ферментами, другими белками и нуклеиновыми кислотами, открыла принципы, которые лежат в основе жизни. Нам еще предстоит прояснить множество деталей и, несомненно, столкнуться с некоторыми сюрпризами. Но в отличие от ученых прежних дней, которые, глядя на рыбу, сердце или клетку, задавались вопросом, что это такое и как оно работает, современным ученым достаточно того, что действия белков и других молекул вполне объясняют основы жизни. Начиная с Аристотеля и до современной биохимии, мы вскрывали один слой за другим, пока не открыли «черный ящик» Дарвина – клетку.

ПРЫЖКИ И СКАЧКИ

Представьте: ваш участок отделяет от участка соседа канава, уходящая к горизонту в обоих направлениях. Встретив однажды соседа у себя во дворе, вы спросите, как он сюда попал. Ответ: «Я перепрыгнул через канаву» не вызовет сомнений, если ширина канавы чуть больше метра. Если ширина канавы – 2,5 м, вас впечатлят спортивные способности соседа. Если ширина канавы пять метров, вы насторожитесь и попросите его прыгнуть еще раз. Он, конечно, может отказаться, сославшись на вывих колена, и у вас останутся сомнения, но полной уверенности в том, что он все выдумал, не будет. Однако если «канава» будет оврагом шириной в 30 м, вы ни на секунду ему не поверите.

Но предположим, что ваш неглупый сосед может доказать свои слова. Он не перепрыгивал одним скачком. По его словам, в овраге были холмики, и он перепрыгивал с одного холмика на другой. Вы не видите никаких холмов, но он объясняет, что перебираться пришлось долго, а холмики поднимались один за другим, а потом размывались и обрушивались. Очень сомнительно, но, чем опровергать его слова, проще сменить тему на бейсбол.

В этой истории кроется несколько уроков. Во-первых, слово «прыжок» можно использовать для объяснения способа преодоления преграды, но в зависимости от деталей (например, ширины преграды) объяснение может становиться как совершенно убедительным, так и абсолютно неадекватным. Во-вторых, долгое путешествие можно гораздо правдоподобнее описать как серию небольших прыжков, а не как один огромный скачок. В-третьих, очень трудно подтвердить или опровергнуть правдивость версии о небольших прыжках, если нет доказательств слов того, что промежуточные ступени были, но исчезли.

Разумеется, аллегорию с прыжками через канавы и овраги можно применить и к эволюции. Слово «эволюция» используется для объяснения как крошечных, так и громадных изменений в организмах. Им часто дают отдельные названия: можно сказать, что микроэволюция описывает изменения, которые достигаются одним или несколькими небольшими прыжками, а макроэволюция – изменения, которые требуют скачков.

Предположение Дарвина о том, что в природе могут происходить даже относительно крошечные изменения, было большим концептуальным достижением, наблюдение за такими изменениями во многом подтвердило его интуитивные догадки. Дарвин видел похожие, но не идентичные виды зябликов на нескольких Галапагосских островах и предположил, что они произошли от общего предка. Недавно ученые из Принстона подтвердили своими наблюдениями, что в популяциях зябликов средний размер клюва меняется в течение нескольких лет[6]. Ранее было показано, что количество темных и светлых мотыльков в популяции меняется по мере того, как окружающая среда становится чище. Точно так же птицы, завезенные в Северную Америку европейскими поселенцами, диверсифицировались на несколько отдельных групп.

В последние десятилетия удалось получить доказательства микроэволюции на молекулярном уровне. Например, вирусы вроде того, что вызывает СПИД, мутируют, чтобы обойти иммунную систему человека. Болезнетворные бактерии вернулись, когда их штаммы научились защищаться от антибиотиков. Можно привести множество других примеров.

В небольших масштабах теория Дарвина одержала победу, и сейчас она вызывает не больше споров, чем утверждение спортсмена о том, что он может перепрыгнуть метровую канаву. Скепсис возникает на уровне макроэволюции – то есть скачков. Вторя Дарвину, многие утверждают, что огромные изменения можно разбить на вероятные небольшие шаги, которые совершались в течение больших периодов времени. Однако убедительных доказательств в поддержку этой позиции так и не появилось – как и рассказ соседа об исчезнувших холмиках, ее сложно было подтвердить… до этих пор.

Современная биохимия дает нам возможность заглянуть на самый нижний уровень жизни. Теперь мы можем обоснованно оценить, насколько реалистичны предполагаемые маленькие шаги, необходимые для больших эволюционных изменений. В книге вы увидите, что овраги, разделяющие повседневные формы жизни, аналогичны оврагам, которые разделяют биологические системы в микроскопическом масштабе. Подобно фрактальным узорам, на которых мы в любом масштабе видим один и тот же рисунок, даже на самом крошечном уровне жизни возникают непреодолимые препятствия.

ГЛАЗНОЙ РЯД

Биохимия показала нам границы теории Дарвина. Она открыла самый настоящий «черный ящик» – клетку – и тем самым помогла нам понять, как устроена жизнь. Именно поразительная сложность субклеточных органических структур заставляет задаваться вопросом: «Как это все могло развиться?» Чтобы прочувствовать всю остроту этого вопроса и понять, что нас ждет, давайте рассмотрим пример биохимической системы. Объяснение происхождения той или иной функции должно согласовываться с современной наукой. Посмотрим, как развивалось научное объяснение одной из функций – зрения – с XIX в., а затем разберемся, как это влияет на нашу задачу объяснить его происхождение.

В XIX в. детали анатомии глаза были известны. Ученые знали, что зрачок работает как заслонка, которая пропускает достаточно света, чтобы видеть как при ярком солнце, так и в ночной темноте. Хрусталик глаза собирает свет и фокусирует его на сетчатке, формируя четкое изображение. Мышцы глаза позволяют ему быстро двигаться. Из-за того, что световые волны разных оттенков имеют разные длины, изображение могло бы получаться размытым, но хрусталик глаза меняет плотность своей поверхности, чтобы исправить хроматическую аберрацию. Всех, кто ближе знакомился с подобными тонкостями, это поражало. Ученые XIX в. знали, что если у человека отсутствует какая-нибудь из множества функций глаза, то результатом будет серьезная потеря зрения или полная слепота. Они пришли к выводу, что условием работы глаза является его целостность.

Чарльз Дарвин тоже знал об устройстве глаза. В книге «Происхождение видов» он разобрал ряд возражений против своей теории эволюции путем естественного отбора. Проблему глаза он обсудил в разделе, который вполне уместно называется «Органы крайней степени совершенства и сложности». По мнению Дарвина, эволюция не могла создать сложный орган за один или несколько шагов. Для таких радикальных нововведений, как глаз, потребовались бы несколько поколений организмов и постепенное накопление полезных изменений. Он понимал, что внезапное появление в одном поколении такого сложного органа равносильно чуду. К сожалению, казалось невозможным, чтобы человеческий глаз развивался постепенно, так как было ощущение взаимозависимости всех его сложных функций. Чтобы в эволюцию можно было поверить, Дарвин должен был как-то убедить общественность в том, что сложные органы могут формироваться поэтапно.

И ему это блестяще удалось. Дарвин поступил умно: он не стал искать реальный путь, которым шла эволюция при формировании глаза. Вместо этого он показал современных животных с различными видами глаз (от простых до сложных) и предположил, что в эволюции человеческого глаза в качестве промежуточных звеньев могли участвовать похожие органы (см. рис. 1–1).

РИСУНОК 1–1

Глазной ряд. Слева: Небольшой участок фоторецепторов медуз. Справа: Глаз морских моллюсков с хрусталиком. Внизу: Глаз морской улитки с хрусталиком

Источник: McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1987. Воспроизводится с разрешения.

Перескажу доводы Дарвина. Человек обладает сложным, устроенным по принципу камеры глазом, но многие животные обходятся меньшим. У ряда крошечных существ есть лишь группа пигментированных клеток – всего-навсего светочувствительное пятно. Нельзя сказать, что здесь речь идет о полноценном зрении, но способность различать свет и тьму есть, а значит, это удовлетворяет потребности существа. Светочувствительный орган некоторых морских звезд устроен несколько сложнее. Их глаз расположен в углублении. Поскольку изгиб углубления блокирует свет с некоторых направлений, животное чувствует, откуда идет свет. Направленное восприятие глаза улучшается, если изгиб становится более выраженным, но одновременно с этим количество света, попадающего в глаз, уменьшается, а чувствительность снижается. Ее можно повысить, поместив в полость желатиновый материал, который будет работать как хрусталик, у некоторых современных животных глаза – именно с такими грубыми хрусталиками. Постепенное усовершенствование хрусталика обеспечивает все более четкое изображение, которое соответствует окружающей животное среде.

Подобными рассуждениями Дарвин убедил многих своих читателей, что эволюционный путь идет от простейшего светочувствительного пятна к сложному человеческому глазу, но вопрос о том, как возникло зрение, остался без ответа. Дарвин убедил большую часть мира в том, что современный глаз постепенно развился из более простой структуры, но даже не попытался объяснить, как появилась его отправная точка – относительно простое светочувствительное пятно. Напротив, Дарвин отмахнулся от вопроса об изначальном происхождении глаза: «Каким образом нерв сделался чувствительным к свету, вряд ли касается нас в большей степени, чем то, как возникла самая жизнь»[7].

У него были все причины отказаться отвечать на этот вопрос, ведь он выходил за рамки научного знания XIX в. В то время было неясно, как работает глаз, то есть что происходит, когда фотон попадает на сетчатку. Собственно говоря, невозможно было ответить ни на один вопрос о механизмах, лежащих в основе жизни. Как мышцы животных приводят в движение тело? Как происходит фотосинтез? Как извлекается энергия из пищи? Как организм борется с инфекциями? Никто не знал.

БИОХИМИЯ ЗРЕНИЯ

Для Дарвина зрение было «черным ящиком», но, накопив результаты кропотливой работы многих биохимиков, мы приблизились к ответу на вопрос о зрении[8]. Далее я приведу биохимическую схему работы глаза. Пусть вас не смущают странные названия составляющих элементов. Это всего лишь обозначения, которые звучат не более странно, чем слова «карбюратор» или «дифференциал» для того, кто впервые читает руководство по эксплуатации автомобиля. Читатели, жаждущие подробностей, найдут их во многих учебниках по биохимии, остальным советую читать внимательно или обратиться к рисункам 1–2 и 1–3, чтобы понять суть.

 Когда свет впервые попадает на сетчатку, фотон взаимодействует с молекулой 11-цис-ретиналь, которая за пикосекунды превращается в транс-ретиналь. (Пикосекунда – время, необходимое свету для прохождения расстояния в один человеческий волос.) Изменение формы молекулы ретиналя приводит к изменению формы белка родопсина, с которым плотно связан ретиналь[9]. Метаморфоза белка меняет его поведение – теперь он называется метародопсин II и прилипает к другому белку, трансдуцину. До столкновения с метародопсином II трансдуцин прочно связывал небольшую молекулу ГДФ. Но когда трансдуцин взаимодействует с метародопсином II, ГДФ меняется на ГТФ, связывающуюся с трансдуцином (ГТФ «близкий родственник» ГДФ, но в то же время существенно отличается от него).

РИСУНОК 1–2

Зрение: первый шаг. Фотон света вызывает изменение формы маленькой органической молекулы – ретиналя. В результате меняется также форма гораздо более крупного белка – родопсина, к которому он крепится. Рисунок белка не соответствует реальному масштабу

Теперь ГТФ-трансдуцин-метародопсин II связывается с белком под названием фосфодиэстераза, который расположен во внутренней мембране клетки. Присоединившись к метародопсину II и его окружению, фосфодиэстераза приобретает химическую способность «разрезать» молекулу, которая называется цГМФ (химический родственник ГДФ и ГТФ). Изначально в клетке много молекул цГМФ, но фосфодиэстераза снижает их концентрацию – прямо как выдернутая пробка снижает уровень воды в ванне.

РИСУНОК 1–3

Биохимия зрения. Rh – родопсин, RhK – родопсинкиназа, A – аррестин, GC – гуанилатциклаза, T – трансдуцин, PDE – фосфодиэстераза

Источник: Chabre, M. & Deterre, P. (1989) European Journal of Biochemistry, 179, 255. Публикуется с разрешения.

Другой мембранный белок, связывающий цГМФ, называется ионным каналом. Он действует как шлюз, регулирующий количество ионов натрия в клетке. В норме ионный канал позволяет ионам натрия поступать в клетку, а отдельный белок активно выкачивает их обратно. Двойное действие ионного канала и насоса поддерживает уровень ионов натрия в клетке в узком диапазоне. Когда количество цГМФ снижается из-за расщепления фосфодиэстеразой, ионный канал закрывается, что приводит к снижению концентрации положительно заряженных ионов натрия в клетке. Это изменяет заряд клеточной мембраны, что в конечном итоге приводит к передаче электрического тока по зрительному нерву в мозг. А зрение – это результат интерпретации мозга.

Если бы в клетке протекали только вышеупомянутые реакции, запасы 11-цис-ретиналя, цГМФ и ионов натрия быстро истощились бы. Что-то должно отключить включенные белки и вернуть клетку в исходное состояние. Для этого существует несколько механизмов. Во-первых, в темноте ионный канал (в дополнение к ионам натрия) пропускает в клетку ионы кальция. Кальций откачивается обратно другим белком – так поддерживается постоянная концентрация кальция. Когда уровень цГМФ падает, отключая ионный канал, концентрация ионов кальция тоже снижается. Фермент фосфодиэстераза, разрушающий цГМФ, замедляется при снижении концентрации кальция. Во-вторых, белок под названием гуанилатциклаза начинает заново синтезировать цГМФ, когда уровень кальция падает. В-третьих, пока все это происходит, метародопсин II химически модифицируется ферментом под названием родопсинкиназа. Затем модифицированный родопсин связывается с белком, который называется аррестин и который не позволяет родопсину активировать больше трансдуцина. Таким образом, клетка содержит механизмы, ограничивающие усиление сигнала, запускаемого одним фотоном.

В конце концов трансретиналь отпадает от родопсина, он должен снова превратиться в 11-цис-ретиналь и быть связанным родопсином, чтобы вернуться в исходную точку и запустить очередной зрительный цикл. Для этого трансретиналь сначала химически модифицируется ферментом в трансретинол – форму, которая содержит еще два атома водорода. Затем второй фермент преобразует молекулу в 11-цис-ретинол. Наконец, третий фермент удаляет ранее добавленные атомы водорода, чтобы получился 11-цис-ретинол, и цикл завершается. 

Параграфы выше – всего лишь краткий обзор биохимии зрения. Но в конечном итоге именно к такому уровню объяснения должна стремиться биология. Чтобы по-настоящему понять функцию, необходимо детально разобраться в каждом этапе процесса. Соответствующие этапы биологических процессов происходят на молекулярном уровне, поэтому удовлетворительное объяснение биологического феномена – например, зрения, пищеварения или иммунитета – должно включать его молекулярное объяснение.

Сейчас, когда «черный ящик» зрения открыт, для объяснения этой способности с точки зрения эволюции уже недостаточно рассматривать только анатомические структуры глаз, как это делал Дарвин в XIX в. и как продолжают делать популяризаторы теории эволюции сегодня. Каждый из анатомических этапов и структур, которые Дарвин считал такими простыми, на самом деле включает в себя невероятно сложные биохимические процессы, которые невозможно описать пустой риторикой. Прыжки Дарвина с холма на холм во многих случаях оказываются огромными скачками между весьма изощренными механизмами, и чтобы преодолеть такое расстояние за один раз, понадобился бы вертолет.

КАЛЬВИНИЗМ

Человеческому разуму как будто свойственно, увидев «черный ящик», вообразить, что внутри таится что-то очень простое. Отличный тому пример – комиксы «Кальвин и Хоббс» (рис. 1–4). Кальвин запрыгивает в ящик со своим плюшевым тигром Хоббсом и путешествует в прошлое, или «трансфигурирует» себя в животных, или использует его как дупликатор и создает свои клоны. Маленький мальчик вроде Кальвина запросто представляет, что ящик может летать как самолет (или еще как-то), потому что он не знает, как устроены самолеты.

РИСУНОК 1–4

Кальвин и Хоббс летят в своем черном ящике

CALVIN AND HOBBES copyright 1990 Watterson. Распространяется Universal Press Syndicate. Перепечатано с разрешения. Все права защищены.

В каком-то смысле взрослые ученые так же любят выдавать желаемое за действительное, как и мальчики типа Кальвина. Например, много веков назад считалось, что насекомые и мелкие животные рождаются прямо из испорченной пищи. В это было легко поверить, ведь мелкие животные считались чем-то элементарным (до изобретения микроскопа натуралисты думали, что у насекомых нет внутренних органов). Но по мере развития биологии точные эксперименты показывали: испорченная пища не порождает жизнь, теория спонтанной генерации отступила за границы, за которыми наука не могла увидеть, что происходит на самом деле. В XIX в. такими границами была клетка. Пиво, молоко или моча, оставленные на несколько дней в контейнерах, даже закрытых, всегда становились мутными от того, что в них что-то росло.

Микроскопы XVIII–XIX вв. показывали рост крошечных и, по-видимому, живых клеток – вот почему идея, что простые живые организмы могут спонтанно возникать из жидкостей, казалась разумной.