Естественные технологии биологических систем - Уголев Александр Михайлович. Страница 40

Другая трудность касается участия значительного числа различных функциональных блоков — изоферментов, изогормонов — в одном и том же механизме. Такое разнообразие блоков также находит объяснение в рамках основной идеи с учетом современных представлений генетики о свойствах генетического аппарата, а цитофизиологии — о посттрансляционных процессингах.

Под давлением фактов следует отказаться от мысли, что специализация и совершенство сложных физиологических функций связаны со специализацией элементарных функций и осуществляющих их функциональных блоков. Напротив, высокая специализация сложных функций достигается на основе рекомбинации и транспозиции большого, хотя и ограниченного набора молекулярных машин, производящих элементарные физиологические операции. Живые системы представляют собой уникальные наборы определенным образом организованных универсальных функциональных блоков. Уникальность и специализация достигаются благодаря сочетаниям универсальных функциональных блоков в пространстве и времени, а не за счет уникальности элементов, из которых строится данная система.

Концепция универсальных функциональных блоков не только влияет на общие представления биологов и врачей, но и приводит к ряду далеко идущих практических заключений. Прежде всего она открывает перспективы для различных способов химического и фармакологического воздействий на организм человека, а также для более серьезных попыток человечества вмешиваться в окружающий его мир для управления им или, напротив, для извлечения определенной пользы, не влияя на природу в целом.

Глава 6.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ БЛОКИ. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При рассмотрении эволюции пищеварения мы сталкиваемся с несколькими на первый взгляд исключающими друг друга закономерностями. В самом деле, в ходе эволюции механизмы, участвующие в процессах пищеварения и всасывания пищевых веществ, проделали сложный путь от относительно простых, например у бактерий, до чрезвычайно сложных и высокоспециализированных конвейерного типа у млекопитающих. Вместе с тем нельзя не заметить, что основные функциональные блоки, обеспечивающие экзотрофию, у наиболее «простых» и наиболее «сложных» организмов сходны или даже идентичны. Речь идет прежде всего о молекулярных машинах, реализующих гидролиз и транспорт компонентов пищи. Это же справедливо и в отношении трех основных типов пищеварения — внеклеточного дистантного (полостного), внутриклеточного и мембранного. Они встречаются на всех этапах эволюции живых организмов и, взаимодействуя, образуют специализированные системы переработки и усвоения пищи.

Обращает на себя внимание также фундаментальное сходство в организации операций по перевариванию пищи и ее транспорту у различных организмов. Более того, во многих случаях удается проследить не только сходство или идентичность функциональных блоков, из которых составлены сложные и полные биологического значения «мозаики», но и сходство основной технологической схемы. Так, и в сложнейшей пищеварительной системе высших организмов, и у инфузорий расщепление пищи начинается в кислой среде под влиянием протеаз. Затем оно сменяется процес-

сами гидролиза, происходящими в нейтральной или слабощелочной среде под влиянием всего комплекса ферментов, действующих в пищеварительных полостях (или микрополостях типа пищеварительных вакуолей). Одновременно с этим имеют место так называемые промежуточные и конечные стадии гидролиза. Последние происходят на поверхности мембран с помощью ферментов, которые структурно и функционально интегрированы с транспортными системами для отдельных мономерных молекул или олигомеров.

Анализ эволюции пищеварения и пищеварительных ферментов свидетельствует об их стабильности, или консервативности. В то же время известно, что именно высокая приспособляемость пищеварительных систем служит одним из условий выживания организмов при конкуренции за пищевые ресурсы. Это обеспечивается благодаря стабильности функциональных блоков, участвующих в комплексе пищеварительных процессов, их рекомбинации и формированию более эффективных функциональных систем. Другими словами, на основе весьма стабильных, хотя и подверженных определенным изменениям функциональных блоков происходит быстрая эволюция функций и структур. Мы полагаем, что концепция универсальных функциональных блоков позволяет с новых позиций рассмотреть механизмы эволюции функций.

6.1. Основные принципы эволюции в свете концепции универсальных функциональных блоков

В какой степени закономерности и принципы функционирования организмов, органов и клеток справедливы для молекулярных и близких к ним структурно-функциональных систем, какими являются функциональные блоки? По этому поводу нет полного согласия. Некоторые исследователи обращают внимание на определенные различия в эволюции организмов и белков, входящих в их состав. Например, Г. Шульц и Р. Ширмер (1982) указывают, что хотя специализацию белков и можно использовать для изучения эволюции, это еще не означает, что эволюция организмов, заключающаяся в эволюции их структур и функций, протекает параллельно эволюции их белков. В качестве примера они ссылаются на отсутствие корреляции между сравнительно большой изменчивостью белков у амфибий в диапазоне одинаковых таксонов по сравнению с млекопитающими. Вместе с тем отмечается, что специализация белков создает предпосылки для исследования эволюции на более высоких иерархических уровнях. С другой стороны, предполагается, что белки эволюируют как клетки, ткани и органы, подчиняясь тем же закономерностям. В основе такой эволюции на макро- и макроуровнях лежат принципы мультифункциональности, смены, ослабления и расширения функций, интенсификации функций и т.д. Все это связано с тем, что белки — такие же органы организма, но только молекулярные. Я привожу это выражение Б. М. Медникова (1981), которое сочетает удивительную образность и точность. В дальнейшем будет сделана попытка показать, что в биологическом микромире, так же как и в физическом, наряду с универсальными законами действует ряд специфических законов и отсутствуют некоторые закономерности, справедливые для макросистем.

Принято, что основные филогенетические принципы изменения структур и функций являются частными и вытекают из принципа мультифункциональности (см. гл. 8). Базой прогрессивной эволюции служат малодифференцированные структуры, обладающие свойствами, из которых формируются высокоспециализированные системы с немногими характерными функциями. Например, какие-то клетки обладают такими функциями, как питание, выделение, рост, движение, раздражение, возбуждение, размножение и т.д. Впоследствии каждая из этих функций становится все в большей степени свойственной определенной группе клеток, образующих специализированный орган. В пределах каждого органа возникает новый уровень специализации, когда процесс (например, секреция) подразделяется на ряд субпроцессов (например, секреция ферментов, солей, воды, реабсорбция отдельных компонентов первичного секрета и т.д.). В этом случае специализация касается не секреторной функции в целом, а ее определенных разновидностей.

Насколько можно судить, функциональные блоки возникли как специализированные структуры, выполняющие определенную функцию, например обмен натрия на протон в натрий-протонных каналах, укорочение или удлинение актомиозиновых комплексов, эндо-и экзоцитозы и т.д. Таким образом, принцип мультифункциональности реализуется не на уровне блоков, а на уровне органов и клеток и касается комбинаторики блоков, но не их самих. На уровне функциональных блоков и элементарных функций мультифункциональность (или полифункциональность) является скорее исключением, чем правилом. Обычно каждый блок выполняет одну функцию, которая не меняется или мало меняется на протяжении длительных интервалов эволюции, а иногда и всей известной нам эволюции. Так, Na⁺, К⁺-АТФаза всегда осуществляет антипорт Na⁺ и К⁺, причем на всех уровнях филогенетической лестницы выведение трех ионов натрия из клетки сочетается с поступлением двух ионов калия внутрь клетки при гидролизе одной молекулы АТФ. Однако, включаясь в различные функциональные комплексы, этот насос может участвовать в проведении нервного сигнала, мышечном сокращении, защитных, осморегуляторных, секреторных, резорбтивных процессах, процессах рецепции и т.д. Другими словами, будучи монофункциональной, Na⁺, К⁺-АТФаза является мультипотентной (или полипотентной). По-видимому, принцип мультипотентности представляет собой такой же важный принцип функционирования и эволюции на микроуровнях, как принцип мультифункциональности на макроуровнях.