3. Эволюция ферментных систем и отбор

Организация протобионтов должна была послужить исходной точкой для их дальнейшей эволюции на пути становления жизни. Главным в этой организации являлось то, что протобионты были не только динамически устойчивыми системами, не только могли неопределенно долго сохраняться в «первичном бульоне», получая вещества. И энергию из окружающей их внешней среды, но что они при определенном сочетании совершавшихся в них реакций обладали способностью увеличиваться в объеме и весе, расти наподобие построенных нами коацерватных моделей. При этом росте протобионты сохраняли до известной степени неизмененными присущие им формы организации. В частности, при синтезе все новых и новых полимерных молекул постоянству состава разрастающихся протобионтов в какой-то мере содействовала основанная на комплементарности, уже возможная в этих условиях, но еще очень несовершенная репликация содержащихся в протобионте полинуклеотидов. Однако главное заключалось в том, что протобионты сохраняли постоянство соотношения скоростей и согласованности совершавшихся в них реакций. Это определялось тем, что и при разрастании они все время сохраняли в себе исходную повышенную концентрацию простейших неорганических или органических катализаторов, избирательно поглощая их из внешней среды Опарин А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие..

Если в том или ином протобионте в условиях постоянной или изменявшейся внешней среды происходило ускорение реакций окисления, сопряжения и полимеризации, повышение их согласованности, вообще изменение обмена, способствующее ускорению синтеза и роста системы, то такая система естественно приобретала преимущество перед остальными и начинала образовываться все в большем и большем количестве экземпляров. На этой основе и должно было происходить постепенное усовершенствование организации подавляющей массы разрастающихся и размножающихся протобионтов.

Прежде всего, это усовершенствование должно было касаться их каталитического аппарата как главнейшего фактора организации обмена веществ, основанного на соотношении скоростей отдельных составляющих обмен реакций. Конечно, на разбираемой нами стадии развития не могло быть и речи о таких сложных, наделенных специфическим внутримолекулярным строением веществах, какими являются ферменты современных организмов. Доступными для протобионтов катализаторами могли служить только присутствовавшие в значительных количествах в «первичном бульоне» простейшие органические вещества или неорганические соединения. В частности, например, соли железа, меди и других тяжелых металлов могли значительно ускорять реакции переноса водорода. Правда, их каталитическое действие несравненно слабее, чем действие таких ферментов, как пероксидаза или фенолоксидаза. Они являются, так сказать, очень «плохими» по сравнению с ферментами катализаторами, но как это было показано В. Лангенбеком, их каталитическая активность может быть повышена при сочетании их с теми или иными радикалами и молекулами.

Так, например, реакция переноса водорода может быть ускорена уже ионом неорганического железа. Но это ускорение очень слабое. Оно несколько возрастает при сочетании железа с пирролом. Если же железо включить в четырехпиррольное соединение -- в порфириновое кольцо, то полученный таким образом гемин будет обладать каталитическим действием, в 1000 раз превосходящим аналогичное действие неорганического железа. Как показал В. Лангенбек, даже такое простое органическое соединение, как метиламин, может ускорять реакцию декарбоксилирования кетокислот аналогично тому, как это осуществляется в живой клетке ферментом карбоксилазой. Однако сам по себе метиламин действует в указанном направлении настолько слабо, что это действие может быть обнаружено только при повышенной температуре (в условиях автоклава). Включение в молекулу метиламина карбоксильной группы (синтез гликокола) повышает его каталитическую активность почти в 20 раз. Еще в несколько раз она увеличивается при включении ароматического или гетероциклического кольца и т. д. Идя этим путем, сознательно включая в исходную молекулу все новые и новые атомные группировки, Лангенбек получал свои знаменитые «искусственные модели ферментов», в частности такого рода соединения, каталитическое действие которых во многие тысячи раз превосходило аналогичное действие метиламина.

Этот же путь последовательного усовершенствования простейших катализаторов мог быть использован и в процессе эволюционного развития протобионтов, на основе их естественного отбора. На такого рода возможность эволюционного формирования биологических катализаторов справедливо указывал М. Кальвин. Однако просто в растворе отдельные молекулы катализаторов не могли подвергаться действию естественного отбора, так как для самих этих молекул их способность лучше или хуже катализировать реакции окисления не давала им никакого преимущества в отношении длительности существования или увеличения числа по сравнению с другими аналогичными молекулами, не обладавшими этой способностью. Иные отношения создавались для катализаторов, включенных в целостную систему протобионта. Отдельные растворенные в окружающей среде части сложной каталитически активной молекулы сами по себе могли быть почти полностью лишены этой активности. Однако избирательно поглощаясь протобионтом, они сочетались в нем в каталитически активный комплекс и если этот комплекс ускорял (по сравнению с внешней средой) полимеризацию или другие указанные выше реакции, именно он определял собой поточный характер системы, ее динамическую устойчивость и способность к росту (как это мы видели на примере модельных опытов).

Отсюда ясно, что чем более совершенным являлся данный комплекс, т. е. чем больше ого молекулярное строение соответствовало его каталитической функции и чем более эта функция была согласована с другими реакциями, осуществлявшимися в данном протобионте, тем большие преимущества получал этот протобионт, тем лучше он сохранялся в данных условиях внешней среды, тем скорее он рос и размножался, а следовательно, и занимал ведущее место в прогрессивной эволюции предбиологических систем.

Можно себе представить колоссальное число атомных группировок, радикалов, органических и неорганических соединений и их комплексов, которые в той или иной мере обладали способностью катализировать необходимые для существования протобионтов реакции, например реакцию переноса водорода.

В многочисленных первично возникших протобионтах эта функция переноса, конечно, должна была осуществляться очень разнообразными каталитическими механизмами, строение которых сильно варьировало как в зависимости от состава той среды, из которой черпался материал для построения этих химических механизмов, так и от индивидуальных особенностей каждого отдельного протобионта.

Однако в результате того, что естественный отбор все время отметал менее совершенные механизмы, уничтожая все те системы, которые были ими наделены, это разнообразие делалось постепенно все уже. Из необозримого моря химических возможностей, которыми обладал «первичный бульон», отбирались лишь немногие наиболее эффективные комбинации молекулярных группировок. При этом чем раньше в процессе развития протобионтов осуществлялась такая стандартизация того или иного каталитического механизма, тем более универсальным он должен был явиться для всего последующего мира живых существ.

В качестве одного наиболее поразительного в этом отношении примера здесь нужно назвать НАД (никотинамидадениндинуклеотид), который участвует как универсальный переносчик водорода в многочисленных окислительно-восстановительных процессах живой клетки. Мы находим его положительно во всех без исключения современных живых существах, как в микробах, так и в высших растениях или животных; как в гетеротрофах, так и в автотрофах, как в организмах, сбраживающих и окисляющих разнообразные сахара, так и в живых существах, источниками углеродистого питания которых являются фенолы и другие ближайшие производные углеводородов. Это указывает на то, что НАД был отобран живой природой из множества аналогичных соединений еще на сравнительно ранней стадии эволюции органической материи, у самых истоков жизни. Этому, конечно, содействовали преимущественные возможности абиогенного синтеза в условиях «первичного бульона» именно адениновых производных. Поэтому адениновые производные должны были поступать из внешней среды в разрастающиеся протобионты с самого начала их возникновения. В дальнейшем они приобретали все большее и большее значение как переносчики водорода но мере своего усложнения и приспособления к этому процессу.

Нечто аналогичное можно сказать (на основании их сравни-тельнобиохимического изучения) и о флавиновых производных, этих весьма универсальных катализаторах окислительно-восстановительных процессов у современных организмов, затем о коферменте А (КоА) и некоторых других аналогичных соединениях.

Приведенные данные позволяют высказать предположение, что на определенной стадии эволюции протобионтов роль ускорителей совершавшихся в них процессов стали играть коферменты, которые заменили собой более простые, но менее совершенные органические и неорганические катализаторы.

Коферменты и сейчас играют ведущую роль в обмене веществ всех современных организмов. Их число очень невелико, но любой из них является чрезвычайно широко распространенным универсальным ускорителем биологических процессов, что указывает на их очень раннее образование в процессе возникновения и развития жизни.

Совершенно необязательно, чтобы уже на первых этапах эволюции коферменты полностью синтезировались в самих протобионтах. Необходимое для динамической устойчивости разрастающихся протобионтов постоянство концентрации катализаторов могло поддерживаться и просто путем поступления этих относительно сложных соединений или образующих их компонентов из внешней среды. В связи с этим следует напомнить, что и многие современные даже высокоорганизованные живые существа, несмотря на безусловную потребность их обмена в определенных коферментах, не способны синтезировать некоторые из них и принуждены получать их из внешней среды в форме витаминов.

Однако формирование процессов, ведущих к синтезу коферментов из все более и более простых соединений, явилось существенным шагом вперед на пути прогрессивной эволюции протобионтов. Оно создавало условия для возможности существования протобионтов в среде все менее сложного состава, но вместе с тем требовало согласованного взаимодействия все большего числа необходимых для синтеза реакций.

Таким образом, исходные формы эволюционирующих систем должны были быть полностью гетеротрофными, т. е. целиком зависеть от сложного состава окружающей среды. Дальнейшая эволюция пошла в направлении возникновения в системах все более комплексных и многозвенных процессов, уменьшавших зависимость систем от внешней среды.

До известной степени этот путь эволюции может быть продемонстрирован даже на примере наших коацерватных моделей. Капли, обладавшие только способностью к полимеризации, могли сохраняться и расти лишь в среде, содержащей макрозргические фосфорные соединения. Включение окислительно-восстановительных реакций и сопрягающих механизмов позволило самим каплям синтезировать макрозргические соединения и создавало возможность роста капель в менее сложной и специальной среде. Аналогично этому существование протобионтов, использовавших для ускорения и согласования указанных трех реакций только готовые находившиеся в окружавшей их среде катализаторы, было очень ограничено этим условием, а сами катализаторы могли в этом случае быть представленными только сравнительно примитивными малоспециализированными веществами. Существенным шагом вперед являлся синтез в самом протобионте более эффективных катализаторов (коферментов) из менее сложных компонентов среды. Но для этого требовалось уже дополнительное возникновение в протобионте новой реакции синтеза, приключавшейся к трем ранее названным. Так, в процессе разрастания и естественного отбора протобионтов должна была все более и более усовершенствоваться, а вместе с тем и усложняться система реакций обмена внутри протобионтов.

Уже чисто теоретические соображения, высказываемые рядом современных авторов, заставляют нас предполагать, что прогрессивная эволюция таких открытых систем, какими, в частности, являлись и наши протобионты, шла не только по пути улучшения согласования небольшого числа указанных выше реакций, но и в направлении увеличения числа этих реакций, удлинения образуемых ими цепей, разветвления этих цепей и их замыкания в постоянно повторяющиеся циклы. Это действительно подтверждается наличием у всех современных организмов весьма сложной, состоящей из очень большого числа реакций сетки метаболизма У различных представителей живого мира эта сетка может, как мы увидим ниже, очень сильно варьировать, но и в качестве своих отдельных звеньев она обязательно содержит в себе все три типа реакций, о которых мы говорили выше. Эти реакции были присущи уже протобионтам, составляли основу их зачаточного обмена, но в процессе эволюции они многократно добавлялись и усложнялись путем включения все новых отдельных реакций и их сочетаний.

Однако чем длиннее и разнообразнее становились цепи реакций, чем большее их число входило в общую сетку обмена, тем строже должна была быть согласованность скоростей отдельных реакций и тем более совершенные каталитические механизмы были необходимы, чтобы этого достигнуть. Поэтому ранее существовавших малочисленных и относительно слабо специализированных катализаторов - коферментов - оказалось недостаточно для решения этой сложной задачи, и следующим весьма важным шагом прогрессивной эволюции протобионтов явилось создание целого арсенала новых мощных катализаторов-ферментов, т. е. белков, внутримолекулярная структура которых чрезвычайно хорошо приспособлена к выполняемым ими каталитическим функциям.

Ферменты обладают исключительной активностью и специфичностью своего каталитического действия именно потому, что их внутримолекулярное строение весьма совершенно приспособлено к осуществлению этой их биологической функции, а эта приспособленность, конечно, не могла возникнуть случайно, просто в растворе органических веществ. То обстоятельство, что каждый данный фермент катализирует только строго определенную реакцию из множества других потенциально возможных для данного субстрата реакций, имеет громадное значение для организации обмена веществ не только с точки зрения ускорения всего жизненного процесса, но и в связи с определенной последовательностью реакций метаболизма, его общей направленностью.

становление экосистема эволюция организм