Живая природа удивительно многообразна, и в этом, может быть, ее самая яркая черта. Известны миллионы биологических видов, и каждый из них самобытен по образу жизни, внешнему облику, внутреннему строению. Самобытность эта проявляется и в устройстве биомолекул - нуклеотидов, белков, жиров, полисахаридов. Их в каждом организме тысячи разновидностей, выполняющих разные функции, и в этом тоже проявляется многообразие природы. Такая функциональная разнородность в принципе известна уже Давно, и все в ней понятно.
Но вместе с тем в организмах разных видов имеются биомолекулы, одинаковые по происхождению и по выполняемой работе, но различающиеся деталями своего строения. Например, два таких однотипных белка могут отличаться лишь последовательностью составляющих их аминокислот. Эта форма разнообразия биологических молекул тоже была известна, но зачем она и какой в ней смысл, оставалось неясным.
Прояснилось это лишь тогда, когда многообразие живой природы стали исследовать с позиций молекулярной биологии. В последние годы эта наука добилась больших успехов в изучении молекулярного строения живых существ. В частности, расшифрована последовательность мономеров (первичная структура) многих полинуклео-тидов и белков. И при этом открылось такое разнообразие биомолекул, какое раньше и представить было трудно. Стало ясно, что мы имеем дело не со случайными причудами природы, а с общебиологической закономерностью. Но с какой? И каким образом это явление возникло? Исчерпывающего ответа пока нет, но, разумеется, сейчас никто не сомневается, что видовая, популяционная, индивидуальная, тканевая и клеточная разнородности однотипных биомолекул возникли в ходе эволюции.
Согласно теории Ч. Дарвина развитие живой материи происходит при непременном участии трех биологических явлений - изменчивости, наследственности и естественного отбора. Первые два действуют и среди биомолекул. Но как происходит на этом уровне естественный отбор? При попытках найти ответ на этот вопрос выяснилось, что современная теория биологической эволюции объясняет все известные ей факты, но не эволюцию биомолекул.
Более 100 лет теория эволюции проверялась на примерах естественного отбора организмов, которые отличаются друг от друга формой тела или устройством и функциональными возможностями органов. Здесь все было очевидным. Например, кустарник лещины имеет тем больше шансов возродиться в потомстве, чем прочнее оболочка его орехов. Птице с более крепким, чем у других, клювом легче прокормить себя и птенцов, сокрушая ореховую скорлупу. Рыба с более совершенной формой тела будет резвее других плавать, настигая добычу или, напротив, ускользая от хищника.
Но каким образом природа может различать организмы с неодинаковой структурой однотипных биомолекул? Например, два варианта строения белка коллагена, входящего в костную ткань, отличаются лишь двумя (из тысяч) аминокислотными мономерами, и эти отличия не видны глазом, не сказываются ни на резвости бега, ни на прочности костяка. Как же различать?
Поиск ответа на этот вопрос породил две диаметрально противоположные точки зрения. Представители одной из них считают, что в природе нет "приборов", способных различать организмы по особенностям их молекулярного устройства, и поэтому эволюция молекул идет без участия естественного отбора.
Сторонники дарвинизма, естественно, не могут с этим согласиться. Ведь эволюционные преобразования биомолекул лежат в основе всех других, более высоких уровней развития живой материи. Поэтому трудно допустить, что, например, нуклеиновые кислоты и белки, являющиеся основой жизни, могут эволюционировать, не приспосабливаясь к внешним воздействиям, то есть без естественного отбора. Однако обнаружить природные силы, способные осуществлять отбор биомолекул, удалось далеко не сразу.
Успех был достигнут, когда совершенно неожиданно в дискуссию включились представители микробиологии и иммунологии. В последние годы эти науки соприкоснулись с фундаментальными, а именно молекулярными аспектами анаи мии, физиологии и экологии. При этом в их распоряжении оказались уникальные данные о молекулярной конституции живых существ и о химических способах взаимодействия между ними. Это и послужило основой для неожиданного заявления, что отбор организмов по молекулярным свойствам производят... болезнетворные микробы.
Плазмиды, вирусы, бактерии, грибы, одноклеточные водоросли, простейшие - живые существа размером менее 0,1 мм, невидимые невооруженным глазом. Они находятся повсюду вокруг нас и даже внутри нас. Они живут, поглощая вещества и энергию из окружающей среды. При этом одни микробы используют простейшие органические вещества (азот, углекислоту, соли), другим же необходимы для жизни сложные продукты чужого биосинтеза, вплоть до белков, липидов, полисахаридов и даже нуклеиновых кислот, которые они изымают либо из погибших организмов (микробы-сапрофиты), либо из других живых существ. Для этого микробы внедряются во внутреннюю среду эксплуатируемых организмов, нарушая их жизнедеятельность, то есть вызывая болезни, нередко губительные. Примеры таких инфекционных заболеваний общеизвестны.
Вся живая материя постоянно подвергается агрессии микроскопических паразитов- своих "внутренних врагов". И она несет от этих набегов немалые потери. Почему же столь жестокий антагонизм не смог погубить жизнь на Земле? Что спасает животных, растения, другие существа в их непрерывной борьбе с полчищами невидимых разбойников? Ведь никакой вакцинации они не подвергаются. Среди людей тоже известно немало примеров природной, естественной антимикробной защищенности, которая не нуждается в вакцинах или каких-либо других препаратах.
Их защищает наследственный конституциональный иммунитет - важнейший способ самозащиты организма от болезнетворных микробов. В чем его сущность?
Явления иммунности можно сгруппировать в три основные системы: во-первых, это наследственный иммунитет, когда свойства неуязвимости предопределены генетической программой развития организма и впрямую зависят от его строения (конституции); во-вторых, фагоцитоз - защита, обусловленная наличием в организме специальных клеток, способных поглощать и уничтожать микробов; и, в-третьих, лимфо-идная система (о ней чуть позже).
Наследственный иммунитет имеется у всех живых существ независимо от их иерархической ступени: и у простейших организмов, и у растений, и у позвоночных. У всех животных в отличие от остальных действует, кроме того, система фагоцитоза. А у высших позвоночных две первые системы дополняет еще и третья, так называемая лимфоидная система иммуногенеза.
История иммунологии сложилась так, что вплоть до самого последнего времени основным объектом ее внимания была именно лимфоидная система, принципы функционирования которой удалось разгадать уже в самом начале развития этой науки. Тогда же были изобретены и основные способы использования этой системы для
Эволюционное развитие систем самозащиты (иммунитета) организмов от микробов: наиболее древняя из них связана с молекулярным строением (конституцией) организма, она присуща всем видам живого (1). Беспозвоночные и позвоночные, кроме того, наделены фагоцитарной (2) системой иммунитета, и, наконец, высших - позвоночных - животных защищает еще и лимфоид-ная система (3), Стрелки слева символизируют нападение микробов.
предохранения человека и сельскохозяйственных животных от губительных заразных болезней. Было установлено, что защитные функции лимфоидной системы обеспечиваются специфическими свойствами особых белков - иммуноглобулинов, которые вырабатываются клетками этой системы лишь после того, как микробы проникли в организм. Количество таких веществ нарастает по мере развития противоборства, и если организм выживает в этой жестокой схватке, то повторно микробами этого вида он обычно уже не поражается: лимфоидная система в течение всей оставшейся жизни снабжает его спасительными иммуноглобулинами. (Мы в таких случаях говорим, что у организма выработался иммунитет к данной болезни.) Известен, однако, и ряд исключений из этого правила. Легочная чума, например, заканчивается выздоровлением лишь в крайне редких случаях - больные погибают еще до того, как лимфоидная система успеет организовать защиту.
Свойства же конституционального иммунитета, наследственно закрепленные в ряде поколений, напротив, имеются у организма еще до начала микробной агрессии. Его не без оснований называют наиболее совершенной иммунологической системой. Но долгое время множество известных о нем фактов никак не укладывалось в какую-либо единую концепцию, закономерности и сущность врожденного иммунитета не поддавались расшифровке.
Действие молекулы холерного токсина (1) на клеточную мембрану (2): сближение молекулы токсина с мембраной (а), связывание ее "абордажной" части с молекулярными мишенями на поверхности мембраны (б), проникновение микробного яда внутрь клетки (в). В самом деле, лошади, ослы, морские свинки и обезьяны почему-то очень чувствительны к столбняку, в то время как собаки, кошки, кролики, ежи и куры отроду устойчивы к этой болезни. Некоторые породы собак (немецкие овчарки, ньюфаундленды, борзые, мопсы) легко заболевают чумой, тогда как боксеры, терьеры, эрдельтерьеры и бульдоги практически невосприимчивы к ней. Многие люди восприимчивы к той или иной инфекционной болезни, например, к гриппу, кори, брюшному тифу, столбняку, но немало и таких, которые не заражаются ими. Аналогичные явления наблюдаются среди беспозвоночных, растений, бактерий, вирусов. Какими же свойствами организма обусловлена наследственная защищенность от микробной агрессии? Ответ на этот вопрос был получен лишь совсем недавно.
Микробная агрессия принципиально отличается от нападений более крупных любителей чужого белка. Те нападают на свою жертву, если можно так сказать, снаружи. Микробы же проникают в организм незаметно, "тихой сапой", и повреждают его изнутри.
Так происходит потому, что орудиями агрессивности микробов служат химические вещества: вырабатываемые ими ферменты, токсины, нуклеиновые кислоты, поверхностно-активные вещества и т. д. Например, у возбудителей газовой гангрены имеется фермент лецитиназа, разрушающая оболочки животных клеток, Грибы - возбудители пятнистой болезни сахарного тростника образуют вещество углеводной природы, которое препятствует поступлению питательных веществ внутрь клеток, то есть обрекает их на голод.
При этом каждый из микробных агентов взаимодействует отнюдь не со всеми, а лишь со строго определенными молекулярными мишенями в атакуемых клетках. Дело в том, что любая клетка состоит из множества биомолекул, различных по химическим свойствам и, следовательно, по способности взаимодействовать с другими биомолекулами. Химические свойства токсинов, ферментов, нуклеиновых кислот тоже очень специфичны: они могут воздействовать лишь на те молекулы в атакуемых клетках, с которыми у них имеется химическое сродство, дополненное соответствием структур и функций, то есть химической комплементарностью. Только такие, избранные, молекулы могут служить мишенями для микробных агентов. Если же подходящих мишеней нет, микробная атака оказывается неэффективной. В этих особенностях и заключена тайна наследственного иммунитета.
Растения сахарного тростника, устойчивые к пятнистой болезни, отличаются от своих беззащитных сородичей только тем, что в соответствующей белковой мишени 4 из 110 аминокислот представлены в иных вариантах. То есть это мутация всего лишь одного белка, но благодаря ей все клетки этого растения и все оно в целом оказываются устойчивыми к данным микробам. Эта особенность молекулярной конституции наследственна. Потомки такого растения также не поражаются пятнистой болезнью.
Сходным образом обеспечивается и врожденная стойкость людей к малярии. Возбудители ее вызывают болезнь, разрушая гемоглобин - один из жизненно важных белков организма. Но у невосприимчивых к этой инфекции людей гемоглобин неуязвим, поскольку имеет несколько иное строение - отличается от гемоглобина податливых организмов всего лишь одной аминокислотой.
Известный антибиотик стрептомицин производят микроорганизмы-актиномицеты. То есть это тоже микробный агент, и он, как мы знаем, обладает сильным антибактериальным действием; проникая в рибосомы, где происходит сборка белков из аминокислот, он связывается с рибосомальным белком, обеспечивающим эту сборку, и тем самым тормозит этот процесс. Знаем мы и то, что бактерии могут приспособиться к стрептомицину (как к другим антибиотикам), и он перестает на них действовать. Перестает потому, что среди бактерий встречаются изредка мутанты, у которых иная композиция аминокислот в молекуле того самого рибосомального белка, что служит мишенью для стрептомицина. Эти мутанты устойчивы к стрептомицину, они не гибнут посреди вызванного им всеобщего мора, а их потомство, наследующее эту структурную особенность, в конечном итоге становится преобладающим в популяции. И что интересно (для нас) и важно (для бактерий), мутантная структура не мешает белку исправно выполнять свои обычные физиологические функции.
В ходе эволюции молекулярно-экологиче-ское противоборство организмов с микробами преобразует генофонд популяции. Поколения, восприимчивые к какой-либо болезни (а), благодаря мутации (х) приобретают конституциональный иммунитет (б). Наряду с этим могут образоваться и гибридные организмы (в).
И так повсюду в живой природе: поражающее действие микробов предотвращается наследственными особенностями молекулярной конституции мишеней. Благодаря этому обладатели защитной молекулярной конституции сохраняют жизнеспособность и воспроизводятся в потомстве, в то время как другие организмы погибают.
Вот так микроскопические паразиты и производят отбор по признаку устойчивости к инфекциям. В итоге после множества "стычек" с микробами устойчивая молекулярная конституция становится достоянием не одиночных мутантов, а целых популяций и видов.
Но, в свою очередь, микробы и сами попадают под действие естественного отбора: распространение конституционной устойчивости в пределах вида-жертвы отнимает у микробов источники пищи и среду обитания, вследствие чего- численность паразитической популяции начинает уменьшаться. Но это лишь до тех пор, пока среди паразитов, опять-таки в свою очередь, не появятся мутанты, молекулярное строение которых позволяет им преодолевать стойкость жертв. Поэтому через какое-то время микробный вид, уже в измененном молекулярном облике, вновь возвращется к интенсивному паразитическому образу жизни. И все начинается сначала.
Но ведь жертвами микроскопических паразитов являются все формы живой материи, а их миллионы, и у каждой "свои" микробы. Поэтому подобные эволюционные преобразования происходят во множестве экологических систем "микроб - жертва" и во все время их существования на Земле. Эти процессы и привели к существующему разнообразию биомолекул. Справедливости ради заметим, что экологические взаимодействия посредством биомолекул возможны и в других вариантах. Так, с помощью особых молекул (феромонов) осуществляются многие внутривидовые и межвидовые взаимодействия между крупными организмами (выслеживание жертвы по запаху, например). Здесь также необходима химическая компле-ментарность (соответствие) феромонов с их биомолекулярными мишенями. В ходе таких взаимодействий тоже, надо полагать, происходит естественный отбор по молекулярным свойствам и тем самым вносится определенный вклад в эволюцию биомолекул.
Однако биохимические взаимодействия в системах "микроб - жертва" имеют для молекулярной эволюции особо важное значение. Это обусловлено следующими обстоятельствами. Во-первых, жизнь на Земле началась с появления микроскопических живых существ, и, стало быть, химико-экологические отношения между ними были зачинателями эволюционного процесса. Во-вторых, и до сих пор только в системах "микроб-жертва" все решающие события развертываются исключительно на молекулярном уровне. В-третьих, благодаря многочисленности и разнообразию таких систем во взаимодействия вовлекается беспрецедентное множество различных биомолекул, то есть они практически охватывают все живое. В-четвертых, эти взаимоотношения, будучи антагонистическими, создают условия для особо интенсивного отбора организмов по деталям их молекулярного устройства. И, наконец, в-пятых, молекулярные микробные агенты остались в настоящее время единственными биотическими агентами, продолжающими процесс естественного отбора среди людей и, следовательно, биологическую эволюцию вида "гомо сапиенс". Действие остальных факторов человек сумел нейтрализовать: хищных зверей мы видим главным образом в зоопарках, не употребляем в пищу ядовитые растения, научились спасаться от яда змей и насекомых, не страшен человечеству и голод - мировое аграрное производство вполне может обеспечить всех людей пищей. И только от инфекционных болезней полной защиты пока нет.
Кое-что сделать, правда, удалось. Так, не стало на Земле оспы, значительно реже возникают эпидемии холеры, в ряде стран, в том числе и у нас, практически ликвидирована малярия, в десятки и даже в сотни раз уменьшилась инфекционная заболеваемость среди детей... Тем не менее инфекционные болезни по-прежнему уносят миллионы жизней, оказавшихся беззащитными. В этом и проявляется их действие как фактора естественного отбора среди людей.
Продолжается действие инфекционных агентов и среди других форм живой материи, обусловливая эволюционное преобразование их молекулярного устройства и тем самым создавая основу для дальнейших изменений на уровне клеток, органов, и так далее, вплоть до формы тела.
Влиянию микробных факторов естественного отбора подвержены, как мы уже знаем, все виды живых существ. Но темпы их биологической эволюции различны. Почему же одни виды развиваются быстро, а другие (например, бактерии, акулы, крокодилы) практически не изменяют свой внешний облик на протяжении сотен миллионов лет?
Дело в том, что вид эволюционирует тем быстрее, чем интенсивнее отбор и чем большее число биомолекул вовлечено в этот процесс. А интенсивность отбора тем выше, чем агрессивнее микробы, то есть чем выше уровень заболеваемости и смертности от инфекций. Разные виды организмов сильно отличаются друг от друга по интенсивности и по разнообразию своих взаимоотношений с царством болезнетворных микробов. Эти различия зависят от образа их жизни, от широты географического расселения и других экологических характеристик. А эти особенности в разных царствах живой природы проявляются далеко не одинаково.
Ведь микробы попадают в организм чаще всего вместе с пищей. Значит, чем обильней и шире пищевые связи вида, тем интенсивней и разнообразней взаимодействие с патогенными микробами и, следовательно, эволюционные преобразования биомолекул. Наиболее разнообразны пищевые связи у животных, особенно у хищных и всеядных. У них по сравнению с растительноядными выше и наследственная стойкость к возбудителям самых разнообразных заразных болезней. У них соответственно выше и темпы биомолекулярных преобразований.
Что же касается человека, то он уже давно освоил все континенты, моря и океаны, вступив в интенсивное общение со всеми населяющими их живыми существами. Логичным будет предположение, что благодаря этому на протяжении своей биологической истории он уже вступал в эволю-ционно значимые взаимодействия если не со всеми, то с большинством существующих на Земле микробов. Наблюдения инфекционной заболеваемости прямо свидетельствуют о том, что конфронтации человека с возбудителями заразных болезней во много раз более разнообразны и интенсивны, чем у любых других животных, причем такими они были уже на заре становления человека разумным. Эти данные подтверждают предположение, что молекулярная эволюция наших обезьяноподобных предков, антропоидов, а впоследствии и самого человека происходила также интенсивнее, чем у других животных, и затрагивала более разнообразные молекулярные структуры. Образно говоря, взаимодействия с патогенными микробами помогли обезьяне выйти в люди.