Как отметил Симпсон, вопрос о том, насколько быстро происходила эволюция, лишен смысла, если при этом не указано, какие именно организмы и какие структуры этих организмов имеются в виду и в какой период их истории.
Опоссум, например, относительно мало изменился за последние 80 млн. лет, тогда как эволюция лошадей в течение последних 60 млн. лет привела к возникновению по меньшей мере восьми различных родов.
Точно так же как анатомическое строение у одних организмов изменялось гораздо быстрее, чем у других, скорости изменения специфических белковых молекул в процессе эволюции весьма различны. Хотя у нас еще очень мало данных для обсуждения этой проблемы, однако уже ясно, что за один и тот же промежуток времени структура одних белков изменилась значительно сильнее, чем структура других. Сравните, например, соматотропины кашалота и овцы с инсулина ми этих же самых видов: изменения в структуре инсулина ограничиваются незначительными модификациями в небольшом участке одной полипептидной цепи, тогда как у соматотропинов. произошли явные изменения в молекулярном весе, содержании цистина и в числе полипептидных цепей. Точно такие же поразительные различия в степени изменчивости можно видеть на многих других примерах.
Какие же следует наметить пути для выяснения химической основы видообразования? Как мне кажется, мы должны начать с основного допущения, что фенотип вида определяется главным образом уникальным набором его белков. Затем можно перейти к выяснению того, в какой степени каждый из отдельных белков любого набора может измениться, не вызвав нарушения биологической функции. Как мы уже знаем, «поражаемость» различных белков, судя по результатам исследований in vitro денатурации и химической модификации в связи с функцией, чрезвычайно широко варьирует. Однако даже в этом случае многие из наблюдавшихся различий в чувствительности, возможно, преувеличены и зависят от выбора методов, использованных для изменения белка. Если даже два белка очень сходны в отношении той части структуры, которая существенна для их функции, один и тот же набор реактивов может подействовать на наиболее важные функциональные элементы одного белка и не вызвать серьезных повреждений другого белка. Например, ацетилирование аминогрупп не оказывает существенного влияния на активность пепсина, однако для активности лизоцима по крайней мере некоторые из этих групп имеют решающее значение. Таким образом, для подлинного сравнения двух биологически активных белков необходимо использовать много различных инактивирующих реактивов, т. е. в конечном счете следует разработать план исследования таким образом, чтобы можно было выяснить, до какой степени можно разрушить белковую молекулу, с тем чтобы она сохранила свою функциональную активность.
Однако поскольку белки все же можно изменить так, чтобы они при этом не утратили своей функции, то представляется несомненным, что допустимая степень изменения их структуры несколько варьирует у разных молекул. По всей вероятности, белки данного организма можно разделить на белки, структура которых строго приспособлена к выполнению какой-либо важной функции, на белки, активность которых ограничена или даже относительно необязательна, и на белки, занимающие промежуточное положение между этими двумя типами. Снова приходят на ум примеры. Известно несколько случаев, когда люди, клинически лишь слегка отклонявшиеся от нормы, оказались совершенно лишенными сывороточного альбумина. Эти люди, способные вести нормальный образ жизни, служат живым доказательством того, что в тех экологических условиях, в которых живет человек, без данного белка можно обойтись. Наряду, с этим никому не придет в голову сомневаться в том, что большинство видов неспособно существовать без цитохрома с или ферментов, необходимых для окислительного фосфорилирования.
Приняв предложенную выше классификацию белков, можно представить любой вид как иерархию белковых структур, различающихся по своей «уязвимости»: от совершенно «неприкосновенных» до весьма легко переносящих изменения. Дальнейшая эволюция этого вида, происходящая обычным путем (мутации в сочетании с естественным отбором), может при этом отразиться в изменении его белков: одни белки останутся относительно неизменными, тогда как другие могут измениться весьма значительно. Так, молекула цитохрома с, который можно считать относительно простым белком, необходимым для большинства живых форм, упорно сохраняла почти полную неизменность на протяжении эволюции многих организмов, тогда как структура сывороточных альбуминов, вероятно, изменялась вместе с изменением направления естественного отбора. Время от времени, по-видимому, возникал белок с совершенно новой структурой (например, внезапное появление инсулина и других гормонов в тот момент эволюции, когда возникли первичнохордовые и позвоночные). Молекулярная основа такого «взрывоподобного» появления новой белковой структуры, конечно, совершенно неизвестна. Только доскональное изучение процессов биосинтеза белка и передачи генетической информации позволит нам решить, создавался ли новый ген целиком de novo или же возникал в результате случайной перетасовки уже имеющихся генетических единиц.
Можно весьма уверенно предсказать, что изменения белков, которые предстоит выявить биохимикам в будущем, не всегда окажутся плавными и последовательными. Факторы естественного отбора будут сильно отличаться для разных видов, разных условий среды и разных периодов времени; соответственно возможность сохранения генной мутации в данной популяции и вероятность ее фенотипического проявления также будут совершенно различными.
Многие важные стороны эволюции не рассмотрены в этой книге. В большинстве случаев это сделано преднамеренно, ввиду отсутствия достаточного фактического материала для обсуждения, поскольку книга и без того содержит немало спекулятивных положений. Мы, могли бы, например, коснуться проблемы пространственной организации генов в связи с их функцией. Недавние исследования Гартмана, Демереца и других по нанесению на карту генов, направляющих биосинтез гистидина у Salmonella, показали, что различные цистроны, связанные с сериями промежуточных ферментов, расположены в одном и том же участке генетической цепи и при этом в том же порядке, что и последовательность катализируемых ими реакций. Очень хотелось бы объяснить это тем, что связанные друг с другом биохимические реакции добавлялись в процессе эволюции последовательно одна за другой вдоль хромосомы, однако ясно, что этот механизм не является всеобщим. Например, у нейроспоры генетические локусы для тесно связанных ступеней ферментативных реакций разбросаны в беспорядке по всему хромосомному аппарату.
Быть может, следовало бы также уделить какое-то место проблеме цитоплазматической наследственности, которая, как мы знаем, играет важную роль во многих биологических системах. Однако и по этой проблеме количество опубликованных данных весьма незначительно. Изучение наследования признаков, не дающих менделевского расщепления, по-видимому, затруднительно и сложно, и генетическое или биохимическое исследование таких признаков привлекало непропорционально мало внимания. Как недавно указал Нэнни в своем обзоре, посвященном цитоплазматической наследственности: «Вполне естественно, что исследователи обычно прекращают работу с такими «канительными» признаками, не публикуя свои результаты, и переключаются на более легкие объекты».
Перечень проблем, не затронутых в этой книге, можно продолжить: химия РНК и ее генетические свойства, перераспределение генов в пределах хромосомы и фенотипические последствия таких перераспределений, полиплоидия, взаимодействие неаллеломорфных генов; многие из этих вопросов уже сейчас можно рассматривать с точки зрения биохимии.
Можно предсказать, что в дальнейшем взаимоотношения между генотипом и фенотипом станут основным предметом изучения все большего и большего числа теоретиков и медиков. Эта книга возникла в результате моих попыток уяснить самому себе потенциальные возможности химической генетики и эволюционного подхода. Я смогу считать, что мои усилия не были затрачены впустую, если она поможет возбудить интерес к эволюции как центральной проблеме всей биологии.