Кислород как фактор эволюции жизни на земле

© В.П. Скулачев

СТРАТЕГИИ ЭВОЛЮЦИИ И
КИСЛОРОД

В.П. Скулачев

Владимир Петрович Скулачев, академик РАН,
директор Научно-исследовательского института физико-химической биологии
МГУ. Научные интересы связаны с энергетикой живой клетки.

ИСПОКОН веков людей волновал вопрос, как возникли живой мир и они сами.
Кажущаяся непостижимость происхождения организмов во всей их сложности и
совершенстве неизменно толкала человечество к религии. Действительно, как
можно, не прибегая к Создателю, объяснить появление живых существ во всем их
необычайном разнообразии? Случайные блуждания в «трехмерном пространстве»
почти бесконечного количества возможных вариантов конечно же не в состоянии
объяснить, почему мы оказались в данный момент в данной точке эволюционного
пути.

Дарвин, введя понятие естественного отбора, ограничил рамки этих блужданий,
как бы переведя поиск из трехмерного пространства в плоскость. Но и после
Дарвина остались большие проблемы. Естественный отбор хорош для
количественного совершенствования частных признаков живых существ. Легко
представить себе, как отбор случайных мутаций позволил оптимизировать длину и
форму передней конечности двуногого ящера, которая использовалась для
хватания. Но как из этой конечности получилось крыло археоптерикса? Ведь здесь
потребовалось возникновение и закрепление в потомстве десятков (если не сотен)
новых признаков, и каждый из них не только не давал особи каких-либо
преимуществ в борьбе за существование, но фактически не мог не ухудшать
выполнения прежней функции конечности, уже оптимизированной для хватания
естественным отбором.

Блуждание по плоскости вряд ли может решить вопрос. Необходимо прочертить
на ней бороздку, попав в которую, шарик с неизбежностью прикатится в нужную
точку. Требуется сократить еще одно измерение и от двухмерного пространства
перейти к одномерному.

В этой статье предпринята попытка объяснить, каким образом можно было бы
преодолеть ограничение, налагаемое естественным отбором при возникновении
качественно новых сложных функций живых систем.

ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР МОГ БЫ СТАТЬ ТОРМОЗОМ
ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОГРЕССА

Прогрессивная эволюция посредством естественного отбора в современном
понимании должна включать в простейшем случае следующую цепь событий:

• случайное появление мутации или какого-либо другого изменения в том или
  ином гене;
• изменение той биологической функции, которая зависит от данного гена;
• закрепление изменения, если оно дает преимущества в борьбе за
  существование, как результат победы мутанта в конкуренции с особями, не
  имеющими полезной мутации (выживание наиболее приспособленных).

Подобная схема вполне пригодна для тех случаев, когда речь идет о
мутации, которая приносит немедленную выгоду. Однако она не работает, если
полезные свойства возникают только за счет последующих мутаций в данном или
других генах. И уже совсем плохо, если мутация в первых поколениях вредит
мутантам, а польза может произойти лишь в отдаленном будущем — когда появится
большое число новых мутаций. В последнем случае естественный отбор должен
препятствовать, а не способствовать, прогрессу.

Во введении уже упоминалось, что превращение передней лапы ящера в крыло
требует множества отдельных мутаций, которые никак не могут произойти
одновременно. Если бы передняя конечность постепенно видоизменялась в крыло,
это неизбежно привело бы к кардинальному ухудшению «хватательной» функции,
причем еще до того, как завершилось формирование функции «летательной». Сквозь
сито естественного отбора не прошли бы промежуточные формы, передние
конечности которых уже не могли использоваться в прежних целях, но еще совсем
не были приспособлены к полету. Каким же образом вывести промежуточные формы
эволюции из-под давления естественного отбора?

Можно, конечно, предположить, что динозавр имел возможность пожертвовать
старой (хватательной) функцией, которая в силу изменившихся условий стала
менее важной, чем быстрота бега. Такой пример как будто бы являют собой
тираннозавры с их совсем маленькими передними конечностями. Размахивая
зачатками крыльев, предшественник археоптерикса мог бы прибавить в скорости,
еще не научившись летать. Однако, чтобы оставаться в рамках концепции
естественного отбора, нам пришлось бы признать, что каждый следующий шаг в
формировании крыла непременно улучшал беговые качества динозавра. Такую
стратегию по принципу «Ни шагу назад!» вряд ли можно назвать гибкой и
универсальной, коль речь зашла о столь сложной задаче, как покорение
воздушного океана. Появление любого нового качества было бы крайне затруднено,
если бы каждое из предшествующих ему количественных изменений непременно
давало организму какие-то сиюминутные выгоды. Легко представить себе, как
ускорился бы эволюционный процесс при условии, что существуют специальные
механизмы эволюции, которые защищают промежуточные формы от давления
естественного отбора.

r- И К-СТРАТЕГИИ

В 1967 г. Р.Макартур и Е.Уилсон, анализируя динамику численности популяций,
предложили r- и К-коэффициенты [1]. Мы не будем
рассматривать их математический смысл, а используем эти коэффициенты для
обозначения двух стратегий эволюционного развития живых существ. r-Стратегия
предполагает бурное размножение и короткую продолжительность жизни особей, а
К-стратегия — низкий темп размножения и долгую жизнь. В соответствии с
r-стратегией популяция развивается на переломных этапах своей истории, при
изменении внешней среды, что способствует появлению новых признаков и захвату
новых ареалов. К-стратегия характерна для благоденствия популяции в уже
захваченном ареале и при сравнительно стабильных условиях. Очевидно, что у
популяции вероятность новаций будет тем выше, чем она быстрее размножается и
чем чаще происходит смена поколений, т.е. короче продолжительность жизни
особей. Чтобы решить проблему переходных форм, r-стратегии недостаточно,
желательно дополнить ее еще одним свойством, а именно повышенной
жизнеспособностью, или лучшими качествами в борьбе за существование, на
коротком (в сравнении с К-стратегией) временном промежутке, отведенном
природой для жизни особи. Это в общем-то логично: за повышение
жизнеспособности, как и за плодовитость, приходится платить, а плата эта —
сокращение продолжительности жизни.

Если жизнеспособность особей при r-стратегии повышена, это могло бы
компенсировать отмеченные недостатки промежуточных форм, связанные с
формированием новой функции. В результате они выстояли бы в борьбе за
существование.

Приняв, что способность к переключению r- и К-стратегий есть один из
механизмов биологической эволюции, мы приходим к вопросу: а как именно оно
устроено?

Чтобы остаться в пределах представлений об эволюции как закреплении
случайно возникших новых признаков путем естественного отбора, нужно принять
также, что и переключение стратегий происходит без всякой закономерности, а
выживают те, кто выбрал стратегию, более соответствующую данным условиям
среды. В простейшем случае должен существовать какой-то один ген или
координированная группа генов, режим работы которых и определяет выбор
стратегии.

ОТКРЫТИЕ ЭНТОНИ МУРА: K —> r ПЕРЕХОД?

Летом 1998 г. англичанин Энтони Мур сделал сенсационное сообщение на 10-й
Европейской биоэнергетической конференции в Гетеборге [2].
Первоначально имя Мура отсутствовало в списке докладчиков, но ему была
предоставлена возможность выступить с внеочередным докладом ввиду очевидной
неординарности результатов проделанной работы.

Автор получил трансгенное растение табака с повышенной активностью
(экспрессией) гена, который кодирует митохондриальную разновидность так
называемого белка теплового шока с молекулярной массой 70 кД
(mitochondrial Heat shock protein 70,
mHsp70). В результате суперэкспрессии количество mHsp70 увеличилось в
30 раз.

Вмешательство в геном имело поразительные последствия. Трансгенный табак
оказался вдвое выше нормального (растения культивировали в оптимальных для
роста условиях), втрое увеличилась его биомасса и скорость дыхания
митохондрий. Несколько возросла интенсивность фотосинтеза, хотя этот эффект
был куда более скромным, чем упомянутые изменения. Голландская
исследовательница Аннеке Вагнер, посетившая оранжерею Мура в Брайтоне, сказала
мне, что на первый взгляд трансгенный табак Мура внешне производит впечатление
растения какого-то другого вида.

Что же такое mHsp70 и каковы его функции?

Белки теплового шока, к которым относится и mHsp70, известны прежде всего
как «ремонтники». Они «исправляют» другие белки, если те приняли неправильную
форму или, как говорят биохимики, денатурированную конформацию. Любой белок —
длинный полимер, состоящий из сотен, а иногда и тысяч мономеров (аминокислот),
соединенных между собой пептидными связями в единую полипептидную цепь. В
рабочем состоянии она свернута вполне определенным образом. При биосинтезе в
рибосомах полипептидная цепь образуется в развернутом виде. Ее последующее
сворачивание — непременная стадия образования зрелого, активного белка.
Помогают цепи правильно свернуться именно белки теплового шока, которые
называют также шаперонами.

Однако приобретенная правильная форма может утратиться под воздействием тех
или иных неблагоприятных условий. Типичный пример — денатурация белков при
нагревании. Их ренатурацию, восстановление, ведут все те же белки теплового
шока, количество которых возрастает в ответ на нагревание.

У растений разновидности таких белков имеются в цитозоле, хлоропластах (где
осуществляется фотосинтез) и митохондриях (органеллах, ответственных за
внутриклеточное дыхание). mHsp70 «прописан» в митохондриях. Помимо участия в
созревании 15 типов белков, синтезируемых в этих органеллах, и их ренатурации
mHsp70 играет важнейшую роль в импорте митохондриями белков, синтез которых
происходит в цитозоле (их подавляющее большинство — около 500). Роль эта
двоякая. Белки импортируются в развернутом виде: как только передняя часть
полипептидной цепи показывается внутри митохондрии, она связывается с mHsp70,
что по некой еще не совсем ясной причине ускоряет затягивание оставшегося
полипептида. Кроме того, mHsp70 участвует в правильном сворачивании
развернутой полипептидной цепи.

Помимо перечисленных функций (правильное сворачивание вновь синтезируемых и
импортируемых белков, ускорение белкового импорта и восстановление правильной
конформации белков митохондрий) за mHsp70 замечено еще одно свойство, роль
которого остается загадочной и поныне: он связывает каталитическую субъединицу
митохондриальной эндонуклеазы с массой 50 кД — фермента, расщепляющего ДНК
митохондрий в строго определенных участках.

Пока трудно сказать, какое из свойств mHsp70 служит причиной удивительных
изменений в фенотипе трансгенного табака. Однако простейшим представляется
следующий вариант:

— резкое увеличение количества mHsp70 ускоряет импорт цитозольных белков и
созревание митохондриальных, в том числе ферментов дыхания и дыхательного
фосфорилирования, ответственных за синтез аденозинтрифосфата (АТФ) —
универсальной энергетической валюты клетки [3]. (По данным
Мура, скорость импорта белков митохондриями оказалась у трансгенного табака в
3.5 раза выше, чем в норме.);

• ускорение дыхания дает дополнительные количества АТФ, т.е. улучшает
  энергообеспечение клеток табака;
• улучшенное энергообеспечение стимулирует рост растения.

Согласившись с такой логикой событий, мы приходим к вопросу: почему
в норме уровень mHsp70 столь низок, что лимитирует работу митохондрий? Не
потому ли, что максимальная активность систем митохондриального дыхания имеет
опасный побочный эффект? Известно, что около 98% кислорода, потребляемого
митохондриями при дыхании, превращается в воду, в то время как оставшиеся 2%
дают супероксид (O

₂^-·

)за счет паразитных химических
реакций, происходящих в начале и середине дыхательной цепи. Из супероксида
затем образуются перекись водорода (H

₂

O

₂

) и
гидроксил-радикал (ОН

^·

) — сильнейший окислитель, который разрушает
любые вещества живой клетки [

4

]. Увеличение
потока электронов по дыхательной цепи от субстратов дыхания к кислороду
неизбежно влечет за собой повышение продукции супероксида, а стало быть, и
ОН.. По одной из наиболее популярных в настоящее время гипотез старения
организма именно с образованием активных форм кислорода (АФК), таких как
ОН

^·

, связан этот процесс [

5

]. Выходит,
возрастание уровня mHsp70, вызывая улучшение энергообеспечения и, как
следствие, стимуляцию роста, в то же время может сокращать продолжительность
жизни особи из-за повышения продукции ядовитых производных О

₂

Можно представить себе и более сложные сценарии развития событий в
организме — суперпродуценте mHsp70. Но их следствие — тот же противоречивый
эффект: ускорение роста и увеличение жизнеспособности при одновременном
сокращении продолжительности жизни. Ключевую роль здесь могло бы сыграть,
например, взаимодействие mHsp70 и митохондриальной эндонуклеазы.

В любом случае суперпродукция mHsp70 выглядит как молекулярный механизм
переключения живой системы с К-стратегии на r-стратегию. В пределах
определенного времени это безусловно должно давать организму некие
преимущества, расплатой за которые становится сокращение продолжительности
жизни.

Ситуация напоминает известную историю начала второй мировой войны. Наш
знаменитый конструктор самолетов А.С.Яковлев предложил резко упростить
конструкцию моторов истребителей, что ускорило их производство, но ограничило
эксплуатацию всего несколькими десятками часов. Это позволило произвести в
короткие сроки большое количество истребителей и быстро добиться решающего
преимущества над люфтваффе. В то же самое время англичане продолжали
изготовлять моторы своих истребителей на фирме «Роллс-Ройс», дававшей гарантию
на 1200 часов полета, и получили трагедию Ковентри.

Решение Яковлева определялось простым соображением: в условиях той войны
истребитель жил в воздухе в среднем около 10 часов…

Ясно, что идея Яковлева — типичный пример r-стратегии. Очевидно, что она
спасительна в критический период войны, но становится непригодной с
наступлением мира.

Возвратимся, однако, к опытам Мура. Хотелось бы думать, что автору
посчастливилось нажать на «кнопку стратегического назначения» и вызвать К
—> r-переход. Существенно, что эффект Мура оказался присущим именно
mHsp70. Суперпродукция других, немитохондриальных, белков теплового шока,
например одного из белков среднего участка дыхательной цепи, тоже влияла на
рост растения, но не приводила к столь драматическим последствиям, как в
случае mHsp70. Как недавно сообщил мне в письме Мур, эффект, подобный
описанному на табаке, уже воспроизведен им на трансгенных мышах —
суперпродуцентах mHsp70.

Последнее обстоятельство повышает вероятность того, что автор столкнулся с
закономерностью общебиологического значения. Ясно также, что вызванные эффекты
обусловлены внутриклеточными (точнее даже внутримитохондриальными) явлениями,
а не надтканевой (гормональной) регуляцией, такой как гигантизм под действием
гормонов роста. Эти гормоны совершенно различны у растений и животных и не
имеют никакого отношения к митохондриям и дыхательным ферментам.

ЧЕРВЯЧОК-ДОЛГОЖИТЕЛЬ: r —> K ПЕРЕХОД?

Теперь речь пойдет о сравнительно простом объекте — черве нематоде
Caenorhabditis elegans. Его организм состоит всего из 945 клеток,
возникновение и судьба каждой из них уже прослежена эмбриологами. Оказалось,
что в геноме червя есть несколько генов, мутации по которым увеличивают
продолжительность его жизни. По данным канадского биолога С.Хекими,
одновременное выключение двух из этих генов продлевает более чем в пять раз
жизнь организма [6]. При этом
увеличивается продолжительность стадий как личинки, так и взрослого червя;
уменьшаются плодовитость, подвижность, потребление животным пищи и возрастает
устойчивость к повреждающему действию повышенной температуры среды, перекиси
водорода и условий, стимулирующих образование супероксида (таких, как
обработка ультрафиолетовым светом, метилвиологеном или кислородом в высокой
концентрации). В 1997 г. тот же автор обнаружил у человека ген, весьма близкий
к одному из двух упомянутых генов нематоды. Подобный ген был также найден у
дрожжей. Сейчас кое-что уже известно о функции кодируемого им белка: он играет
важную роль в переключении с бескислородного (анаэробного) метаболизма
дрожжевых клеток на кислородный (аэробный). В частности, этот белок необходим
для включения работы гена, кодирующего один из ферментов углеводного синтеза.
И, что особенно важно в нашем случае, — для синтеза кофермента Q (КoQ),
семихинонная форма которого служит прекрасным восстановителем кислорода в
супероксид. Опытами других исследователей показано, что мутация в гене
фермента, синтезирующего КoQ, резко понижает токсичность высоких концентраций
кислорода для дрожжевых клеток [7]

Ранее гены, которые сокращают продолжительность жизни (хотя и не так
сильно, как у червя) и одновременно увеличивают чувствительность организма и
клеток к действию окислителей, температуры и голодания, были описаны у
дрозофилы и дрожжей. Ш.Мураками и Т.Э.Джонсон предложили назвать такие гены
геронтогенами [8].

Но вернемся к опытам на нематоде. Двойной мутант Хекими, как можно
заметить, демонстрирует черты, противоположные тем, что были обнаружены Муром
на его трансгенном табаке: нематода медленнее растет, ее метаболизм заторможен
(прежде всего, видимо, митохондриальное дыхание, если учесть вероятное
прекращение биосинтеза КоQ, ключевого компонента дыхательной цепи). Иными
словами, нематоду удалось искусственно сдвинуть в сторону К-стратегии
(Хекими), в то время как табак, а вслед за ним и мышь — в сторону r-стратегии
(Мур).

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СТРАТЕГИЙ

Остается неясно, каким образом переключение стратегий может происходить в
естественных условиях. Заманчиво предположить, что центральную роль играют
здесь все те же активные формы кислорода.

Клетки организма постоянно поддерживают такой баланс процессов образования
и дезактивации АФК, при котором их концентрация находится на очень низком
уровне. Если ухудшаются условия существования организма, его деятельность
активизируется, чтобы противостоять ставшей более агрессивной среде.
Повышаются энергозатраты, и, стало быть, стимулируется дыхание — главный
процесс, поставляющий энергию. Но ведь за счет активации дыхания увеличивается
продукция АФК, а их повышенный уровень ускоряет старение и сокращает
продолжительность жизни. Так возникают активные, мощные формы живых существ,
этакие «сверхособи», обреченные, однако, на раннюю смерть от рака, вирусных
инфекций или, наконец, от старости.

Менее ясна связь между АФК и плодовитостью. Однако уже установлено, что по
крайней мере у некоторых типов клеток активные формы кислорода резко
увеличивают темп клеточных делений.

Не вызывает сомнений, что АФК — главные мутагены аэробных клеток.
Повышенный мутагенез не только уменьшает продолжительность жизни, но и
увеличивает генетическое разнообразие потомства. Некоторые из изменений,
возникших в результате атаки молекул ДНК активными формами кислорода, могут
оказаться полезными и закрепиться в результате естественного отбора. Тем самым
организм приспособится к изменившимся условиям внешней среды, исчезнет его
повышенная активность, снизится скорость дыхания, а с нею — и уровень АФК.
Последнее приведет к уменьшению темпа размножения и увеличению
продолжительности жизни, т.е. произойдет смена r-стратегии на К-стратегию.

Изложенная здесь сравнительно простая («линейная») схема, если она
действительно работает, наверняка содержит системы обратных связей,
усиливающих сигналы, которые вызывают переключение стратегий. На клеточном
уровне это может быть, например, ускоренное укорочение концевых (теломерных)
участков ДНК под действием активных форм кислорода, концентрация которых
растет при К —> r-переходе [9]. Это должно
сократить число клеточных делений и ускорить старение клетки [10].

Другим примером такого рода усиления сигнала может быть индукция биосинтеза
белков теплового шока в ответ на повысившееся количество денатурированных
белков. Скорость их денатурации должна возрастать в неблагоприятных условиях
как из-за увеличения уровня АФК, так и по другим причинам, а ответный рост
концентрации шаперонов приведет к эффекту, описанному Муром.

Интересно, что уменьшение уровня АФК при снижении активности организма,
т.е. r —> K-переходе, имеет свои ограничения. В наших опытах показано,
что, если электрический мембранный потенциал — «предшественник» АТФ в системе
производства полезной энергии митохондриями — достигнет некоего критического
уровня, скорость генерации активных форм кислорода дыхательной цепью резко
возрастает [11]. Этот
пороговый уровень может быть превзойден в состоянии полного покоя, когда
расход АТФ минимален и скорость дыхания лимитируется доступностью
аденозиндифосфата (АДФ) — продукта распада АТФ при работе. Иначе говоря,
безделие вредно для здоровья, поскольку чревато накоплением ядовитых
производных кислорода.

ЧЕЛОВЕК И МЕХАНИЗМЫ ЭВОЛЮЦИИ

Мы рассмотрели пример возможного механизма, который способен ускорить
биологическую эволюцию. Он заключается в смене популяцией стратегии жизни: в
ответ на ухудшение условий появляются более мощные, активнее дышащие и
размножающиеся особи с укороченным сроком жизни (r-стратегия). Выживание в
процессе отбора более приспособленных организмов снижает их активность,
скорость дыхания и темп размножения, но увеличивает продолжительность жизни
(К-стратегия). На биохимическом уровне роль главного переключателя могут
играть, как упоминалось, активные формы кислорода.

В рамках изложенной концепции любой из ныне живущих видов использует одну
из двух названных стратегий либо находится на стадии перехода от одной
стратегии к другой.

Человек не может быть исключением из этого правила, если оно универсально
для всех организмов. В то же время человек, развиваясь первоначально как
биологический вид, достиг такой стадии, когда перестал полагаться на механизмы
биологической эволюции. Когда нам надо взлететь, мы строим самолет, а не ждем
миллионы лет, пока у нас за спиной отрастут крылья. Присущие нам
специализированные механизмы эволюции, коль они действительно существуют, — не
более чем атавизм, который может быть далеко не безобидным. Например, как уже
отмечалось, переход к r-стратегии чреват сокращением продолжительности жизни,
подверженностью в более раннем возрасте злокачественным заболеваниям и тому
подобным, мягко говоря, «неудобствам». Есть надежда, что выяснив механизмы,
переключающие r- и К-стратегии, и научившись ими управлять, мы могли бы
покончить с такого рода опасным атавизмом и продлить время здоровой жизни
людей.

В заключение следует подчеркнуть, что рассмотренное биологическое
устройство, способствующее эволюции, лишь частный пример, иллюстрирующий
современное состояние проблемы. Вполне вероятно, что живая природа изобрела и
другие способы ограничивать случайный поиск оптимального для данных условий
варианта дальнейшего развития. Применительно к человеку любой из таких
механизмов может выглядеть как врожденный и подлежащий исправлению дефект,
поскольку то, что хорошо для эволюции вида, не всегда оптимально для
индивидуума.

Я благодарен Д.А.Кнорре, обратившему мое внимание на работу Макартура и
Уилсона, а также С.П.Маслову, Э.Муру, А.С.Северцову, Ф.Ф.Северину,
М.В.Скулачеву, А.Н.Хохлову и М.Ю.Шерману за ценные советы при обсуждении
работы и конструктивную критику.

Литература

1. MacArtur R.H., Wilson E.O. The theory of island
biogeography. Princeton, 1967.
2. Moore A. Report at 10
EBEC. Goeteborg, 1998.
3. Скулачев В.П. Энергетика
биологических мембран. М., 1989.
4. Об этом подробнее см.:
Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Природа. 1997. № 11.
С.26—35.
5. Ozawa Т. // Biosci. Rep. 1997. V. 17. P.237—250;
Скулачев В.П. Молекуляр. биология. 1995. Т.29. C.1199—1209; Он же // Биохимия.
1997. Т.62. С. 1394— 1399
6. Lakowski В., Hekimi S. //
Science. 1996. V.272. P.1010—1013.
7. Ewbank J.J., Barnes
T.M., Lakowski B., Lussier M., Bussey H., Hekimi S. // Science.1997. V.275.
P.980—983.
8. Murakami S., Johnson Т.Е. // Genetics. 1996.
V.143. P.1207—1218.
9. Zglinicki Т. von, Sarezki G., Docke
W., Lotze C. // Exp.Cell Res. 1995. V.220. P.186-193.
10.
Оловников A.M. // Докл. АН СССР. 1971. T.201. C.1496-1498; .Bodnar A.G.,
Ouellette M„ Frolkis M. et al. // Science. 1998. V.279. P.349—352.
11. Korshunov S.S., Skulachev V.P., Starkov A.A. // FEBS Lett.
1997. V.416. P. 15-18; Skulachev V. P. // Biochim. Biophys. Acta. 1998. V.
1363. P. 100—124.