Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата

2. Различают два типа процессов образования новых белков.

а) градуальный, или приспособительный, когда "новый" белок мало отличается от уже существующих. В этом случае "новый" белок может возникнуть за счет небольшого числа точечных мутаций.

б) появление нового белка с принципиально новыми функциями и/или системы таких белков. Такие события в эволюции называются "ароморфозами" (в буквальном переводе с греческого - изменение формы); используется также название "большие скачки". В этом случае новая система не может возникнуть за счет точечных мутаций.

Примером может служить образование фотосинтетического аппарата, т.е. системы белков, способной утилизировать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических соединений (сахаров). Такие процессы играют роль только на дивергентных стадиях.

3. Основная проблема биологической эволюции связана с ее скоростью. Бытует утверждение о том, что в течение времени существования Земли (или даже Вселенной) наблюдаемое биологическое разнообразие не могло возникнуть. Оно относится главным образом к "большим скачкам". Существует и противоположное мнение, так что вопрос остается дискуссионным.

Для корректной постановки этого вопроса необходимо сравнить две величины: число "попыток" N и вероятность создать новый белок за одну попытку. Число попыток уже обсуждалось выше, оно порядка десяти в двадцать девятой степени. Вероятность создать белок с новой функцией за счет точечных мутаций существенно зависит от того, сколь сильно отличается новый белок от своего предшественника и сколько аминокислотных остатков нужно заменить в белке, чтобы он мог выполнять новую функцию. При градуальной эволюции число таких остатков не велико. Вероятность создания белка (или системы белков) с принципиально новой функцией за счет точечных мутаций того же порядка, что и вероятность создания функционального белка заново. Оценки ее приводились выше и было показано, что она абсурдно мала. В этом, собственно, и заключается проблема темпов биологической эволюции.

Информационный аспект биологического разнообразия. В биологической эволюции базовый этап - выбор единого кода, т.е. алфавита. Код отработан на основе одного белка - репликазы. В данном случае алфавит возник на основе одного слова. Аналогом иероглифической записи информации можно считать предшествующую стадию - образование репликазы как слепка с ДНК.

Следующий этап - образование белка, способного усваивать новые субстраты, - генерация новой информации на основе единого кода, который является тезаурусом на следующем этапе. Геном организмов, способных синтезировать несколько белков с разнообразными функциями, можно уподобить фразе, имеющей определенный смысл. Действительно, если весь словарный запас сводится к одному слову, то о смысле его говорить трудно. Точнее, оно имеет столь общий смысл, что его трудно выразить иначе как "Бог" ("...и слово было Бог").

При появлении генома, кодирующего несколько разных белков, понятие "смысл" становится содержательным. Его можно выразить фразой "поглощать такой-то субстрат, чтобы жить". При дальнейшем усложнении организмов и увеличении кодируемых белков информация становится не только кодовой, но и смысловой. Цель организмов та же - сохранить свою (теперь уже смысловую) информацию.

Следующий уровень - создание принципиально новой информации.

Ароморфоз. Наиболее яркие примеры "больших скачков" - появление фотосинтезирующих организмов в воде и возникновение дышащих организмов на суше. Это свойства обеспечивали очень большие эволюционные преимущества и позволили заселить практически пустые экологические ниши. Однако каждая из новых функций требовала появления сразу нескольких новых белков, т.е. новой белковой системы. При этом каждый из белков системы в отдельности не давал никаких эволюционных преимуществ. Поэтому градуальная (постепенная) реализация "большого скачка" невозможна. С другой стороны, возникновение всей системы в целом "сразу" (за один акт) за счет точечных мутаций тоже крайне маловероятна.

Физическими причинами каждого из упомянутых этапов дивергентной эволюции являются, во-первых, истощение ресурсов питания (продовольственная проблема) и, во-вторых, загрязнение окружающей среды "отходами" биогенной деятельности.

Так, в начальный период (до появления фотосинтезирующих) основными субстратами питания были органические вещества абиогенного происхождения и остатки отмерших организмов. Атмосфера Земли в то время была восстановительной и основным энергетическим процессом являлся гликолиз. Настал момент, когда наши далекие предки все эти продукты съели - наступил продовольственный и энергетический кризис, и темп репродукции сильно уменьшился.

Усвоение энергии света и использование ее для синтеза АТФ позволило решить энергетическую проблему. Возникновение белковой системы фотолиза воды и использование углекислоты для синтеза сахаров (цикл Кальвина) позволили решить продовольственную проблему.

Однако тут же возникла проблема загрязнения окружающей среды. Дело в том, что атмосфера наполнялась кислородом, который, с точки зрения наших анаэробных предков, являлся сильным ядом.

Следующим "большим скачком" было образование дыхательной цепи - белковой системы, способной усваивать кислород, окислять сахара вплоть до углекислоты (цикл Кребса) и синтезировать АТФ за счет энергии окисления (окислительное фосфорилирование). Это позволило превратить ядовитые отходы в полезный субстрат. Одновременно появилась новая экологическая ниша - суша.

Дальнейшие ароморфозы были связаны с образованием многоклеточных и высших организмов.

Из изложенного следует, что биологической эволюцией двигали три главных фактора: стремление сохранить свою информацию, а также голод и загрязнение окружающей среды биологическими отходами.

Механизм образования ароморфозов. Рассмотрим проблему на примере образования белков, способных усваивать и утилизировать свет. Как правило, это мембранные белки. Они отличаются от растворимых в воде белков (протеаз, эстераз и т.д.). Глобулы растворимых белков устроены так, что на поверхности расположены гидрофильные остатки аминокислот. Глобулы мембранных белков с боковых сторон покрыты гидрофобными, а с торцовых сторон - гидрофильными остатками. Поэтому для образования таких белков необходимы новый активный центр и новая глобула. Соответственно, ценную информацию, необходимую и достаточную для функционирования нового белка, можно разделить на две части: одна относится к активному центру, другая - к конструкции глобул.

Вероятность спонтанного возникновения системы из нескольких (хотя бы трех) таких белков, необходимых для функции фотосинтетического фосфорилирования, уже оказывается абсурдно мала.

Именно это обстоятельство лежит в основе проблемы араморфозов, и именно на этом основании делается вывод о невозможности объяснить наблюдаемый (т.е. быстрый) темп эволюции.

Разрешение проблемы в информационном аспекте выглядит достаточно просто. Действительно, в приведенных выше оценках делается неявное предположение о том, что при возникновении новых структур не используется информация, возникшая раньше и содержащаяся в прежних структурах, выполняющих другие функции. Это предположение действительно оправдано, если имеется только механизм точечных мутаций и другие отсутствуют.

Проблема решается, если допустить, что помимо точечных мутаций существует другой механизм - блочные мутации. При этом новый белок собирается из уже имеющихся блоков (деталей) старых белков. Информация, содержащаяся в блоках, не пропадает, а сохраняется и используется уже в новой белковой конструкции, выполняющей новые функции.

Вероятность появления целой белковой системы не мала (в наших масштабах).

В целом создание новых белков из уже имеющихся блоков сходно с детской игрой "конструктор", в которой из одних и тех же деталей можно собрать мост, дом, экипаж и т.д. Поэтому обсуждаемую гипотезу можно условно назвать "конструктор".

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: реферат менеджмент, инновационный менеджмент.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата