Физико-химические факторы биологической эволюции (1979)

_{Однако здесь уместно задать традиционный вопрос: Есть ли в жизни место физике? Иными словами нас интересует, суще­ствуют ли кардинальные биологические процессы, в которых фундаментальную роль играют именно биофизические механиз­мы. Существование химических индукторов не решает вопроса в пользу химии. Не вызывает сомнения, что регуляция считыва­ния химического нуклеотидного текста наиболее успешно дости­гается посредством химических веществ. Но, учитывая сказанное}

_{о возможном отсутствии прямых клеточных контактов и о воз­можности перестройки морфологии структур, можно допустить осуществление пространственных структур из клеток и посред­ством физических механизмов. В самом деле, наиболее естест­венно предположить, что пространство организуется под дейст­вием различных физических полей, т. е. совокупности градиентов каких-либо потенциалов — электрических, магнитных, механиче­ских, электромагнитных, акустических, гравитационных, а также (и тут нельзя избежать химии!) градиента концентрации каких- либо веществ. Замечательной особенностью процессов биологи­ческого морфогенеза является то, что эти поля (если они суще­ствуют, вернее, если они определяют процессы морфогенеза) вовсе не должны существовать сразу в завершенном виде в са­мом начале морфогенеза.}

_{Морфогенные (биологические) поля в каждый данный момент должны характеризоваться относительно несложным распреде­лением градиентов в пространстве. Никакого «образа» морфоло­гии возникающего органа в морфогенном поле не должно быть. Последовательное во времени, соответствующее генетической программе изменение морфогенного поля может определить тре­буемое последовательное построение необходимой структуры из клеток. Таким образом, широко обсуждавшееся в свое время по­нятие биологического поля [18, 19, 76] соответствует интегралу по времени от действительного физического морфогенного поля , (если оно существует — мы еще не решили этот вопрос).}

_{Итак, мы вероятно, должны заниматься не столько природой 'биологических полей, сколько исследовать возможную «сущ­ность» виртуальных биологических полей, т. е. полей, существо}­_{вание которых дало бы эквивалентный эффект. Ввиду важности, этого вопроса задержимся на нем подробнее.}

_{Представим себе, что последовательный во времени морфо­генез осуществляется посредством соответствующего последова­тельного изменения поверхностных свойств клеток. Например,, допустим, что биполярные клетки, образующие нити и тяжи, ста­новятся триполярными и вступают в контакты друг с другом в. трех точках. Возникшая в результате последовательного изме­нения клеток архитектура будет соответствовать некоторому виртуальному морфогенному полю. При таком подходе к пробле­ме биологического морфогенного поля основная задача заключа}­_{ется в выяснении механизма, определяющего относительно про­стую геометрию клетки. В основном речь идет о числе возможных точек контакта клетки с другими клетками. Вполне правильное- расположение этих контактов на поверхности клетки, вероятно, не обязательно — микроошибки в геометрии клеток сгладятся в многоклеточном образовании, как сглаживаются, становятся не­существенными нерезкости изображения отдельных кадров при: просмотре кинофильма.}

_{Чрезвычайно существенно также установить природу контак­тов— выяснить роль электростатических взаимодействий, ком- плементарности поверхностей (как при образовании комплемен­тарное™ антиген-антитело), коллагенового клея, белково-поли- сахаридных контактных веществ [191]. Огромная важность этих проблем для теоретической и прикладной биологии очевидна. Геометрия, способность клеток образовывать контакты интерес}­_{ны не только в сеязи с морфогенезом при онтогенезе и регенера­ции, но и в особенности в связи с проблемой злокачественного роста.}

_{Последовательное закономерное образование клеток разной формы, с разным числом по разному расположенных контактов может, следовательно, обеспечить закономерно сложную морфо­логию многоклеточных систем. Механизм образования клеток разной формы в соответствии с генотипическими предначертания­ми вряд ли может основываться на простой самосборке из моле­кул с разным числом контактов.}

_{Мне кажется весьма интересной модель механизма морфоге}­_{неза клеток, предложенная Л. А. Мартыновым [198, 423]. Он от}­_{метил аналогию между морфогенезом клеток и созданием формы надувных игрушек. Форма надувной, например, резиновой игруш­ки зависит от растяжимости отдельных участков ее оболочки, определяющейся толщиной и химическим составом самой оболоч­ки. При надувании лучше растягивающиеся участки выпячивают­ся. «Надувание» клеток происходит в результате избыточного- внутреннего давления. Оно имеет осмотическую природу, созда­ется работой мембранных противоградиентных насосов и под}­_{держивается за счет свободной энергии гидролиза АТФ.}

_{Мне кажется еще более наглядным аналогом процесса созда}­_{ния формы клетки работа стеклодува — получение предмета определенной формы путем воздействия на растяжимую разо}­_{гретую стеклянную оболочку. Последовательно, целесообразно}¹ _{разогревая разные участки, стеклодув выдувает из стеклянного' пузыря причудливую елочную игрушку или лабораторный при}­_{бор. Последовательное соответствующее генетической программе образование разных компонент оболочки клеток, создающих то более, то менее растяжимые участки поверхности, затвердевание участков, растянутых ранее в результате биохимической дора­ботки, наконец, воздействие постоянного тургора, внутреннего^ давления, поддерживаемого метаболическими процессами — та}­_{ковы представления Мартынова о морфогенезе клетки. Марты}­_{нов отнюдь не ограничился созданием этой гипотезы, но выпол­нил также экспериментальное исследование по ее проверке. Он выбрал классический объект — уже упомянутую выше ацетабу- лярию (см. рис. 20, в). Сложная морфология зонта этой гигант}­_{ской клетки диаметром около 5 см запрограммирована в един­ственном ее ядре, находящемся у основания корня — ризонда. Если отрезать зонт, то в случае неповрежденного ядра он воз}­_{никает снова. Процесс регенерации зонта ацетабулярии и послу­жил Мартынову основанием для его модели. Он измерил пара­метры, определяющие механические свойства клеточной оболочки (модуль Юнга, внутриклеточное давление), а также исследовал оптическими методами расположение волокон целлюлозы в раз­ных местах оболочки клетки на разных фазах морфогенеза.}

_{Я не буду дальше излагать содержание и результаты опытов Мартынова — с ними можно познакомиться по его работам. Мне кажется, однако, что «стеклодувная модель» морфогенеза клет­ки хорошо соответствует современной молекулярной биологии — она заполняет разрыв между представлениями о самосборке надмолекулярных структур из разных макромолекул и пред­ставлением о пространственно упорядоченном расположении кле­ток в многоклеточной структуре. Так могут образоваться клетки с разным числом по разному расположенных контактов. Меха­низм морфогенеза, следующий из модели Мартынова, также не предполагает существования действительного сложного биоло­гического морфогенного поля — в каждый момент времени про}­_{исходит лишь несложный процесс, соответствующий составу кле}­_{точной оболочки.}

_{Итак, остается вопрос — существуют ли помимо виртуальных действительные физические морфогенные поля? Он в значитель­ной степени эквивалентен вопросу о существовании дальнодей­ствия при взаимодействии клеток. Естественным способом осу-}

_{ществления дальнодействия клеток в водной среде является их рлияние друг на друга посредством выделяемых в среду веществ.}

_{Клетки могут получать сигналы о присутствии себе подобных посредством «запаха» или «вкуса». Это очень экономный способ•сигнализации: изготовленное сигнальное вещество может дли­тельное время без дальнейших энергетических затрат со сторо­ны клетки-изготовителя выполнять свои сигнальные функции, тогда как сигнализация посредством электромагнитных или аку­стических полей требует непрерывных трат для генерации сиг­налов. Конечно же информация о локализации источника сигна­лов, получаемая при помощи химических веществ, не очень совершенна — пресловутая организация пространства посред­ством градиентов концентрации данного вещества затрудняется беспорядочной тепловой диффузией. Однако на не очень боль­ших расстояниях (порядка микрон), вероятно, и диффузия не слишком мешает нахождению клетками нужного направления движения и необходимых мест контакта. «Вкус и запах» естест­венные следствия классической биохимической эволюции. Вос­приятие присутствия и оценка концентрации определенных хи­мических веществ в среде в принципе легко осуществляются нормальными биохимическими механизмами — по изменению скоростей ферментативных реакций в результате конкурентного или аллостерического взаимодействия этих веществ с макромо­лекулами ферментов. В ходе эволюции возникли высоко совер­шенные механизмы химической сигнальной регуляции взаимо­действия клеток — системы гормональной регуляции, взаимодей­ствие посредством антибиотиков, сигнализация запахами у жи­вотных.}

_{Таким образом, и здесь кажется возможным обойтись чисто химическими, точнее биохимическими средствами. Однако можно поставить вопрос так. А нет ли каких-либо физических свойств, с неизбежностью проявляющихся при биохимических процессах, которые могли бы в ходе эволюции использоваться для дально­действия при взаимодействии клеток в процессе морфогенеза? На вопрос в такой постановке можно ответить определенно: та­кие свойства есть — это электрические и акустические сигналы, неизбежно генерируемые клетками при протекании в них биохи­мических процессов. Генерация электрических сигналов — след­ствие изменения ионных градиентов и изменений конформаций макромолекул, несущих заряженные группы. Акустические сиг­налы могут возникать вследствие конформационных изменений макромолекул и их ансамблей. В каждом ферментативном акте макромолекулы ферментов в большинстве случаев претерпевают циклические изменения конформации, сопровождающиеся изме­нением упаковки в системе макромолекула —• вода, изменениями объема этой системы. Каждая макромолекула фермента в про­цессе катализа служит макрогенератором акустических сигна­лов. Взаимодействие одинаковых макромолекул, синхронизация их работы, может привести к генерации звуковой волны с ча­стотой, определяемой числом оборотов фермента в каталитиче­ском процессе. Таким образом, разнообразие и интенсивность работы ферментов в данный момент определяет частотный спектри интенсивность акустического поля, генерируемого клеткой. Любые генотипически или фенотипически обусловленные изме­нения внутриклеточных биохимических процессов должны в та­ком случае отражаться в изменении свойств акустического поля клетки. Возможно, не является чистой фантазией (если выска­занные выше предположения верны) осуществление музыкаль}­_{ного анализа, когда, «выслушивая клетку», удастся получать самые достоверные и оперативные сведения о ее внутренней жизни.}

_{Из общих соображений представляется вероятным, что акус­тическое поле вполне пригодно для морфогенеза. Всякое строи­тельство связано с толчками, передвижениями и прочими меха­ническими воздействиями — что же может быть лучше толчков и механических давлений градиентов, создаваемых клетками, для строительства многоклеточных конструкций?}

_{Помимо чисто акустических сил, синхронизированные в мак­рообъеме конформационные колебания ферментов и обусловлен­ные ими пульсации мембран клеток, могут иметь существенное морфогенное значение в силу гидродинамических следствий та­ких колебаний. Пульсирующие клетки, разделенные слоем под}­_{вижной воды, будут притягиваться или отталкиваться в зависи}­_{мости от частоты (и степени синфазности) пульсаций. На воз­можную роль гидродинамических сил, возникающих при пульса­ции клеток, обращает внимание Уоддингтон в книге «Морфоге­нез и генетика» [2956]. Я просто процитирую часть его текста, посвященную этому вопросу ...«Быть может, наиболее простой случай возникновения таких сил — это так называемый эффект Гийо — Бьеркнеса. Этот эффект, известный уже более ста лет, заключается в том, что две пульсирующие сферы, погруженные в жидкость, притягиваются, если их пульсации совпадают по фазе или отталкиваются, если разность фаз равна 180°. Этот эффект обусловлен действием гидродинамических сил, возника­ющих вследствие того, что давление в установившемся течении' жидкости тем меньше, чем больше скорость течения (теорема Бернулли). Фаберже попытался объяснить действием этих сил спаривание гомологичных хромосом в профазе мейоза. Он осно­вывал свои рассуждения на простейшей модели двух сфериче­ских тел, пульсирующих в радиальном направлении по всей по­верхности... В действительности, однако, мы имеем дело с го­раздо более сложной системой. В ней имеется много пульсирую­щих тел разных размеров и с различными (по крайней мере вначале) периодами пульсации. По-видимому, эти колебания взаимодействуют не только вследствие резонанса, возникающего благодаря среде, в которую погружены эти тела; при этом име­ют значения изменения электрического поля вокруг частиц, обусловленные изменениями конфигурации молекул, вызываю­щими пульсацию. Кроме того, в больших макромолекулах — и: даже в большей степени в частицах — пульсация, по-видимому,.}

_{происходит несимметрично; вероятно, имеется несколько мест пульсации, расположенных в определенных участках на поверх­ности органелл» [2956, с. 162—163].}

_{Нам сейчас не очень важно, действует ли акустическое поле, возникающее при конформационных колебаниях макромолекул, в результате гидродинамических эффектов или непосредственно. В любом случае кажется вероятным, что такое поле может оп­ределять пространственные взаимоотношения клеток (и самих макромолекул), быть существенной частью механизма биологи­ческого морфогенеза.}

_{Взаимодействие клеток может обусловить сложные простран­ственные эффекты в результате интерференции генерируемых ими акустических сигналов. Так, две одинаковые, одинаково зву­чащие клетки, расположенные на близком расстоянии друг от друга, создадут в результате интерференции «тихую плос­кость»— в этой плоскости спокойно, без толчков смогут нахо­диться другие клетки. Четыре «летки-генератора акустических полей могут образовать «тихий луч» и т. д. Различие частот, генерируемых разными клетками, изменение этих частот по.мере морфогенеза способны обеспечить весьма сложную и совершен­ную пространственную ориентацию клеток (дополняемую еще и специфическими контактами).}

_{Попробуем оценить теперь, в какой мере реальные для био­химических систем клетки частоты возможных звуковых полей могут обеспечить геометрические задачи морфогенеза. Ясно, что речь может идти лишь о волнах, длины которых сравнимы с размерами клеток, т. е. о звуковых волнах длиной порядка 1 — 100 мк\ при нормальной скорости звука их частоты порядка 10}⁷_—10⁹ _{гц. Однако в желеобразных протоплазматических струк­турах распространяются преимущественно лишь поперечные сдвиговые волны. Их скорость, как показал А. П. Сарвазян с сотрудниками [253] порядка 1 м!сек. Соответственно, необходи­мые длины волн могут быть получены при частотах — порядка 10}⁴_—-10^е _{гц. Этот диапазон частот вполне биохимически реален — на таких частотах работают основные ферменты. Подробнее мы рассмотрим эти вопросы в 9-й рл. Сейчас же достаточно отме­тить, что числа оборотов большинства ферментов соответствуют слышимому диапазону частот (см. табл. 2 в гл. 4). Это наводит на приятные размышления о природе слуха, происхождении му­зыкального восприятия и о многом другом, что принадлежит уже области биохимической эстетики, а не биохимии морфогенеза.}

_{И все же, вероятно, наиболее трудной задачей является объ­яснение механизмов морфогенеза не многоклеточных организмов, в сложно построенных одноклеточных (см. рис. 15, 20). Поэтому наиболее актуальным представляется здесь исследование меха­низмов морфогенеза клеток.}

_{Может показаться, что морфологический прогресс в процес­се эволюции вовсе не обязательно связан с ростом кинетическогосовершенства. Действительно, образование опорного скелета обусловлено приспособлением к существованию в условиях зем­ного притяжения, сложнейшие морфофизиологические корреля­ции цветков и насекомых — совершенствованием в ходе сопря­женного естественного отбора процессов опыления цветков и питания насекомых. Все это верно, однако, конечным результа­том всех этих приспособлений, конечным решающим критерием естественного отбора во всех случаях служит итоговая интенсив­ность преобразования веществ в вещества данного вида, т. е. биологическое (кинетическое) совершенство.}

_{Цветковые растения — пример морфологического прогресса. По-видимому, предела увеличения кинетического совершенства на пути «чистого» морфологического прогресса достигли на Зем­ле покрытосеменные (цветковые) растения. Поэтому (следуя принятой манере изложения) после анализа общих возможных механизмов морфогенеза рассмотрим некоторые существенные в эволюции особенности цветковых растений.}

_{Цветковые — господствующая на Земле группа растений — отличаются многими замечательными чертами от всех остальных растений. Причины внезапного бурного заполнения всех возмож­ных ареалов Земли цветковыми растениями служили предметом часто весьма эмоциональных и ярких построений ботаников. (Как и в других аналогичных случаях, я предпочитаю предоста­вить слово специалистам). Н. В. Первухина в книге «Проблемы морфологии и биологии цветка» [234] пишет, что появление по­крытосеменных, или цветковых, растений представляет собой один из самых значительных этапов эволюции органической жизни на Земле. М. И. Голенкин назвал свою книгу, посвящен­ную цветковым растениям, «Победители в борьбе за существова­ние» [70]. В самом деле, покрытосеменные являются господствую­щей группой растений на нашей планете, они составляют глав­ную массу растительного вещества (высших растений). В на­стоящее время, как указывает Первухина, цветковые занимают то место растительных космических деятелей, которое в прежние эры было занято ныне исчезнувшими папоротникообразными, образователями толщ каменного угля. Современный животный мир, особенно высшие позвоночные (млекопитающие, птицы) и насекомые, всецело зависят от покрытосеменных. Человек, по образному выражению Голенкина, является порождением по­крытосеменных. Победа цветковых была переломным этапом, революцией в судьбах всего живого населения Земли. Поэтому середина мелового периода — время массового появления по­крытосеменных на Земле — начало новой эры в жизни нашей планеты. Замечательно, что эта новая эра наступает внезапно. Сьюорд [280] говорил о победе покрытосеменных на Земле как о «головокружительно блестящей карьере», сравнимой со «всемир­ным взрывом». Еще Дарвин отмечал, что вопрос о происхож­дении покрытосеменных окружен «ужасной тайной». В самом}

_{деле, что обусловило столь явное биологическое совершенство цветковых растений? Вероятно целый комплекс достоинств. Покрытосеменные отличаются от других растений чрезвычайно высокими темпами роста и развития. Голенкин считал наиболее характерной жизненной особенностью покрытосеменных их спо­собность выдерживать максимальные дозы яркого солнечного света. В. Н. Любименко по приспособленности к световому об­разу жизни покрытосеменных считал покрытосеменных «венцом эволюции». Из приведенного «конспекта» текста Н. В. Первухи­ной видно, что главным отличием цветковых растений от всех остальных является их наиболее быстрый рост и развитие, обус­ловленные наиболее интенсивным фотосинтезом. Это позволяет цветковым растениям быстро совершать жизненный цикл (на­капливая большую биомассу!), приспосабливаться к жизни & местностях с кратковременными периодами, благоприятными для жизнедеятельности (краткое лето в околоарктических широтах, краткие периоды достаточной влажности в пустынях и степях). Кратковременность, односезонность жизненного цикла позволя­ет цветковым растениям (первично древовидным) существовать в виде биологически весьма совершенных трав [283, 284]. Все в целом приводит к резкому ускорению эволюционного развития цветковых растений.}

_{Теперь уместно попытаться ответить на вопрос: что является ведущим звеном в процессе биологического совершенствования цветковых растений?}

_{Узловым моментом здесь, вероятно, оказывается скорость движения веществ в проводящих путях цветковых растений, М. И. Голенкин [70] характеризует систему проводящих пучков покрытосеменных как доведенную до последней степени совер­шенства, что обеспечивает одновременно быстрый приток мине­ральных веществ и воды в столь же быстрый отток образовав­шихся в листьях веществ}¹_{. А. Л. Тахтаджян полагает, что спо­собность покрытосеменных к значительному увеличению количе}­_{ства синтезируемого в процессе фотосинтеза органического ве­щества связана с возникновением высокосовершенных проводя­щих сосудов. По существу речь здесь идет о следствиях морфо­логического прогресса. У большинства предшественников цвет­ковых растений движение воды (водных растворов) сопряжено с неоднократным прохождением ее через одревесневшие стенки трахеид (например, у голосеменных). Ясно, что такое движение не может быть достаточно интенсивным. У цветковых растений трахеиды становятся члениками сосудов — цилиндрическими сег­ментами водопроводной трубы, иногда непрерывно идущей от корней к листьям [357]. Однако известно, что водопроводные со­суды многократно и независимо возникали в ходе эволюции у растений разных групп — у плауновидных, папоротников, голо-}

_{семенных, покрытосеменных (см. ниже). Таким образом дело не в том, что лишь покрытосеменные растения «научились» изго­товлять сосуды без перегородок. Эта задача решалась и раньше в эволюции менее прогрессивных групп. Зато, вероятно, только цветковые растения смогли извлечь из резкого ускорения потока воды максимальную пользу, что обусловливается особым совер­шенством устьичного аппарата, биохимии фотосинтеза и, нако­нец, самым явным преимуществом покрытосеменных, а именно, образованием настоящих семян, приспособленных для сохране­ния и распространения жизни в весьма суровых и разнообразных условия*. На фоне всего этого комплекса достоинств покрыто­семенных возникновение непрерывных водопроводных сосудов оказалось истинным ароморфозом, резко увеличившим биологи­ческое совершенство этой группы и обеспечившим способность покрытосеменных быстро заполнить занятые ранее другими эко­логические ниши.}

_{Итак, исчезновение перегородок в водопроводных сосудах именно у покрытосеменных представляется мне преодолением по­следнего узкого места, что позволило этим растениям совершить головокружительную карьеру. Теперь вода быстро движется не­прерывным тяжем, нитью за счет корневого давления и капил­лярных сил, сил поверхностного натяжения.}

_{Конечно же, и трахеиды в ходе эволюции достигли предельно возможного для них совершенства. В их одревесневших стенках возникли относительно тонкостенные поры. В одревесневших мембранах этих пор у голосеменных возникли микроскопические •отверстия диаметром порядка 10}^-4 _см.

_{Попробуем дать количественную оценку возможных скорос­тей .движения воды по трахеям — водопроводным сосудам у цвет­ковых растений и по системе трахеид (например, у хвойных).}

_{Трахея цветковых растений представляет собой капилляр с радиусом порядка 5-10}^-3_—5-10~² _{см и длиной порядка 1 —10}² _{см. Вода движется непрерывным потоком по трахее. Трахеиды-- мертвые одревесневшие .клетки диаметром порядка ЫО}^-2 _{ем и длиной порядка 10}^-1 _{см. Вода движется по системе трахеид, про­ходя сквозь поры толщиной 10}^-4_—10“³ _{см (отверстия в них) от одной трахеиды и другой.}

_{Оценим соотношения скоростей потоков воды по трахеям и трахеидам.}

_{В идеализированной схеме система трахеид аналогична трахее ■с пористой перегородкой, толщина которой определяется числом трахеид, приходящихся на единицу длины трахеи. Примем, что на каждый см. длины приходится 10 пористых мембран (по­скольку размер трахеиды 10}^-1 _{см). Тогда толщина /2 суммарной пористой перегородки будет равна 4=Ю /Д где — общая дли­на системы трахеид (равная длине сравниваемой с нею трахеи), d — толщина единичной перегородки (в см), соответствующая диапазону 10~}⁴_—10~³ _см.

_{Движение жидкости в трубах описывается формулой Пуа- зейля.}

_{Q =} ^А_Р^П_^⁴ _{18(х ’}

_{где Q —расход жидкости в см}³_{/сек, Ар —перепад давления (дн/см}²_{), [х — вязкость (пз), / — длина и Я —радиус капилля}­_{ра. Допустим теперь, что суммарная площадь отверстий в пере}­_{городках трахеид равна площади поперечного сечения трахеи, т. е. лпЯ2}² _{= п#Д где 7?, —радиус трахеи, R2 — радиус отверстия в поре трахеиды, п — число отверстий в порах трахеиды. Пусть в обеих системах будут одинаковы перепады давления. Тогда отношение а объемной скорости потока воды в трахее по срав­нению с системой трахеид определится формулой}

_{_ Qi _} ^l_{^_ _}

_{Q* hRl hRl}

_{Ниже приведены численные оценки по этой формуле для при}­_{нятых выше геометрических характеристик. Для самой узкой трахеи ^, = 5-10‘}³ _{я самой тонкой перегородкой трахеиды d= 10~}⁴ _{см а = 2,5.}

_{R1 МО'}³ _МО-³ _5-10-³ _5-10-³ _1-10-² _{1 10-} ² _{10-! 1C-}¹ _{d МО"}⁴ _МО'³ _МО'⁴ _{1 -10“}³ _{1 • 10~}⁴ _МО'³ _МО-⁴ _МО'¹ _{а 0,1 1 2,5 25 10 Ю}^{3 3} _Ю⁴ _10'

_{Как видно, трахеиды с очень тонкими перегородками не усту­пают, а даже превосходят очень узкие трахеи (^ = 10“}³ _{см) по’ скорости транспорта воды. Это, конечно, не следует понимать буквально, в этом случае сопротивление движению жидкости по длине капилляра внутри трахеиды оказывается сравнимым с со­противлением в перегородке. При радиусах трахей больших МО}^-3 _{см их преимущество перед трахеидами становится оче­видным. Для трахей с Rt порядка 10“}^г_—10^-1 _{см( как у ясеня, дуба и других лиственных деревьев) эти преимущества стано­вятся весьма значительными — в 10}²_—10⁴ _раз.

_{Из этих оценок ясно направление эволюционного совершен­ствования проводящих путей растений: утоньшение перегородок, пористых мембран трахеид и увеличение радиуса трахей.}

_{Мы приняли, что суммарная площадь отверстий в перего­родках трахеид равна площади поперечного сечения трахеи. На самом деле, эта суммарная площадь, вероятно, существенно меньше. Таким образом наши оценки можно считать достаточно осторожными.}

_{Естественно, попытаться найти им фактическое подтвержде­ние. Однако получение данных по объемной скорости потока воды — в см}³_{/сек в разных растениях очень сложно. Гораздо более реально измерение средней линейной скорости перемеще­ния воды в стеблях. Попытаемся оценить величины этой скоро­сти для трахей и трахеид в соответствии с уже принятыми до­пущениями. Средняя линейная скорость течения жидкостей по капилляру задается формулами:}

_{у = -9— =} ^А_Р^²

_nR² _18[х

_{Для численных оценок V по этой формуле необходимо зна­ние величин Др и [1. Перепад давления на метр длины стебля Ар можно принять равным порядка 1 атм (Ю}⁴ _дн/см² _{[155]), для воды 10}^-2 _{пз. Тогда для средней (линейной) скорости пе­редвижения воды в трахеях (Ri= 10}^_3_-М0^-1 _{см) получим вели­чины, сведенные ниже.}

_{R, см}

_ю-⁴

_10-3

_10-2

_10-1

_{V, см/сек}

_ю-³

_10-!

₁₀

₁₀³

_{V, м/час}

_0,0036

_0,36

₃₆₀

_36-10³

_{Посмотрим, чему равна средняя скорость движения воды в системе трахеид при толщине перегородок d и длине одной тра­хеиды 10}^-1 _{см. Можно принять, что в системе трахеид основной перепад давления приходится на отверстия в порах. На 1 м дли­ны стебля приходится 10}³ _{перегородок трахеид общей длины Ю}³ _{d Отсюда средняя скорость движения воды по трахеидам будет равна (^2=Ю}^-4_см)

_{= — Rl см/сек.}

_d,

_см

_10~⁴

_10~³

_10~²

_V,

_см/сек

₁

_10-[12]

_10~²

_V,

_м/час

₃₀

_3,0

_0,36

_{В этой оценке мы полагали отверстия в порах — «узким ме­стом», определяющим суммарную скорость потока. На самом деле для узких трахеид с радиусом порядка 10}^_3 _{см существенно замедление потока и при движении до и после пористых перего­родок. Из сравнения величин, приведенных в табл. 13 и 14. вид­но, что линейная скорость движения воды в трахеях существенно превышает скорость движения воды в системе трахеид при ра­диусе поперечного сечения трахеи порядка 10}^-2 _см.

_{Если наши оценки правильны, то предельно возможная ско­рость движения воды по трахеидам приближается к нижней гра­нице скорости движения воды по трахеям. Мы вправе считать, что эти оценки свидетельствуют в пользу правильности утверж­дения о возможности резкого ускорения движения воды при пе­реходе от трахеид голосеменных к трахеям цветковых растений.}

_{Теперь пришло время попытаться выяснить, каковы действи­тельные скорости движения воды в стволах (стеблях) голосемен­ных и покрытосеменных растений. Удивительно, но вопрос о}

_{действительных скоростях движения воды в стволах деревьев все еще нельзя считать выясненным *.}

_{Скорость движения воды в ксилеме измеряли последние 50— 100 лет, применяя самые разные методы, однако, среди них нельзя назвать ни одного вполне удовлетворительного. Может быть поэтому Гейне [398] в своем обзоре, опубликованном в 1971 г., в основном опирается на измерения 1905—1930 гг. Не привело к значительному прогрессу и применение радиоактивных индикаторов [46]. В книге Крамера и Козловского [155] приво­дятся, в частности, данные Губера и Шмидта о максимальных скоростях движения воды в ксилеме покрытосеменных и хвой­ных деревьев. Эти авторы измеряли движение воды термоэлек­трическим методом — по скорости распространения по стволу нагретой в ксилеме воды — и установили, что максимальные скорости движения воды у лиственных пород варьируют от 45 до 3 м/час (дуб — 43,6, ясень — 25,7, вяз — 6, орех — 3,7 м/час), а у хвойных составляют менее 0,5 м/час.}

_{Приведенные значения порядка 1 см/сек для лиственных по­род близки к полученным оценкам, а для хвойных (0,01 см/'сек) на 1—2 порядка меньше моих оценок. Причины этого расхож­дения скорее всего в завышении суммарной площади отверстий в порах трахеид в приведенных расчетах. Однако то обстоятель­ство, что скорость движения воды у лиственных пород примерно на два порядка выше, чем у хвойных, по-видимому, подтверж­дает главную мысль — основой кинетического совершенства цветковых растений является морфология водопроводной систе­мы, обеспечивающая высокую скорость движения воды в рас­тении.}

_{Глава 9}

_{ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ. МЕХАНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ}

_{П реодоление диффузионное о барьера посредством перемещений в пространстве.}

_{Формирование специальных аппаратов движения на основе: а) изменений поверхностного натяжения, б) ферментативных механо-химических преобразователей энергии. Ограничение предельных размеров и частоты биений макромолекулярных комплексов в двигательных аппаратах диффузией и концентрацией субстратов.}

_{Переход от конформационных циклов к скольжению. Локальные изменения pH в качестве первичного механизма мехам-химических преобразований. Мчогоклеточность как эволюционный результат специализации и интенсификации функций.}

_{Многоклеточность — следствие перехода к движению посредством миофибрилл.}

_{Морфологический прогресс — относительно малоэффективный способ преодоления диффузионного барьера. Второй — высоко}­_{эффективный способ — активное перемещение в пространстве организмов или среды к организмам. Первым шагом на этом пути служит беспорядочное движение — простое перемешивание. Ненаправленное перемешивание приводит к увеличению сечения взаимодействия реагентов, к росту вероятности столкновения молекул, и, следовательно, к возрастанию скорости реакций. Эволюционный потенциал в этом направлении эволюции опреде­ляется возможностью векторизации перемещений в пространст­ве — выработки механизмов все более целеустремленного, все менее беспорядочного движения. «Геометрический образ» эво­люционного процесса и в данном случае (как и в случае катали­за или матричного воспроизведения) — переход от сферически симметричных траекторий к уникальной. Предел эволюции здесь физически определен весьма жестко. Скорость биохимических реакций лимитируется скоростью потока реагентов и продуктов, равной скорости свободного пробега молекул в среде, т. е. ско­рости звука. Эволюционный потенциал этого этапа соответствует возможному изменению скорости заполнения пространства ве­ществом данного вида от скорости диффузии (10~}²_—10^_3 _{см/сек) до скорости звука (10}⁵ _{см/сек), что составляет 7—8 порядков.}

_{Вопрос о максимальной скорости биосинтеза живого вещест­ва рассматривал много лет назад В. И. Вернадский [49]. Он оце­нивал скорость заселения нашей планеты разными организмамипри условии их беспрепятственного размножения. Максимальная скорость «передачи жизни» была найдена Вернадским для бак­терий и оказалась равной 330 м/сек, т. е. скорости звука в воз­духе. С такой средней скоростью распространялась бы по по­верхности Земли пленка бактерий. Заселение Земли слонами происходило бы гораздо медленнее — со скоростью порядка 0,1 см/сек. Однако, если учесть различия в массах бактерий и слонов, то станет ясно, что по скорости прироста биомассы сло­ны не уступают бактериям. Замечательно, что Вернадский свя­зывал скорость звука со скоростью биохимических процессов, а именно, с предельной скоростью дыхания. Он писал: «Получив для самых быстро размножающихся бактерий скорость размно­жения, равную по порядку скорости распространения звука в воздухе, я не счел это случайным совпадением, но принял за реальный факт тесно связанный с дыханием бактерий» [49, с. 313].}

_{Движение, перемещение в пространстве посредством роста и размножения лишь конечный итог, результат активных переме­щений организмов для обеспечения биосинтезов необходимыми веществами и освобождения от конечных продуктов метаболиз­ма. Однако в некоторых случаях и движение вследствие роста и размножения является способом увеличения вероятности взаимо­действия организма к источников пиши.}

_{Попробуем придумать возможные механизмы перемещения в пространстве, исходя из эволюционных достижений предыдущих этапов. В результате этих достижений образовались клетки, со­держащие необходимый комплект матричных макромолекул, белков-ферментов, липопротеидных структур — поверхностных мембран и внутриклеточных оргаиелл.}

_{ПЕРЕМЕЩЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕНЕНИИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ}

_{Простейшим механизмом, обеспечивающим перемещение в про­странстве нашей схематизированной клетки, представляется из­менение поверхностного натяжения на границе раздела: наруж­ная мембрана — внешняя среда (вода). Причиной увеличения или уменьшения поверхностного натяжения может быть измене­ние соотношения гидрофобных и гидрофильных групп в липопро­теидных комплексах, образующих мембрану. Если расстояние, на которое должны переместиться клетка, превышает ее линей­ные размеры, аппарат, обеспечивающий движение, должен рабо­тать периодически. Поэтому п изменения поверхностного натяже­ния должны быть периодическими. Периодические, обратимые изменения поверхностного натяжения в разных местах наружной мембраны приведут к беспорядочному, разнонаправленному «перетеканию» клетки с места на место — образованию псевдо­подий и (к) амебоидному движению. Если такие изменения по­верхностного натяжения будут происходить лишь в некоторыхместах поверхностной мембраны, клетка будет получать импульс и перемещаться в каком-либо определенном направлении, совер­шать более или менее «целесообразные» амебоидные движения.}

_{Наиболее вероятным представляется изменение поверхност­ного натяжения наружной мембраны в результате выделения из клетки низкомолекулярных веществ (лигандов), связывание ко­торых с липопротеидными комплексами изменяет в них гидро­фобно-гидрофильные соотношения. Такими лигандами могут быть спирты, жирные кислоты или двухвалентные катионы, например ионы кальция.}

_{В такой модели клетка уподобляется капле жидкости, поверх­ностное натяжение которой изменяется в результате реакции поверхностных макромолекул с веществом, порциями поступаю­щим изнутри капли (клетки). Форма капли резко изменяется, и сама капля перемещается за счет сообщаемого ей этим измене­нием импульса. Вещество, вступившее в реакцию с поверхностны­ми макромолекулами, расщепляется в ходе ферментативного процесса, катализируемого, например, самими этими макромоле­кулами, и форма капли возвращается к исходной. Многократное, периодическое изменение формы клетки может привести к не­прерывному перемещению организма в пространстве, причем его направление определяется локализацией участков поверхно­сти, изменяющих свои свойства. Прежде чем анализировать эту модель, следует отметить, что она была создана около 100 лет назад и была очень популярна в начале нашего века.}

_{В 1888 г. Квинке предложил теорию протоплазматического (амебоидного) движения, основанную на аналогии с процессом растекания капель масла по поверхности воды. Очень хорошее изложение взглядов Квинке и всей проблемы в целом было осу­ществлено замечательным физиологом и биологом Ж. Лебом в его классической книге «Динамика живого вещества» [167]. Для иллюстрации такого способа движения предлагалось несколько моделей. Одну из них и рассматривает Леб. В его модели к кап^ ле оливкового масла добавлялось такое количество хлорофор­ма, чтобы удельный вес смеси сравнялся с удельным весом рас­твора соды (0,5—2%), в который и погружали каплю смеси. В оливковом масле всегда присутствуют значительные количе­ства жирных кислот, и на поверхности капли они образуют мыло (т. е. соли с ионами натрия окружающего раствора). Поверх­ностное натяжение в месте образования мыла резко падает, и из капли вырастает «псевдоподия», в которую устремляется содер­жимое капли. При этом площадь взаимодействующей со средой поверхности растет, образуются новые порции мыла — капля движется.}

_{Таким образом, наша исходная модель отнюдь не нова. Впро­чем, именно наглядность, явная и грубая упрощенность модели Квинке вызывала в свое время вполне справедливые упреки в «механицизме».}

_{Аппараты биологического перемещения в пространстве, ре­альные механизмы движения протоплазмы или амебоидного дви­жения бесспорно специфичны и сложны, поскольку они возникли в результате сотен миллионов лет эволюции. Однако исходные для эволюции физические механизмы, вероятно, вполне соответ­ствуют принципам, механизмам движения неспециализирован­ных макромолекулярных комплексов. И сейчас, с высоты уже имеющихся знаний о специфичных и сложных аппаратах био­логического перемещения в пространстве мы можем попытаться найти эти исходные принципы и посмотреть, куда должна при­вести биологические системы с такими исходными данными последующая эволюция. (В предложенной Л. X. Эйдусом [351] теории мышечного сокращения изменение поверхностного натя­жения, капиллярных сил рассматриваются в качестве основного механизма).}

_{Кинетически механизм перемещения в пространстве, осно­ванный на изменении поверхностного натяжения наружной мем­браны, может быть довольно совершенным. Можно представить себе быстрое выделение необходимых лигандов вслед за «воз­буждающим» сигналом через мембрану, а также довольно быст­рое обратное всасывание или ферментативное разрушение этих веществ, что необходимо для периодичности функционирования механизма движения.}

_{Однако термодинамически этот механизм оказывается мало совершенным. Выделяемые вещества будут вымываться в среду, создание нужной их концентрации достигается ценой расточи}­_{тельных затрат.}

_{Работа по перемещению в пространстве совершается в дан­ном случае за счет перепада концентраций лиганда при его свя­зывании липопротеидными структурами (A^~RT 1п(с2/с1)). Этот перепад концентраций не может быть очень большим — при возбуждении лиганд переходит из связанного состояния вну­три клетки в свободное. Такой переход может осуществляться при резком изменении сродства лиганда к какому-либо внутри­клеточному макромолекулярному комплексообразователю. Труд­но представить себе наличие в клетке большой концентрации этого комплексообразователя — без чего нельзя обеспечить вы­сокую концентрацию этого поверхностно активного вещества — лиганда с наружной стороны липопротеидной мембраны. Таким образом, перемещения в пространстве посредством изменения поверхностного натяжения липопротеидных структур наружной мембраны клетки несовершенны по двум причинам: 1) из-за большого объема наружной среды, что сопряжено с расходом больших количеств вещества для обеспечения нужной концент­рации лиганда, и 2) из-за низкой удельной энергопродукции — малой величины механической работы, производимой на едини­цу массы лиганда, связываемого «рабочим телом» наружной мембраны. Последнее обусловлено как малыми реальными пере^падами концентрации лиганда в рабочем цикле, так и большим «паразитным» объемом системы.}

_{Эти причины несовершенства, «узкие места» первоначальных, неспециализированных аппаратов перемещения в пространстве — физико-химические по существу — и становятся критериями естественного отбора, направляющие эволюцию, т. е. являются очередными физико-химическими факторами биологической эво­люции.}

_{Предельно совершенным решением эволюционной задачи создания молекулярного механизма перемещения в пространст­ве будет предельно возможное уменьшение паразитного объема, переход к созданию локальной концентрации лиганда в активном центре макромолекулы, изменяющей свою конформацию при связывании лиганда. Для обеспечения не просто -периодичности, а выполнения полезной работы связываемый лиганд должен рас­щепляться на одной из стадий циклического процесса в экзэрго- нической реакции.}

_{Всем этим условиям удовлетворяет ферментативный механо- химический преобразователь энергии.}

_{ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ МЕХАНО-ХИМИЧЕСКИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ}

_{Таким образом, предельно совершенным молекулярным аппара­том перемещения в пространстве будет предельно совершенный фермент, максимально возможно изменяющий свою третичную (конформацию) или четвертичную (конфигурацию комплекса макромолекул) структуру сопряженно с превращением субстра­та в продукт [58].}

_{Мы видели в главе 4, что изменение конформации — необхо­димое условие совершенного ферментативного катализа. Однако вообще в ферментативном катализе изменение конформации — лишь необходимое условие, средство проведения реакции по наиболее выгодному маршруту. В аппаратах перемещения цик­лические изменения конформации в некотором смысле — «основ­ной продукт» реакции. Поэтому в ходе эволюции должны воз­никнуть специализированные на механо-химических преобразо­ваниях ферменты.}

_{Рассмотрим общие принципы работы идеальных фермента­тивных механо-хим'ических преобразователей, следуя в основном работам А. Е. Букатиной и сотр. [40, 41, 42, 87, 214, 430, 431].}

_{Представим себе макромолекулярную «пружину» с двумя одноименными (пусть это будут ®) электрическими зарядами на концах (рис. 21, Е). Из-за отталкивания одноименных заря­дов пружина находится в максимально растянутом состоянии. При появлении в среде вещества S-молекулы с двумя отрица­тельно заряженными концевыми (например, карбоксильными) группами пружина сжимается (рис. 21, Е) и производит меха-}

_{РИС. 21. Схема работы ферментативного механо-химического преобразователи энергии}

_{Е — свободный фермент; 5 — субстрат; ES — фермент-субстратный комплекс; ЕР — фер- мент-продуктиый комплекс; /g —длина £: /gs “} ^Длина _{£ в ЈS комплексе /Ј>/eS}

_{РИС. 22. Изменение потенциального профиля при работе идеального фермента­тивного механо-химического преобразователя энергии}

_{/ — стадия образования £5-комплскса п >корочения Е. 1-й барьер понижен. II стадия — £5-комплекс превращается в £Р-комплекс. происходит каталитическое превращение суб­страта в продукт. 1-й барьер повышен, 2-й — понижен; III стадия — £Р-комплекс расщеп­ляется. Оба барьера повышены}

_{ническую работу. При завершении сжатия макромолекулярной пружины на макромолекуле образуется каталитический центр, в котором осуществляется реакция (в нашем примере) «дека- питации», S — обе отрицательно заряженные группы уничтожа­ются в реакции декарбоксилирования (рис. 21, ЕР) пружина распрямляется. Такая молекулярная пружина будет циклически совершать механическую работу за счет энергии, выделяющейся при расщеплении субстрата S. Замечательно, что сама по себе реакция разрушения субстрата может и не быть экзэргониче­ской. Энергия может выделяться и на другой стадии цикла, на­пример, при связывании субстрата. Поэтому определяющим условием работы такого механо-химического преобразователя будет целесообразное изменение кинетических потенциальных барьеров — целесообразное изменение каталитических свойств в определенных фазах цикла. Субстрат S не должен расшепляться несократившимся ферментом, что обеспечивается большим по­тенциальным барьером, препятствующим расщеплению. Этот барьер должен резко понижаться в конце процесса укорочения «пружины» и вновь резко возрастать, как только субстрат пре­вратится в продукт. Иначе будет идти обратный процесс — ресинтез субстрата из продукта за счет механического напряже­ния макромолекулы под влиянием нагрузки. Новая молекула субстрата не должна соединяться с ферментом до его полного распрямления — иначе амплитуда перемещения (Д/) уменьшит­ся, и соответственно уменьшится выполняемая работа. Это может быть обеспечено целесообразным изменением потенциального барьера, препятствующего образованию комплекса (рис. 22). Понижение барьеров аналогично открыванию клапанов в паро­вой машине или двигателе внутреннего сгорания. Открылся пер­вый клапан, т. е. понизился первый барьер (в результате растя­жения пружины при отталкивании одноименных зарядов в на­шей модели) — субстрат получил доступ к центру связывания фермента, пружина в £5-комплексе сократилась, совершилась механическая работа одновременно повысился первый барьер, т. е. закрылся первый клапан, образовался каталитический центр, резко понизился второй барьер, т. е. открылся второй клапан, субстрат превратился в продукт, пружина (каждая макромоле­кула в отдельности) распрямилась, второй барьер повысился, второй клапан закрылся, но снова открылся первый, и т. д. Так работает механо-хнмический ферментативный «трехтактный» преобразователь энергии (рис. 23).}

_t

_{Наш трехтактный ферментативный механо-химический двига­тель построен на основании общих соображений, теоретического анализа, проведенного в работах [41, 42]. Реальные механизмы биологической подвижности не обязательно должны соответство­вать этой абстрактной схеме. Разным видам биологической под­вижности могут отвечать различные модификации предельно совершенного образца. Однако во всех случаях речь идет о ме- хано-химических, вернее, химико-механических преобразованиях энергии. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что сам прин­цип механо-химических ферментативных преобразований был сформулирован, н его первые экспериментальные подтверждения были получены В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой в 1937— 1946 гг. [184, 354]. Непреходящая ценность работ М. Н. Люби­мовой и В. А. Энгельгардта, открывших АТФ-азную активность миозина (актомиозпча пи современной терминологии), состоит}

_{РИС. 23. Характеристики иде­ального «ферментативного трех­тактного двигателя»}

_{Изменения: а —длины lЈ макромо­лекулы фермента; б —высоты по­тенциального барьера, определяю­щего скорость связывания субстра­та 8j и в — высоты потенциального барьера, определяющего скорость превращения субстрата в продукт 8 ij. По оси абсцисс — времяименно в обнаружении экспериментальных оснований для фор­мулирования общего принципа. Этот механо-химический прин­цип должен по праву называться принципом Энгельгардта. По существу, ставшее столь популярным представление о конформа- ционных движениях макромолекул фермента в связи с его функ­цией есть развитие принципа Энгельгардта. Естественно, что наиболее явственно он выступает в механизмах биологической подвижности.}

_{В последовавшие за работами Энгельгардта годы принцип механо-химических преобразований при ферментативном ката­лизе получил широкое признание и развитие [175, 176, 409].}

_{Особое, весьма большое значение для развития этой области имели работы А. Качальского и В. Куна и их учеников и сотруд­ников [409]. Созданные ими на основе биополимерных материа­лов двигатели осуществляли механо-химические преобразования энергии. Строгий анализ термодинамических и кинетических закономерностей при механо-химических преобразованиях был осуществлен А. Е. Букатиной и В. Н. Морозовым [41, 42], как это отмечено выше.}

_{СИНХРОНИЗАЦИЯ КОНФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАКРОМОЛЕКУЛ ФЕРМЕНТОВ}

_{Пока мы рассматривали механо-химический преобразователь энергии, состоящий из одной свободно плавающей макромоле­кулы фермента. При сколь угодно эффективном преобразовании химической энергии в механическую такая макромолекула мало пригодна для перемещений в пространстве макрообъектов. Ее собственные перемещения в пространстве будут осуществляться лишь реактивно, посредством импульсов отдачи. Действительно, в растворе таких макромолекул, движущихся несинхронно и в случайных направлениях, будет происходить лишь некоторое перемешивание, эквивалентное возрастанию амплитуд «броуни- рования» (по терминологии Н. И. Кобозева [136]). Таким обра­зом, «эволюционный потенциал» — возможность эволюционного совершенствования — определяется переходом от беспорядочно движущихся макромолекул ферментов, осуществляющих механо- химические преобразования к предельно векторизованным пере­мещениям макроскопических многомолекулярных ансамблей таких макромолекул.}

_{Простейшим и, вероятно, исходным способом создания таких многомолекулярных ансамблей является синхронизация кон- формационных циклов свободно растворенных макромолекул ферментов.}

_{Реальна ли синхронизация конформационных движений от­дельных макромолекул? Мне кажется, что вполне [335—338, 342, 458]. В са,мом деле, представим себе обстановку в прото­плазме. Макромолекулы разных ферментов, отделенные друг отдруга большим или меньшим слоем воды, грызут или сшивают свои субстраты, претерпевая циклические изменения своей кон­формации. Что это значит? Изменения конформации макромоле­кул состоят ,в изменении взаимного расположения отдельных функциональных групп макромолекулы, т. е. радикалов амино­кислот. Эти группы сближаются и раздвигаются, таким обра­зом, для контактов с окружающей водой и субстратами откры­ваются то одни, то другие аминокислотные остатки. Соответст­венно изменяются электрические заряды на поверхности макро­молекулы. К открывающимся заряженным группам устремляют­ся молекулы воды и соответствующие мелкие противоионы. Дви­жущаяся, изменяющая свою конформацию макромолекула ока­зывается источником, генератором электромагнитного поля. Правда, противоионы и молекулы воды компенсируют в значи­тельной степени это поле (радиоволны плохо распространяются в морской воде), но конфирмационные колебания — каталитиче­ские циклы — происходят с относительно очень малой частотой (1 —10}⁵ _{гц). Такие низкочастотные колебания, такие сверхдлин- ные волны (3-10}⁵ _{— 3 км) вполне хорошо проходят и сквозь мор­скую воду. Однако сейчас нам важно лишь, что -изменения элек­трических зарядов на поверхности макромолекул в ходе их кон­формационных колебаний могут передаваться и на некоторое расстояние от молекулы фермента.}

_{При изменении взаимного расположения аминокислотных радикалов в макромолекуле будут то открываться, то закры­ваться для контактов с водой и неполярные группы — гидрофоб}­_{но-гидрофильная мозаика поверхности макромолекулы будет претерпевать циклические изменения рисунка, соответствующие конформационным изменениям макромолекулы. Всякое измене­ние степени экранированное™ гидрофобных групп, любое изме­нение рисунка полярно-неполярной мозаики на поверхности мак­ромолекулы вызовет немедленное .изменение ориентации моле­кул воды около макромолекулы. Молекулы воды, повернутые к полярным группам макромолекулы, отвернутся от возникших на их месте неполярных, образуя связи по преимуществу друг с другом, образуя структуру чистой воды. Это вызовет переориен}­_{тацию в следующих слоях воды, и волна структурной перестрой­ки воды распространится на некоторое расстояние от поверхно­сти макромолекулы. Таким образом, претерпевающая конфор- мационные колебания макромолекула белка должна быть так­же и генератором волн структурной перестройки окружающей воды.}

_{Наконец, все эти изменения (и изменения электрических за­рядов, и изменения полярно-неполярных соотношений) будут сопровождаться объемными эффектами (о чем мы уже говорили выше). Так, упаковка молекул воды, ориентированных в направ­лении заряженных групп, и упаковка ее молекул вблизи гидро­фобных поверхностей, различна. Конформационные колебаниядолжны, как правило, сопровождаться колебаниями объема си­стемы молекулы белка — вода. Значит, претерпевающая кон­формационные колебания макромолекула должна быть также и генератором акустических колебаний.}

_{Я излагаю здесь все эти соображения с единственной целью — показать, что между отдельными макромолекулами, испытываю­щими конформационные колебания, может происходить взаимо­действие той или иной природы. Не существенно, сильно оно или слабо — этот вопрос могут решить лишь строгие физические ис­следования; здесь важно лишь, что оно физически реально. Сле­довательно, реальна и синхронизация конформационных колеба­ний многих макромолекул одного сорта. Общеизвестно явление синхронизации, взаимного затягивания по частоте и фазе коле­бательных систем, генераторов электрических, акустических, механических}[13]_{. Связь между генераторами может быть сколь угодно слабой, но захват, синхронизация все равно осуществля­ется. Должны возникать синхронно колеблющиеся ансамбли макромолекул. Размеры таких ансамблей должны быть доста­точно велики для создания потоков жидкости (а, следовательно, и для перемещения самих ансамблей в жидкости), обеспечиваю­щих преодоление диффузионного барьера в биохимических про­цессах. Попробуем оценить размеры таких ансамблей.}

_{ПРЕДЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ АНСАМБЛЕЙ МАКРОМОЛЕКУЛ В АППАРАТАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ}

_{Итак, мы хотим построить макроскопический двигатель, рабо­тающий за счет энергии, выделяющейся в ходе катализируемой в самом двигателе реакции. Ясно., что его размеры, размеры та­кого ансамбля макромолекул должны быть ограничены условия­ми диффузии. Синхронность конформационных изменений от­дельных макромолекул фермента в ансамбле будет определять­ся отнюдь не только условиями синхронизации в ходе взаимо­действия генераторов. Необходимо, чтобы она не нарушалась вследствие различия в доступе субстрата ко всем макромолеку­лам фермента в ансамбле. Для конформационных колебаний с частотой порядка 1 кгц время образования фермент-субстратно- го комплекса не должно превышать 10}^_3 _{и даже 10~}⁴ _{сек, для колебаний с частотой порядка 10 кгц оно порядка 10}^-5 _{сек. Сле­довательно, при учете скорости диффузии размеры двигатель­ного ансамбля макромолекул должны быть порядка 100— 1000 А. По-видимому, можно найти оптимальные соотношения между частотой конформационных колебаний в ходе фермента­тивных актов и размерами ансамбля макромолекул, обеспечи­вающего макроскопические перемещения. Более эффективным}

_{двигателем будет, вероятно, относительно низкочастотный фер­мент. Чем ниже частота конформационных колебаний, тем боль­ше размер ансамбля, в котором возможна синхронизация. 'Гак, при частоте 10 гц можно пренебречь диффузионными искаже­ниями синхронности в ансамблях размером порядка долей микрона (а то и целых микрон)., Итак, мы приходим к выводу о возможности построения в биохимических (биологических) системах аппаратов перемещения в пространстве на основе макромолекул ферментов, испытывающих в ходе каталитических циклов синхронные конформационные колебания и объединен­ных в дискретные ансамбли. Такие дискретные ансамбли могут быть органами движения, элементарными движителями. Зато число их в клетке может быть большим — нужно только, чтобы все ансамбли клетка могла обеспечить горючим (например, АТФ).}

_{Таким образом, в ходе эволюции должны возникнуть белки- ферменты, способные расщеплять АТФ с предельно высокой эффективностью преобразования свободной энергии гидролиза макроэргических связей в механическую работу.}

_{Как сказано выше, вероятно, что такие молекулярные осцил­ляторы, даже разделенные средой (водой), образуют синхронно ьолеблющиеся ансамбли. Однако в ходе эволюционного совер­шенствования вырабатываются более надежные химические, а не физические способы создания определенных ансамблей спе­цифических макромолекул ‘. Эти способы известны и естествен­ны— самосборка ансамблей макромолекул в результате специ­фического взаимодействия макромолекул друг с другом, осно­ванного «а химических и физико-химических механизмах. Речь идет здесь об образовании макромолекулярных агрегатов опре­деленной формы, обусловленной последовательностью амино­кислот в полипептидной цепи. Существование таких ансамблей не ограничено лишь временем их функционирования. Возникшие молекулярные ансамбли проходят свой обычный эволюционный путь — совершенствование посредством специализации, разделе­ния функций. Автоматический ритмический режим изменения конформаций должен быть подчинен задачам целесообразного движения, что достигается наиболее естественным образом пу­тем регуляции ферментативной активности макромолекулы и тем самым частоты ее конформационных колебаний.}

_{Следовательно, из общих эволюционных, физических и хими­ческих соображений мы пришли к представлению об универсаль­ных элементарных аппаратах движения в биологических объек­тах. Они должны представлять собой дискретные, самособира- ющиеся ансамбли ферментативных макромолекул, претерпеваю­}

_{щих синхронные, или во всяком случае, упорядоченные во всем ансамбле конформационные колебания, конформационные цик­лические изменения, происходящие за счет выделения свободной энергии в экзэргонической реакции.}

_{ЛОГАРИФМИЧЕСКАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЧАСТОТЫ КОНФОРМАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТОВ}

_{Одним из интересных признаков кооперативного функциониро­вания всего ансамбля макромолекул фермента в этом дискрет­ном двигательном аппарате должна быть логарифмическая за­висимость частоты конформационных колебаний ансамбля мак­ромолекул от концентрации АТФ. Иными словами,}

_{г л т I, dv г/ 1 dC 1 ,}

_{~ In [АТФ], или — = /( — ; отсюда — = — dC С dv К}

_{где С=[АТФ] — концентрация АТФ, v — частота колебаний, по­роговая концентрация АТФ при v = 0.}

_{Физический смысл этой зависимости, по-видимому, таков: число макромолекул фермента (АТФазы), вовлеченных в фер­ментативный процесс, пропорционально концентрации АТФ. Макроскопические колебания возникают вследствие синхрониза­ции по ансамблю конформационных колебаний отдельных мак­ромолекул. По мере увеличения числа вовлекаемых в процесс макромолекул вклад каждой следующей в синхронные колеба­ния становится меньше. Таким образом, приращение частоты колебаний с увеличением концентрации АТФ (или, что то же, с увеличением числа вовлеченных в колебания макромолекул) обратно пропорционально числу уже вовлеченных макромоле­кул, величине уже образовавшегося синхронного ансамбля. Ко­личественный анализ этой логарифмической зависимости может дать очень важные сведения о размерах такого ансамбля, о сте­пени кооперативное™ конформационных колебаний отдельных макромолекул. Для такого анализа нужны, однако, дополни­тельные экспериментальные исследования. Стоит, однако, выяс­нить, почему вообще частота макроскопических колебаний, мо­жет зависеть от числа макромолекул, вовлеченных в такой ан­самбль.}

_{Дело в том, что речь идет не о синхронизации осцилляторов, имеющих собственную частоту ко-нформационных колебаний, а о синхронизации механо-химических циклов [41]. В каждом цик- те происходит преобразование энергии макроэргических связей АТФ в механическую работу. Время оборота такого цикла зави­сит как от каталитической активности, неодинаковой на разных фазах цикла, так и от скорости преодоления механического со­противления среды. Чем быстрее это сопротивление будет пре­одолено (сопротивление вязкой среды, инерция перемещаемого тела), тем быстрее наступит фаза расщепления следующей мо­лекулы АТФ. При кооперативной работе макромолекул скорость преодоления механического сопротивления растет. При механи­ческих деформациях убыстряется и каталитическое расщепле­ние макроэргических молекул. Тем самым скорость оборота, частота механо-химических циклов растет по мере образования синхронизированного ансамбля макромолекул.}

_{Проведенное рассмотрение логарифмической зависимости частоты механо-хим,ических циклов от концентрации субстрата имеет, возможно, более широкий биологический смысл: логариф­мическая зависимость вообще характерна для процессов реа­гирования живых систем, для физиологических процессов. Ло­гарифмическая зависимость величины ответной реакции от силы воздействия (например, громкость звука определяется логариф­мом его интенсивности) — давно известна в физиологии под названием закона Вебера — Фехнера. Закон этот неоднократно критически переосмысливался и млого раз сужалась область его применимости, но зависимость такого рода исе же существует для значительного диапазона интенсивностей раздражителя. Я убежден, что причина логарифмической зависимости самых разных ощущений от интенсивности раздражителя всегда оди­накова— наличие кооперативно-ансамблевого аппарата вос­приятия.}

_{Наиболее важным для дальнейшего выводом из анализа за­висимости частоты макроскопических колебаний от концентра­ции «топлива» является существование предельной частоты та­ких колебаний. В самом деле, концентрация АТФ в клетке не может превышать некоторую, довольно низкую величину, поряд­ка 10‘}⁴_-М0~³_{М. Следовательно, и частота конформационных циклов ансамблей макромолекул не может быть выше некото­рой величины, пропорциональной логарифму предельной кон­центрации АТФ.}

_{Итак, размеры макромолекулярных ансамблей и частота их конформационных колебаний-биений предельно ограниченны.}

_{РОЛЬ КОНФОРМАЦИОННЫХ ДВИЖЕНИИ И ЛОКАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИИ pH В АППАРАТАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ}

_{Существенной частью механизма описанной выше модели фер­ментативного механо-химического преобразователя являются силы взаимодействия заряженных групп макромолекулы. Сле­дует отметить, что модель биологической подвижности, основан­ную на конформационных изменениях полипептидных цепей (спиралей) в результате изменения взаимодействия электриче­ских зарядов боковых групп, предложил в 1929 г. К. Майер^см. [407]). Он полагал, что заряды на полипептидной цепи из­меняются при изменении pH внутриклеточной среды. Мысль эта была тогда вполне естественной. Мейархоф, казалось бы, одно­значно установил, что мышца сокращается в результате закис- лення, вызванного образованием в процессе гликолиза молочной кислоты [407]. Впоследствии (после работы Лундсгаардта в ла­боратории М'ейерхофа) «стало ясно», что мышца сокращается не потому, что образуется молочная кислота, а за счет расщеп­ления макроэргических фосфатов [407], а после знаменитых ра­бот Дж. Хэнсон, X. Хаксли и Э. Хаксли (см. [104]) была остав­лена идея конформационных изменений макромолекул, как при­чина биологической подвижности и стала общепринятой «теория скользящих нитей»— сокращение мышц и другие виды биологи­ческой подвижности в результате встречного скольжения не из­меняющих свою конформацию фибриллярных структур. Однако «на самом деле» установление уникальной роли макроэргиче­ских фосфатов и открытие явления скольжения не опровергает ни ключевого значения изменений электростатических взаимо­действий, определяемых в свою очередь уменьшениями pH, ни изменений конформации макромолекул в аппар.ата.х биологиче­ской подвижности. «Скольжение» основано на конформационных движениях ТММ-фрагментов миозиновых молекул, циклически замыкающих и размыкающих связь («мост») с нитями фибрил­лярного актина [86]. Важную роль изменений конформаций мак­ромолекул в явлениях скольжения неоднократно подчеркивал Г. М. Франк [307]. Возможное значение изменений pH в аппара­тах биологической подвижности практически ускользает из поля зрения современных исследователей. В соответствии с представ­лениями, изложенными в гл. 7, основной способ накопления сво­бодной энергии в биохимических системах — наполнение емко­сти рН-буферов. Там же приведены утверждения, согласно кото­рым биохимическое назначение макроэргических пирофосфат­ных связей состоит в локальном (в нужном месте и в нужное время) изменении pH, сопровождающем гидролиз этих связей. Я полагаю вероятным, что такой же смысл имеет расщепление АТФ в ходе АТФ-азной реакции при мышечном сокращении. Миозинавая АТФ-аза, расщепляя АТФ, осуществляет быстрое локальное закисление района активного центра — области кон­такта ТММ-участка молекулы миозина с актином. Такое ло­кальное изменение концентрации водородных ионов приводит к изменению конформации белков и к возникновению механиче­ской силы. Если меромиозиновый мост уже соединен с актино- в-ой нитью, то развивается натяжение —форма мышечной клет­ки изменяется, т. е. мышца сокращается.}

_{На самом деле, ситуация, конечно, много сложнее (см., на­пример, [40, 84, 85]); однаш сейчас серьезных возражений про­тив такого смысла элементарного акта АТФ-азной реакции, по- видимому, нет. Вполне вероятно, что смысл гидролиза макро-эргических фосфатов состоит в обеспечении локальных, контро­лируемых изменений pH. Так, что, может быть, Нобелевская премия, присужденная более 50 лет назад А. Хиллу и О. Мейер- хофу, была не напрасной (см. [407]).}

_{ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ МЕХАНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.}

_{ПЕРЕХОД ОТ КОНФОРМАЦИОННЫХ ДВИЖЕНИЙ К СКОЛЬЖЕНИЮ}

_{Итак, мы пришли к выводу, что, следуя физико-химическим кри­териям, естественный отбор должен привести к возникновению универсальных механизмов, обеспечивающих перемещение кле­ток в пространстве. Эти универсальные механизмы должны представлять собой ансамбли ферментативных механо-химиче- ских преобразователей энергии. Размер этих ансамблей поряд­ка 1 —10 мкм ограничен диффузией субстратов и продуктов. Час­тота периодических изменений конформации макромолекул в ансамбле, ограниченная концентрацией АТФ, имеет порядок де­сятков гц. Непосредственной причиной изменений конформации макромолекул при преобразовании химической энергии в меха­ническую может быть локальное изменение pH.}

_{Ясно, что все это соответствует реально существующим уни­версальным двигательным аппаратам клеток — ундулоподиям — жгутикам и ресничкам [259]. Специализация ундулоподий может привести к усложнению их структуры и разделению функций — ферментативное расщепление макроэргических субстратов может осуществляться в специализированном активном центре в от­дельной макромолекуле, а изменение размеров—.производство механической работы — в других макромолекулах. Такое разде­ление единого ма.кромолекулярного механо-химического преоб­разователя на специализированные макромолекулы обусловле­но, вероятно, задачей увеличения эффективности механо-химиче- ских циклов (А. Е. Букатина). В самом деле, в нашей модели- пружине с двумя одноименными зарядами требовалось довольно искусственное предположение о полном уничтожении зарядов субстрата в результате, например, декарбоксилирования— за­мене сильных кислотных групп карбоновых жислот слабой уголь­ной кислотой. Кроме того, «обратный ход» — распрямление пру­жины — сопряжен с преодолением более алт менее сильного взаимодействия внутри пружины. Существенное облегчение «об­ратного хода», предотвращение или сильное «уменьшение трат энергии на этот процесс достигается в двухкомпонентной систе­ме— взаимодействии двух «независимых частей» .пружины, на­пример, по тому же электростатистическому механизму. Те­перь обратный ход — «расслабление»—может осуществляться почти без затрат энергии.}

_{Переход к двухкомпонентным .системам, преобразование хи­мической энергии в .механическую работу— переход от совер­шения работы за счет конформационных движений макромоле­кулы самого фермента — к «скольжению» — активному «встреч­ному» перемещению двух макромолекулярных компонентов обеспечивает максимальную эффективность механо-химических преобразований.}

_{В двухкомпонентных системах активное встречное движение макромолекулярных компонентов, т. е. сокращение системы мо­жет осуществляться за счет конформационных движений. Обрат­ный ход — [расслабление — может осуществляться без изменения конформации компонентов системы. Для этого встречное дви­жение— скольжение — должно осуществляться в результате от­носительно большого числа циклов изменения конформации одного из компонентов (периодического замыкания и размыка­ния мостов ТМ1М и актина), а обратное движение — скольжение несцепленных макромолекул должно осуществляться пассивно.}

_{Такая двухкомпонентность—наличие актина и миозина — ха|ра,ктерна для большинства систем биологической .подвижно­сти [86].}

_{Итак, логика рассмотрения физико-химических критериев естественного отбора при эволюционном построении аппаратов перемещения в пространстве цривела нас от изменений поверх­ностного натяжения к изменяющим свою конформацию фермен}­_{там, и, наконец, к двукомпонентным механо-химическим фермен­тативным преобразователям, м.акромолекулярные компоненты которых не обязательно .изменяют свою конформацию.}

_{ОТ УНДУЛОПОДИЙ к МЫШЦАМ}

_{Пока мы обращали внимание лишь на термодинамическую эф­фективность и на скорость (кинетику) преобразования энергии в аппаратах перемещения организмов в пространстве. Однако име­ются еще чисто механические .критерии совершенства аппаратов перемещения в пространстве. Совершенство перемещения в про­странстве в значительной степени определяется абсолютной ско­ростью движения. Чем быстрее организм достигнет источника пищи или избегнет опасности, тем больше вероятность его вы­живания. Абсолютные скорости перемещений в пространстве определяются размерами рычагов. Размеры ундулоподий, как было показано, ограничены диффузией субстратов и продуктов ферментативного катализа. Единственным способом увеличения скорости перемещения посредством ундулоподий оказывается увеличение их числа у каждого организма — клетки. Так возни­кают клетки, покрытые большим числам ресничек.}

_{Было бы о.чень интересно рассчитать предельно возможную скорость перемещения организмов .посредством жгутиков и ресни­чек. Однако расчет этот очень сложен. Движение клеток посред-«ствам ресничек было предметом ряда исследований (см. [259]). Как показал Л. Н. Серавин [260, 231], движение инфузорий осу­ществляется посредством движения «чехла» воды, прилегающе­го ,к поверхности клетки. Реснички при биениях .вызывают дви­жение этого поверхностного слоя. Таким образом, основная энергия затрачивается на преодоление вязкого сопротивления б этом слое движению ресничек. Это следует .из весьма низких значений чисел Рейнольдса, характерных для движения инфузо­рий и жгутиконосцев [368, 464, 472]. Следовательно, предельная скорость движения таких организмов определяется трением. При биениях ресничек в прилегающем слое воды накапливаются импульсы и клетка «разгоняется»—скорость ее перемещения относительно (отдаленных слоев воды или) этого прилегающего слоя воды постепенно возрастает. Ясно, что существует предел этой скорости, заданный частотой биения ресничек. При некото­рой скорости движения клетки реснички цр,и биении не будут передавать импульс окружающей среде. Таким образом, пре­дельная скорость движения клетки будет лимитирована предель­ной частотой биений, лимитируемой, в свою очередь, диффузией субстратов («топлива») к ферментативным мехаио-химическим преобразователям. Поэтому задача увеличения .максимальной скорости перемещения в пространстве может быть решена лишь посредством увеличения скорости движения «весел». Это нельзя сделать посредством увеличения частоты биений, но это, каза­лось бы, можно осуществить посредством увеличения длины рычага. Мы уже видели, что размеры у.ндулолодий также лими­тированы диффузией. Поэтому можно представить себе удлине­ние рычага лишь при условии, что большая часть этого рычага погружена в среду, содержащую «топливо» (например, АТФ). Это значит, что большая часть двигательного аппарата должна находиться внутри клетки. Мы приходим к новому принципу движения — клетка движется посредством максимального рыча­га, равного ей и даже превосходящего ее размеры, и движение совершается посредством изменений фор,мы клеток. Для этого необходимо прикрепить «сократительную» нить изнутри к двум максимально отдаленным участкам клеточной стенки. При со­кращении этой нити клетка будет (более или менее резко) изме­нять свою форму. Скорость движения клетки будет определять­ся скоростью движения «концов» клетки при ее, например, сжа­тии и распрямлении. Такой аппарат является, по сути, мышцей.}

_{Ясно, что организмы, вставшие на этот путь эволюции, будут увеличиваться в размерах: чем больше размеры рычага, клетки, органа, организма, тем выше абсолютная скорость движения организма.}

_{В настоящее время трудно оценить из общих соображений величину выигрыша в абсолютной скорости движения при пере­ходе от ресничек к мышцам. Воспользуемся поэтому экспери­ментальными исследованиями и их анализом, выполненными}

_{РИС. 24. Зависимость макси­мальной скорости перемещений}

_{У су /сен}

_{в воде от длины тела различ­ных животных [346]}

_to ^Z _W^j _to³_{1, см}

_{/ — жгутиковые; 2 — ресничные; 3— весточогие ракообразные; 4 — рыбы* 5 — киты}

_{В. В. Шулейкиным и его сотрудниками еще в 1939 г. [347]. На рис. 24, взятом из [346], приведены данные о зависимости макси­мальной скорости перемещения в .воде различных животных от длины их тела. Видно, что для движения посредством ундуло­подий характерна предельная скорость порядка 10}^-1 _{см/сек. Для движения веслоногих рачков, обусловленного сокращением мышц, парящего движения взвешенных в воде организмов ха­рактерна предельная скорость порядка 10 см/сек, рыбы движут­ся со скоростью порядка 5-10—5-10}² _{см/сек, и, наконец, кито­образные с предельной скоростью порядка 10}³ _ом/сек.

_{Следовательно, переход от движения посредством ундулопо­дий к движению посредством мышц позволяет в принципе уве­личить абсолютную скорость перемещения в пространстве на четыре порядка (от 10'}¹ _{до 10}³ _{см/сек). Таким образом, направ­ление эволюции от ундулоподий к мышцам характеризуется большим эволюционным потенциалом, скорость .перемещений в пространстве оказывается мощным фактором биологической эво­люции.}

_{Эволюция в направлении совершенствования перемещений в пространстве посредством мышц приводит к формированию мно­жества новых свойств :и приспособлений. Становится возможным не только полное овладение водной стихией, но и выход на сушу и полет в воздухе [140]. Одним из важнейших следствий эволю­ционного совершенствования перемещений в пространстве по­средством мышц является образование многоклеточных орга­низмов.}

_{ПРОИСХОЖДЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИМ СМЫСЛ -МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ}

_{Переход от ундулоподий к мышцам сопряжен с возникновением многоклеточности. В самом деле, каждая сокращающаяся (мы}­_{шечная) клетка с сократительной нитью, прикрепленной к внут- генней стороне оболочки клетки, функционально равнозначнаодной ресничке или одному жгутику. Задача управления движе­нием, осуществляемым с максимально возможной скоростью, решается посредством 'объединения в один организм некоторого числа специализированных, сокращающихся лишь в определен­ном направлении мышечных клеток. Специализация (мышеч­ных) клеток на совершении сокращения лишь одного вида — естественный путь эволюционного совершенствования их работы. Образование многоклеточных организмов — естественное след­ствие такой специализации. Колоссальное увеличение скоростей перемещения, возникающее при замене ресничек мышцами, дает многоклеточным макроорганизмам огромные преимущества в естественном отборе.}

_{Миофибриллы, обеспечивающие быстрое изменение формы клеток, появляются уже у одноклеточных организмов — инфузо­рий}[14]_{. Однако действительно эффективным средством не только быстрого изменения формы, но и перемещения в пространстве миофибриллы становятся при специализации всей клетки на движении в данном направлении. Быстрое перемещение в про­извольном направлении в пространстве может быть достигнуто лишь у многоклеточных организмов.}

_{Эволюция многоклеточных животных в дальнейшем в значи­тельной мере определялась совершенствованием самих органов движения я аппаратов управления их работой— системой рецеп­торов, нервных клеток и нервных центров. Глубокие обобщения в проблеме эволюции локомоторных органов беспозвоночных животных принадлежат Л. А. Зенкевичу (112].}

_{Из сказанного не следует, что переход от ундулоподий к мыш­цам и специализация мышечных клеток — единственная причина возникновения многоклеточное™} [15]_{. Многоклеточность обусловли­вает предельное совершенство перемещений в пространстве, пре­дельно возможную абсолютную скорость перемещений и управле­ния этими перемещениями.}

_{Однако наиболее общей причиной многоклеточности является выгодность специализации функций, частным случаем которой оказывается и возникновение мышечных клеток.}

_{В самом деле, всякая функция сопряжена с синтезом опреде­ленных белков; чем интенсивнее данная функция, тем интенсив­нее синтез данных белков. Целесообразное чередование функций основано на соответственном чередовании синтезов определен­ных белков.}

_{Ясно, что преимущественный синтез белков для обеспечения какой-либо преобладающей в данный момент функции основан на репрессии синтезов других белков, не нужных в данный момент. Это требует очень громоздкой и неэкономичной системы регуля­ции считывания матричных текстов — больших концентраций разных на разных стадиях жизни клетки белков-репрессоровг сложного аппарата управления синтезом самих репрессоров, су­ществования механизмов целесообразной дерепрессии (актива}­_{ции) синтеза очередных белков.}

_{Помимо громоздкости и неэкономичности такой системы су­щественна медленность включения очередных функций — необ­ходимо длительное время для прекращения уже идущих синте­зов, появления репрессоров, дерепрессии очередных генов и т. д.}

_{Специализация клеток состоит прежде всего в специализации их генома — утрате или прочной репрессии большей части генов. Предельно специализированной клеткой является эритроцит мле­копитающих. Он содержит практически (по массе) лишь один белок — гемоглобин— и выполняет лишь одну функцию: тран}­_{спорт кислорода и углекислоты. В гораздо более сложных мыше­чных клетках преобладает синтез сократительных белков.}

_{Итак, специализация — основной путь совершенствования функций — достигается лишь в многоклеточных организмах. Спе­циализация обеспечивается дифференциацией клеток — стойкой репрессией .или даже утратой значительной части наследствен­ных текстов в процессе онтогенеза.}

_{Ясно, что специализация клеток в многоклеточном организме' возможна лишь при возникновении системы взаимосвязи специа­лизированных клеток, объединяющей их в единый организм — «государство клеток», как говорил Р. Вирхов. Такая связь осу­ществляется посредством химических (гормональных) или элек­трических (нервных) сигналов.}

_{Само существование многоклеточных организмов сопряжено с новыми эволюционными «заботами» — обеспеченней определен­ной «внутренней среды», целостности, регенерации при поврежде­нии и т. п. Обсуждение этих проблем выходит за пределы задач этой книги.}

_{ОБЗОР РЕАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ}

_{На самом деле имеется несколько типов явлений биологи­ческой подвижности. Прежде всего это движение протоплазмы’. Потоки протоплазмы омывают или даже увлекаюте собой клеточ­ные органеллы, осуществляя активное перемешивание внутри­клеточного содержимого. Кинетический смысл такого перемеши­вания очевиден. Движение протоплазмы происходит в клетках растений, животных, низших грибов. Удивительным образом его механизм, несмотря на примерно 200-летнюю историю исследо­ваний, все еще не ясен. Об этом свидетельствует чрезвычайное изобилие остроумных гипотез и теорий, объясняющих этот фено­мен. Яркая особенность движения протоплазмы состоит е правиль­ной периодической смене направления движения потоков. Мне представляется наиболее вероятной причиной движения прото­плазмы синхронизация конформационных движений ансамблей специализированных макромолекул. Изменения направления — колебания вектора напряжения — могут быть результатом явле­ния, аналогичного «волнам структурной перестройки» — перекри­сталлизации то по одной, то по другой затравке. Следует отме­тить, однако, что Н. С. Аллен [361] сообщила об обнаружении в эндоплазме нителлы нитей, аналогичных жгутикам, биением ко­торых обусловлено движение протоплазмы.}

_{Ко 2-му типу явлений биологической подвижности можно отнести амебоидное движение, очень часто неотличаемое от дви­жения протоплазмы. Однако мне представляется их различие существенным — образование и исчезновение псевдоподий сопря­жено не только с перетеканием протоплазмы, но и образованием (исчезновением) поверхностной мембраны, а также с изменени­ем кортикального слоя клеток типа гель^±золь (см. [362]).}

_{3-й тип явлений биологической подвижности движения хромо­сом при митозе и мейозе. При этом существенна все еще необъяс- ненная правильность пространственного взаиморасположения гомологичных хромосом. Расхождение хромосом к соответству­ющим центриолям происходит в результате сокращения нитей веретена, пучков, микротрубочек, состоящих из белка тубуллина (см. [362]) ‘.}

_{Своеобразные движения 4-го типа осуществляются в результа­те изменения тургора — гидростатического давления, обусловлен­ного осмотическими или иными механизмами. Так, посредством амбулакральной системы перемещаются иглокожие. Изменения тургора обусловливают движения растений — открывание и за­крывание устьиц, опускание и поднятие листьев.}

_{К 5-му типу движений относится перемещение бактерий (про­кариот вообще) посредством жгутиков. Каждый жгутик бактерий состоит обычно из трех фибрилл, образованных последовательно соединенными глобулами белка флагеллина. В большинстве слу­чаев нити жгутиков длиной порядка микрон и диаметром около 120 А, лишены оболочки (мембрана).}

_{Как следует из работ недавнего времени [366], механизм дви- женин жгутиков бактерий неожиданно своеобразен. Сам жгутик является лишь пассивным органом — двигатель расположен в основании жгутика в мембране — это базальное тельце. Движе- ние осуществляется посредством вращения базального тельца в мембране. Существует представление, в соответствии с которым это вращение непосредственно обусловливается градиентом кон­центраций ионов водорода [269, 366]. Таким образом, в биологи­ческих структурах давным-давно изобретено колесо (!). Более то­го, это колесо аналогично ротору электродвигателя. Во всех этих типах движений скорость перемещении имеет лишь второстепен­ное значение. Этим объясняются малые абсолютные значения скоростей перемещения этих типов.}

_{Скорость перемещений становится критерием естественного отбора, фактором биологической эволюции при решении задачи поиска подвижной добычи или активного избегания опасности. Эта задача решается посредством движений трех различных ти­пов. При своеобразных движениях 6-го типа происходят быстрые изменения формы тела инфузорий и некоторых жгутиковых. Яр­ким примером такого движения является быстрое сокращение стебелька сувойки с укорочением в несколько раз за сотые доли секунды (скорость движения порядка 20 см/сек). Сокращение этого типа осуществляется за счет изменения упаковки (конфор­мации субъединиц) лолиглобулярнсй белковой фибриллы —- спазмонемы (мионемы). Непосредственной причиной такого из­менения является увеличение концентрации (активности) ионов, кальция [363]. Такой механизм позволяет сувойке и ее родствен­никам быстро, «мгновенно» выходить из опасного контакта с врагом. Однако обратное движение, лимитируемое, по-видимо- му, откачкой ионов кальция специфическими насосами, происхо­дит медленно. В то же время для любого перемещения в прост}­_{ранстве ,на расстояния, существенно превышающие размеры тела, нужны быстрые, многократные, периодические движения.}

_{Отличие спазмонемы от мышцы состоит в том, что в первом случае возможен лишь один акт сокращения при увеличении кон­центрации ионов кальция вблизи сократительной системы, и про­изводимая работа определяется непосредственно величиной из­менений концентраций (активностей) ионов кальция, а в мыш­це— после запуска ионами кальция начинается циклический про­цесс, на один импульс ионов кальция эсвобождаются многие сот­ни порций энергии макроэргических фосфатов, происходит резкое возрастание мощности. Пределом совершенства таких механиз­мов являются перемещения 7-го и 8-го типов — посредством жгу­тиков и ресничек эукариот и посредством мышц. Сведения об устройстве и функционировании жгутяков и ресничек можно най­ти в книгах Л. Н. Серавина [259] и Н И. Арронега [10], а также в [362, 402]. Поэтому нет необходимости подробно излагать имею- шиеся данные. Замечательна однотитность строения жгутикови ресничек эукариот. Жгутики н реснички (ундолоподии) всех эукариотных организмов состоят из 9 пар периферических фиб­рилл и 2 центральных фибрилл, погруженных в относительно бес­структурную протоплазму и окруженных трехслойной мембраной. Сами же фибриллы, как и в жгутиках бактерий, состоят из глобу­лярных макромолекул белка тубулина и динеина, полимеризиро­ванного в виде нити или трубочки. Важным научным достижением было создание моделей жгутиков и ресничек, способных к ритми­ческой активности. Это впервые удалось сделать Гофман — Бер­лин гу IB 1953—1954 гг. Он показал, что у мертвых, экстрагирован­ных 50%-ным раствором глицерина, простейших и сперматозои­дов после помещения в раствор, содержащий хлористый калий (в концентрации 0,1 М), ионы магния (в концентрации порядка 10~}³_{М), буферную смесь, поддерживающую pH близ 7—8 и АТФ в концентрации порядка 10}^_3_{М, возобновляются энергичные бие­ния жгутиков. С тех пор такие глицеринизированные препараты ундолоподий были получены из разных организмов (см. книгу Н. И. Арронета [10]). При обработке глицерином и другими экс­трагирующими веществами разрушается клеточная мембрана, вымывается протоплазма, и остаются лишь фибриллы. Образу­ющие их макромолекулы белка расщепляют АТФ. И этот про­цесс, эта АТФ-азная реакция сопровождается ритмическими до­стижениями фибрилл. В моделях частота биения жгутиков и рес­ничек пропорциональна логарифму концентрации АТФ. Значение этого обстоятельства рассмотрено выше. Движение ундолоподий отражает, вероятно, циклические изменения конформации — кон- формационные колебания — макромолекул фермента в каталити­ческом акте. Способность к таким колебаниям, равно как и спо­собность образовывать многомолекулярные ансамбли, должна быть свойственна самим белковым макромолекулам, образую­щим фибриллы ундулоподий.}

_{Наблюдавшиеся мною [335—339, 458] и другими авторами [293, 323] синхронные в макрообъеме конформационные колеба­ния в растворах белков актимиозинового комплекса или креа- тинкиназы происходят без субстратов и не отражают непосред­ственно циклические изменения макромолекул в ходе фермента­тивного катализа. Эти колебания беспорядочны, непериодичны, однако в них, вероятно, проявляется способность этих белков к синхронным колебаниям в ходе ферментативного катализа. Од­нако колебания, посредством которых работают аппараты био­логического перемещения в пространстве, должны осуществлять­ся за счет расщепления макроэргических соединений, вероятнее всего за счет расщепления АТФ.}

_{Так, Паутард (см. [362, с. 97]) наблюдал колебания (сокраще­ния частиц геля контр актильного белка, выделенного из ундуло­подий сперматозоидов рыб, в среде с АТФ в присутствии ионов магния.}

_{Весьма интересные наблюдения описаны А. Оплаткой и Р. Ти- рошем [440, 441]. В работах А. Оплатки и Р.Тироша [440] описано явление, возможно имеющее прямое отношение к приведенным рассуждениям. Авторы показали, что в растворах универсально- ю 'Сократительного белкового комплекса ,актомиозина, выделен­ного из плазмодия (или же из мышц кролика) и помещенного в узкие капилляры, в присутствии АТФ происходит энергичное дви­жение потоков раствора. Направления этого движения время от времени ритмически изменяются.}

_{Оплатка и Тирош полагают, что движением растворах белков актомиозинового комплекса происходит в результате конформа­ционных колебаний макромолекул за счет энергии АТФ. Это их предположение соответствует всей системе рассуждений, приве­денных выше. Однако прежде всего необходимо подтверждение феномена, описанного этими авторами, в новых эксперименталь­ных исследованиях \}

_{Поскольку биохимии и биофизике мышечного сокращения по­священо большое число фундаментальных работ [20, 40, 81, 82, 84, 85, 104, 376], и особенно книга В. И. Дещеревского [86], нам нет необходимости описывать современные представления по это}­_{му вопросу.}

_{Глава 10}

_{УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ. НЕРВНАЯ СИСТЕМА}

_{Совершенствование перемещений в пространстве. Возникновение рецепторов и нервов. Необходимость концентрации нервных центров}

_{(образование мозга) и рецепторов}

_{для обеспечения высокого совершенства управления движением.}

_{Эволюционный потенциал эгапа эволюции, начинающегося с выработки .аппаратов активного перемещения, обусловлен в ос}­_{новном возможностью векторизации перемещений в пространстве, выработки механизмов строго направленного движения. Наибо­лее сложно при этом обеспечение перемещений к произвольно движущейся цели. Такая задача возникла в процессе эволюции после выработки механизмов произвольного перемещения к относительно неподвижным целям. Но особенно острой она ста­новится при «взаимодействии» жертвы и хищника. Речь здесь идет о высокосовершенной жертве, способной к сложным произ­вольным движениям, и соответственно о не менее совершенном хищнике. Преследование совершенной жертвы совершенным хищ­ником сопряжено с предельно совершенным управлением пере­мещений в пространстве.}

_{Как хищник, так и жертва должны прежде всего быть способ­ны воспринимать сигналы, информацию о местонахождении «друг друга». Оба они должны, кроме того, быть в состоянии прослежи­вать траектории взаимного движения, обобщать увиденное и ус­лышанное, создавать абстрактный образ, т. е. находить общую закономерность перемещения «партнера», запоминать обобщен­ную картину, сопоставлять ее с реальной траекторией, направ­лять свое движение в ожидаемую точку пространства и, победив, съесть жертву или, избежав съедения, продолжить свое сущест­вование.}