ЧЯД. Глава 3. 4

                КТО-ТО ДОЛЖЕН ЗНАТЬ

Ресничка — это удивительная структура, которая заинтриговала ученых из многих дисциплин. Регулирование её размера и структуры интересует биохимиков; динамика её мощного удара очаровывает биофизиков. Экспрессия множества отдельных генов, кодирующих её компоненты, захватывает умы молекулярных биологов. Даже медики изучают их, потому что реснички важны с медицинской точки зрения: они встречаются в некоторых инфекционных микроорганизмах, а реснички в легких забиваются при генетическом заболевании муковисцидозе. Быстрый электронный поиск в профессиональной литературе показывает более тысячи статей за последние несколько лет, в названии которых есть ресничка или подобное слово. Статьи по смежным темам появились почти во всех крупных биохимических журналах, включая Science, Nature, Proceedings of the National Academy of Sciences, Biochemistry, Journal of Biological Chemistry, Journal of Molecular Biology, Cell и многие другие. За последние несколько десятилетий было опубликовано, вероятно, несколько тысяч статей, касающихся ресничек.

Поскольку существует такая большая литература о ресничках, поскольку она представляет интерес для таких различных областей, и поскольку широко распространено мнение, что теория эволюции является основой всей современной биологии, то можно было бы ожидать, что эволюция ресничек станет предметом значительного количества статей в профессиональной литературе. Хотя, возможно, некоторые детали будет труднее объяснить, чем другие, можно также ожидать, что в целом наука должна иметь хорошее представление о том, как эволюционировала ресничка. Промежуточные этапы, через которые она, вероятно, прошла, проблемы, с которыми она столкнулась на ранних этапах, возможные пути обхода таких проблем, эффективность предполагаемой зарождающейся реснички в качестве плавательной системы – все это, безусловно, было бы тщательно проработано.

Однако за последние два десятилетия только в двух статьях была предпринята попытка предложить модель эволюции ресничек, которая учитывала бы реальные технические соображения. Хуже того, эти две статьи расходятся друг с другом даже в отношении общего маршрута, по которому может пойти такая эволюция. Ни в одном документе не обсуждаются важные количественные детали или возможные проблемы, которые могут быстро привести к бесполезности механического устройства, такого как ресничка или мышеловка.

Первая статья, автором которой является Т. Кавалье-Смит (T. Cavalier-Smith), появилась в 1978 году в журнале BioSystems. В статье не делается попытка представить реалистичную техническую модель хотя бы одного этапа развития ресничек в клеточной линии, изначально лишенной этой структуры. Вместо этого рисуется картина того, что, по мнению автора, должно было стать значительным событием на пути к ресничке. Эти воображаемые шаги описаны в таких фразах, как «жгутики (длинные реснички часто называют« жгутики »), настолько сложные, что их эволюция должна была включать много стадий»; «я полагаю, что жгутики изначально не обязательно были подвижными, а представляли собой тонкие отростки клеток»; «организмы будут развиваться с большим разнообразием аксонемных структур»; «вероятно, что механизмы фототаксиса [движение к свету] развивались одновременно со жгутиками».

Цитаты придают особый аромат нечетким словесным картинкам, типичным для эволюционной биологии. Отсутствие количественных деталей – расчетов или обоснованной оценки, основанной на предложенной промежуточной структуре того, насколько любое конкретное изменение улучшило бы активную плавательную способность организма – делает такую историю совершенно бесполезной для понимания того, как на самом деле могла эволюционировать ресничка.

Позвольте мне поспешить добавить, что автор (известный ученый, внесший важных вклад в клеточную биологию) не имел в виду, что статья должна восприниматься как представляющая реалистичную модель; он просто пытался спровоцировать других. Он надеялся соблазнить других исследователей обещанием своей модели, пусть и смутно сконструированной, подтолкнуть их к какой-то работе, чтобы наполнить плотью истощенный скелет. Такая провокация может оказать важную услугу науке. К сожалению, за прошедшие годы никто не развил эту модель.

Вторая статья, написанная девять лет спустя венгерским ученым по имени Эорс Сатмари (Eors Szathmary) и также опубликованная в журнале BioSystems, во многом похожа на первую. Сатмари является сторонником идеи, отстаиваемой Линн Маргулис, о том, что реснички возникли, когда тип плавающей бактерии, называемой «спирохетой», случайно прикрепился к эукариотической клетке. Идея сталкивается со значительной трудностью, поскольку спирохеты передвигаются с помощью механизма (описанного ниже), который полностью отличается от механизма ресничек.

Предположение о том, что одно эволюционировало в другое, похоже на предложение о том, что игрушечную рыбку моей дочери можно превратить шаг за шагом в пароход Миссисипи. Саму Маргулис технические детали не интересуют. Она довольствуется поиском общих сходств в некоторых компонентах ресничек и бактериальных плавательных систем. Сатмари попытался пойти немного дальше и фактически обсудить технические трудности, которые придется преодолеть при таком сценарии. Однако его статья (как и статья Кавалье-Смита) просто словесная картинка, предоставляющая неразвитую модель научному сообществу для дальнейшей работы. Она так и не смогла спровоцировать такую экспериментальную или теоретическую работу ни со стороны автора, ни со стороны других.

В последние годы Маргулис и Кавалье-Смит конфликтовали в печати. Каждый указывает на огромные проблемы в модели другого, и каждый по своему прав. Однако фатальным является то, что ни одна из сторон не уточнила никаких технических деталей в своей модели. Без подобных деталей их дискуссия обречена быть ненаучной и бесплодной. Научное сообщество в целом проигнорировало оба вклада. Ни одна из статей не цитировалась другими учеными более нескольких раз за все годы после публикации.

Объем научных исследований, посвященных ресничкам, которые проводились и проводятся, а также значительный рост за последние несколько десятилетий нашего понимания того, как работают реснички, заставляют многих людей предполагать, что даже если они сами не знают, как реснички эволюционировали, кто-то должен знать. Но поиск профессиональной литературы доказывает их неправоту. Никто не знает.

                БАКТЕРИАЛЬНЫЙ ЖГУТИК

Мы, люди, склонны иметь о себе довольно возвышенное мнение, и такое отношение может повлиять на наше восприятие биологического мира. В частности, наше отношение к тому, что является высшим и низшим в биологии, что такое развитый организм и что такое примитивный организм, естественно, начинается с предположения, что вершиной природы являются мы сами. Такое предположение может быть защищено ссылкой на человеческое доминирование, а также философскими аргументами. Тем не менее, другие организмы, если бы они умели говорить, могли бы решительно отстаивать свое превосходство. Сюда входят и бактерии, которые мы часто считаем самыми грубыми формами жизни.

Некоторые бактерии могут похвастаться чудесным плавательным устройством – жгутиком, который не имеет аналогов в более сложных клетках. В 1973 году было обнаружено, что некоторые бактерии плавают, вращая свои жгутики. Таким образом, бактериальный жгутик действует как вращающийся винт – в отличие от реснички, которая действует скорее как весло.

W Структура жгутика (см.рис.) сильно отличается от структуры реснички. Жгутик представляет собой длинную волосовидную нить, встроенную в клеточную мембрану. Наружная нить состоит из одного типа белка, называемого «флагеллин». Нить жгутика – это поверхность винта, которая контактирует с жидкостью во время плавания. У основания нити жгутика на поверхности клетки имеется выпуклость. Именно здесь нить крепится к приводу ротора. Материал прикрепления состоит из того, что называется «белком-крючком». Нить бактериального жгутика, в отличие от реснички, не содержит моторного белка. Если она обрывается, нить просто неподвижно плавает в воде. Поэтому двигатель, вращающий нить-винт, должен находиться где-то в другом месте. Эксперименты показали, что он расположен у основания жгутика, где электронная микроскопия показывает наличие нескольких кольцевых структур. Вращающаяся природа жгутика должна иметь очевидные  и неизбежные предпосылки, как отмечается в популярном учебнике по биохимии:

«[Бактериальный вращающийся двигатель] должен иметь те же технические элементы, что и другие вращающиеся устройства: ротор (вращающийся элемент) и статор (неподвижный элемент)».

Ротор был идентифицирован как кольцо M на рисунке, а статор как кольцо S. W

Вращающаяся природа бактериального жгутикового мотора была поразительным и неожиданным открытием. В отличие от других систем, генерирующих механическое движение (например, мышцы), бактериальный мотор напрямую не использует энергию, которая хранится в молекуле-носителе, такой как АТФ.

Скорее, для перемещения жгутик использует энергию, генерируемую потоком кислоты через бактериальную мембрану. Требования к мотору, основанному на таком принципе, достаточно сложны и находятся в центре внимания активных исследований. Было предложено несколько моделей такого двигателя. Ни одна из них не является простой. (Одна из таких моделей показана на рисунке только для того, чтобы дать читателю представление об ожидаемой сложности двигателя.)

Бактериальный жгутик использует гребной механизм. Поэтому он должен соответствовать тем же требованиям, что и другие подобные плавательные системы. Поскольку бактериальный жгутик обязательно состоит по крайней мере из трех частей – лопасти, ротора и двигателя – он неупрощаемо сложен. Таким образом, постепенная эволюция жгутика, как и реснички, сталкивается с огромными трудностями.

Профессиональная литература по бактериальным жгутикам примерно так же богата, как и литература по ресничкам: за прошедшие годы по этой теме были опубликованы тысячи статей. Это неудивительно; жгутик представляет собой интересную биофизическую систему, а жгутиковые бактерии важны с медицинской точки зрения. Однако и здесь эволюционная литература полностью отсутствует. Хотя нам говорят, что всю биологию следует рассматривать через призму эволюции, ни один ученый никогда не представил модель, объясняющую постепенную эволюцию этой необычной молекулярной машины.

               ДАЛЬШЕ ТОЛЬКО ХУЖЕ

Выше я отметил, что ресничка содержит тубулин, динеин, нексин и несколько других соединительных белков. Однако, если вы возьмете их и введете в камеру, в которой отсутствует ресничка, они не соберутся, чтобы дать функционирующую ресничку. Для получения реснички в клетке требуется гораздо больше. Тщательный биохимический анализ показывает, что ресничка содержит более двухсот различных видов белков. Фактическая сложность ресничек много больше, чем мы рассмотрели. Все причины такой сложности пока не ясны и ожидают дальнейших экспериментальных исследований. Есть и другие задачи, для которых могут потребоваться белки: прикрепление реснички к базовой структуре внутри клетки, изменение эластичности реснички, контроль времени колебания и укрепление цилиарной оболочки.

Бактериальному жгутику, помимо уже обсуждавшихся белков, для функционирования требуется около сорока других белков. Опять же, точная роль большинства белков неизвестна, но они включают сигналы включения и выключения мотора; «буширующие» белки, позволяющие жгутику проникать через клеточную мембрану и клеточную стенку; белки, помогающие в сборке структуры; и белки, регулирующие выработку белков, составляющих жгутик.

Подводя итог, можно сказать, что когда биохимики начали изучать, казалось бы, простые структуры, такие как реснички и жгутики, они обнаружили ошеломляющую сложность с десятками или даже сотнями точно подобранных частей. Весьма вероятно, что многие из частей, которые мы здесь не рассмотрели, необходимы для функционирования любой реснички в клетке. По мере увеличения количества необходимых деталей сложность постепенной сборки системы резко возрастает, а вероятность непрямых сценариев резко падает. Дарвин выглядит все более и более несчастным. Новые исследования роли вспомогательных белков не могут упростить нередуцируемо сложную систему. Непримиримость проблемы не может быть смягчена – будет только хуже. Дарвиновская теория не дала объяснения существованию ресничек или жгутиков. Невероятная сложность систем плавания заставляет нас думать, что она никогда и не даст объяснения.

По мере того, как растет число систем, сопротивляющихся градуалистскому объяснению, необходимость в новом виде объяснения становится все более очевидной. Реснички и жгутики — далеко не единственные проблемы дарвинизма. В следующей главе я рассмотрю биохимическую сложность, лежащую в основе кажущейся простоты свертывания крови.

Продолжение http://proza.ru/2024/07/23/1698

Начало http://proza.ru/2024/07/09/355