ЧЯД. Глава 4. 4

                СОВРЕМЕННОЕ ИСКУССТВО

Теперь мы готовы двигаться вперед. В этом разделе я воспроизведу попытку эволюционного объяснения свертывания крови, предложенную Расселом Дулиттлом*. Он выдвинул гипотезу о серии шагов, в которых белки свертывания появляются один за другим. Тем не менее, как я покажу в следующем разделе, объяснение совершенно неадекватно, потому что не приводится никаких причин появления белков, не предпринимается никаких попыток вычислить вероятность появления белков и не предпринимается никаких попыток оценить свойства новых белков.

Рассел Дулиттл, профессор биохимии в Центре молекулярной генетики Калифорнийского университета в Сан-Диего, является самым известным человеком, заинтересованным в эволюции системы свертывания. Со времени написания своей докторской диссертации в Гарварде «Сравнительная биохимия свертывания крови» (1961) профессор Дулиттл исследовал системы свертывания крови различных, «простых» организмов в надежде, что это приведет к пониманию того, как возникла такая система у млекопитающих. Недавно Дулиттл рассмотрел состояние современных знаний по теме, опубликовав статью в журнале «Тромбоз и гемостаз». Журнал предназначен для профессиональных ученых и докторов медицинских наук, работающих над аспектами свертываемости крови. По сути, аудитория журнала – это те люди, которые знают о свертывании крови больше, чем кто-либо другой на земле.

Дулиттл начинает свою статью с постановки большого вопроса: «Как в мире развивался этот сложный и тонко сбалансированный процесс? ... Парадокс заключается в том, что если  каждый белок зависит от активации другим, как могла возникнуть вся система? Какая польза от какой-либо части схемы без всего ансамбля?»

Эти вопросы лежат в основе исследования этой книги. Стоит подробнее процитировать статью Дулиттла. Я изменил некоторые технические термины в цитате, чтобы сделать ее более читабельной для широкой аудитории.

Свертывание крови – это тонко сбалансированный феномен, включающий протеазы, антипротеазы и субстраты протеаз. Как правило,  каждое движение вперед порождает некоторую реакцию, направленную назад. К его пошаговой эволюции можно применить различные метафоры: действие-противодействие, точка зрения и контрапункт, хорошие новости и плохие новости. Однако моя любимая: инь и ян.

В древней китайской космологии все, что возникает, является результатом сочетания противоположных принципов инь и ян. Ян является мужским началом и олицетворяет активность, высоту, тепло, свет и сухость. Инь, женский контрапункт, олицетворяет пассивность, глубину, холод, темноту и влагу. Их брак дает истинную сущность всех вещей. Помня, что это всего лишь метафора, рассмотрим следующий сценарий инь и ян в эволюции свертывания крови позвоночных.

Я произвольно обозначил ферменты или проферменты как ян, а неферменты как инь.

W Инь: Тканевый фактор (TF) появляется в результате дупликации гена [другого белка], который связывает домены EGF. Новый генный продукт вступает в контакт с кровью или гемолимфой только после повреждения тканей.

Ян: Протромбин появляется в древнем обличье с прикрепленными доменами EGF, в результате ... дупликация генов протеазы и... перетасовки. Домен EGF служит сайтом для подключения и активации открытым TF.

Инь: Тромбиновый рецептор образуется в результате дупликации гена [белковой области, которая прилипает к клеточной мембране]. Расщепление активируемым TF протромбином влияет на сократимость клеток или слипание.
Снова инь: Фибриноген – это белок – гибрид, полученный от чувствительного к тромбину [удлиненного] отца и [белка с компактной структурой] матери.

Снова инь: появляется антитромбин III, как продукт дупликации белка с аналогичной общей структурой.

Ян: Плазминоген вырабатывается из огромного количества ... протеаз, уже имеющихся в наличии. Он поставляется с ... доменами, которые могут связываться с фибрином. Его активация путем связывания с бактериальными белками ... отражает предыдущую роль антибактериального агента. 

Инь: Антиплазмин возникает в результате дупликации и модификации [белка с похожей общей структурой], вероятно, антитромбина.

Инь и Ян: высвобождается тромбин-активируемый [сшивающий белок].

Ян: Появляется тканевый активатор плазминогена (TPA). По-разному перемешанные домены позволяют ему связываться с несколькими веществами, включая фибрин.

Брак: Модификация протромбина путем приобретения «gla»-домена. Обеспечивается способность связывать кальций и связываться со специфическими [отрицательно заряженными] поверхностями.

Инь: Появление проакселерина в результате дублирования [гена белка с аналогичной общей структурой] и приобретения некоторых других [фрагментов гена].

Ян: Появляется фактор Стюарта, как дубликат протромбина; его способность связываться с проакселерином может привести к... активация протромбина, независимо от . . . активация с помощью TF.

Снова Ян: Проконвертин дублируется из фактора Стюарта, высвобождая протромбин для лучшего связывания с фибрином. В сочетании с тканевым фактором проконвертин способен активировать фактор Стюарта, разрезая его.

Снова Ян: Фактор Кристмаса от фактора Стюарта. В течение некоторого времени оба связываются с проакселерином.

Инь: Антигемофильный фактор из проакселерина. Быстро адаптируется к взаимодействию с рождественским фактором.

Ян: Протеин С генетически получен из протромбина. Инактивирует проакселерин и антигемофильный фактор путем ограничения [разрезания].

Развод: Протромбин участвует в обмене [частями генов], в результате чего у него остаются [домены] для связывания с фибрином вместо его доменов EGF, которые больше не нужны для взаимодействия с TF. W


                КАК ТАК?


Теперь давайте уделим немного времени, чтобы критически взглянуть на сценарий профессора Дулиттла. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что не упоминаются причинные факторы. Так тканевый фактор «появляется», фибриноген «рождается», антиплазмин «возникает», ТФК «вырывается», сшивающий белок «высвобождается» и так далее.

Мы можем спросить, что именно вызывает все эти скачки и высвобождения? Дулиттл, по-видимому, имеет в виду пошаговый дарвиновский сценарий, включающий ненаправленное, случайное дублирование и рекомбинацию частей генов. Но подумайте об огромной удаче, необходимой для того, чтобы получить нужные фрагменты генов в нужных местах. Эукариотические организмы имеют довольно много фрагментов генов, и, по-видимому, процесс, который их переключает, является случайным. Таким образом, создание нового белка свертывания крови путем перетасовки похоже на случайный выбор дюжины предложений из энциклопедии в надежде сделать связный абзац. Профессор Дулиттл не утруждает себя подсчетом того, сколько неправильных, неактивных, бесполезных «по-разному перетасовываемых доменов» должно быть отброшено, прежде чем получить белок, скажем, с ТФК-подобной активностью.

Чтобы проиллюстрировать проблему, давайте проведем наши собственные быстрые расчеты. Учтите, что животные с системой свертывания крови имеют примерно 10 000 генов, каждый из которых разделен в среднем на три части. Это дает в общей сложности около 30 000 фрагментов генов. TPA имеет четыре различного типа доменов.  «По-разному перемешивая» шансы собрать эти четыре области вместе составляют 30 000 в четвертой степени, что примерно равняется одной десятой в восемнадцатой степени.    Если бы ирландский тотализатор имел шансы на выигрыш одну десятую в восемнадцатой степени, и если бы миллион человек играл в лотерею каждый год, потребовалось бы в среднем около тысячи миллиардов лет, прежде чем кто-либо (а не только конкретный человек) выиграл бы в лотерею. Тысяча миллиардов лет – это примерно в сто раз больше нынешней оценки возраста Вселенной.

Небрежный язык Дулиттла («пружина» и т. д.) таит в себе огромные трудности. Та же проблема сверхмалых коэффициентов будет беспокоить появление протромбина («результат ... дупликация генов протеазы и... перетасовки»), фибриногена («белка-ублюдка, полученного из...»), плазминогена, проакселерина и каждой из нескольких предложенных перегруппировок протромбина. Дулиттлу, по-видимому, нужно перетасовать колоду и получить  себе несколько идеальных раздач, чтобы выиграть игру. К сожалению, у Вселенной нет времени ждать.

Второй вопрос, который следует рассмотреть, – это предположение, что белок, созданный из дублированного гена, сразу же будет обладать новыми, необходимыми свойствами. Нам говорят, что «тканевый фактор появляется в результате дупликации гена  [другого белка]». Но тканевый фактор, конечно, не появится в результате дупликации – появится другой белок. Если бы фабрика по производству велосипедов была продублирована, она производила бы велосипеды, а не мотоциклы. Вот что подразумевается под словом дублирование.

Ген белка может быть продублирован случайной мутацией, но он не просто «случайно» обладает сложными новыми свойствами. Поскольку продублированный ген – это просто копия старого гена, объяснение появления тканевого фактора должно включать предполагаемый путь, который он прошел, чтобы приобрести новую функцию. Эта проблема осторожно обходится стороной. Схема Дулиттла сталкивается с той же проблемой при производстве протромбина, рецептора тромбина, антитромбина, плазминогена, антиплазмина, проакселерина, фактора Стюарта, проконвертина, фактора Кристмаса, антигемофильного фактора и белка С – практически каждого белка системы!

Третья проблема в сценарии свертывания крови заключается в том, что он позволяет избежать важных вопросов о том, сколько, как быстро, когда и где. Ничего не сказано о количестве первоначально доступного материала для свертывания, прочности сгустка, который был бы сформирован примитивной системой, о продолжительности времени, которое потребовалось бы сгустку, чтобы сформироваться после разреза, о том, какому давлению жидкости сгусток будет сопротивляться, насколько пагубным будет образование  неподходящих сгустков или сотня других подобных вопросов.

Абсолютные и относительные значения этих и других факторов могут сделать любую конкретную гипотетическую систему возможной или (что более вероятно) совершенно неверной. Например, если бы было доступно лишь небольшое количество фибриногена, он бы не покрыл рану; если бы примитивный фибрин образовал случайный сгусток вместо сетчатой структуры, он вряд ли остановил бы кровоток. Если бы начальное действие антитромбина было слишком быстрым, начальное действие тромбина слишком медленным или исходный фактор Стюарта или фактор Кристмаса или антигемофильный фактор были бы связаны слишком слабо или слишком плотно (или если бы они связывались с неактивными формами своих целей, а также с активными формами), то вся система рухнула бы.  Ни на одном этапе – ни на одном – Дулиттл не предлагает модель, которая включала бы числа или количества. Без чисел нет науки. Когда рисуется просто словесная картина развития такой сложной системы, нет абсолютно никакого способа узнать, будет ли она работать на самом деле. Когда такие важные вопросы игнорируются, мы оставляем науку и вступаем в мир Кальвина и Гоббса.

Тем не менее, возражения, выдвинутые до сих пор, не являются серьезными. Самое серьезное и, возможно, самое очевидное касается неснижаемой сложности. Я подчеркиваю, что естественный отбор, двигатель дарвиновской эволюции, работает только в том случае, если есть что-то, что можно отобрать – что-то, что полезно прямо сейчас, а не в будущем. Однако, даже если мы примем его сценарий для обсуждения, по собственному признанию Дулиттла, свертывание крови не появится, по крайней мере, до третьего шага. Образование тканевого фактора на первом этапе необъяснимо, так как в этом случае он будет лежать без дела. На следующем этапе (протромбин появляется, уже наделенный способностью связывать тканевый фактор, который каким-то образом активирует его) бедный протопротромбин также будет бездельничать, пока наконец на третьем этапе не появится гипотетический тромбиновый рецептор, а на четвертом этапе с неба не упадет фибриноген. Плазминоген появляется в один этап, но его активатор (TPA) появляется только через два этапа. Фактор Стюарта вводится на одном этапе, но коротает время, ничего не делая, пока его активатор (проконвертин) не появится на следующем этапе, и каким-то образом тканевый фактор не решит, что это тот комплекс, который он хочет связать. Практически каждый шаг предлагаемого пути сталкивается с аналогичными проблемами.

Простые слова, такие как «активатор появляется только через два шага», могут не впечатлять, пока вы не задумаетесь о последствиях.

Поскольку два белка – профермент и его активатор – необходимы для одного этапа пути, то шансы получить оба белка вместе примерно равны квадрату шансов получить один белок. Мы подсчитали, что шансы получить только TPA составляют одну десятую в восемнадцатой степени; шансы на то, что ТПА и его активатор будут вместе, будут составлять около одной десятой от тридцать шестой степени! Это ужасающе большое число. Такого события нельзя было бы ожидать, даже если бы десятимиллиардная жизнь Вселенной была сжата в одну секунду и переживалась каждую секунду в течение десяти миллиардов лет. Но на самом деле ситуация намного хуже: если бы белок появлялсся на одном этапе и ему нечего было бы делать, мутация и естественный отбор способствовали бы его  устранению. Поскольку он не делает ничего важного, его потеря не будет пагубной, а производство гена и белка будет стоить энергии, которую животный организм не тратит напрасно. Таким образом, производство бесполезного белка будет, по крайней мере, в некоторой степени, пагубным. Дарвиновский механизм естественного отбора на самом деле препятствовал бы образованию нередуцируемо сложных систем, таких как каскад свертывания.

Сценарий Дулиттла неявно признает, что каскад свертывания является неснижаемо сложным, но он пытается решить дилемму с градом метафорических ссылок на Инь и Ян. Суть в том, что кластеры белков должны быть вставлены все сразу в каскад. Это может быть сделано только путем постулирования «обнадеживающего монстра», который, к счастью, получает все белки одновременно, или с помощью разумного агента.

Следуя примеру профессора Дулиттла, мы могли бы предложить путь, по которому была изготовлена первая мышеловка: молоток появляется в результате дублирования лома в нашем гараже. Молоток соприкасается с платформой в результате перетасовки нескольких палочек от мороженого. Пружина исходит из напольных часов, которые использовались в качестве устройства для измерения времени. Удерживающая штанга сделана из соломинки, торчащей из выброшенной банки из-под кока-колы, а защелка из крышки от бутылки пива. Но так не происходит, если только кто-то или что-то другое не руководит процессом.

Вспомним, что аудитория Дулиттла для статьи в «Thrombosis and Haemostasis» – это лидеры в исследовании свертывания крови – они знают о состоянии дел. Однако статья не объясняет им, как свертывание могло возникнуть и впоследствии развиться; вместо этого она просто рассказывает историю. Факт в том, что никто на земле не имеет ни малейшего представления о том, как возник каскад свертывания.

                АПЛОДИСМЕНТЫ, АПЛОДИСМЕНТЫ


Предыдущее обсуждение не было предназначено для того, чтобы принизить Рассела Дулиттла, который за многие годы проделал большую работу в исследовании структуры белка. На самом деле, он заслуживает большой похвалы за то, что является одним из очень немногих – возможно, единственным человеком – который на самом деле пытается объяснить, как возникла эта сложная биохимическая система. Никто другой не приложил столько усилий, чтобы задуматься о происхождении свертывания крови. Цель нашего обсуждение проиллюстрировать огромную трудность (на самом деле, очевидную невозможность) проблемы, которая сопротивлялась решительным усилиям первоклассного ученого в течение четырех десятилетий.

Свертывание крови – это парадигма ошеломляющей сложности, которая лежит в основе, казалось бы, простых процессов в организме. Столкнувшись с подобной сложностью, заключенной  даже в простых явлениях, дарвиновская теория замолкает.

Подобно некой совершенной машине Руба Голдберга, каскад свертывания крови представляет собой захватывающий дух эквилибристику, в которой целый зверинец биохимических веществ – с различными украшениями и перестановками, полученными за счет модификации ферментов – отскакивают друг от друга под точными углами в тщательно упорядоченной последовательности, пока в развязке Фоггорн-Легхорн не отталкивается от телефонного столба и не встает с земли, кровотечение из его ран останавливается. Аудитория поднимается на ноги и продолжительно аплодирует.




*Рассел Дулиттл (иллюстрация) (Russell F. Doolittle 1931 – 2019) – американский биохимик, работал и преподавал в UCSD (University of California, San Diego). Член различных американских академий и стипендиат престижных премий. Эволюционный биолог. Автор книги «Эволюция свертывания крови позвоночных» (The Evolution of Vertebrate Blood Clotting).

Продолжение  http://proza.ru/2024/08/09/386

К началу http://proza.ru/2024/07/09/355