Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 8.3. Схема смены структур St -> 53 -* 57 -> 58 -> и т. д.
Если бы в некоторой нуклеиновой кислоте с определенной структурой воплотился псевдопотенциал безошибочного самовоспроизводства, то для дальнейшей эволюции она не имела бы особого значения: через несколько поколений ее «настигла бы и перегнала» менее совершенная самовоспроизводящаяся структура (Bresch, 1977). Таким образом, установление физической концепции ценности должно включать в явном виде способность к мутации (Кйрреп, 1986). То, что самовоспроизведение молекул должно сопровождаться ошибками копирования, физически самоочевидно: выполняющиеся в процессе репликации молекул законы квантовой механики и статистической термодинамики обусловливают неустранимый «внутренний шум», который с необходимостью приводит к ошибкам копирования. В том же направлении оказывают свое действие и неизбежные внешние возмущения — «внешний шум», создаваемый, например, квантами излучения. Как сказываются ошибки в копировании на длине самовоспроизводящихся полимерных молекул? Если обозначить через q вероятность правильного построения фрагментов в копии заданного эталона, и через 1 — q — вероятность ошибки, то вероятность получения правильной копии всей молекулы длиной и определяется величиной
Q = [l-(l-д)]*» 1-^(1-9). (8.3)
При простом самовоспроизведении нуклеиновых кислот (см. разд. 5.1), без участия специализированных ферментов, построение дополнительной копии основано только на образовании относительно сильных водородных связей между дополнительными парами оснований А—У, А—Т и Ц—Г. Однако при нормальной температуре селективность таких взаимодействий не очень велика. В табл. 8.1 представлены константы ассоциации различных пар оснований в неполярном растворителе. Нетрудно видеть, что дополнительные пары оснований отчетливо выделяются
СС1« У А Ц г
С6н7\
У 550 <50 <1000
А 150 <50 <1000
ц <28 <28 50 <1000
28
г <1200 <1200 30000 '''¦''\1000
1200^V^
большими значениями констант ассоциации, однако различие заключено в пределах от 101 до 102. Следовательно, вероятность ошибки при образовании дополнительной пары должна лежать в интервале от 0,1 до 0,01; иначе говоря, мы получаем значения q от 0,90 до 0,99. Какова максимальная длина цепи, которая может возникать при столь простом способе самовоспроизведения? Если принять величину Qmi„ « 1/2 за нижнюю границу способности к самовоспроизведению, то из формулы (8.3) следует, что максимальная длина цепи определяется величиной
In Qn
In Q„
0,7
- , , , (8-4)
In q q-ll-q
Для рассмотренного нами выше примера максимальная длина цепи заключена в интервале от 7 до 70. Это позволяет в благоприятном случае осуществить копирование транспортных нуклеиновых кислот (тРНК), содержащих около 80 фрагментов. Более точный анализ должен учитывать, что фрагменты различных сортов могут считываться с различной точностью.
Пусть qi (г = 1,..., А) — вероятность правильного построения фрагмента t-го сорта. Вероятность правильного воспроизведения цепи из щ фрагментов сорта i определяется выражением
0 = П«Ги1-1^М1-»)- (8-5)
X—1 *=1
В предположении о приближенном равнораспределении компонент */,- ft# и/Х получаем для максимальной длины цепи
(8-6)
Е(Я> - !) i=l
Экспериментально для гуанина и цитозина получен уровень ошибок около 1%, а для аденина и урацила — около 10% (Frese, 1979), т.е.
qi = 0,99 при i = Г, Ц; qi = 0,90 при i = А, У.
Подставляя полученные значения в формулу (8.6), находим максимальную длину цепи итах и 12. Из этих оценок следует, что в «протосупе» только наиболее простые и относительно короткие нуклеиновые кислоты имели шанс на самовоспроизвве-дение. Поэтому вычисленный Эйгеном (Eigen, 1979) и Винклер протогеном —
тРНК с 76 нуклеотидами — заведомо является результатом длительного процесса эволюции. Вероятно, что на этой первой фазе цель эволюции состояла главным образом в улучшении механизма воспроизведения. В ходе эволюции этот механизм был доведен до высокой степени совершенства путем создания аппарата ферментов, управляющего воспроизведением. Это относится уже к простейшим организмам — вирусам. В частности, обширный экспериментальный материал накоплен, относительно процесса воспроизведения и ошибок у бактериофагов — мельчайших вирусов, нападающих на бактерию как на клетку-хозяина (KUppers, 1979, 1983, 1986).
В частности, такого рода эксперименты проводились с Q-фагами, инфицирующими бактерии Coli. Геном этих фагов (совокупность наследственной информации) состоит из одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты (РНК). После внедрения вирусного генома в клетке-хозяине продуцируется особый фермент — так называемая РНК-репликаза, делающая возможной репродукцию вирусной РНК. Воспроизведение РНК происходит с фантастической точностью. Вейссман показал, что ошибка происходит только при считывании каждого трехтысячного нуклеотида, т. е. 1-9 = 3- 10-4. Эйген (Eigen, 1979) положил для вирусной РНК Qmi„ « 1/4 и, подставив в формулу (8.4), получил оценку итт и 4600. Реальная длина вирусной РНК достигает, по Вейссману, 4500 нуклеотидов, что подтверждает приведенную выше оценку (Frese, 1979). Как мы уже знаем, даже относительно примитивный механизм воспроизведения вирусов обеспечивает устойчивое воспроизведение цепей длиной примерно до 104 нуклеотидных единиц. Возникающая на следующей ступени эволюции регулируемая ферментами репликация ДНК у прокариотов функционирует уже с частотой ошибки 10-7 на один акт присоединения нуклеотида и поэтому позволяет воспроизводить цепи ДНК длиной до 7 • 106 (по оценке (8.4)). Наконец, развитый у эукариотов механизм рекомбинаторного (полового) воспроизведения достигает непостижимо малой частоты ошибки — около 0,3 • 10-9 на один акт присоединения нуклеотида. Соответственно, это означает возможность репродуцирования цепи ДНК длиной около 109 нуклеотидов. С возрастанием длины генома увеличивается и количество информации, передаваемой следующему поколению. В то время как вирусная РНК может переносить не больше информации, чем обычная книжная страница, ДНК поликариотов содержит уже примерно такую же информацию, как книга, а геном эукариотов по информационной емкости сравним с библиотекой.
