VIVOS VOCO: В.Я. Александров, "Клетки, макромолекулы и температура (фрагменты)"

За последние десятилетия разработка различных биологических проблем на клеточном и молекулярном уровнях чрезвычайно убыстрилась. Становится все труднее и труднее усваивать нарастающий поток данных, чтобы удерживаться на переднем крае науки. Все более справедливыми кажутся слова моего учителя, академика Алексея Алексеевича Заварзина: "... если ученый с удовольствием читает корректуру своей статьи, то ему пора перестать заниматься наукой". Вот в этой ситуации возникло желание подвести итог тому, что сделано мной и моими сотрудниками, а также исследователями других лабораторий по проблеме клеточных и молекулярных механизмов, обеспечивающих приспособление организмов к температуре среды. После двадцати пяти лет исследований в этой области казалось оправданным и нужным проделать такую работу, чтобы оценить достоверность и существенность полученных результатов и выявить наиболее перспективные пути для дальнейшего изучения этой проблемы. Однако против такого решения можно было привести ряд доводов.

Подобная книга, как и всякая в нашей области, изложила бы более или менее правильно состояние проблемы к моменту ее написания. Вместе с тем непрерывное и все ускоряющееся накопление новых фактов и идей может в ближайшее время превратить книгу в правдивую сводку заблуждений недавного прошлого. Я неоднократно с удовлетворением думал о том, что поступил совершенно правильно, воздержавшись несколько лет назад от написания книги. Ведь тем самым я избежал публикации ряда не оправдавших себя положений, кроме того, в книге отсутствовали бы данные и соображения, которые мне сейчас кажутся ценными. Вдобавок это оторвало бы меня на долгий срок от текущей исследовательской работы. И все же я решил взяться за книгу, несмотря на эти негативные доводы, учитывая, что от этих доводов не удастся избавиться и в будущем.

У меня не было бы повода написать эту книгу, если бы в разработку проблемы, которой она посвящена, не вложили бы свой большой труд мои дорогие ученики и сотрудники: О.Г. Агеева, А.П. Андреева, Т.А. Антропова, Н.И. Арронет, К.А. Барабальчук, В.А. Бернштам, М.Д. Васьковский, В.Н. Витвицкий, И.С. Горбань, Л.С. Губницкий, Е.И. Денько, И.Г. Завадская, И.Е. Каменцева, И.М. Кислюк, М.Ф. Константинова, А.Г. Ломагин, М.И. Лютова, Л.В. Ульянова, Н.Л. Фельдман, Г.Г. Шухтина, А.М. Щербакова, А. Язкулыев, В.И. Яковлева. Они же оказали огромную помощь при написании и оформлении этой книги. Всех их прошу принять мою глубокую сердечную благодарность.

В предлагаемой книге речь идет о животных, растениях и микроорганизмах, о клетках, белках, нуклеиновых и жирных кислотах, о различных клеточных функциях и энзиматических процессах и о многом другом. Включение в рамки одной книги столь пестрого и разношерстного материала оправдано тем, что я пытался многообразные факты использовать для обоснования одной общей идеи. В наше время глубокой дифференциации биологических дисциплин подобные попытки связаны с большими трудностями и с опасностью впасть в ошибки при использовании материала, не относящегося к узкой специальности автора. Единственным выходом при таком положении дел для меня - цитолога - было широкое использование дружеской помощи со стороны специалистов смежных областей: систематиков, экологов, генетиков, биохимиков, биофизиков и т.д. Я надеюсь, что плодотворные дискуссии с ними и просмотр ими написанных мною глав избавили книгу от многих промахов и заблуждений. Я глубоко признателен всем им за неоценимую помощь и затраченный труд. Однако я воздержусь от упоминания их имен, ибо боюсь, что читатель заподозрит меня в желании возложить на моих консультантов вину за те ошибки, которые, вероятно, еще остались в этой книге.

В. Александров
Ботанический институт им. В.Л. Комарова АН СССР
г. Ленинград

ВВЕДЕНИЕ

Все физико-химические процессы, поддерживающие жизнедеятельность и обеспечивающие функциональную активность клеток, зависят в большей или меньшей степени от температуры. Это обусловлено температурной зависимостью термодинамических и кинетических констант, диктующих направление и скорость химических реакций, конформационных переходов биологических макромолекул, фазовых переходов липидов, изменение структуры воды и т.д. Всякий сдвиг температуры неминуемо должен изменить темп метаболизма и нарушить исходные соотношения скоростей отдельных его составляющих. Вместе с тем нормальная работа клеток может сохраняться при довольно значительных вариациях температуры внешней среды (биокинетическая зона температурной шкалы).

Относительная независимость жизненного процесса от колебаний температуры достигается целым арсеналом приспособлений, вырабатывающихся у организмов в течение всей биологической эволюции. В основе их лежат разнообразные физические и химические принципы. Для сохранения относительно нормального уровня жизнедеятельности при изменении температуры организмы используют регуляцию биохимических процессов путем ускорения или замедления работы ферментов, усиления или ослабления их синтеза, изменения свойств биологических макромолекул, пуска в ход процессов, вырабатывающих или поглощающих тепло, теплоизоляцию, уход от мест с неблагоприятным температурным режимом и т.д. Если охлаждение или перегрев среды достигают уровня, превышающего адаптивные возможности организма, и становятся несовместимыми с его активной жизнью, то в распоряжении многих организмов имеется вторая линия обороны - переход к состоянию более или менее скрытой жизни. При этом сохраняется возможность возвращения к нормальной жизнедеятельности при восстановлении приемлемых температурных условий. В каждый момент жизни организма, на каждом этапе эволюции вида живые системы вынуждены считаться с изменением температуры среды. Приспособление к температурному фактору вовлекает все уровни организации живого, начиная с молекулярного и кончая биоценотическим, и на различных уровнях может достигаться адаптивный результат.

Многие растения избегают избыточного перегрева и освещения, произрастая под пологом других видов растений. Здесь адаптивный эффект осуществляется на биоценотическом уровне. Удивительные средства, которые используют пчелы для борьбы с перегревом и переохлаждением улья, могут служить примером социального приспособления. Охлаждение организма животных с помощью секреции потовых желез, а растений путем транспирации является приспособлением на уровне организма. Переход хлоропластов от беспорядочного (апострофного) к профильному, пристеночному (парастрофному) расположению при слишком сильном освещении следует отнести к адаптации на клеточном уровне, а высокую теплоустойчивость белков термофильных микроорганизмов - к адаптации на молекулярном уровне организации живых систем.
Благодаря всем этим ухищрениям биологическая эволюция породила виды животных, растений и микроорганизмов с совершенно различными требованиями к температуре среды. В результате все климатические зоны нашей планеты оказались заселенными живыми организмами. На суше высшие растения растут на Земле Франца-Иосифа, где максимальная температура воздуха никогда не превышает 6-7°, и в тропических пустынях с температурным максимумом около 50° при температуре почвы, иногда превышающей 70°. Разнообразный мир животных, населяющих ультрабиссальную зону океанов, существует при постоянной температуре около 2°, а в поверхностных водах Арктики и Антарктики - при -1.8°. В то же время предпочитаемые температуры живущих в африканских пустынях рептилий доходят до 45°, а членистоногих - до 49° (Herter, 1943). Еще шире температурный диапазон жизнеспособности у микроорганизмов (Skinner, 1968). Среди них мы находим психрофилов, температурный оптимум которых лежит около 0°, а максимум не превышает 15-20°, и термофилов с оптимумом порядка 70-80° и максимумом при 90°.

Брок с сотрудниками (Brock et al., 1971) в Йеллоустонском парке нашли серные бактерии, живущие в кипящей воде. Зернов и Шмальгаузеи (1944) обнаружили в соленых озерах Боровского заповедника в Казахстане жгутиковые водоросли (Paramimonas sp. и Dunaliella sp.), активно двигавшиеся при температуре -7.75°. В опыте они были подвижными и при -15°. Активная жизнь микроорганизмов установлена и в соленых водоемах Антарктики, в которых вода замерзает лишь при -48° (Meyer et al., 1962). Термофильная сульфатвосстанавливающая бактерия под давлением 1000 атм. росла при 104° (Zossell, 1958, цит. по: Skinner, 1968). Таким образом, активная жизнь возможна на протяжении всей температурной зоны, в пределах которой вода существует в жидком состоянии.

Еще шире температурные границы скрытой жизни. Имеются живые объекты, выдерживающие температуру жидкого гелия 72°) и в сухом виде нагрев до 170°.

Приспособление организмов к температуре среды - проблема почти необъятная; она представляет первостепенный интерес для различных разделов теоретической биологии и непосредственно связана с рядом практически важных вопросов сельского хозяйства, медицины и промышленности. Отсюда с неизбежностью вытекает, что одним автором в рамках одной книги может быть охвачен лишь какой-то фрагмент данной проблемы, а не проблема в целом.

В настоящей книге рассмотрение проблемы будет ограничено рамками цитоэкологии и молекулярной экологии.

Термин "цитоэкология", по-видимому, впервые появился в литературе в заглавии статьи Тишлера (Tischler, 1937) "On some problems of cytotaxonomy and cytoecology", посвященной приспособительному значению природной полиплоидии. В том же смысле термин "цитоэкология" используется в заглавии работы Хагерупа (Hagerup, 1941). С.В. Викторов в 1940 г. в статье на эту же тему пишет: "Цитоэкология имеет своею целью изучение тех изменений, которые происходят в строении и свойствах клетки под давлением факторов среды, и тех последствий, которые имеют эти изменения для отдельного организма и для вида" (стр. 172).

Библь в 1950 г. в статье "Ekologie und Zellforschung" указывает, что уже сегодня есть основания говорить о "протоплазматической экологии", которая рассматривает соотношение свойств протоплазмы и мест обитания. Во введении к своей книге (1965) Библь дает несколько другое определение: "... термин «протоплазматическая экология» в более узком смысле слова подчеркивает, что здесь мы имеем дело с исследованием только тех экологически обусловленных свойств протоплазмы, которые могут уже наблюдаться на отдельных клетках и исследоваться главным образом методами цитофизиологии" (стр. 12). Такое же определение мы находим в статье Библя, озаглавленной "Protoplasmatische Ekologie" (Biebl, 1967b, стр. 12).

Некоторые исследователи, как мне кажется, слишком расширительно понимают задачи цитоэкологии. Так, одну из задач цитоэкологии Б.П. Ушаков видит в следующем: "Задачей цитоэкологии, как раздела экологии, является исследование роли клеток в возникновении и реализации надклеточных приспособлений (организменных, семейно-стадийных, популяционных, видовых)" (1963а, стр. 16). Нужно, однако, учесть, что организмы к факторам среды приспосабливаются всеми сторонами своего бытия. Адаптивный эффект может достигаться на разных этажах организации живого. Клетки, являясь структурными и функциональными элементами многоклеточного организма, участвуют в осуществлении любого его приспособления к среде. Транспираторное охлаждение листьев обеспечивается работой клеток корня, проводящих элементов, клетками устьичного аппарата. Уход животного в тень в жаркое время является организменным приспособлением, в котором принимают активное участие возбуждение нервных клеток и сократительная деятельность мышечных волокон. Мне думается, что включать в число задач цитоэкологии изучение участия клеток в приспособительных реакциях организма, которые адаптивное значение приобретают на надклеточных этажах организации, вряд ли целесообразно. В этом случае пришлось бы границы цитоэкологии расширить на всю область клеточной физиологии и морфологии. Ведь всякая нормальная функция и структура клетки (вопреки мнению Оленова (1971)) имеют то или иное приспособительное значение. В противном случае было бы непонятно их появление в филогенезе. Поэтому мне кажется более правильным ограничить сферу цитоэкологии изучением тех форм приспособления организмов к факторам среды, при которых адаптивный эффект достигается уже на клеточном уровне организации живых систем.

Как мы увидим ниже, важнейшую роль в приспособлении организмов к среде играют и такие адаптации, которые находят свое завершение уже на уровне макромолекул. Это дает право говорить о молекулярной экологии в том же смысле, в каком мы используем термин "цитоэкология" (Б. Ушаков, 1963а; Александров, 19656). В обоих случаях речь идет о клеточных или молекулярных основах экологии организмов, а не об экологии клеток и молекул *. Этими аспектами и будет ограничено рассмотрение интересующей нас проблемы. Ограничение это в известной мере условно, так как определение задач цитоэкологии или молекулярной экологии, как всякое определение в биологии, является относительным. Приспособления организмов к факторам среды создавались в эволюции без всякого учета того, насколько легко их будет систематизировать исследователям. Так, например, при охлаждении теплокровных в клетках печени и в мышцах подавляется окислительное фосфорилирование и энергия переноса электронов и протонов превращается в тепло (см.: Нейфах, 1961; Скулачев, 1969). Такое приспособление можно было бы отнести к клеточному уровню организации, однако для достижения адаптивного эффекта мало одной клетки. Необходимо достаточно большая клеточная масса, чтобы ее температура могла бы сколько-нибудь существенно повыситься. Вопрос о включении подобных пограничных приспособлений в сферу цитоэкологии становится в значительной мере вопросом вкуса.

^{* Термины "molecular
ecology" и "cellular ecology" Пауль Вейс использует совершенно в ином смысле.
Он пишет: "Я часто характеризую жизнь клетки как молекулярную экологию.
Ив этом же смысле популяция клеток, составляющая ткани и органы, является
интегрированной системой клеточной экологии" (Weiss, 1971, стр. 184).}

В настоящее время цитоэкология завоевала прочные позиции как отрасль, промежуточная между цитологией и экологией. Определить дату появления этого раздела биологии трудно. Наиболее раннее внедрение цитологии в решение экологических проблем произошло еще в середине прошлого века при изучении зимостойкости растений. История этого вопроса хорошо изложена Максимовым (1913). Однако первыми цитоэкологическими опытами следует признать удивительные исследования Яна Пуркиня и Валентина. В своем трактате "De phaenomeno generali et fundamentali motus vibrotorii continuity" в 1835 г., т.е. за четыре года до создания клеточной теории Шванном, они сопоставляли устойчивость движения ресничек мерцательных клеток к высокой и низкой температуре у теплокровных и холоднокровных животных. Пуркиня и Валентин установили, в частности, что в "оболочках" млекопитающих и птиц мерцательное движение прекращается при 5°R, тогда как у черепахи, перловицы, беззубки оно продолжается и при 0°.

В настоящей книге главное внимание будет уделено клеточным и молекулярным приспособлениям к температуре у организмов, находящихся в состоянии активной жизнедеятельности. Вопросы зимнего и летнего покоя растений и животных, инцистирование, спорообразование и т.д., несмотря на их огромный интерес, будут затронуты лишь постольку, поскольку это является необходимым для развития некоторых общих положений. Граница между активной жизнью клеток и покоем при низких или высоких экстремальных температурах также размыта и условна.

При изложении фактического материала необходимо было различать модификационные и генотипические приспособления клеток и макромолекул к температуре среды. К модификационным адаптациям относятся изменения, которые являются непосредственной реакцией клеток на сдвиги температуры среды. Они не связаны с изменением геномов. В этих случаях генотипически обусловлена способность клеток адаптивно реагировать на температурный сдвиг. Сама же адаптивная реакция проявляется лишь в том случае, когда наступает соответствующее изменение температуры или подменяющего ее фактора *. Генотипические адаптации являются врожденными. Для их возникновения не требуется провоцирующее действие температурного сдвига.

^{* В цитоэкологической литературе
негенотипические адаптации часто называются фенотипическими или физиологическими.
Поскольку генотипические мутации также осуществляются через фенотип и с
помощью физиологических механизмов, мною используется более индифферентный
термин, принятый генетиками и эволюционистами, - модификационные адаптации.}

Попытки отличить модификационные приспособления от гено-типических часто наталкиваются на большие трудности, в частности в тех случаях, когда исследователь имеет дело с генетически гетерогенной популяцией делящихся клеток, с культурами одноклеточных организмов, с культурами тканевых клеток. Так, например, адаптивное увеличение среднего уровня теплоустойчивости клеточной популяции при повышении температуры может быть следствием элиминации термолабильных клеток и последующего размножения клеток более теплоустойчивых или же результатом более высокого темпа деления клеток с повышенной терморезистентностью. В этом случае имеет место генотипическая адаптация популяции; она осуществляется за счет умножения клеток с геномом, обусловливающим более высокую терморезистентность. Температурный сдвиг повлек за собой сдвиг генофонда популяции. Внешне сходный эффект - повышение среднего уровня теплоустойчивости популяции - может быть получен и тогда, когда в ответ на подъем температуры каждая клетка реактивно увеличивает свою теплоустойчивость. В этом случае имеет место модификационная адаптация. В реакции популяции возможно сочетание генотипического и модификационного приспособлений. Расчленить их в опыте не всегда удается.

Имеется еще один источник трудностей при анализе природы температурных адаптации. Как мы увидим дальше, при наступлении зноя или осенних заморозков изменяется уровень теплоустойчивости клеток. Подобное изменение следует отнести к модификационным реакциям на температурный сдвиг. Однако имеется ряд данных, показывающих, что теплоустойчивость растительных клеток может меняться с изменением длины дня. Эта реакция служит приспособлением к сезонному изменению температуры, но пусковым агентом служит не температура среды, а более надежный показатель времени - длина дня. В данном случае длина дня выполняет роль как бы "условного раздражителя". Наконец, температурные адаптации бывают отражением внутренних ритмов - суточных или сезонных. Они могут быть в большей или меньшей степени независимыми от перемен во внешней среде. Пусковой агент при этом остается неизвестным, но тем не менее такие адаптации приходится отнести к модификационным, а не генотипическим.

Наличие совпадающего (Morgan, 1896; Baldwin, 1902; Кирпичников, 1935; Kirpichnikov, 1947), стабилизирующего (Шмальгаузен, 1940, 1946) отбора, или же, по Уодингтону (Waddington, 1953), генетической ассимиляции, может приводить в эволюции к более или менее полной подмене модификационных адаптивных реакций генетически закрепленными эндогенными приспособлениями. Тем самым порождаются промежуточные формы адаптации, которые трудно рассортировать исследователю по двум ящикам: модпфикационному и генотипическому (см.: Langridge, 1963a). Ярким примером сложности вопроса может служить спор о модификационной или генотипической природе температурных длительных модификаций у простейших (см. стр. 26).

Во многих случаях дело не только в недостаточной изученности самих явлений. Причина более глубокая и, с моей точки зрения, по существу не всегда устранимая. Мы вынуждены в процессе исследований систематизировать биологические явления и давать им определения. Однако всякий раз при этом мы совершаем некоторое насилие над картиной живой природы, ибо своими определениями мы обычно вносим элемент дискретности в цепь непрерывных событий. Ведь каждое явление живой природы в эволюции возникало из чего-то другого и в процессе эволюции порождает что-то иное. При этом часто сохраняются промежуточные звенья. Давая определения, мы, как правило, более или менее произвольно выхватываем какой-то отрезок процесса, тем самым границы определяемого отрезка оказываются условными. На это следует идти, учитывая то, что определения облегчают изложение материала и взаимопонимание исследователей. Если не придавать им абсолютного значения, то они не будут порождать ненужных споров. В этом отношении мы можем согласиться с Энгельсом, который говорил, что определения не имеют значения для науки, так как они всегда оказываются неудовлетворительными. Но для практического применения они часто бывают полезны и даже необходимы и не могут повредить, если только от них не требовать больше того, что они могут выразить *.

* К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т. 20, стр. 634, 635.

Первые две главы книги посвящены модификационным и генотипическим изменениям первичной теплоустойчивости клеток в связи с вариациями температуры среды. У читателя может создаться впечатление, что в книге слишком много места уделено "первичной теплоустойчивости клеток" по сравнению с другими аспектами отношения клеток к температурному фактору. В оправдание могу сказать, что за этой характеристикой скрывается важнейший параметр белковых макромолекул - их конформационная гибкость. Как справедливо сказал Кошланд (Koshland, 1964), "конформационная гибкость является ключевой чертой биологического действия энзимов" (стр. 722), другими словами, ключевой чертой клеточного метаболизма. Конформационная гибкость белковых молекул температурно зависима и поэтому играет важнейшую роль в приспособлении организмов к температуре среды. Вопрос о температурных адаптациях белковых макромолекул обсуждается в четырех следующих главах. Наконец, в последних двух главах рассматривается участие в температурных адаптациях организмов нуклеиновых кислот, а также жирных кислот как составных частей липидов.

В результате рассмотрения этого многообразного фактического материала сделан вывод о том, что для нормального функционирования белков и нуклеиновых кислот их молекулы должны обладать определенным уровнем конформационной гибкости: макромолекулы должны быть не слишком жесткими и не слишком лабильными. То же относится и к агрегатному состоянию липидов: они должны быть не слишком жидкими и не слишком твердыми. Тем самым утверждается общий принцип семистабильности или семилабильности биологических макромолекул. Его следует учитывать при исследованиях приспособления организмов не только к температуре, но и к любым факторам среды, способным влиять на уровень стабильности белков, нуклеиновых кислот и липидов.

Автор не ставил своей задачей давать исчерпывающий литературный обзор по обсуждаемым темам. Более подробно изложены вопросы, над которыми работал сам автор и его сотрудники. Это не следует расценивать как преувеличенное представление о значимости собственных исследований. Просто в разделах, с которыми автор знаком лишь по литературе, он чувствует себя менее уверенно. Ведь, к сожалению, во многих областях биологии из литературы можно извлечь аргументы в пользу любой точки зрения и, не имея собственного опыта, не легко отличить достоверное от необоснованного.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Когда знакомишься с конструкцией самых сложных машин, созданных человеком, поражают изощренные и остроумнейшие решения ряда технических задач. Всего за несколько сотен лет эволюции этих машин человеческий ум вложил в их конструкцию много великолепных идей. Однако все это блекнет и кажется совершенно примитивным при сопоставлении с картиной, которая открывается исследователю, проникающему в глубь жизни клеток. И чем больше мы узнаем о конструкции и работе клетки, тем больше потрясает нас необычная сложность системы и совершенство ее управления, сочетающиеся с удивительной миниатюризацией. Правда, для создания такой системы тугодумному гению Природы потребовались сотни миллионов лет. Зато в результате создан объект неисчерпаемой содержательности. У него еще на многие сотни лет хватит тайн, которые он постепенно и скупо будет выдавать под пыткой эксперимента цитологам, генетикам, биохимикам, биофизикам.

Среди огромного числа совершенных и хитроумных механизмов, вскрытых при изучении клетки, большое впечатление производят ее приспособления к различным факторам среды и прежде всего к вездесущему и всепроникающему фактору - температуре. Вне рамок настоящей книги оставлены разнообразнейшие механизмы температурных адаптации в надклеточных этажах организации живого. Рассмотрены лишь приспособления на клеточном и молекулярном уровнях. Однако и при таком ограничении подхода возможно было осветить проблему лишь в некоторой ее части. С другой стороны, использованный подход к изучению температурных адаптации, как модификационных, так и генотипических, вскрывает закономерности общебиологического значения, выходящие далеко за пределы проблемы приспособления организмов к температуре среды. Весь многообразный материал, относящийся к клеткам животных, растений и микроорганизмов, к белкам, нуклеиновым кислотам и жирным кислотам, приведенный в книге, убеждает в наличии весьма общего принципа, который можно назвать принципом семистабильности или семилабильности основных клеточных компонентов: белков, нуклеиновых кислот и липидов. Во всех трех случаях речь идет о поддержании в промежуточном состоянии стабильности конструкций, крепящихся многочисленными слабыми связями. В отношении белков и нуклеиновых кислот - это поддержание вторичной, третичной и четвертичной структуры макромолекул в состоянии не слишком высокой и не слишком низкой конформационной гибкости. В отношении липидов - это поддержание остатков жирных кислот в состоянии не слишком твердом и не слишком жидком. Состояние определенной семистабильности, видимо,необходимо для нормального выполнения этими компонентами возложенных на них функций, а также для регуляции их работы.

На многих белках показано, что при функционировании происходят изменения конформации их макромолекул. То же происходит с нуклеиновыми кислотами при авторепродукции, транскрипции и трансляции. От степени "разжиженности" жирнокислотных остатков липидов зависит работа мембранных ферментов. Уровень стабильности всех трех компонентов температурно зависим. Повышение температуры за пределы оптимума приводит к избыточному возрастанию лабильности, снижение температуры - к избыточной стабилизации. Значительное отклонение от установленного в эволюции уровня семистабильности компонентов клетки должно приводить к нарушению ее жизнедеятельности.

Цито- и молекулярноэкологические исследования вскрывают различные модификационные и генотипические механизмы, регулирующие уровень стабильности при изменениях температуры среды. К модификационным приспособлениям уровня стабильности белков следует отнести температурные настройки простейших и водорослей и температурные закалки. Модификационными являются и изменения степени насыщенности остатков жирных кислот в липидах. К генотипическим адаптациям относится поддержание соответствия между уровнем конформационной гибкости белковых молекул и нуклеиновых кислот в составе нуклеопротеидов и температурой существования вида.

В отношении жирных кислот вывод сделан на основании прямых определений степени их насыщенности, от которой зависит температура плавления жирной кислоты. Выводы об изменениях уровня конформационной гибкости белков и нуклеиновых кислот делаются на основании косвенных методов: изучения температуры плавления их макромолекул, т.е. по температуре денатурации. По отношению к белкам широко использован, кроме того, еще более косвенный метод сравнительной оценки уровня их конформационной гибкости: сравнение величины первичной теплоустойчивости каких-либо клеточных функций. Этот метод отражает устойчивость белков, связанных с выбранной функцией, к денатурирующему действию нагрева in situ, и в этом его преимущество перед исследованием термостабильности белков, извлеченных из клетки. В некоторых случаях приходилось довольствоваться сравнительной оценкой общей клеточной теплоустойчивости, которая не всегда коррелирует с данными по их первичной теплоустойчивости.

Совершенно очевидно, что полной доказательной силой обладал бы физический метод определения уровня конформационной гибкости индивидуальных белков в живой клетке. Однако такой метод еще не разработан. Но если это и будет достигнуто, то нужно учитывать, что биологическое значение имеет лишь функциональная подвижность макромолекул, т.е. подвижность, связанная с выполнением ими биохимических функций. Лишь она должна подпадать под контроль естественного отбора. Вместе с тем функциональная подвижность может не всегда совпадать с тотальной подвижностью макромолекул, которую мы пока характеризуем по их устойчивости к денатурирующему действию нагрева и которую можно было бы оценивать более непосредственно по скорости обмена медленно обменивающихся водородов на дейтерий. В этом отношении биологически более существен метод определения лабильности белков по их устойчивости к протеиназам. При этом испытывается та устойчивость белковых макромолекул, которая важна для определения срока их полужизни в клетке. Другими словами, этим способом оценивается одна из составляющих функциональной лабильности белка.

Несмотря на всю сложность проблемы, совокупность большого числа фактов, добытых различными окольными путями, заставляет считать в высокой степени вероятным, что наблюдаемое у животных, растений и микроорганизмов соответствие теплоустойчивости клеток и белков температурным условиям существования отражает необходимость поддержания функциональной конформационной гибкости белков на определенном семила-бильном уровне. Изучение термостабильности нуклеиновых кислот в составе нуклеопротеидов позволяет подобный вывод применить и к ним. Во всяком случае принятие этой концепции делает понятным ряд фактов, без этого труднообъяснимых. Становится понятным, почему у различающихся по теплолюбивости видов имеется разница в теплоустойчивости не только термолабильных, но и высоко термостабильных белков, которые не участвуют в формировании уровня теплоустойчивости ни клетки, ни тем более самого организма. Температура плавления нуклеиновых кислот в нуклеопротеидах также непричастна к этому, хотя и обнаруживает корреляцию с теплолюбивостью вида. В процессе эволюции виды вынуждены были приспосабливаться как к более теплому, так и к более холодному климату. Поэтому, имея перед глазами факт соответствия теплоустойчивости белков теплолюбивости вида, необходимо уметь ответить не только на вопрос о том, почему более теплолюбивые виды имеют большую теплоустойчивость белков, но на вопрос, почему менее теплолюбивые виды имеют меньшую теплоустойчивость белков. Исходя из адаптивного значения самого уровня теплоустойчивости, можно ответить лишь на первый вопрос. Если же исходить из адаптивного значения уровня конформационной гибкости, косвенным мерилом которой является теплоустойчивость, то становится ясным, что избыточная устойчивость, ригидность для холодолюбивых форм так же неприемлема, как слишком густая смазка для машины. Очевидна также непригодность малой конформационной устойчивости для теплолюбивых форм. Такой способ рассуждения, видимо, применим и к менее изученным в этом отношении нуклеиновым кислотам и в полной мере относится к модификационным адаптациям жирнокислотного состава липидов.

В детстве мне многократно приходилось слышать от родителей назидательную фразу: "Все что слишком - это плохо". Тогда я не мог понять, почему худо быть слишком красивым, слишком добрым, слишком сильным. Теперь мудрость этого изречения становится для меня несколько более ясной.

В течение активного периода жизни пойкилотермные организмы сталкиваются нередко с весьма широкими вариациями температуры. У родственных видов, различающихся по теплолюбивости, эти вариации перекрываются. Однако у близких видов, даже незначительно различающихся по температурной экологии, часто обнаруживаются четкие различия в термолабильности (гибкости) белков. Вызывает удивление способность природы в процессе биологической эволюции находить "среднюю" интенсивность широко варьирующего фактора среды и именно к ней вырабатывать адаптацию. Такая способность особенно наглядно проявляется при выработке покровительственной окраски и формы у животных. В этих случаях также находятся точно усредненный цвет и структура.

Соответствие уровня конформационной гибкости макромолекул температуре среды в филогенезе может поддерживаться отбором лишь в том случае, если отступление от такого соответствия наносит ущерб виду. В поисках точек приложения естественного отбора, обеспечивающего поддержание этого соответствия у белков, пока удалось обнаружить лишь два процесса, явно зависящих от уровня конформационной гибкости макромолекул. Это скорость протеолитической деградации белков, с которой связана регуляция их количественного содержания в клетке, и положение кривой зависимости максимальной скорости работы ферментов от температуры. Весьма возможно, что существует определенная связь между изменением конформационной гибкости фермента и его сродством к субстрату, коферменту и эффектору. Как было показано рядом исследователей, изменение этого сродства может играть существенную роль в температурных адаптациях, как генотипических, так и модификационных. Надо думать, что дальнейшие исследования вскроют и другие каналы, по которым естественный отбор может осуществлять свою функцию ОТК над уровнем конформационной гибкости белков.

Менее ясен этот вопрос в отношении нуклеиновых кислот. Было обнаружено, что повышение жесткости структуры ДНК путем образования комплексов с разными фракциями гистонов снижает матричную активность ДНК тем сильнее, чем больше повышается уровень жесткости. Наиболее четкие данные о соответствии между температурой жизни вида и точкой плавления получены были на РНК, входящей в состав нуклеопротеидов рибосом. Нам неизвестно, в чем состоит деятельность рибосомальных РНК, но сам факт соответствия их точки плавления температуре среды заставляет подозревать, что работа рРНК связана с изменениями конформации макромолекул.

Что касается жирных кислот, то в настоящее время отчетливо показано влияние точки плавления их углеводородных цепей на активность мембранных ферментов. Отклонение их агрегатного состояния от оптимального уровня при температурном сдвиге приводит в действие механизмы, которые изменяют жирнокислотный состав липидов в нужную сторону.

Выше речь шла о соответствии уровня конформационной гибкости макромолекул температуре среды, так как гибкость - величина, зависимая от температуры. Однако на конформационную гибкость макромолекулы оказывают влияние и многие другие внутриклеточные факторы. Это ионная сила, концентрация водородных и других ионов, некоторые из которых могут специфически влиять на жесткость макромолекулярных структур, концентрация неполярных веществ, гидростатическое давление для глубоководных форм и т.д. Следовательно, регуляция уровня конформационной гибкости макромолекул, и генотипическая, и модификационная, должна происходить не только с учетом температуры, но и в соответствии с другими факторами, влияющими на силы, крепящие конформацию макромолекулы. Это дает основание полагать, что вариации уровня конформационной жесткости молекул могут быть связаны с изменением и нетемпературных факторов. Действительно, при изучении модификационных изменений устойчивости клеточных белков выяснилось, что она может повышаться не только при температурных настройках и закалках, но также при водном дефиците, раневом раздражении и, как выяснилось в самое последнее время, при действии высокого гидростатического давления в умеренной дозе (опыты Е.И. Денько). С другой стороны, уменьшение устойчивости протоплазматических белков удалось получить не только у простейших и водорослей при настройках к низкой температуре, но и в процессе адаптации растительных клеток к тяжелой воде.

Эти факты заставляют предположить, что в клетках имеется какой-то регуляторный механизм или механизмы, которые в зависимости от обстоятельств могут менять уровень конформационной гибкости клеточных белков в обе стороны, повышать или снижать его. В пользу того, что механизмы, регулирующие уровень гибкости, предназначены эволюцией не только на случай изменения температуры, говорит также их обнаружение и у организмов, живущих практически в константных температурных условиях, например у водорослей, взятых у берегов Земли Франца-Иосифа, где температура воды практически не колеблется и равна -1.8°. Эти водоросли повышают свою первичную теплоустойчивость в ответ на минутные нагревы при температуре порядка 30-35°. С подобным температурным сдвигом эти объекты никогда в природе не сталкивались. Остается предположить, что температурный шок в данном случае выполняет функцию неспецифического раздражителя, пускающего в ход механизм, предназначенный для реакции на другие естественные стимулы.

Необходимо отметить особенность реактивных механизмов, регулирующих уровень гибкости белковых макромолекул, в частности особенность тепловых закалок. В клетках вскрыты разнообразные механизмы, регулирующие работу отдельных звеньев метаболической сети, основанные на строго специфических индивидуальных отношениях эффектора с определенным белком. Примером могут служить случаи аллостерического подавления активности фермента конечным продуктом той цепи реакций, которую фермент инициирует. Если у начала разветвления метаболического пути работают разные изозимы, то каждый из них реагирует лишь на конечный продукт своей ветви. Подобный тип регуляции можно сравнить с приказами, передающимися управляющим лицом определенному исполнителю по телефону или почтой с отметкой на конверте "вручить лично". Такой "телефонный" способ регуляции используется клеткой очень широко и многообразно как для управления активностью ферментов, так и для регуляции синтеза белков. Наряду с этим мы находим в клетках регулирующие факторы, которые одновременно и сходно воздействуют на многие метаболические звенья. Примером их могут служить АТФ, от концентрации которой в клетке зависят многие процессы, требующие затраты энергии, а также циклическая АМФ, регулирующая синтез целого ряда белков. Этот способ регуляции подобен передаче распоряжения по радиовещательной сети для сведения и руководства всех или многих граждан. К категории таких "широковещательных" регуляторов следует отнести и повышение стабильности белков при закалках. В частности, при тепловой закалке было показано одновременное повышение устойчивости многих белков, связанных с разными функциями.

Исходя из основной концепции, изложенной в настоящей книге, следует признать, что общее повышение стабильности протоплаз-матических белков при данных условиях должно снизить темп клеточного метаболизма. Повышение же их конформационной лабильности должно стимулировать метаболизм. Очень вероятно, что с этими обстоятельствами связаны более высокая термолабильность белков у растущих клеток и тканей и снижение лабильности по мере угасания роста, а также высокая стабильность прото-плазматических белков при переходе клеток в состояние более или менее полного покоя (диапаузы, цисты, споры и т.д.). У многих растений при зимнем покое высокая холодоустойчивость сочетается с высокой термостабильностью. Однако у ранневесенних растений активный рост происходит при высокой устойчивости к холоду клеток, которые при этом обладают весьма низкой устойчивостью к нагреву. По мере потепления и замедления роста падает холодоустойчивость и нарастает устойчивость к нагреву (Александров, Денько и др. 1964).

Связь высокой чувствительности к действию различных повреждающих агентов с интенсивным обменом веществ живого объекта многократно устанавливалась в различных разделах биологии. Эта идея получила наиболее полное развитие в классических трудах Чайльда (Child, 1915, 1928, 1941). На большом числе примеров из животного и растительного мира он показал, что у многих организмов имеется вдоль оси тела или органа градиент чувствительности и интенсивности обмена. Снижению чувствительности сопутствует снижение метаболизма.

Из сказанного ясно, что биологическое значение регуляции уровня конформационной гибкости макромолекул выходит далеко за пределы адаптации организмов к температуре среды. С другой стороны, этой регуляцией не исчерпываются возможности приспособления к температуре среды на клеточном и молекулярном уровнях. В температурной адаптации могут участвовать такие процессы, как изменение скорости синтеза веществ, переход на иные метаболические пути, изменение сродства ферментов к взаимодействующим с ними метаболитам, изменение энергии активации ферментативных реакций и, возможно, другие процессы, которые пока трудно связать со сдвигами конформационной гибкости макромолекул.

Компенсаторные изменения стабильности белковых макромолекул могут быть использованы для температурных адаптации в той мере, в какой изменение температуры влияет на уровень их стабильности. Повышению температуры, которая снижает стабильность белковых макромолекул, может быть противопоставлено усиление связей, крепящих вторичную, третичную и четвертичную структуру. Снижение температуры должно компенсироваться обратным процессом. Вместе с тем на стр. 166 и рис. 43 приведены были данные, из которых следует, что при некоторой температуре лежит максимум стабильности белка. И повышение, и понижение температуры в сторону от этой точки приводит к лабилизации белка. В зоне максимума кривая зависимости стабильности белка от температуры дает довольно плоский купол. В этой зоне температурные сдвиги почти не влияют на уровень стабильности белковой макромолекулы. Очевидно, что при адаптациях к вариациям температуры в пределах этой зоны не должно участвовать изменение уровня гибкости белковых молекул. Следовательно, адаптации организмов к изменению температуры в пределах этой зоны, как генотипические, так и модификационные, не должны сопровождаться сдвигами термостабильности белков и первичной теплоустойчивости клеток.

В пользу того, что подобная ситуация может иметь место, говорят наши, еще весьма предварительные исследования растений Земли Франца-Иосифа. Они показали, что первичная теплоустойчивость клеток растений острова Хейса оказалась не ниже, чем у родственных растений Таймыра, где климат значительно теплее (опыты Шухтиной и Александрова). По-видимому, приспособление растений к особо суровым условиям Земли Франца-Иосифа осуществлялось не путем дальнейшей лабилизации протоплазматических белков, а за счет других многообразных клеточных, организменных и биоценотипических приспособлений. При снижении температуры ниже точки максимальной стабильности (рис. 43) происходит лабилизация белковых молекул. Ввиду этого следует ожидать, что адаптация к такой низкой температуре должна сопровождаться не снижением, а повышением жесткости белковых молекул. Возможно, что в этом следует искать смысл повышения термостабильности клеток и белков, наблюдаемого у некоторых растений в зимний период. Приведенные рассуждения пока число гипотетические; для их подтверждения или опровержения необходимо исследовать температурную зависимость стабильности белков у ряда пойкилотермных организмов, живущих в холодных районах, и определить температуру, соответствующую максимуму устойчивости белков.

Несмотря на сделанные оговорки, установление соответствия между уровнем конформационной гибкости белков и температурой среды нужно признать первостепенно важным элементом температурной адаптации организмов. Мы еще очень мало знаем, какими биохимическими средствами достигается поддержание этого соответствия. Для раскрытия этого секрета были бы очень важны сравнительные исследования первичной и пространственной структуры одноименных белков термо-, мезо- и психрофильных организмов. Пока это дело будущего. Однако косвенные данные заставляют думать, что и в этом вопросе Природа проявила немалую фантазию. По-видимому, используются изменения аминокислотного состава и аминокислотной последовательности, изменение лигандного состава и варьирование различных физико-химических параметров внутри клеток.

В литературе имеется большое число работ, убеждающих в том, что замена одной аминокислоты очень часто существенно изменяет стабильность белковой макромолекулы. Это обстоятельство следует учесть в споре между сторонниками и противниками так называемой недарвиновской эволюции (см. обзоры: King, Jukes, 1969; Кирпичников, 1972). Приверженцы "недарвиновской" эволюции допускают накопление в популяции организмов мутаций, не имеющих селективной ценности. Вместе с тем большинство мутаций, т.е. аминокислотных замен, должно так или иначе отразиться на уровне конформационной гибкости белковых макромолекул, что вряд ли может быть биологически безразличным. Это соображение может служить дополнительным аргументом против концепции "недарвиновской" эволюции, критика которой дана Кирпичниковым (1972).

В книге изложена концепция о первостепенном биологическом значении поддержания соответствия между уровнем конформационной гибкости белковых макромолекул и нуклеиновых кислот, с одной стороны, и напряженностью факторов, влияющих на уровень их гибкости, с другой. То же относится и к агрегатному состоянию липидов. Важнейшим из этих факторов является температура. Эта концепция и ряд вытекающих из нее выводов обосновываются различными более или менее косвенными доводами. Многое в ней остается недостаточно аргументированным, однако автора утешает мысль о том, что стимулирующее значение гипотезы в сущности обратно пропорционально ее обоснованности. Во всяком случае рассмотренный фактический материал убеждает в том, что сочетание клеточного и молекулярного подхода для атаки различных экологических проблем вполне своевременно. В настоящий момент имеются все основания говорить не только о цитоэкологии, но и о молекулярной экологии, которую следует рассматривать как одно из ответвлений молекулярной биологии. Изложенные факты заставляют сделать еще одно стратегически важное заключение: не только экология требует для решения своих проблем вмешательства молекулярного биолога. Ряд проблем, связанных и с работой, и с эволюцией биологических макромолекул, не разрешим без учета экологии объектов, от которых берется для исследования макромолекулярный материал.