Экспериментальные данные о соотношении структуры и функции биологических систем

Центральной проблемой теоретической биологии и биофизики сложных систем, по мнению М. Волькенштейна, является проблема развития, имеющая филогенетический и онтогенетический аспекты (Волькенштейн, 1975). Одной из граней проблемы развития является проблема эволюции. Однако эту проблему невозможно обсуждать без обсуждения проблемы соответствия структуры и функции, поскольку результатом эволюции является выполнение определенной функции, а изменения происходят в структурах, выполняющих эту функцию. По мнению Дж. Бернала (1968): «биология методологически отличается от других естественных наук тем, что в фокусе внимания находятся прежде всего функционирование (курсив Дж. Бернала) и эволюция систем. Структура здесь имеет значение только в связи с функцией и происхождением. …Происхождение, структура и функция теперь уже не могут быть разделены». Аналогичное мнение высказывал и Т. Добжанский: «Все в биологии имеет смысл только в контексте эволюции» (цит. по Schuster, 1996, стр.1).

Возможно, наиболее полно суть этой проблемы отражена в следующем высказывании: «Каждая отдельная система, возникающая в результате мутаций и отбора, непредсказуема в отношении своей структуры; тем не менее неизбежным результатом всегда является процесс эволюции — это закон. … оптимизирующий процесс эволюции в принципе неизбежен, хотя выбор конкретного пути не детерминирован» (Эйген, 1973). Таким образом, из этого высказывания следует, что соответствующая функция в результате эволюционного процесса возникает неизбежно, а конкретный вид структуры, выполняющей эту функцию, непредсказуем.

Прикладной аспект этой проблемы, важный для белковой инженерии и экологии, может быть сформулирован следующим образом: «Можно ли по известной структуре предсказать функцию биологической системы, и наоборот, построить или реконструировать структуру, выполняющую данную функцию?» .

В настоящее время известны многочисленные примеры выполнения одной и той же функции различными структурами. Например, в лабораторных экспериментах было показано, что при случайном синтезе полипептидов возникает много каталитических функций, иногда очень специфических, например, химотрипсиноподобная функция у полипептидов с беспорядочной структурой. Эти продукты не образуются воспроизводимым образом. И даже, если некоторые функции возникают воспроизводимо, их носителями оказываются совершенно различные и неродственные структуры (Фокс, 1969).

Известно, что имеется много типов ферментов, катализирующих реакции с использованием молекулярного кислорода, причем эти ферменты структурно неродственны. Также существует много типов ферментов, катализирующих гидролиз пептидной связи. Каждое из семейств этих ферментов имеет особый механизм и структуру (Уайт, 1981).

Другим указанием на неоднозначное соответствие структуры и функции биологических макромолекул являются теория нейтральности М. Кимуры (Кимура, 1985; Kimura, 1991). Из проведенного им анализа экспериментальных данных и разработанной им теории нейтральности следует, что большая часть мутационных замещений в ходе эволюции обусловлена случайным закреплением нейтральных или почти нейтральных мутаций. Наличие нейтральных мутаций говорит о неоднозначном соответствии функции биологических макромолекул их структуре.

Идейно близки к концепции М. Кимуры исследования по изучению отображения нуклеотидной последовательности в фенотип, использующие вычислительную модель мутационного процесса РНК длиной 70 нуклеотидов. Следует отметить, что первоначально эксперименты проводились на реальных последовательностях, но выяснилось, что содержательные выводы получаются и при работе на компьютерных моделях, а выгоды работы на «компьютере» по сравнению с работой «в колбе» очевидны. На компьютере моделируется сворачивание РНК во вторичную структуру, которая и считается фенотипом. За наиболее «приспособленную» вторичную структуру произвольно выбрана одна из возможных конфигураций. На этой компьютерной модели получены данные о неоднозначном соответствии фенотипа генотипу (функции структуре) (Fontana, Schuster, 1998b; Fontana, Schuster, 1998a; Schuster, 1996).

Поднимаясь выше по ступеням организации, можно, например, отметить, что механизмы работы крыльев насекомых и птиц различны, крылья имеют совершенно различную структуру, но выполняют одну и ту же функцию (Уайт, 1981). Можно привести удивительный пример разнообразия звукопроизводящих органов у многих личинок насекомых, живущих под землей, и являющихся близкородственными группами. (Любищев, 1971). Кроме того, если предположить, что у экосистем одна и та же функция (Печуркин, 1982), то разнообразие видов экосистем дает еще один пример неоднозначности структурно-функциональных отношений.

Тогда закономерно возникает следующая формулировка проблемы структурно-функционального соответствия: есть ли что-то общее в эволюционно возникших структурах, выполняющих одну и ту же функцию, отличающее их от структур, реализующих другую функцию?

В то же время известен определенный параллелизм в эволюции различных видов и родов, нашедший свое выражение в законе гомологических рядов в наследственной изменчивости Н. И. Вавилова (Мейен, 1974). По мнению А. Любищева «в многообразии форм есть своя, не зависимая от функции упорядоченность, своя закономерная система, обнаруживаемая, например, в процессе выявления симметрий на основе строгого математического описания» (цит. по Мейен, 1977).

Таким образом, существует противоречие: с одной стороны говорится о совершенном различии структур, выполняющих одинаковые функции, с другой стороны — существование сходства у структур, выполняющих различные функции, причем параллелизм в изменчивости проявляется в сложных конфигурациях, которым, как правило, не удается дать приспособительного толкования (там же).

Следовательно, несмотря на большой объем фактического материала и длительность обсуждения, вопросы, сформулированные выше, до сих пор не имеют общепризнанного ответа. Это можно объяснить проявлением принципа дополнительности Н. Бора, из которого следует, что практически невозможно одновременно изучать атомарно-молекулярную структуру организма и его поведение как целостной биологической системы. Применимость принципа дополнительности в биологии Н. Бор аргументировал чрезвычайно высокой сложностью организма как целостной системы. Хотя это утверждение высказано по отношению к организму, оно имеет силу даже на уровне макромолекул, то есть, им охватываются биосистемы различных уровней.

Исключительная сложность реальных биологических систем и длительность процесса эволюции препятствуют исследованию свойств структурнофункциональных отношений на естественных объектах. Возможный выход видится в исследовании этого вопроса «в принципе», что позволяет использовать предельно простые модельные системы.