Імунітет та еволюція
Зовсім недавно про вроджений, спадковий імунітет знали тільки те, що він існує і має виняткову антимікробну силу. Але чим зумовлена його надійність? Це залишалося незрозумілим. В останні роки ситуація змінилася. Таємниці спадкового імунітету більше немає. Це відкрило шлях до використання його у боротьбі за здорове довголіття, у виробництві продовольства. Не менш важливим виявився і несподіваний внесок вчення про спадковий імунітет у молекулярну біологію — науку про найпотаємніші особливості будови, функціонування та еволюції живої матерії. Про це варто поговорити докладно.
Жива природа напрочуд різноманітна, і в цьому, можливо, її найяскравіша риса. Відомі мільйони біологічних видів, і кожен з них самобутній за способом життя, зовнішнім виглядом, внутрішньою будовою. Самобутність ця проявляється і у влаштуванні біомолекул – полінуклеотидів, білків, жирів, полісахаридів. Їх у кожному організмі тисячі різновидів, і в цьому також проявляється різноманіття природи. Така функціональна різнорідність цілком зрозуміла.
Але разом з тим в організмах різних видів є біомолекули, однакові за походженням і за роботою, що виконується, але розрізняються деталями своєї будови. Наприклад, два однотипні білки можуть відрізнятися лише послідовністю складових їх амінокислот. До чого ця форма розмаїття і який у ній сенс залишалося неясним.
Не прояснилося це й тоді, коли різноманіття живої природи почали досліджувати молекулярної біології. В останні роки ця наука досягла великих успіхів у вивченні молекулярної будови живих істот. Зокрема, розшифровано структуру багатьох полінуклеотидів та білків. І при цьому відкрилося таке розмаїття біомолекул, яке раніше й уявити.важко. Стало зрозуміло, що ми маємо справу не з випадковими примхами природи, а із загальнобіологічною закономірністю. Але з якою? І як це явище виникло?
Відповідно до теорії Ч. Дарвіна розвиток живої матерії відбувається за неодмінної участі трьох біологічних явищ - мінливості, спадковості та природного відбору. Перші два діють і серед біомолекул. Але як відбувається у тому числі природний добір? При спробах знайти відповідь це питання з'ясувалося, що сучасна теорія біологічної еволюції пояснює всі відомі їй факти, але з еволюцію біомолекул.
Більше 100 років теорія еволюції перевірялася на прикладах природного відбору організмів, які відрізняються один від одного формою тіла або пристроєм та функціональними можливостями органів. Тут усе було очевидним. Наприклад, чагарник ліщини (фундук) має тим більше шансів відродитися у потомстві, чим міцніше оболонка його горіхів. Птаху з міцнішим, ніж у інших, дзьобом легше прогодувати себе та пташенят, ламаючи горіхову шкаралупу. Риба з більш досконалою формою тіла буде плавати швидше, ніж інші, наздоганяючи видобуток або, навпаки, вислизаючи від хижака.
Але яким чином природа може розрізняти організми з неоднаковою структурою однотипних за функцією біомолекул? Наприклад, двл варіанти будови білка колагену, що утворює жили та кісткову тканину, відрізняються лише двома (із сотень) амінокислотними мономерами, і ці відмінності не видно оком, не позначаються ні на жвавості бігу, ні на міцності кістяка. Як розрізнити?
Пошук відповіді це питання породив дві діаметрально протилежні погляду. Представники однієї з них вважають, що в природі немає «приладів», здатних розрізняти організми за особливостями їхнього молекулярного пристрою, і тому еволюція біомолекулйде без природного відбору.
Прихильники дарвінізму, звісно, що неспроможні з цим погодитися. Адже еволюційні перетворення біомолекул дають початок усім іншим, вищим рівням розвитку живої матерії. Тому для дарвініста неможливо собі уявити, що, наприклад, нуклеїнові кислоти та білки, що є основою життя, можуть еволюціонувати без зв'язку із пристосовністю до зовнішніх впливів, тобто без природного відбору. Проте виявити природні сили, здатні здійснювати відбір бко-молекул, дарвіністам вдалося не відразу.
Успіху було досягнуто, коли зовсім несподівано в дискусію включилися представники мікробіології та імунології, які займалися суто практичними питаннями протидії згубним інфекціям та пухлинам. В останні роки ці науки стикалися з фундаментальними, а саме молекулярними аспектами анатомії, фізіології та екології. При цьому в їхньому розпорядженні виявилася унікальна сукупність даних про молекулярний устрій живих істот та про хімічні способи взаємодії між ними. Це і стало основою для несподіваної заяви, що організми за молекулярними властивостями відбирають. Шкідливі мікроби.
Мікроскопічні паразити роблять відбір організмів на життєздатність за властивостями стійкості до інфекцій, які, як ми знаємо, визначаються особливостями молекулярного устрою. У свою чергу мікроби і самі підпадають під дію природного відбору: поширення конституційної стійкості в межах виду - жертви забирає у мікробів джерела їжі та місце існування, внаслідок чого чисельність паразитичної популяції починає зменшуватися. Але це лише доти, доки серед паразитів не з'являться мутанти, молекулярна будова яких дозволяє їм долати стійкість.жертв. Тому через якийсь час мікробний вигляд, вже в зміненому молекулярному вигляді, знову повертається до інтенсивного паразитичного способу життя. І все починається спершу.
Але жертвами мікроскопічних паразитів є всі види живої матерії, які мільйони. Тому такі еволюційні перетворення відбуваються в багатьох екологічних системах «мікроб — жертва» і в час їхнього існування на Землі. Ці процеси і призвели до існуючого розмаїття біомолекул.
Зауважимо, що екологічні взаємодії за допомогою біомолекул можливі і в інших випадках. Так, за допомогою особливих молекул (феромонів) здійснюються багато внутрішньовидових та міжвидових взаємодій між великими організмами (наприклад вистеження жертви за запахом). Тут також потрібна хімічна відповідність феромонів з їх біомолекулярними мішенями. У процесі таких взаємодій теж, мабуть, відбувається природний відбір за молекулярними властивостями і тим самим вноситься певний внесок в еволюцію біомолекул.
Однак біохімічні взаємодії в системах «мікроб – жертва» мають для молекулярної еволюції особливо важливе значення. Це зумовлено наступними обставинами. По-перше, життя Землі почалося з появи мікроскопічних живих істот, і, отже, хіміко-екологічні відносини з-поміж них були зачинателями еволюційного процесу. По-друге, і досі лише в системах «мікроб — жертва» всі вирішальні події розгортаються виключно на молекулярному рівні. По-третє, завдяки численності та різноманітності таких систем у взаємодії залучається безпрецедентна безліч різних біомолекул, тобто вони охоплюють практично все живе. По-четверте, ці взаємодії, будучи антагоністичними, створюють умови для особливогоінтенсивного відбору організмів за особливостями їхнього молекулярного пристрою. І, нарешті, по-п'яте, молекулярні мікробні агенти залишилися нині єдиними біотичними агентами, які продовжують процес природного відбору серед людей і, отже, біологічну еволюцію виду «гомо сапієнс». Дія інших факторів людина змогла майже повністю нейтралізувати. Тільки від інфекційних хвороб повного захисту поки що немає.
Впливу мікробних чинників схильні всі види живих істот. Але темпи їхньої біологічної еволюції різні. Чому ж одні види розвиваються швидко, а інші (наприклад, бактерії, акули, крокодили) практично не змінюють свій зовнішній вигляд протягом сотень мільйонів років?
Вигляд еволюціонує тим швидше, чим інтенсивніший відбір і чим більше біомолекул залучено в цей процес. Різні види організмів відрізняються один від одного за інтенсивністю та різноманітністю своїх взаємин з царством патогенних мікробів. Людина, наприклад, що освоїла всі континенти, моря і океани, вступив тим самим у еволюційно значущі взаємодії якщо не з усіма, то з більшістю існуючих Землі мікробів. Спостереження інфекційної захворюваності прямо свідчать про те, що конфронтації людства з «збудникам» хвороб у багато разів різноманітніші та інтенсивніші, ніж у будь-яких інших тварин. Тому й еволюція людини відбувалася так само інтенсивніше, ніж в інших тварин, і торкалася різноманітніших молекулярних структур. І відбувалося це завдяки формуванню вродженого, конституційного імунітету. Розгадка сутності вродженого імунітету досягнуто з урахуванням досягнень молекулярної біології. Відкривши механізм природного відбору по деталях біомолекулярного пристрою, імунологія внесла,свою чергу, великий внесок у науку про молекулярні основи будови, функціонування та еволюції живої матерії. І цим сторицею повернула їй свої борги. Але союз фундаментальної та прикладної наук на цьому не розпався. Найголовніші відкриття – попереду.