Некоторые страницы могут замирать в незаконченном виде на неопределенное время — объем работы огромен, а руки одни.
 
 
 
 
 

Концепция СтруктуроГенеза Анатолия Никифоровича Барбараша или, сокращенно, КСГ

А. Н. Барбараш
1929—2008
Одесса

Как из одной-единственной неспециализированной клетки получается целый человек, состоящий из триллионов специализированных, да еще располагающихся в пространстве строго определенным образом? Почему у человека именно 5 пальцев на руках и ногах (а не 7 или 3), почему 32 зуба в один ряд (а не в несколько рядов как у акулы), почему печень располагается именно справа, селезенка слева и т.д.? Ответ — в КСГ. Ниже приводится краткое и упрощенное описание КСГ, которое для многих окажется непосильным даже в лайт-варианте. Но что поделать... Идущий да осилит дорогу.

  1. Как наследуется анатомия
  2. Загадка многоклеточных организмов
  3. Где же скрыта информация?
  4. Похеренное открытие Бориса Белоусова
  5. Оптический способ передачи информации
  6. Волновая оптика клеточных ядер
  7. Реальность, похожая на фантастику
  8. Управление активностью генов
  9. О внутриядерной перестройке генома
  10. Тайны сна
  11. Оптика, оптика и еще раз оптика!
  12. Загадка клеточной дифференцировки
  13. О Дон Кихотах и Санчо Пансах
  14. Механизм считывания генетической информации
  15. Первое включение волнового поля и некоторые его параметры
  16. Схема поэтапного процесса развития многоклеточного организма

Дополнительные идеи:

Кроме  того, Анатолий Никифорович доказал, что что жизнь на Земле возникла не случайно и не сама собой — ее привезли извне. Да еще изменили для этого предварительно земную атмосферу, разместив на орбите Земли Луну. Показал, что мозг человека работает по принципу голограммы, а при мышлении в ядрах мозга происходят математические преобразования Фурье. Предложил разгадку самых трудных проблем естествознания — природы информации и сущности Жизни вообще, наследования анатомии, математики мышления, бесконечного круговорота материи во Вселенной и ее вечного энергоснабжения. Впервые в истории человечества детально объяснил суть старения, а также предложил свое видение проблемы канцерогенеза, т.е. того, что такое рак, и как он возникает на генетическом уровне. К великому сожалению, он сам умер от рака после 25 лет безуспешных попыток донести свои идеи до научного истеблишмента.

С 1942 — рабочий станкостроительного завода в Стерлитамаке. С 1952 — главный инженер предприятия в Чернигове. Административная работа пришлась не по душе — через 3 года ушел с нее, перешел на работу конструктором. Вскоре назначен начальником конструкторского отдела фотомеханического профиля. В 1966 с отличием окончил Московский Полиграфический Институт и перешел в лабораторию, из которой затем вырос Одесский НИИ Телевизионной Техники (ОНИИТТ). Начальник лаборатории, затем начальник отдела. В 1979 защитил кандидатскую диссертацию.

Основное направление работ — системы зрения и интеллекта роботов. В 1985 с отличием окончил биологический факультет Одесского Государственного Университета. Несколько лет руководил семинаром «Нейрокибернетика и молекулярная электроника» в Одесском Доме Ученых. В 1988 присвоено звание старшего научного сотрудника. Один из основных организаторов и докладчиков первой в СССР широкой научной конференции по молекулярной электронике, прошедшей в Одессе.

С 1983 года главная сфера научных интересов — теоретическая биология. Заложил основы новой науки — стереогенетики, изучающей генетическое кодирование анатомии организмов. В 1985 сформулировал концепцию нейроголографии, объяснившую принципы физиологии мышления.

С конца 90-х годов занялся проблемой происхождения жизни на Земле. Поддержал и дополнил доказательствами вывод Ф. Крика и Л. Оргела о целенаправленной доставке жизни на Землю космическим кораблем. Создал новую космологическую концепцию — о вечном круговороте материи во Вселенной, радикально противоречащую всем существующим теориям.

Автор 20 изобретений и более 60 научных работ.

Последние два года его жизни мы с ним периодически переписывались — он был очень приятным, литературно грамотным собеседником.

Как наследуется анатомия?

Земные организмы пользуются двумя типами генетических кодов:

  1. один служит для наследования молекулярных структур РНК и белков
  2. второй — для наследования пространственного строения многоклеточных организмов.

Первый код уже достаточно изучен, а вот второй представляет собой темный лес, сложнейшую загадку, так что все дальнейшее повествование будет посвящено именно ему.

Система управления работой генов в многоклеточном организме, которую нам предстоит рассмотреть, — далеко не самая сложная во Вселенной, но и простой ее тоже не назовешь. И уже здесь необходимо подчеркнуть, что момент первого знакомства с предлагаемой концепцией, когда должны быть восприняты ее главные принципы, чрезвычайно важен — без понимания этих фундаментальных принципов все разговоры на эту тему бесполезны.

Студенты разных стран изучают анатомию человека по одинаковым учебникам, что доказывает строгую повторяемость строения человеческого организма в миллиардах его воплощений на всех континентах. Для кибернетика данный факт говорит о существовании у всех людей одинаковой информационной системы, однозначно управляющей формированием организма. Сомневаться в таком выводе могут лишь биологи, не привыкшие рассматривать окружающий мир с информационных позиций. Так в книге одного из заслуженных биологов развитие организма представляется как последовательность бифуркаций, т.е. выборов в узловых точках развития каждый раз одного из двух возможных вариантов, причем нет даже намека на какую-либо систему, управляющую выбором, что подразумевает его полную случайность. Но разве случайный выбор мог бы привести, скажем, к одинаковому количеству пальцев на всех четырех конечностях человека, не говоря уже о совпадении анатомии разных людей?

На тему того, что конкретно управляет развитием организма, есть много гипотез. Большинство из них (в частности, гипотеза о бифуркациях) абсолютно неинтересны уже потому, что не отвечают на главный вопрос — как из простого (одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки) развивается нечто неизмеримо более сложное (многоклеточный организм)? Разгадка развития сложного из простого — в том, что развитие представляет собой реализацию наследственной информации и, следовательно, необходимо выяснить:

  1. Где находится информация, управляющая развитием?
  2. В каком виде она представлена?
  3. Как именно реализуется (считывается)?

Хотя в научной литературе называется несколько различных мест расположения информации, управляющей формированием организма, сомнений в ее фактическом расположении нет — формы организма наследуются (за редчайшими и объясненными исключениями) по законам Г. Менделя, что говорит о диплоидной форме представления соответствующей информации, а такой формой обладают только ДНК клеточных ядер.

По сути, в прошлом была выдвинута лишь 1 реально сильная гипотеза о принципах реализации информации, управляющей формированием организма и записанной в ядерной ДНК — это опубликованная в 1952 году гипотеза Алана Тьюринга, которая гласит: в первоначально однородном растворе веществ могут протекать химические процессы, приводящие к образованию сложного пространственного распределения реагентов, а возникающая при этом химическая неоднородность играет роль «разметки» для построения организма.

Эта гипотеза хоть и ошибочна, но вполне логична. С ее позиций в ДНК оказываются закодированными свойства участвующих в реакциях молекул (так называемых морфогенов), а взаимодействия между ними, формирующие в растворе неоднородность, являются главной частью процесса прочтения наследственной информации о строении организма. На основе этих представлений трудами многих ученых была разработана математически вполне корректная теория диссипативных структур (ТДС), а далее возникла и новая наука — синергетика. Было показано, что использование принципов ТДС дает Природе возможность формировать сложные многоклеточные организмы.

Смысл выдвижения гипотез заключается в том, что при решении трудных проблем, не поддающихся прямому экспериментальному исследованию, гипотеза переносит вопросы в совершенно другие области, где получить ответы легче или где ответы уже существуют. Например, гипотеза Тьюринга позволила вместо безуспешного прямого исследования факторов, управляющих развитием организма, переключить усилия на поиск молекул (морфогенов) с предсказанными свойствами или на поиск корреляций между особенностями организмов и следствиями гипотезы.

Повторюсь: гипотеза Тьюринга — очень сильная гипотеза, которая закономерно привлекла внимание большого числа исследователей, которые коллективными усилиями показали, что Природа действительно могла бы формировать живой мир на базе ТДС. Но беда в том, что сопоставление реальных организмов с особенностями ТДС выявило ряд принципиальных несоответствий — живые существа, построенные на основе ТДС, должны были бы выглядеть совсем не такими, какими мы их видим в действительности.

Например обнаружилось, что ТДС может объяснить формирование организмов с центральной симметрией — морских звезд, офиур, актиний и др., но не объясняет формирование подавляющего большинства других животных (среди которых только насекомых — более миллиона видов), имеющих зеркальную симметрию. Обнаружилось, что разновидностей молекул, похожих по своим свойствам на морфогены, в организмах очень мало, в тысячи раз меньше, чем нужно для объяснения его развития. К тому же крупные молекулы с информационными свойствами морфогенов диффундируют в протоплазме очень медленно, из-за чего могут формироваться лишь объекты не крупнее миллиметра. Более крупные организмы, согласно ТДС, способны возникнуть лишь в результате роста, тогда как, например, для человеческого организма основное формообразование происходит уже после значительного превышения зародышем миллиметрового размера, и одного фактора роста ну никак недостаточно для объяснения его дальнейшего развития.

Кроме того, столь важный для ТДС рост организмов в рамки этой теории тоже не укладывается. При постоянной температуре зародыша скорость диффузии молекул стабильна, из-за чего характерные размеры диссипативных структур остаются неизменными. Поэтому под управлением подобной информационной системы организм мог бы увеличивать массу тела разве что по частям, поочередно — туловище, голова, одна рука, другая, нога и т.д., но в действительности такого не происходит! Именно расти, т.е. пропорционально увеличиваться в размерах организм в рамках ТДС не мог бы.

Для правильного формирования структур в рамках ТДС важно, чтобы в среде не происходили принудительные перемещения молекул более интенсивные, чем диффузия. А это значит, что все этапы развития организма после начала функционирования кровеносной системы уже невозможно объяснить с помощью ТДС. А ведь для человека это вся жизнь, кроме разве что первых месяцев развития зародыша.

Такой набор противоречий потребовал поиска другого, лучше совпадающего с реальностью механизма управления развитием. Однако сизифов труд армии разработчиков ТДС не был совсем уж напрасным — не пройдя по пути разработки ТДС, наука не смогла бы сделать следующего, психологически чрезвычайно трудного шага, который требовал осознания слабых мест ТДС и ломки привычных представлений.

В проблеме управления развитием одним из центральных вопросов является вопрос о способе передачи в организме информации, согласовывающей в нем процессы развития разных органов. Успехи биохимии ХХ века сформировали у большинства биологов убеждение, будто химическими процессами и вообще близкими взаимодействиями между молекулярными структурами можно объяснить практически все, что происходит в организме. ТДС укладывалась в русло таких представлений очень точно и уютно, поскольку передачу информации в системе управления развитием она относила на счет переноса молекул (диффузии). Разработчики ТДС изучили все мыслимые варианты формирования организмов на основе передачи информации путем переноса веществ, но крах этого направления поиска заставил предположить, что в данном случае информационные связи основаны не на переносе вещества, а на переносе энергии.

Перенос энергии, не связанный с переносом вещества, осуществляется волновыми полями. Значит, нужно искать волны, переносящие в организме информацию управляющую развитием. При этом нужно сразу же уйти от ошибки разработчиков ТДС, не придававших значения огромным размерам некоторых организмов — нужно искать волновое поле, способное пройти вдоль всего кита, мамонта, динозавра или даже саргассовой водоросли, длина которой достигает 200м.

Дальнодействие информационных связей ярко проявилось в специфике управления развитием — например, в частоте встречаемости мутаций галтеров (жужжалец) дрозофилы. Вероятность мутаций, затрагивающих одновременно левые и правые галтеры, оказалась равной произведению вероятностей мутаций отдельно левых и отдельно правых галтеров [Астауров, 1927; 1974]. Отсюда (на основании теории вероятностей) следовало, что развитие левых и правых органов определяется разными генами, не зависящими друг от друга.

Но различие генов левых и правых органов не отразилось на хиральности (параметрах симметрии) молекул, из которых построены клетки этих органов.

Белки всегда содержат левые аминокислоты (L-аминокислоты), а все сахара, входящие в нуклеиновые кислоты клеток, — правые (D-сахара). Клетки и ткани (особенно у высших животных) как правило тоже не различаются в зависимости от принадлежности к левой или правой сторонам организма. Различие между левой и правой сторонами можно увидеть лишь на уровне органов и организма в целом.

Другими словами: хотя зеркально-симметричные органы кодируются разными генами, эта особенность не сказывается на молекулярном уровне организации тела и обычно не проявляется на уровнях клеток или тканей. Раздельное влияние генов неожиданно и в полной мере обнаруживает себя лишь на уровне органов и организма в целом! Уже в этом видна большая протяженность информационных связей между генами и органами. И если эти связи реализуются волнами, то такие волны должны обладать способностью проходить большие расстояния.

Сложность ситуации в том, что одновременно с большой дальностью действия, искомые волны должны иметь малую длину волны, сопоставимую с размерами молекулярных агрегатов. Иначе они не смогут избирательно воздействовать на гены. Но коротковолновые, а следовательно высокочастотные колебания (электромагнитные или акустические) испытывают в биомассе очень сильное затухание, отчего не могут распространяться на значительные расстояния. Однако многоклеточные организмы существуют! Значит какое-то решение проблемы Природа таки нашла — нужно лишь отыскать его.

Пытаясь создать удобную для изучения модель цикла Кребса, т.е. цепочки реакций, питающих организмы энергией, выдающийся русский химик Борис Павлович Белоусов всего за 1 год до гипотезы ТДС Алана Тьюринга открыл химические колебательные реакции. Например, если приготовить водный раствор лимонной кислоты, сульфата церия и бромата калия, добавив в качестве буфера серную кислоту, то колебательный характер реакции проявляется в периодическом изменении цвета раствора с желтого на бесцветный. Если же ввести в раствор железофенантролин (в качестве индикатора), то возникает более контрастное, четко видимое невооруженным глазом изменение цветов с синего на красный и наоборот.

Но если работа ТДС Тьюринга была опубликована сразу же, то Белоусову в этом смысле сильно не повезло — он жил, как вы понимаете, совсем в другой стране. Статью о колебательных реакциях Белоусову с огромным трудом удалось опубликовать лишь через 8 лет после открытия, да и то в журнале по радиационной медицине, который химики не читают. Белоусов умер в 1970 году, так и не дождавшись признания... А в 1980 ему (посмертно) и группе последователей была присуждена высшая государственная премия, а сообщение о колебательных реакциях с триумфом прокатилось по химическим журналам всего мира.

Вскоре оно было признано самым выдающимся экспериментом ХХ века.

А. М. Жаботинским и А. Н. Заикиным было открыто, что химические колебательные реакции способны распространяться в виде волн — так возникло название «волны Белоусова-Жаботинского» или «волны БЖ». Эти волны проявили именно то противоречивое сочетание качеств, которое способно объяснить работу волновой системы управления развитием организма.

Во-первых, они как лесной пожар распространяются на любые расстояния, не теряя интенсивности (не затухая), так как черпают энергию из среды распространения. Во-вторых, имея форму уединенных волн, солитонов (а не привычных всем синусоид), волны химических реакций обладают на несколько порядков более коротким передним фронтом, чем расстояние между фронтами. При длине волны порядка единиц или десятков миллиметров, такие волны могут иметь передний фронт, сопоставимый по протяженности с размерами гена, т.е. фронт, способный взаимодействовать с геном.

Но одних лишь волн для системы управления развитием недостаточно. Ситуация выглядит так: организм человека построен из миллиардов клеток и в ядре каждой — строго одинаковый набор генов. В зависимости от расположения клетки в организме, в ней из общего набора включается строго определенная группа генов (например в клетках хрусталика глаза — группа, включающая в себя гены кристаллинов, белков прозрачных сред глаза). В другой точке организма включается другая группа генов. И чтобы связать это с волновым управлением, нужно объяснить природу избирательного взаимодействия волн с каждой группой генов.

Известна гипотеза (А. Н. Мосолова) о том, что волны (правда, речь шла об акустических, а не о химических волнах) могут избирательно взаимодействовать с генами на основе резонанса. Но резонансные явления не объясняют связи активирования генов с координатами клетки в организме. Да, радиоприемник настраивается на ту или иную радиостанцию на основе резонанса, но при этом ему неизвестно, как именно расположены радиостанции по отношению к его местонахождению, поскольку ориентация приемника на прием не влияет.

В 1983 году Анатолий Никифорович Барбараш выдвинул гипотезу об оптическом механизме управления активностью генов, названная КСГ (Концепцией СтруктуроГенеза). Согласно этой гипотезе

Гены получают информацию о местоположении клетки в организме приблизительно так, как капитан корабля в океане определяет свои координаты по звездам.

В клетках организма периодически возникает химическое волновое поле (ХВПО). Через многочисленные коннексоны — трубки молекулярного размера, пронизывающие стенки клеток и связывающие между собой их протоплазму — химические волны распространяются по всему организму. Из-за разных свойств тканей, интенсивность химических волн в разных тканях конечно же неодинакова — существуют зоны организма с высокой плотностью энергии химических волн (активные зоны) и зоны с низкой плотностью энергии.

Когда волна химических реакций, перемещаясь в протоплазме, достигает оболочки клеточного ядра, сопутствующий фронту волны скачок ОВП (окислительно-восстановительного потенциала) создает в ядерной оболочке кольцевую зону электрострикционного сжатия, которая быстро пробегает по поверхности ядра. Скачок электрического потенциала в растворе составляет всего десятые доли вольта, но так как он прикладывается к очень тонкому поверхностному слою (пресловутой «мембране»), то напряженность поля достигает в нем сотен киловольт на сантиметр, что превышает напряженность пробоя лучших технических изоляторов и вызывает интенсивную электрострикцию (сжатие диэлектрика под действием электрического поля).

Зона электрострикционного сжатия приобретает вид кольцевой морщины, пробегающей по оболочке ядра. Естественно, что перемещение зоны деформаций порождает акустические колебания прилегающей протоплазмы. Источником энергии акустических колебаний является преобразованная поверхностным слоем («мембраной») энергия химических волн. Другими словами: часть энергии химической волны преобразуется ядерной оболочкой в акустические волны, расходящиеся от оболочки в разные стороны — внутрь ядра и во внешнее пространство.

Волна, уходящая вовне, постепенно рассеивает свою энергию и затухает. А вот судьба акустической волны, уходящей внутрь ядра, гораздо интереснее. Так как природа химических и акустических волн принципиально различна, то и скорости их распространения неодинаковы. Поэтому на границе раздела, т.е. на сферической поверхности ядерной оболочки, неминуемо происходит преломление волнового поля. В зависимости от величины коэффициента преломления или, иначе, отношения скоростей химических и акустических волн, сферическая оболочка приобретает свойства собирающей или рассеивающей линзы.

КСГ предполагает, что в многоклеточных организмах этот коэффициент преломления имеет величину порядка 2.6-2.8 — в этом случае все активные зоны ХВПО проецируются ядерной оболочкой внутрь ядра на содержащийся там хроматин. Естественно, проецируются они уже не в виде химических, а в виде акустических активных зон — в виде микроскопических зон фокусировки энергии акустических колебаний.

Оптические системы такого типа физике неизвестны. Да, и в природных явлениях, и во всех искусственно созданных оптических устройствах преломление волнового поля тоже происходит в результате изменения скорости распространения волн, но происходит оно всегда из-за изменения свойств среды, а не природы волн. Поэтому оптической системе нового типа следует присвоить новое логичное название — гетероволновая (разноволновая) оптика, а в более узком приложении — кариооптика, т.е. оптика клеточных ядер.

Кариооптика действует следующим образом: активные зоны ХВПО проецируются оболочкой каждого ядра на содержащийся внутри него хроматин в виде системы акустических активных зон. В таких зонах двойная спираль ДНК отрывается акустическими колебаниями от нуклеосом, и гены, оказавшиеся на освобожденных участках ДНК, становятся доступными для РНК-полимераз, т.е. для ферментов, прочитывающих записанную на ДНК информацию и переписывающих ее на синтезируемые нити РНК. Именно так гены переводятся в активное состояние или другими словами:

Сиюминутное строение организма управляет активностью всех генов и дальнейшим развитием особи.

Согласно КСГ, этот же волновой механизм управляет и дискретными перестройками хроматина внутри ядер, которые определяют возникновение клеток новых типов, что биологи называют клеточной дифференцировкой. Подробности этого процесса — в дальнейших статьях.

КСГ гораздо лучше ТДС Тьюринга прежде всего потому, что она полностью лишена недостатков тьюринговской гипотезы. В отличие от ТДС, на основе волнового механизма могут формироваться (в зависимости от расположения генов в ядре) организмы хоть с центральной, хоть с зеркальной симметрией. Волновой механизм снимает вопрос об отсутствующих морфогенах, его функционированию совершенно не мешает кровообращение, он не ограничивает размеры организмов и прекрасно согласуется с процессами роста, о чем подробно рассказано ниже.

Но КСГ лучше ТДС не только отсутствием недостатков — КСГ четко объясняет широчайший круг биологических явлений, которые после разработки ТДС так и остались непонятными. Например известно, что многоклеточные организмы построены только из клеток с ядрами. Но почему? Для формирования организмов по ТДС ядра вообще не нужны! А вот в КСГ они совершенно необходимы. В рамках ТДС не нужно, чтобы гены рибосом собирались в центре ядра, образуя ядрышко, не требуется многократное повторение одинаковых генов, из которых в каждой клетке используются лишь единицы, не нужны кластеры поочередно действующих генов и другие совершенно непонятные свойства эукариот! А в КСГ это все вписывается просто идеально.


Загадка многоклеточных организмов

В 1865 году на заседании общества естествоиспытателей моравского города Брно был прочитан доклад, название которого подошло бы выступлению садовода-любителя: «Опыты над растительными гибридами». Однако при взгляде из следующего, 20-го века этот доклад оказался одной из важнейших вех эпохи. Его столетие отмечалось мессой в церкви Успения, куда съехались генетики со всего мира, чтобы почтить память Грегора Менделя, автора доклада и настоятеля Августинского монастыря, которому принадлежала церковь.

Изучая статистику распределения свойств в гибридах гороха, Грегор Мендель открыл существование генов, и сформулировал первые 3 закона генетики. В 1953 году развитие науки раскрыло структуру двойной спирали ДНК и фактически решило вопрос о материальной природе генов, хотя выяснение подробностей, например, генетического кода и способа репликации, заняло еще несколько лет. Далее, как обычно, последовал бурный рост исследований в области молекулярной генетики, однако довольно быстро стало ясно, что молекулярная генетика ох как далека от полного триумфа. Да, конечно, были раскрыты способы наследования молекулярной структуры белков (а с ними и биохимии клеток), но то, как наследуется строение многоклеточного организма, осталось совершенно непонятным.

Каждый биолог и медик — кто осознанно, а кто по принуждению — считает активность генов ответственной за все процессы, протекающие в организме. Появились аномалии развития — значит, нарушился нормальный процесс активирования генов. Израненный человек без помощи врачей поднялся на ноги — значит, вовремя включились нужные гены. Но что знает биолог о самом механизме активирования генов? По отношению к бактериям — практически все. По отношению к дождевому червю, не говоря уже про человека, — ничего.

Каждая клетка организма содержит одинаковый набор генов. Но какой-то непонятный механизм включает в одних клетках одно, в других — другое подмножество генов так, что в результате из одной клетки закономерно развивается сложный организм, описание анатомии которого требует многих томов.

«Легче понять образование всех небесных тел и причину их движений, чем точно выяснить возникновение одной только былинки или гусеницы». © Кант, 1963

В этих словах Иммануил Кант не случайно сделал акцент на «возникновении». Жизнь содержит в себе много удивительного и загадочного. Загадочно ее возникновение на Земле — буквально сразу, как только возникли приемлемые условия; загадочна способность высших организмов мыслить и т.д. Но более всего поражает способность многоклеточных организмов развиваться из единственной клетки, закономерно повторяя строение предков.

Если отбросить вирусы и прочую экзотику, то живая материя резко делится надвое — на прокариот и эукариот.

  • Прокариоты немногочисленны по числу биологических видов (хотя широко распространены в природе) и примитивны по структуре. Они имеют одноклеточное строение, их колонии не образуют целостных организмов. Клетки очень малы, обычно неразличимы без микроскопа. Генетический аппарат представлен плавающей в протоплазме замкнутой в кольцо двойной спиралью ДНК если и прикрепленной к оболочке клетки, то не более, чем в десятках точек.
  • Эукариоты представлены в тысячи раз большим количеством биологических видов. В подавляющем большинстве — это многоклеточные организмы. К ним относится, в частности, вся видимая невооруженным глазом живая Природа — животные и растения. Генетический аппарат каждой клетки организован в виде ядра, внутри оболочки которого сложная белковая структура обеспечивает заданное пространственное положение двойных спиралей ДНК.

Уровни понимания нами биологии прокариот и эукариот разительно различаются. Если организация прокариот достаточно ясна и дальнейшего изучения требуют лишь особенности индивидуальных свойств да новые виды, то совсем иное положение с эукариотами.

  • Что объединяет клетки в целостные организмы?
  • Что и как управляет формообразованием растущей клеточной массы?
  • Что контролирует изменение типов клеток при формировании организма?
  • Как единственная клетка порождает клетки всех нужных типов?
  • Как наследуется строение организма?
  • Что объединяет столь различные по этиологии отклонения процессов развития, какими являются злокачественные опухоли?
  • Как связаны процессы развития с нервной системой?
  • Почему только животные, обладающие длинными нервными пучками, смогли превысить своими размерами десяток метров?
  • Почему организмы, находящиеся на более высоких ступенях эволюционной лестницы, оказались хуже приспособленными к восстановлению поврежденных органов (к регенерации), чем менее развитые, и т.п.?

Та часть биологии, которая изучает процессы развития от конкретной зародышевой клетки до смерти организма, названа биологией развития. Именно к биологии развития относятся все перечисленные вопросы. Один из авторов открытия двойной спирали ДНК, Фрэнсис Крик, отмечал, что «биология развития является областью наибольшей научной важности, где наше незнание гораздо поразительнее наших знаний». Он указывал, что наши знания в этой области имеют курьезную особенность: мы знаем, как организм строит самые сложные молекулы, знаем многое из того, что творится внутри клетки, но не знаем, как эти клетки соединяются, образуя ткани, органы и целые организмы. В тон ему один из ведущих специалистов биологии развития А. Нейфах  (в соавторстве с Лозовской, 1984) писал:

«Понять, как создается форма органов, мы не можем и, честно говоря, не знаем, как к этой проблеме вообще подойти».

По мнению Крика, сложность состоит в том, что поскольку жизнь построена на молекулярном уровне (да и по ряду других причин), то чтобы объяснить наблюдаемое, нужно понять то, чего мы, при всей экспериментальной технике, не можем увидеть. В ходе развития многоклеточного организма можно выделить следующие существенные моменты:

  • Обычно развитие начинается со слияния женской и мужской половых клеток с образованием клетки-зиготы.
  • Далее у многих организмов быстро проходит несколько делений зиготы (или только ее ядра), значительно опережающих приток питательных веществ. Это приводит к появлению все более мелких клеток (биологи назвали данный этап дроблением), деления протекают во всех частях зародыша согласованно, синхронно, и все клетки приобретают одинаковые свойства.
  • Затем в развитии наступает перелом, нарушается синхронность процессов деления и впервые возникают отличия в свойствах образующихся клеток — появляются клетки все новых и новых типов, так что дальнейшее развитие организма можно рассматривать как формирование «генеалогического древа» клеточных типов. Параллельно со специализацией клеток, которую биологи называют дифференцировкой, увеличивается их количество, изменяются размеры, происходит рост организма.
  • Наряду с появлением клеток разных типов и увеличением их общего количества, протекают формообразовательные процессы — рост одних групп клеток опережает рост других групп, вызывая деформации клеточных пластов, некоторые клетки самоуничтожаются, и в результате подобных, хорошо согласованных процессов формируется сложная анатомическая структура организма.
  • После достижения пика развития, обычно совпадающего с репродуктивной фазой, происходит постепенная деградация протекающих в организме биохимических процессов, а также анатомическая деградация (последнее особенно важно для многолетних растений), завершающиеся гибелью особи.

Каждый из перечисленных пунктов содержит множество загадок. Биология развития оказалась той частью биологии многоклеточных, где проблемы выражены особенно остро, однако нельзя сказать, что этот раздел биологии совсем не имеет успехов.

  • Неплохо изучены биологические механизмы управления процессами с помощью специфических молекул (топоизомераз, цАМФ, экдизона и др.).
  • Обнаружены разнообразные способы управления формированием организма на разных этапах развития. Например, установлена роль ооплазматической сегрегации (распределения веществ цитоплазмы яйцеклетки) в определении специализации клеток зародышей будущих организмов.
  • Выявлено использование материнских РНК при первых делениях клеток зародышей с последующим переключением на синтез собственных РНК.
  • Накоплен большой экспериментальный материал по эмбриональным индукциям, т.е. по специализации менее дифференцированных клеток под влиянием более дифференцированных.
  • В ряде случаев установлена зависимость направления дифференцировки от взаимного расположения дочерних клеток после деления.
  • Исследованы синхронизация процессов в разных частях организма с помощью гормонов и избирательное влияние состава транспортных РНК на скорость синтеза различных белков.
  • У разных животных, вплоть до человека, обнаружены особые гомеотические гены, прямо влияющие на морфогенез, например, на сегментацию личинок дрозофилы или на формирование ее нервной ткани.

По сравнению с тем, с чем разобраться не удается никак, вышеописанные успехи безусловно весьма скромны, но даже они создали у биологов иллюзию, что совокупностью уже известных механизмов развития можно в принципе объяснить вообще все наблюдаемые факты. Особые надежды возлагаются на роль близких взаимодействий между клетками. Ситуация усугубилась разительными достижениями биохимии последних десятилетий, которые опять-таки создали у специалистов иллюзию, что практически все процессы развития могут быть, в конце концов, объяснены через биохимические процессы, через контактные взаимодействия между молекулами и клетками.

Многие процессы в клетке основаны на самосборке или на сходных с ней процессах опосредованной или направленной сборки. После синтеза на рибосоме заданной цепочки аминокислот, эта цепочка (при соответствующих параметрах среды) сама собой сворачивается в пространственную структуру белковой молекулы. Сходные процессы, определяемые свойствами самих молекул, строят мембраны, микротрубочки, центриоли и пр. Поэтому для биологов естественна мысль о том, что самосборка, опосредованная или направленная сборка и вообще близкие или контактные взаимодействия в каком-то усложненном варианте способны действовать и на более высоких уровнях, т.е. собирать из клеток ткани, из тканей — органы и так вплоть до целостного организма.

Ярким примером такого подхода стала матриксная гипотеза ДНК-направляемого морфогенеза (Шеррер, 1987), в которой автор пытается информационно связать ядерную ДНК с построением матрикса клетки, а через него — и с формированием клетки в целом. Отсюда он перебрасывает мостик к формированию органов и всего организма, считая, что организованный с помощью ДНК матрикс «будет определять в целом размеры и морфологию клетки и, в силу этого, морфологию органа».

Существуют организмы (аскариды, коловратки и др.) со строго постоянными числами клеток каждого типа, словно подтверждающие мысль о самосборке особи из определенного комплекта клеток за счет их четких контактных взаимодействий. Но подобные явления редки — у подавляющего большинства организмов размеры, форма и количество клеток варьируют в широких пределах, что не нарушает строгой детерминированности общего строения органов и организма. Это показывает, что самосборка, опосредованная и направленная сборка и в целом контактные взаимодействия клеток сами по себе не могут объяснить построение высокоорганизованного многоклеточного организма — всех упомянутых частных механизмов управления морфогенезом недостаточно. Должен существовать еще и некий генеральный управляющий механизм, действующий на значительных расстояниях и выполняющий управление в целом.

Стремление понять наш наследственный аппарат обострило главную проблему биологии, суть которой в том, что мы знаем, как ДНК кодирует белки организма, но не знаем, как закодировано строение особи, т.е. ее анатомия. Интерес к этой злободневной проблеме выразился, в частности, в исследованиях по широкой международной программе «Геном человека».

Поскольку каждый биохимический процесс задается каталитическим действием соответствующего фермента (специального белка), то на основе генетического кода белков объясняется наследование всей биохимии организма. Но что обеспечивает точное наследование строения, структуры многоклеточного организма? Вот — главная загадка биологии.

Термин «структура организма» в дальнейшем будет использоваться довольно часто и потому требует определения. Обычно структурой называют совокупность элементов, соединенных системообразующими связями. В случае организма дать определение структуры нелегко, так как его элементы и объединяющие связи очень разнохарактерны и сложны. Что считать элементами организма — молекулы, клетки, органы? Какие связи должны учитываться, а какие нет? В дальнейшем изложении термин «структура организма» будет использоваться в узком понимании — как совокупность разнотипных клеток организма, а также связей, обеспечивающих их согласованное развитие и совместное функционирование.

Чтобы клетка правильно функционировала в структуре организма, каждой клетке должно быть известно ее точное положение в структуре. Нельзя понять развитие многоклеточных организмов, не узнав, каким образом и в каком виде клетки получают информацию о своем расположении.

«Совершенно очевидно, что клетки располагают позиционной информацией... Клетка усваивает информацию о своем расположении в трехмерном пространстве...» (Зенгбуш, 1982, т.1). Важнейшие вопросы в этой связи:

  • Под влиянием каких сигналов в каждой клетке включается лишь часть имеющихся генов, причем учитывается сиюминутное строение организма и расположение в нем конкретной клетки?
  • Чем задается строение организма, характерное именно для данного биологического вида?
  • Как клетка получает информацию о сиюминутном строении особи?
  • Почему в подавляющем большинстве случаев у человека формируется определенное количество зубов, позвонков, ребер, пальцев, глаз, легких, почек, конечностей и т.д.?
  • Какой механизм располагает их строго определенным образом по отношению к другим органам?

Наиболее важным звеном регулирования жизнедеятельности клетки признан процесс синтеза молекул РНК на матрице ДНК, т.е. транскрипция. Чаще всего, именно начало транскрипции оказывается определяющим моментом для включения цепочки процессов, зависящих от данного гена. Транскрипция имеет большое сходство с репликацией или синтезом ДНК на матрице ДНК (т.е. с удвоением количества ДНК в клетке), необходимым для последующего деления клетки.

В половине случаев — когда матрицей служит так называемая «отстающая» цепь ДНК — и при транскрипции, и при репликации, сначала синтезируется РНК (которая при репликации позже заменяется на ДНК) и только с 11-го нуклеотида репликация начинает отличаться от транскрипции. Да и эти различия невелики. Но удивительно то, что репликация не требует разрыхления хроматина, а транскрипцию Природа почему-то во всех организмах сделала зависимой от такого разрыхления.

Как регулятор транскрипции, разрыхление хроматина стало основным (хотя и не единственным) регулятором всей жизнедеятельности клетки. Поэтому главная загадка биологии в значительной степени превратилась в вопрос о том, что же управляет разрыхлением хроматина? Неясно также, что управляет специализацией или, как говорят биологи, дифференцировкой клеток, т.е. возникновением по ходу развития организма клеток все новых и новых типов.


Где же скрыта информация?

Предположим, что формированием организма, как и большинством процессов жизнедеятельности клетки, управляет разрыхление хроматина. Тогда

  • Где и в каком виде хранится нужная для этого информация?
  • Как она попадает в клетку?
  • Как трансформируется в определенную картину разрыхления хроматина?

Для нормального развития организма каждая клетка должна обладать информацией двоякого рода:

  1. Во-первых, нужна информация о том, какой структурой обладает особь в данный момент (на какой стадии развития она находится), и какое место занимает конкретная клетка в данной структуре.
  2. Во-вторых, нужна информация о том, как должна вести себя клетка, находящаяся в данное время в данном месте.

Если информация 1-го типа обязана прийти в клетку извне, то информация 2-го типа вполне может находиться и в самой клетке. Есть особенность процессов развития (морфогенеза), позволяющая установить местонахождение информации о плане действий каждой клетки. Дело в том, что наследование форм организмов подчиняется тем же менделевским законам, которым подчинены биохимические процессы.

[Исключения очень редки. Например направление закручивания раковин моллюсков Рhysa Limnaea — в нарушение менделевских законов — наследуется по материнской линии, так как определяется на раннем этапе развития зародыша, когда в нем еще не включена отцовская часть генов, и работают запасенные ранее молекулы материнской протоплазмы (Шмальгаузен, 1982).]

Природа менделевских законов говорит о диплоидном характере носителя наследственной информации, что в свою очередь указывает на то, что она хранится в ядерной ДНК, поскольку только ядерная ДНК представлена в диплоидной форме, т.е. в двух экземплярах — в виде пар однотипных хромосом. Именно этим фактом определяется вид законов наследования, сформулированных Грегором Менделем и его последователями.

После выявления носителя информации, на котором записана структура организма (что упразднило гипотезы о размещении ее в каких-то особых фракциях ядерной РНК, на ядерной оболочке и в других неподобающих местах), важно разобраться в информационных связях каждой клетки с остальными клетками организма.

На примере исследования частоты мутаций зеркально-симметричных органов животного (галтеров или жужжалец дрозофилы) выяснилось, что вероятность появления мутаций, затрагивающих одновременно левые и правые органы животного, равна произведению вероятностей мутаций тех же, но отдельно левых и отдельно правых органов. Отсюда по теории вероятностей прямо следует, что развитие левых и правых органов определяется разными генами, не зависящими друг от друга.

Влияние разных, независимых генов левых и правых органов не отражается на хиральности (параметрах симметрии) молекул, из которых построены клетки этих органов. Как уже говорилось выше, белки всегда содержат только L-аминокислоты, а все сахара, входящие в состав нуклеиновых кислот клеток, — это D-сахара. Клетки и построенные из них ткани (особенно у высших животных) также не различаются по принадлежности к левой или правой сторонам организма. Характеристики «правый» и «левый» появляются только на уровне органов и организма в целом.

[Левые и правые клетки (т.е. клетки взятые из левой и правой сторон организма, структура которых не строго идентична, а зеркальна) при микроскопических исследованиях иногда удается обнаружить лишь у редких животных, обладающих малым и постоянным в пределах вида количеством клеток (явление эвтелии).]

Складывается любопытная ситуация: хотя зеркально-симметричные органы кодируются отдельно друг от друга разными генами, эта особенность не сказывается на построении молекул — ее нельзя обнаружить не то что на клеточном уровне, но даже на тканевом. Раздельное влияние генов странным образом четко проявляется лишь на уровне органов и целого организма! Отсюда следует, что:

Формирование зеркально-симметричных органов нельзя объяснить никаким вариантом самосборки.

При самосборке, опосредованной или направленной сборке характер симметрии крупных структур опирается на характер симметрии элементов более низких уровней, чего в анатомии не наблюдается. И это одна из причин, почему любая гипотеза наследственного управления морфогенезом, опирающаяся на принципы близких взаимодействий клеток (а таких гипотез очень много, включая вышеупомянутую матриксную гипотезу Шеррера) не стоят выеденного яйца.

Нужно искать систему управления морфогенезом, которая использует дальнодействующие информационные связи — непосредственные связи между уровнем генов и уровнем органов. Размеры некоторых животных достигают десятков метров, но это не мешает им иметь симметричные левые и правые органы! Следовательно, нужно искать информационные связи способные обеспечивать такую дальность действия.

[Не следует забывать также о растениях, длина которых превышает 100 метров — например эвкалипт или секвойя. Рекордсменом по размеру организма является саргассовая водоросль, длина которой достигает 200 метров. Невозможно представить себе формирование огромного и целостного организма, в котором отдаленные части не связаны информационными связями.]

Идея Алана Тьюринга

Опыт учит, что информация не может переноситься в пространстве нематериальным способом. Перенос информации всегда реализуется на основе переноса либо вещества, либо энергии (например в виде волновых полей). Попытка объяснить передачу информации через перемещение веществ, диффузию особых сигнальных молекул (морфогенов) отражена в разработках, получивших собирательное название Теории Диссипативных Структур (ТДС).

Эта теория была разработана действительно выдающимся английским математиком Аланом Тьюрингом (Turing, 1952), который показал, что химические реакции между диффундирующими в растворе молекулами способны при определенных условиях создавать в первоначально однородной среде сложную картину распределения концентраций веществ. Согласно расчетам, при таких взаимодействиях по всей длине сосуда-реактора возникают «пятна» преимущественной концентрации то одного, то другого реагента. При одних значениях параметров они неустойчивы, при других приобретают устойчивый рисунок так называемых диссипативных структур.

Это дало повод полагать, что различие концентраций способно задавать строение формирующегося организма. ТДС также простимулировала возникновение целой новой науки синергетики (Хакен, 1980), рассматривающей вопросы совместного протекания процессов различных по своей природе или по параметрам. Синергетика пытается объяснить самые различные природные и общественные явления, а основной ее пафос — в убеждении, что через связь биологических процессов с формированием диссипативных структур она в конце концов раскроет загадку управления развитием многоклеточного организма.

Математическая сторона ТДС не вызывает возражений — теоретически жизнь могла бы развиваться по ее сценарию, т.е. могли бы формироваться повторяющиеся из поколения в поколение многоклеточные организмы с довольно сложной анатомией. Однако довольно скоро выяснилось, что на практике живая природа пошла каким-то другим путем — требуемое ТДС множество сигнальных молекул (морфогенов) обнаружить не удалось!

Далее, ТДС может объяснить формирование организмов с центральной симметрией (вроде морских звезд), но неспособна объяснить формирование организмов с зеркальной (билатеральной) симметрией. А ведь именно такие организмы составляют подавляющее большинство биологических видов (одних только насекомых более миллиона видов насекомых, а ведь еще есть позвоночные и пр.).

Расчеты показали, что ТДС способна объяснить лишь формирование структур размером не более 1мм. Сторонники ТДС попытались обойти эту трудность заявлением, что организм сначала формируется в малых размерах (до этого самого 1мм), а потом только растет и ничего нового уже не формируется. Но это полностью противоречит реальному развитию крупных организмов, не говоря уже о процессах регенерации, когда например у гигантского осьминога отрастает откушенные касаткой щупальцы. Того крохотного осьминога (размером до 1мм), который мог бы быть моделью для восстановления строения тела, здесь нет и в помине! Так что все богатство жизни, которое мы видим невооруженным глазом, с позиций ТДС необъяснимо.

В ходе развития организма очень большое значение имеют процессы пропорционального (или непропорционального, анизотропного) роста сформированных структур. Но ТДС и тут бессильна — ниже будет показано, что ТДС принципиально неспособна объяснить рост организмов.

Д'Арси-Томпсон обнаружил (Thomрson, 1942), что формы одного животного (контур рыбы, кость птицы и т.п.) часто удается точно совместить с формами животного другого биологического вида, если подвергнуть изображение плавному растяжению, сжатию, перекосу или другим простым деформациям. А это говорит о передаче от предков к далеким потомкам не только биохимических процессов, но и пространственного образа, способного плавно деформироваться в ходе эволюции. Если формы организма, костей и т.п. еще мыслимо объяснить картиной пространственного расположения морфогенов, сформированной структурообразующими химическими реакциями, то плавное деформирование такой картины в ходе эволюции в рамки ТДС не укладывается принципиально.

ТДС могла бы быть применима лишь к организмам, в которых диффузия молекул не сталкивается с более интенсивными процессами переноса веществ. А ведь в большинстве животных наличествуют циркулирующие по сосудам жидкости внутренней среды — кровь, лимфа, жидкость амбулакральных каналов и пр. Циркуляция крови влияет на распределение веществ неизмеримо сильнее, чем любая диффузия (вялый перенос, дрейф). Поэтому как только у зародыша появляются первые признаки кровообращении, ТДС уходит на покой. С точки зрения ТДС совершенно безразлично, есть в клетках ядра или нет.

Однако при всем удивительном многообразии жизни неизвестно ни единого многоклеточного организма сформированного из безъядерных клеток!

Далее, ТДС принципиально не может объяснить:

  • Почему определенное пространственное расположение генов в ядре клетки имеет для многоклеточных организмов принципиально важное значение?
  • Почему, в отличие от прокариот, у многоклеточных организмов ДНК зафиксирована в пространстве ядра и подчиняется многочисленным пространственным закономерностям?
  • Почему при переходе к многоклеточным организмам объектом эволюции стало прежде всего пространственное расположение генов внутри ядер, тогда как у прокариот эволюционировали, главным образом, аминокислотные последовательности белков?
  • Почему скорость эволюции крупных таксонов эукариот оказалась близкой к скорости перестроек структуры ядер (Nei, 1975)?

Одним словом, реальная жизнь пошла явно не по тому пути, который описала ТДС. Кроме ТДС были и другие гипотезы о механизмах морфогенеза. Например Л. В. Белоусов акцентировал внимание на возникновении неустойчивых состояний развивающейся системы с последующей случайной бифуркацией в одно из двух новых устойчивых состояний. Однако фундаментальный дефект этой гипотезы все тот же — она не отвечает на главный вопрос:

Как из одной-единственной неспециализированной клетки развивается многоклеточный организм, состоящий из миллиардов специализированных клеток?

Во всех странах мира анатомия человека описывается одинаково, при изучении используются одинаковые рисунки и муляжи. Это доказывает, что миллиарды двуногих особей формируются по одному и тому же сложному плану, причем система управляющая построением организма действует очень четко. Нарушения развития или уродства конечно встречаются, но редко. Так что никакого случайного выбора вариантов развития нет и быть не может, и о бифуркациях можно было бы говорить только в том случае, если бы они были закономерны, если бы был показан информационный механизм, четко определяющий направление каждой бифуркации, т.е. почему в одном случае формируется, скажем, соловей, а в другом — кукушка.

За прошедшие 60 лет ТДС была единственной теорией, предложившей наиболее логичное и математически корректное объяснение формирования сложной многоклеточной структуры из простой зародышевой клетки. Но увы, это объяснение не совпало с реальной жизнью. А поскольку никаких других идей не было и нет, то сторонники ТДС упорно продолжают копать там же. Но это все — мартышкин труд, ибо информация, обслуживающая морфогенез, передается не с помощью переноса веществ, а с помощью практически неисследованного переноса энергии, т.е. волновыми полями.


Похеренное открытие Бориса Белоусова

В генетике многоклеточных организмов нельзя пройти мимо загадки целостности такого конгломерата клеток, а это указывает на то, что нужно искать не способ кодирования каких-то дискретностей, а способ записи информации о неразрывной трехмерной (а с учетом времени — четырехмерной) анатомии всего организма. Загадка целостности организма многократно приводила исследователей к идее биополя, управляющего пространственной организацией живой материи. Боясь навлечь на себя гнев коллег по профессии, многие авторы не говорили о биополе напрямую, но так или иначе подводили к мысли о его существовании.

Термин «биополе» используется не только в биологии развития, где его применяют к процессам, протекающим внутри организма. Этот термин широко используется также экстрасенсами и прочими эзотериками, но уже применительно к процессам, протекающим снаружи, т.е. в пространстве, окружающем организм. Мы будем, разумеется, рассматривать только процессы, протекающие внутри организма.

Как отмечалось ранее, часто формы одного животного (контур рыбы, кость птицы и т.п.) удается точно совместить с формой животного другого биологического вида, если подвергнуть изображение простым деформациям — плавному растяжению, сжатию или др. [Thomрson, 1942]. Здесь явно прослеживаются явления полевой природы, проглядывают законы, которые нельзя выразить в одномерном или даже в двухмерном пространстве — перед нами предстает очевидная передача от предков к далеким потомкам не только биохимических процессов, но и пространственного образа, способного плавно деформироваться в ходе эволюции. А формирование пространственного образа однозначно подразумевает протекание неких пространственно-организованных событий, наводя на мысль о биополе.

Обстоятельный, хотя и далеко неполный обзор проблемы биополя приведен в работе Токина от 1987 года. Довольно развитые представления о биополе изложил П. Вейс, уподобивший его системе векторов. Представления Вейса явились результатом его исследований по регенерации органов. По Вейсу поле материально, но его природа не может быть сведена к химической, ибо по его мнению, химические факторы способны лишь активировать, но не формировать поле. Н. К. Кольцов на основе изучения процессов в ооцитах и яйцах создал представление об управляющем воздействии на зародыш ряда «силовых» полей в виде разностей электрических, химических, температурных, гравитационных, диффузионных и других потенциалов. В ходе развития силовое поле зародыша усложняется, дифференцируется, но остается единым. Близкую к взглядам Кольцова трактовку морфогенетических процессов предложил в 1958 году Б. Вейсберг, который на основе изучения колебаний электрических потенциалов у миксомицетов создал представление о «колебательных полях». Идейную близость к подобным взглядам можно заметить и в теории «аксиальных градиентов» американского биолога Ч. Чайлда.

Интересные этапы проходила концепция биополя, разрабатывавшаяся Александром Гавриловичем Гурвичем [Гурвич, 1944; Любищев, Гурвич, 1998]. Отметим некоторые из его тезисов, которые, как водится, были подвергнуты сокрушительной критике, но, как мы увидим далее, хорошо отражали реальность:

  • Поведение элементов всех микроморфогенетических процессов управляется единым фактором — «преформированной морфой», задающей еще несуществующую структуру и определяющей окончательную конфигурацию зачатка.
  • Каждая клетка имеет собственное поле, действие которого выходит за ее пределы. При делении клетки делится и ее поле. Своими полями клетки оказывают влияние друг на друга. По мере удаления влияние поля быстро ослабевает.
  • В ходе индивидуального развития происходит эволюция «поля целого». То целое, что существует в данный момент, определяет ход дальнейшего развития.

Даже краткий обзор полевых концепций в биологии и связанных с ними исследований занял бы много места. Идею существования в организме некого биополя, участвующего в управлении морфогенезом, в разное время и с разных позиций развивали, например, И. А. Аршавский, Л. В. Белоусов, Г. Р. де Бер, Т. Бовери, Б. Брайент, Л. Вольперт, Дж. С. Гексли, Е. Гиено, В. В. Исаева, Г. П. Короткова, А. А. Любищев, В. М. Маресин, Е. В. Преснов, П. Г. Светлов, К. Уоддингтон, П. Френч, Д. С. Чернавский, Г. Шпеман, Т. Ямада и другие ученые. Их взгляды базировались на глубоких исследованиях, оставивших заметный след в науке.

К сожалению, идея биополя оказалась серьезно дискредитированной многочисленными энтузиастами, создавшими вокруг проблемы ажиотаж, но ни на шаг не приблизившими понимание природы этого явления. Именно поэтому сегодня в организованное науке это понятие упоминается почти исключительно в уничижительном тоне.

На самом же деле идея биополя близка к идее волнового информационного взаимодействия организма с генами. Мысль о том, что формирование многоклеточного организма связано с передачей информации волновыми полями, имеет серьезную предысторию и высказывалась она далеко не одним исследователем. Например А. Н. Мосолов [1980] предположил, что на гены воздействует акустическое поле. Но акустические колебания, которые могли бы взаимодействовать с генами (т.е. имели бы протяженность фронта волны, сопоставимую с размером гена) очень сильно затухают в биологических тканях, отчего бессмысленно говорить об их распространении дальше чем на миллиметры. Чтобы связать формирование организма с волновым управлением генами, нужны волны способные без сильного затухания распространяться по всему организму. Ситуация казалась безвыходной, пока не были открыты волны совершенно новой природы — стремясь создать удобную для экспериментов упрощенную модель цикла Кребса (цепочки реакций, питающих наш организм энергией), в 1951 году Борис Павлович Белоусов открыл колебательную химическую реакцию. Наблюдать ее очень легко — достаточно смешать в пробирке:

  • лимонная кислота — 2г
  • сульфат церия — 0,16г
  • бромат калия — 0,2г
  • серная кислота (1:3) — 2мл
  • вода до общего объема — 10мл.

При комнатной температуре в пробирке возникают периодические изменения цвета «желтый-бесцветный» с периодом порядка десятка секунд. Более контрастное изменение цвета «синий-красный» происходит при добавлении к смеси железофенантролина. Нагревание ускоряет смену цветов. Постепенное расходование компонентов ведет к затуханию процесса, а прибавление израсходованного вещества возобновляет его.

Однако химические журналы наотрез отказались публиковать статью Белоусова о колебательной реакции, считая ее блефом. Короткое сообщение об этой реакции появилось лишь 8 лет спустя в 1959 году в журнале по радиационной медицине, который химики не читают. Белоусов умер в 1970 году, так и не сумев донести открытие до научной общественности. А в 1980 году ему за это открытие была посмертно присуждена Государственная премия, а президент Бельгийской Королевской академии наук Илья Романович Пригожин назвал открытие Белоусова самым выдающимся экспериментом ХХ века.

К этому времени А. М. Жаботинский и А. Н. Заикин установили, что колебательные реакции способны распространяться в соответствующей среде в виде волн. На фото запечатлен один из моментов распространения волн химических реакций в тонком слое жидкости, налитой на дно плоского сосуда. Такие волны назвали волнами Белоусова-Жаботинского (БЖ).

Они, как лесной пожар, черпают энергию из среды, по которой распространяются, отчего даже при очень серьезных потерях энергии способны распространяться на неограниченно большие расстояния.

Многие открытия в науке совершаются в результате удачного стечения обстоятельств, и открытие колебательной реакции стало одним из таких — если бы период изменения цвета в пробирке измерялся сотыми долями секунды или, наоборот, многими часами, то явление осталось бы незамеченным.

Есть все основания считать, что существует немало других подобных реакций с сильно отличающимися временными характеристиками. В этом смысле привлекает внимание причудливый узор разрезанного агата — похоже, что он отражает застывшие химические волны аналогичные волнам БЖ, но имевшими гораздо более низкие скоростные параметры.

Среди многообразия химических реакций есть и такие, что распространяются с очень высокими скоростями (например взрывы или детонация в двигателях). Для скорости продвижения химических волн важен механизм их распространения. Если в его основе лежит диффузия молекул, то скорость волны будет зависеть от размера молекул, температуры и вязкости среды. Однако агентами, инициирующими реакцию в соседних зонах, могут быть также электроны, протоны, кванты излучения, рождающиеся в ходе реакции — и они определят другие, гораздо более высокие скорости ее распространения.

Это дает основания предполагать, что среди большого числа реакций, протекающих в протоплазме клеток, существуют и такие, что распространяются в виде волн, хотя напрямую они пока что не обнаружены. Напомним, что Белоусов открыл колебательные реакции, пытаясь смоделировать в пробирке не что-нибудь, а едва ли не самую распространенную в живой природе цепочку биохимических процессов — цикл Кребса.

Другой исследователь [Pohl, 1983] на основании двух независимых экспериментальных методик выяснил, что волны химических реакций возникают в протоплазме каждой нормальной эукариотической клетки, чем подкрепил предположение, что волны, переносящие информацию при формировании многоклеточного организма, являются волнами химических реакций. Веские основания искать в организме химические колебательные реакции дает также  картина переменной электрической активности тканей, которую нельзя свести только к активности нейронов и мышц. Например, описано появление особой компоненты колебаний электрического потенциала во время восстановления (регенерации) сломанной кости лапы кролика [Бутуханов, Ипполитова, 1982].


Оптический способ передачи информации

Волны химических реакций типа БЖ оказались неожиданными не только по своей природе — как явствовало уже из первых осциллограмм полученных Белоусовым, они принадлежат к особому классу — к классу уединенных волн или солитонов. Студенты ВУЗов изучают волновые процессы на примере синусоидальных колебаний — редко кому удается получить представление о солитонах, которые являются единственным типом волн физиологических процессов. Забавно, что биологи и медики, не зная о солитонах вообще ничего, сталкиваются с ними каждый день в виде нервных импульсов, волн сокращений миокарда, разрядов электрического ската, волн перистальтики, волн нервного возбуждения в тканях мозга и т.д. Поэтому на солитонах стóит задержаться.

Физики и математики делят колебания на линейные и нелинейные. В основе аппарата современной математической физики лежит теория линейных колебаний созданная еще в XVIII-XIX веках. Синусоидальные колебания — это линейные колебания. Теория нелинейных колебаний и волн — теория солитонов — появилась лишь во второй половине XX века — познакомиться с ней можно по работам [Филиппов, 1986; Додд и др., 1988; Ньюэлл, 1989] и многим другим.

Синусоидальные колебания в чистом виде — наиболее простые колебания, колебания одной определенной частоты, строго симметричные относительно исходного уровня. Для прохождения синусоидального колебания по каналам связи требуется минимальная ширина полосы частот, что и обусловило широкое использование синусоидальных колебаний в технике, поместив их на почетное место в учебных программах. А вот солитоны распространяются в преимущественно нелинейных средах, что существенно влияет на их особенности:

  1. Нелинейность среды определяет некоторую оптимальную амплитуду солитона, от которой ему, в отличие от синусоидальных колебаний, труднее отклоняться и в меньшую, и в большую стороны.
  2. Нелинейность среды создает для солитона возможность обмена одних параметров на другие, скажем, амплитуды на форму. Последнее наделяет солитон способностью распространяться без заметных изменений амплитуды на гораздо бóльшие расстояния, чем те, которые в тех же условиях могут проходить синусоидальные волны.
  3. Нелинейность среды часто определяется активностью среды, что особенно характерно для биологических тканей. В таких случаях размах и форма солитона имеют повышенную стабильность, ибо по мере движения солитона среда подпитывает его своей энергией.

Наиболее важным свойством солитонов, резко отличающим их от синусоидальных колебаний, является независимость друг от друга. У синусоиды нельзя отделить одну волну от других или сдвинуть относительно других, изменить размах — это сразу превратит синусоиду определенной частоты в нечто иное, в сложную совокупность разночастотных синусоидальных колебаний. А солитонам ничего похожего не грозит — каждый из них можно смещать, например, во времени — и это не изменит ни его параметров, ни параметров других солитонов. Соответственно, по отношению к солитонам нужно с большой осторожностью говорить о частоте — они могут следовать на одинаковом расстоянии друг от друга (в этом случае обретает смысл понятие частоты следования), но могут от волны к волне резко изменять интервал или вовсе следовать через бессистемно меняющиеся промежутки времени. И в биологических процессах встречаются все эти случаи!

Типичная форма солитона показана на рисунке. Она может существенно изменяться в зависимости от природы процесса и параметров среды. Например, затухающие колебания за задним фронтом волны возникают только при существенном ухудшении условий для прохождения высоких частот.

Часто солитоны обладают большой скважностью — это когда расстояние (во времени) между соседними волнами оказывается во много раз больше длительности самого колебания. В таких случаях энергия колебаний сосредотачивается на гораздо более высоких частотах, чем частота следования волн.

При резком различии скоростей процессов, определяющих передний и задний фронты волны, задний фронт может превратиться в медленно спадающую кривую, что придает солитону вид одиночного скачка параметра с последующим длительным (по сравнению с продолжительностью переднего фронта) возвращением в исходное состояние. Такую разновидность солитонов иногда называют кинками. Волны БЖ имеют именно такую форму — у них процессы, определяющие задний фронт волны, протекают намного медленнее, чем процессы, от которых зависит крутизна переднего фронта.

Способность солитонов следовать друг за другом через произвольные интервалы времени открывает для них большие возможности в части переноса информации. Кроме того, по сравнению с синусоидальными колебаниями, солитон очень устойчив в отношении возмущений вносимых неоднородностью среды распространения и внешними помехами [Захаров, Шабат, 1962]. Эти свойства приобретают огромную значимость при переносе информации в такой неоднородной и слабо защищенной от внешних воздействий среде как живой организм.

Многие математики отказываются называть волны химических реакций солитонами, ибо считают, что химические волны и солитоны — это разные категории объектов и соответственно разные понятия. Упрямство математиков понятно — они хотят насильно втиснуть понятие солитона в класс объектов, которые они умеют описывать, а волны химических реакций они пока описывать не научились. Между тем многие ученые (например, [Шахбазов и др., 1996]) логично рассматривают солитон как нелинейное устойчивое локализованное возбуждение, а такая трактовка не противоречит волнам химических реакций.

Оптика нового типа

«Возможно такое, что вам и не снилось... Я буду рассказывать, как устроена Природа, и, если вам не понравится, как она устроена, это будет мешать вашему пониманию. Физики научились решать эту проблему: они поняли, что, нравится им теория или нет — неважно. Важно другое — дает ли теория предсказания, которые согласуются с экспериментом. Тут не имеет значения, хороша ли теория с философской точки зрения, легка ли для понимания, безупречна ли с точки зрения здравого смысла. Квантовая электродинамика дает совершенно абсурдное с точки зрения здравого смысла описание Природы. Но оно полностью соответствует эксперименту. Так что я надеюсь, что вы сможете принять Природу такой, какая она есть — абсурдной». © Фейнман, 1988

Факт осциллографической регистрации Белоусовым химических колебаний показал, что в ходе реакции скачкообразно изменяется ОВП среды (окислительно-восстановительный потенциал). Как оказалось, химической волне сопутствует скачок электрического потенциала порядка десятых или сотых долей вольта. Но есть ли основания считать, что подобные волны возникают в живых организмах?

Прямая регистрация в организме колебаний с ожидаемыми параметрами сопряжена с серьезными техническими трудностями. Косвенные данные говорят, что длительность переднего фронта ожидаемых волн — десятки пикосекунд, а это значит, что энергия колебаний сосредоточена в области десятков гигагерц. Кроме того, мощность колебаний в расчете на 1 клетку очень мала — поэтому даже самые современные осциллографы неспособны зарегистрировать подобные волны, показать их форму.

Поскольку осциллограмму структурогенных волн пока не удается увидеть, Герберт Пол заменил прямую регистрацию косвенными исследованиями на основе микродиэлектрофореза — в раствор, окружающий выделенную живую клетку, Пол вводил мельчайшие гранулы диэлектрика и наблюдал под микроскопом их поведение. В зависимости от того, у какого вещества — у жидкости или у гранул — диэлектрическая проницаемость была выше, частицы двигались к клетке либо от клетки [Pohl, 1983], что четко указывает на существование в клетке переменного электрического поля. Но оставалось неясным, привязаны ли электрические колебания к поверхности клеток или же они протекают в объеме цитоплазмы. На этот вопрос ответила другая серия опытов: Пол создал вокруг взвешенной в жидкости клетки вращающееся электрическое поле и увидел, что клетка тоже стала вращаться, хотя и с меньшей скоростью. Более того, при изменении скорости вращения поля клетка обнаружила резонансные свойства — на определенных частотах она резко ускоряла свое вращение. Этот эффект, названный клеточным спиновым резонансом, противоречит предположению об электрических колебаниях на так называемой «мембране», но говорит в пользу химических волновых процессов в протоплазме клетки.

Что произойдет при движении волны химических реакций в протоплазме клетки, когда фронт волны натолкнется на клеточное ядро? На оболочке ядра произойдет скачок ОВП и возникнет очень высокая напряженность электрического поля — скачок потенциала в десятые доли вольта воздействует на поверхностный слой (ошибочно называемый мембраной) общей толщиной всего 14нм и создает в нем напряженность поля до 200 кВ/см. Вследствие этого в ядерной оболочке должно произойти интенсивное электрострикционное сжатие диэлектрического материала, из которого она состоит. И если бы отсутствовало гидравлическое сопротивление внутриядерной жидкости, то деформация оболочки, согласно расчетам [Артюшин, Барбараш, 1985], достигала бы 10% диаметра ядра.

Быстрое перемещение кольцевой зоны деформаций по оболочке ядра порождает во внутриядерной жидкости акустические колебания. Скорости волн различной природы обычно не совпадают, поэтому на границе раздела, т.е. на оболочке ядра, где энергия химических волн переходит в энергию волн акустических, происходит преломление волнового поля. Оболочка ядра является почти правильной сферой, а явления связанные с преломлением волнового поля на сферической поверхности досконально изучены оптиками — такая поверхность приобретает свойства линзы.

В обычной оптике при переходе из области с одной скоростью распространения в область с другой скоростью преломляющиеся волны не изменяют свою природу — изменение скорости распространения объясняется изменением свойств среды распространения. Поэтому такую оптику можно условно называть гомоволновой. А вот в нашем случае изменение скорости вызывается именно изменением природы волнового поля — здесь принципиально важно, что волны одной природы при достижении некой преобразующей пленки превращаются в волны иной природы (и передают свою энергию). Поэтому оптику этого нового типа имеет смысл называть гетероволновой оптикой.

Гетероволновая оптика обладает рядом особенностей: поскольку в ней могут сочетаться волновые процессы с сильно различающимися скоростями распространения, то оказываются достижимыми очень высокие коэффициенты преломления, а это позволяет, при прочих равных условиях, резко сократить количество компонентов оптической схемы и уменьшить аберрации. Если пленка-преобразователь работает на основе необратимого физического явления (например, в оболочке клеточного ядра возникает необратимая электрострикция, а не обратный пьезоэлектрический эффект), то из высокого коэффициента преломления не следуют, как это обычно бывает, высокие потери на отражение (так как не индуцируется противоволна). В гетероволновой оптике фокусирующими элементами служат не линзы, а тонкие пленки, из-за чего такая оптика имеет очень низкую материалоемкость. Таким образом, оболочка ядра, действуя как линза гетероволновой оптики, преобразует химические волны протоплазмы в акустические колебания внутриядерной жидкости.

Термин «оптика» имеет два толкования — узкое и расширенное. В узком понимании это наука о том, что происходит с лучами видимой части спектра электромагнитных колебаний при их отражении, преломлении, поглощении и т.д. В расширенном понимании оптика охватывает процессы, в которых могут участвовать не только электромагнитные волны видимой части спектра, но и другие волны и объекты, поведение которых описывается сходными законами. В расширенном понимании для разных конкретных задач термин «оптика» обычно дополняется уточняющим словом — «инфракрасная оптика», «рентгеновская оптика», «акустическая оптика», «электронная оптика» и т.д. Взаимодействие химических волн протоплазмы с клеточным ядром описывается обычными законами оптики, что дает основания отнести его к оптике в расширенном понимании, соответственно чему требуется уточнение, какая это оптика. А поскольку процессы здесь связаны с ядром клетки, то эту оптику имеет смысл называть карио-оптикой или сокращенно — К-оптикой.

Представим себе, что точка A относится к ХВПО, т.е. находится вне ядра, а точка C является проекцией точки A в акустическом поле ядра. Эти точки расположатся на прямой, проходящей через центр ядра, и будут разделены ядерной оболочкой. Обозначим: R — радиус ядра; x — расстояние между точкой A и ближайшей точкой В на поверхности ядра; y — расстояние от точки В до точки фокусировки С; n — коэффициент преломления, т.е. отношение скоростей распространения химических и акустических волн. Тогда, на основании формулы нулевого инварианта Аббе [Ландсберг, 1976] получим:

           nRx
y= ——————
      (n−1)x − R

Анализ этой формулы с учетом реальных размеров клеток животных и их ядер показывает, что при n ≥ 2.7, все пространство организма, как бы велик он ни был, проецируется внутрь ядра каждой клетки [Артюшин, Барбараш, 1985] и такой характер проекции не нарушается при изменениях размеров ядер.

Здесь мы сталкиваемся с явлениями, относящимися к химии, физике диэлектриков, теории нелинейных колебаний, оптике, биологии, а вовсе не к медицине.

Именно поэтому до тех пор, пока проблемами здоровья человека будут заниматься именно медики, эту область естествознания будет окутывать полный мрак.


Волновая оптика клеточных ядер

«Продвижение науки вперед часто происходит тогда, когда перед нами раскрывается неведомая доселе сторона вещей, что обусловлено не столько применением какого-то нового метода, сколько рассмотрением объектов под другим углом зрения». © Jacob, 1977

На основе открытия волн БЖ еще в 1982 году была разработана концепция структурогенеза (КСГ), объяснившая на основе гетероволновой оптики принципы генетического кодирования структуры многоклеточного организма. Очень важной для этой работы была исходная мысль Белоусова о сходстве волновых химических реакций с процессами в живом организме. Такой подход показал известные биологические факты в совершенно новом свете — явления и закономерности, ранее казавшиеся никак не связанными между собой, выстроились в четкую систему.

Согласно КСГ в протоплазме клеток многоклеточного организма периодически самовозбуждаются волны химических реакций, пробегающие по всему организму и несущие информацию о его сиюминутном строении.

В протоплазме клеток бодрствующего животного такие волны имеют малую мощность и относительно разрозненны — их можно сравнить с мелкой рябью на поверхности воды. Роль таких волн ограничивается передачей информации на малые расстояния — порядка десятков клеток.

Однако в определенной фазе сна при заторможенности скелетных мышц в паузах ритмики сердца и легких кратковременно возникают мощные пакеты химических волн точно такой же природы, охватывающие весь организм. При всем сходстве с волнами БЖ, эти волны — не тоже самое, что волны БЖ, ибо у них разный химизм, разные механизмы распространения и сильно отличающиеся количественные характеристики. Волны БЖ распространяются в растворе благодаря диффузии молекул, что определяет невысокие скорости их продвижения — несколько мм/с. Но диффузия активных молекул — не единственный фактор, способный запускать реакцию в растворе. Хотя химизм структурогенных волн в организме пока непонятен (вспомним, что от открытия Менделем генов до выяснения их химической природы прошло около 90 лет!), есть веские основания полагать, что продвижение фронта структурогенной волны обеспечивают не диффундирующие молекулы, а более быстрые частицы, обладающие очень коротким пробегом. Это заставляет вспомнить об открытом А. Г. Гурвичем слабом ультрафиолетовом излучении живых клеток, которое он назвал митогенетическим. Это название точно отразило подмеченную ученым связь интенсивности излучения с делением клеток (митозом), т.е. с процессами развития. Излучение универсально по отношению к живым клеткам разных типов — оно усиливается при стрессовом состоянии клетки и постепенно затухает после ее гибели. Все это заставляет думать, что УФ-кванты порождаются биохимическими реакциями свойственными нормальной клетке. Обладая скоростью света, УФ-кванты должны проходить расстояние между последовательно вступающими в реакцию молекулами намного быстрее, чем диффундирующие атомы, молекулы или радикалы. Если химическая реакция, генерирующая митогенетическое излучение, проходит по раствору в виде волны, то по сравнению с волнами БЖ от такой волны нужно ждать гораздо более высокой скорости распространения. Вероятно, основные потери времени приходятся не на перемещение УФ-квантов в пространстве, а на их реакцию с субстратом, т.е. на паузы между поглощением молекулами квантов и генерированием новой порции квантов.

Выше было отмечено, что проекция многоклеточного организма на хроматин ядра имеет место при коэффициенте преломления порядка 2,7 и более. Скорость акустических волн внутри клеточного ядра близка к скорости звука в воде, т.е. около 1,5 км/с, следовательно нужно ожидать скорости распространения химических волн порядка 1,5•2,7 = 4,05км/с и выше. Такая скорость распространения на несколько порядков выше скорости волн БЖ, что говорит в пользу распространения волн в протоплазме не за счет диффузии «горячих» молекул, а благодаря упомянутым квантам УФ-излучения.

У прокариот, использующих чисто химические способы управления активностью генов, включение и выключение транскрипции осуществляют специфичные регуляторные белки. Особенности же геномов эукариот заставляют думать, что их способы управления транскрипцией принципиально отличаются от такого варианта.

«В типичной эукариотической клетке транскрибируется только 7% всех последовательностей ДНК. Весьма маловероятно, чтобы остальные 93% ДНК были заблокированы десятками тысяч различных высокоспециализированных белков-репрессоров. Из соображений здравого смысла следует, что клетки высших организмов должны использовать вместо этого какие-то общие механизмы репрессии генов». © Албертс и др., 1986

И действительно, эукариоты выработали общий механизм выключения активности генов, использующий намотку ДНК на нуклеосомы, что препятствует контакту ДНК-зависимых РНК-полимераз с достаточно длинным участком ДНК. Соответственно, эукариоты применили принципиально новый способ активирования генов, резко отличающийся от прокариотического. Основой нового механизма управления геномом стало использование волновых полей. Однако отказ от чисто химических способов управления генами не является 100% — во многих случаях они используются эукариотами как дополнение к новому, физическому способу управления.

Все знают, что акупунктурщики работают с некими «активными точками» и зонами. Понятно, что что разные зоны организма — мышцы, костная ткань, спинномозговая жидкость и др. — настолько отличаются по своим свойствам, что химическое автоволновое поле этих зон принципиально не может быть всюду одинаковым, в том числе — по плотности энергии колебаний. Следовательно, нужно исходить из существования в организме зон с повышенной и пониженной концентрацией энергии химических волн.

Для реализации волнового механизма управления активностью геновγ) Природе пришлось снабдить генóм механизмом, реагирующим на акустические колебания. Это достигается с помощью любопытнейшего решения: из белков-гистоновα), обладающих повышенной основностью (щелочностью), собираются крупные гранулы — нуклеосомыβ), которые благодаря основности хорошо «прилипают» к нити ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В спокойной среде нуклеосомы с намотанной на них ДНК сами собой собираются в крупную спираль, логично названную соленоидом. Находясь в соленоиде, ДНК непригодна для транскрипции, т.е. для перезаписи с нее информации на РНК. Лишь только когда акустические колебания нуклеоплазмы разрушат структуру соленоида и оторвут нить ДНК от «прилипших» нуклеосом — вот тогда к ДНК может подойти фермент РНК-полимераза, выполняющий синтез РНК. Затем по информации РНК особые молекулярные структуры — рибосомы — соединяют нужные аминокислоты в цепочки будущих белков.

[Определенный интерес в этой связи представляет собой высказывание Ревича:

«Первопричиной рака является спонтанное образование патологических гистонов. Гистоны являются важнейшими элементами во всей биологии. Из гистоновα) образуются гистосомы, представляющие собой сферические образования из щелочных аминокислот связанные с другими аминокислотами. Все это вместе взятое составляет основу ядерного материала каждой клетки. Связывающиеся друг с другом гистосомы образуют нуклеосомыβ), а связывающиеся друг с другом нуклеосомы образуют геныγ). Таким образом, главным причинным фактором всех раков являются патологические гистоныα), из которых формируются патологические гистосомы. Всякий процесс в организме — нормальный или патологический — запускается конкретным геномγ).

Всякое заболевание подразумевает присутствие чужеродных гистосом. Если чужеродные гистосомы возникают эндогенным путем (т.е. внутри самого организма), то это называется изопаразитом. Иными словами, это примерно то же самое, как быть атакованным представителем другого биологического вида, но только этот интервент появился не извне, а образовался в собственном теле в результате мутации гистоновα), затем гистосом, затем нуклеосомβ) и затем геновγ).

Итак, второй важнейший момент: рак — это изопаразит, возникший в результате повреждения или дефекта в гистонахα), которого можно образно представлять себе в виде представителя примитивного биологического вида, размножающегося путем формирования и распространения кист. Иными словами, рак — это спонтанное возникновение правовращающих аминокислот».

Понятно, что Ревич понятия не имел ни о какой КСГ, хотя о волновом механизме управления активностью генов, скорее всего, догадывался.]

Через К-оптику картина ХВПО отображается в ядро — каждой зоне повышенной плотности энергии волнового поля организма отвечает микроскопическая зона повышенной интенсивности акустических волн в ядре. Когда плотность акустической энергии превышает определенный порог, акустические колебания отрывают спираль ДНК от нуклеосом, т.е. разрыхляют хроматин, чем дают ферментам возможность подойти к расположенному в данном месте гену, т.е. создают условия для его транскрибирования. Именно так активные зоны ХВПО определяют активность тех или иных генов в каждой клетке.

[Хотя это не имеет прямого отношения к освещаемой теме, вероятно, все же имеет смысл вспомнить хорошо известный многим прибор Витафон, терапевтический эффект которого основан на сугубо акустическом воздействии на тело человека.]

Итак, главное средство управления биохимическими процессами в клетках — локальное разрыхление хроматина — никак не удается свести к некому химическому агенту, проявляющему какие-то сугубо химические предпочтения. Это средство управления способно затронуть любой ген, но при этом почему-то зависит от расположения клетки в организме, что совершенно нехарактерно для химических процессов и ярко проявляется при разрыхлении гена внутри сплошной массы неактивного гетерохроматина, содержащего разные гены, в том числе точно такие же как затронутый.

Подобные факты говорят в пользу физической природы процесса разрыхления безразличного к химическим особенностям генов, но учитывающего их координаты.

Ряд данных говорит не только в пользу волнового механизма разрыхления хроматина, но и в пользу определенной пространственной организации волн, например, фокусировки. Именно действие сфокусированных колебаний способно объяснить выборочное разрыхление хроматина в компактной зоне, окруженной массивом плотного гетерохроматина. В пользу пространственной организации волновых процессов, управляющих генами, говорят и закономерности пространственного расположения генов эукариот, и их фиксация в пространстве.

С учетом размера генов, избирательное волновое управление их разрыхлением должно представлять собой сложную задачу — трудно создать интенсивные колебания в практически точечной зоне, не затронув при этом соседние гены, не требующие активирования. Прокариотам, использующим химические, контактные способы активирования генов, обеспечивать избирательное управление транскрипцией гораздо легче — их гены могут располагаться вплотную друг к другу без опасений непроизвольного активирования соседнего гена.

Есть ли свидетельства того, что Природе было труднее обеспечить раздельное независимое активирование генов эукариот по сравнению с прокариотами? Конечно:

  1. Гены эукариот, в отличие от прокариот, расположены не вплотную друг к другу — между ними вставлены неинформативные спейсеры (прокладки-разделители), в 10 раз и более превышающие по длине сами гены и соответственно увеличивающие общую массу генома.
  2. Точность управления активированием генов у эукариот значительно снижена — в отличие от прокариот, у них хоть и с малой скоростью, но синтезируются РНК почти со всех имеющихся генов.

По мнению исследователей «...можно предположить, что слабая функция генов отражает несовершенство регуляторного аппарата, запирающего гены. Что-то вроде неплотно прикрытых «подтекающих» кранов» [Нейфах, Лозовская, 1984]. Так что признаки волнового механизма активирования генов закономерно проявились и в этом.

Характерно то, что считывание информации с ДНК происходит не только при транскрипции, но и при репликации, т.е. при удвоении числа хромосом перед делением клетки. С химической точки зрения эти процессы очень похожи друг на друга — в одном случае на матрице ДНК синтезируется нить РНК, а в другом — нить ДНК. В половине случаев (когда матрицей служит так называемая «отстающая» нить ДНК) процесс начинается совершенно одинаково — синтезируется нить РНК. В случае репликации образовавшийся праймер (т.е. «затравка») в дальнейшем замещается цепочкой ДНК, а с 11-го нуклеотида и сам синтез цепочки нуклеотидов переключается на производство ДНК. Но несмотря на такое сходство репликация не зависит от разрыхления хроматина и от связи ДНК с нуклеосомами, а транскрипция — зависит.

Если для синтеза первого десятка нуклеотидов РНК не нужен отрыв ДНК от нуклеосом, то почему такой отрыв становится необходимым, когда дело доходит до синтеза РНК, несущих коды белков, причем это наблюдается у всех эукариот и, следовательно, жестко контролируется естественным отбором?

С химической точки зрения, отличие продуктов репликации (ДНК) от продуктов транскрипции (РНК) в том, что в сахаре, содержащемся в цепочке нуклеотидов, одна гидроксильная группа заменена атомом водорода, а урацил (один из четырех нуклеотидов РНК) заменен тимином, где место одного из атомов водорода заняла метильная группа. В общей сложной структуре цепочки нуклеотидов эти различия незначительны и сами по себе не могут ответить на сакраментальный вопрос — почему, в итоге, для получения молекул РНК требуется разрыхление хроматина, а для получения ДНК оно не требуется? Только КСГ разъясняет эту странную ситуацию.

Формирование многоклеточных организмов требует учета расположения клеток в трехмерной структуре, и для управления таким процессом Природа использовала принцип оптической проекции активных зон волновых полей организма на гены.

Механизм разрыхления хроматина выбран Природой как способ управления активностью генов со стороны волнового поля. Этот же способ управления обусловил удивительную консервативность аминокислотных последовательностей некоторых гистонов, без чего не было бы стабильности порогового усилия, при котором нуклеосомы начинают отрываться от ДНК. Управление активированием генов у всех эукариот через разрыхление хроматина показывает, что при всем многообразии химических механизмов управления внутриклеточными процессами именно волновой механизм управления транскрипцией оказался для эукариот решающим.

Вот почему ДНК эукариот, в отличие от прокариот, намотана на нуклеосомы и, соответственно, изменены ферменты, синтезирующие у эукариот новую ДНК и РНК (ДНК- и РНК-полимеразы соответственно). Первый фермент приобрел способность работать независимо от разрыхления хроматина (такой проблемы не было у прокариот), а второй (точнее — РНК-полимеразы I и II) — только при разрыхленном хроматине. Те загадки, о которых мы говорили выше, появились как результат выработанных естественным отбором особенностей ДНК- и РНК-полимераз эукариот.

Чтобы оценить степень соответствия между следствиями КСГ и биологическими фактами, удобно одновременно сравнивать факты со следствиями ТДС. Еще раз отметим, что ТДС не может объяснить необходимость разрыхления хроматина для синтеза РНК, при том что синтез ДНК происходит без такого разрыхления. А для КСГ этот факт стал одной из фундаментальных опор.


Реальность, похожая на фантастику

Есть три обстоятельства, затрудняющие строгое доказательство КСГ.

  1. Измерительная техника не позволяет получить удовлетворительную осциллограмму структурогенных химических волн. По расчетам, эти уединенные волны имеют относительно невысокую частоту следования (порядка 0,1-3,0 МГц), но отличаются очень крутым передним фронтом, энергия которого сосредоточена на частотах около 100ГГц! Для измерений нужны внутриклеточные электроды диаметром менее микрона, что обусловливает высокое сопротивление источника сигнала (мегаОмы и гигаОмы) и, следовательно, очень малую мощность. Сочетание уникальной широкополосности сигнала с крайне малой мощностью его источника является главным препятствием на пути регистрации таких волн.
  2. Химизм структурогенных волн остается неизвестным (т.е. какие вещества в каких пропорциях смешиваются, также как в реакции БЖ). Однако кое-что все же ясно: например ясно, что эти волны используют какую-то очень распространенную химическую реакцию, свойственную всем эукариотам — от амебы до человека. В многоклеточных организмах эта реакция протекает в самых разнообразных типах клеток, но не во всех (например, структурогенные волны не возникают в клетках зародышей, еще не вышедших из стадии дробления).
  3. Характеристики структурогенных волн резко отличаются от свойств волн БЖ, ошибочно принятых многими исследователями за принципиальные особенности вообще всех химических волн, ибо:
    1. Они распространяются не за счет диффузии молекул, а скорее всего с помощью квантов УФ-излучения, обнаруженных в клетках Гурвичем и названных митогенетическим излучением. А это значит, что они имеют сверхзвуковую скорость распространения (порядка км/с).
    2. Из-за низкого стерического фактора (когда в реакцию вступает лишь малая доля столкнувшихся молекул) эти волны не гасятся при встрече с преградой или друг с другом, как волны БЖ, а отражаются или интерферируют.

Итак, искомые волны не видны на приборах, их химизм неизвестен, а их расчетные характеристики радикально отличаются от таковых волн БЖ. О чем тогда вообще разговор?! Что позволяет считать механизм структурогенеза не плодом воображения, а реальностью?

Допустим, волны, способные формировать связь между уровнем генов и уровнем органов, все-таки есть. Мыслимо ли вообще установление волновой информационной связи между столь разными по размеру уровнями организации? Размер клеточного ядра, вмещающего весь геном, измеряется единицами микрон, а размеры многих организмом исчисляются метрами, т.е. налицо различие более чем в миллион раз, что соответствует масштабному коэффициенту наиболее мощных электронных микроскопов. Значит, искомая информационная система должна по разрешающей способности достигать уровня электронного микроскопа, поскольку речь идет о взаимодействии с отдельными компактно упакованными генами, а это размеры крупных молекул. А поскольку речь идет об информационной связи организма с генами каждой клетки, то таких «электронных микроскопов» должно быть столько же, сколько клеток в организме (в одном только мозге содержится около триллиона нейронов). Возможно ли это при том, что на сегодняшний день биология досконально изучила строение организмов — каждый тип клеток человека рассмотрен и изучен до молекул. Как же может быть такое, что как минимум триллион информационных систем, каждая из которых эквивалентна электронному микроскопу, остались незамеченными?! Понятно, что в сознании это никак не укладывается. Но как мы увидим далее, все это — не фантастика и не бред, а пугающая реальность.

Живая материя представлена, как минимум, двумя типами творческих систем: в одних решение задачи ищется путем тупого перебора многочисленных вариантов, а в других решению предшествуют размышления с отбором малого числа потенциально наиболее эффективных вариантов. Системы 1-го типа называются пробующими или апостериорными, 2-го — мыслящими или априорными.

В построении большинства организмов очевидно преобладание пробующих творческих систем, но на каждого человека (в том числе на упрямого биолога) сильное впечатление производят объекты техники созданные на основе мышления. Непохожесть результатов использования одних и тех же физических, математических и пр. законов в объектах, созданных разными творческими системами (пробующими и мыслящими) воспринимается как различие самих законов, что усложняет понимание биологом законов, по которым построен организм. Так например биолог не в состоянии принять мысль о том, что генетический аппарат эукариот представляет собой оптическую систему. И если с мыслью о волновом характере управления транскрипцией биолога еще как-то можно примирить, то против оптической проекции организма на геном он, как говорится, ложится костьми.

А ведь известно, что сам по себе принцип волнового управления транскрипцией особых биологических проблем не решает — это видно на примере работы Мосолова (1980), где гены рассматриваются как акустические резонаторы взаимодействующие друг с другом. Однако беда в том, что резонаторы реагируют только на изменения частот колебаний, но никак не на расположение их источников. И если отбросить то, что называют радиооптикой, т.е. не использовать направленные антенны, то окажется, что в пределах досягаемости радиоприемники принимают любую радиостанцию, на частоту которой настроены, а где именно находится эта станция — всегда остается неизвестным.

Для выяснения механизма избирательного управления транскрипцией нужно разобраться, как возникает зависимость активирования конкретных генов от расположения клетки в структуре организма.

А такую зависимость дает только оптическая проекция активных зон организма на гены. Альберт Эйнштейн справедливо говорил:

Никакой эксперимент не способен дать прямого доказательства гипотезы — эксперимент способен лишь опровергнуть ее.

Поэтому доказательство вышеозначенной гипотезы возможно только путем опровержения всех несовместимых с ней гипотез (по аналогии с тем, как опровергнута гипотеза А. Н. Мосолова выше). Большинство фундаментальных научных открытий было утвеждено именно так — без прямых доказательства, а лишь на основе набора косвенных данных. Взять например биологию: открытие Менделем генов было основано лишь на подсчетах потомков с разными признаками — напрямую никто никаких генов не наблюдал! Открытие двойной спирали ДНК Уотсоном и Криком также явилось результатом отнюдь не прямого наблюдения, а лишь в результате математической интерпретации полученной Р. Франклин картины дифракции рентгеновских лучей в кристалле ДНК и т.д. Фрэнсис Крик говорил:

«Для объяснения биологии развития нужно понять то, чего по ряду причин нельзя увидеть».

Так вот и мы вынуждены идти именно этим путем — обратиться к своему «внутреннему зрению», проанализировать математические зависимости, вытекающие из законов оптики (благо они в нашем случае очень просты), и сопоставить результат с известными биологическими фактами. И если тезис об оптической проекции организма на хроматин справедлив, то можно с полным основанием ожидать корреляции законов оптики с закономерностями строения ядра. Посмотрим, насколько оправдывается это ожидание? Из вышеприведенной формулы при x>>R легко получается фокусное расстояние ядерной оболочки как элемента гетероволновой оптики:

Фокусное расстояние Типовая схема активирования структурного гена Радиус безадресной области

      nR
f =  ——
      n−1

     R
r =  ———
       n−1
 

где f — фокусное расстояние, n — гетероволновый коэффициент преломления, т.е. отношение скоростей химических и акустических волн (для многоклеточных организмов ≈2,6-2,8), R — радиус ядра. Легко видеть, что f>R при любом коэффициенте преломления n (когда n>1). Это означает, что ни одна точка пространства не может быть спроецирована ближе к преломившей волну поверхности (т.е. к оболочке ядра), чем на расстоянии f. Следовательно, если КСГ справедлива, то в центральной части ядра должна существовать сферическая область, в которую не проецируются никакие точки внешнего пространства, и центр этой области должен совпадать с центром ядра. Такая особенность дает основание назвать эту сферическую область акустического поля ядра безадресной. Можно было бы использовать термин «мертвая зона», но он слишком диссонирует с тем фактом, что наиболее интенсивный синтез РНК происходит именно здесь.

Оптический расчет делит пространство ядра на две области с резко отличающимися свойствами — фокусировка акустических волн возможна на периферии и невозможна в центральной области. Как тут не вспомнить, что хроматин ядра неодинаков по своим свойствам (что абсолютно непонятно для ТДС) — в центре есть фракция, которую называют ядрышком, и которая выделяется и окраской, и другими особенностями! Исследования серийных срезов [Бутей, Буржуа, 1983] показали совпадение центров ядрышка и ядра. Другими словами: ядрышко располагается именно там, где по расчетам должна находиться безадресная область! Когда ядро содержит несколько ядрышек, они все группируются в центре ядра в пределах безадресной области. Кто скажет, что это — случайное совпадение?

Дале, если в безадресную область акустические волны не фокусируются, т.е. ни одна точка этой области не имеет проекционной (читай: информационной) связи с остальным пространством организма, то здесь не должно быть генов, активность которых зависит от местоположения клетки в организме, т.е. структурных генов (генов участвующих в формировании структуры организма). Так в ядрышке таких генов действитеьно нет! Это тоже совпадение? Все структурные гены клетки расположены внутри ядра, но за пределами безадресной области, т.е. именно там, где, в соответствии с оптическими расчетами, активные зоны ХВПО проецируются на хроматин ядра в виде микроскопических зон сфокусированных акустических колебаний.

Однако в ядрышке все-таки есть какие-то гены — как же они активируются? Как мы уже знаем, химические волны активных зон организма, преобразовавшись при пересечении оболочки ядра в акустические колебания, фокусируются на соответствующие структурные гены. Но до того эти акустические волны в расфокусированном состоянии проходят через безадресную область, т.е. сквозь ядрышко, которое оказывается заполнено расфокусированными (и только расфокусированными!) колебаниями. Поэтому использование здесь волнового механизма активирования генов возможно лишь при ослаблении связей ДНК с нуклеосомами — чтобы они могли разрываться менее интенсивными акустическими колебаниями, какими и являются расфокусированные колебания. Есть два свидетельства того, что Природа поступила именно так:

  1. Компоненты нуклеосом — гистоны, являющиеся белками с повышенной основностью, заменены здесь более кислыми белками слабее «прилипающими» к ДНК. Именно благодаря этому факту ядрышко и выделяется как особая фракция хроматина, поскольку из-за повышенной кислотности обычно применяемые оснóвные красители окрашивают ее интенсивнее.
  2. Можно было бы ожидать, что легкое разрыхление хроматина ядрышка создаст для эукариот специфическую трудность — при повышении температуры организма тепловые колебания молекул могут приводить к усиленному разрыхлению хроматина и, следовательно, к излишнему активированию генов. И такая опасность явно возникла, ибо Природа озаботилась борьбой с ней — создала особые белки теплового шока (БТШ). При повышении температуры тела эти белки (например БТШ23 и БТШ70 у дрозофилы или БТШ110 у млекопитающих) появляются в ядрышке, где тормозят «созревание» специфических ядрышковых РНК, а после прекращения перегрева полностью уходят в цитоплазму [Золотухин, 1985].

Поскольку интенсивность расфокусированных колебаний в безадресной области пропорциональна суммарной активности структурных генов, то если КСГ справедлива, Природа могла бы расположить здесь гены, потребность в которых: а) не зависит от координат клетки в организме и б) пропорциональна общей активности структурных генов клетки. И этому есть подтверждения! В ядрышке любой клетки расположены многочисленные копии трех наиболее крупных генов рибосом, т.е. молекулярных машин, которые по записанным на РНК программам собирают белки в виде цепочек аминокислот. Независимо от координат, клетке всегда требуется тем больше рибосом, чем интенсивнее синтез белков, т.е. чем больше структурных генов активировано.

У прокариот, где действуют чисто химические механизмы управления транскрипцией, гены рибосомных РНК (рРНК) ничем не отличаются от других генов. У эукариот же — в полном соответствии с требованиями волнового управления транскрипцией — крупные гены рРНК обладают пространственной обособленностью и специфическим белковым окружением и тяготеют к центру ядра у всех многоклеточных и во всех рядах клеточных поколений. Тоже случайность?

Применительно к кишечной палочке Escherichia coli замечено, что регуляция синтеза рРНК — наиболее важный фактор, определяющий скорость синтеза рибосом [Номура, 1987]. Применительно к эукариотам такой вывод еще более обоснован, что означает не только гетероволновое управление конкретными биохимическими процессами, но и общее гетероволновое регулирование производственных мощностей по синтезу белков.

Различие в интенсивности окраски ядрышка и остального хроматина является четким маркером различия волновых полей безадресной области и периферии ядра. На микрофотографиях срезов видна также разница в степени структурированности хроматина — периферийная часть ядра имеет четкую сотовую структуру, что говорит о небезразличном расположении хроматина относительно активных зон, а вот хроматин в ядрышке практически не имеет струкруры, благодаря чему работает независимо от координат клетки в организме и совершенно безразличен к расположению активных зон акустического поля ядра.

В ядрышке рРНК некоторое время после завершения синтеза не покидают матрицу, чем резко отличаются от других транскриптов ядра, быстро отсоединяющихся от ДНК [Заварзин, Харазова, 1982] — потому что интенсивные акустические колебания в активных зонах периферийной части ядра помогают транскриптам оторваться от ДНК, а расфокусированные колебания в безадресной области на это менее способны.

Кстати сказать, терапевтический эффект при лечении ультразвуком (например в той же офтальмологии) основывается именно на облегчении разрыхляемости хроматина ядрышка — искусственное разрыхление ядрышка вызывает интенсивный синтез рРНК и сборку избыточного количества рибосом, что интенсифицирует синтез белков, а за ним и все биохимические процессы в клетке. При лечении ультразвуком в клетках отмечается именно такой эффект общего стимулирования всех процессов.

Как видим, необычным свойствам волнового поля центральной области ядра точно соответствуют не менее уникальные особенности расположенного здесь хроматина ядрышка, что служит прекрасным подтверждением КСГ. Какие уж тут случайности и совпадения?! Согласно КСГ: ядрышко может не доходить до границ безадресной области, но не может выходить за ее пределы — в соответствии с вышеприведенной формулой, это позволяет по размерам ядра и ядрышка оценить коэффициент преломления гетероволновой оптической системы, т.е. соотношение скоростей распространения химических и акустических волн. А поскольку скорость акустических волн известна, то отсюда вытекает и приблизительная скорость химических волн.


Управление активностью генов

Рассмотрим совершенно непонятный вопрос — почему прокариоты используют только один тип РНК-полимераз, а эукариоты — несколькими типами таких ферментов? Оказывается, необходимость наличия по меньшей мере 2 типов РНК-полимераз у эукариот обусловлена иной прочностью связи ДНК с нуклеосомами:

  1. В ядрышке, где связи ДНК с нуклеосомами слабы, работает РНК-полимераза I [Сингер, Берг, 1998].
  2. На периферии ядра, где связи ДНК с нуклеосомами значительно прочнее, и где для их разрыва применяются сфокусированные акустические колебания, работает РНК-полимераза II.

Таким образом использование эукариотами разных полимераз — не какая-то случайность, а прямой результат волнового управления транскрипцией. Все та же ТДС не объясняет:

  • Чего ради Природа затруднила транспорт веществ, удалив к центру ядра крупные гены рибосом, т.е. самую активную фракцию хроматина, производящую до 80% РНК клетки?
  • Почему Природа максимально отодвинула активные гены рибосом от ядерной оболочки, через которую приходят исходные вещества синтеза и куда уходят РНК? Расположение генов рибосом вблизи ядерной оболочки было бы куда более экономным решением (кстати, так они расположены в крупных ооцитах амфибий, где еще не включено структурогенное волновое поле).

Так вот разгадка этих недоразумений в том, что

Гены рибосом расположены не по логике химических процессов, а в соответствии с логикой волнового поля.

В периферийной зоне ядра присутствуют не только структурные гены, активируемые сфокусированными колебаниями — здесь находятся и разнообразные гены «домашнего хозяйства» клетки, активность которых нужна независимо от местоположения клетки в организме. К ним относятся:

  • самый короткий ген рибосом 5S-рРНК
  • гены транспортных РНК
  • гены белков, обслуживающих внутриклеточный транспорт и процесс «созревания» свежесинтезированной РНК.

Активирование данной группы довольно коротких генов волновым полем только затруднило бы ситуацию, сделав их активность зависимой от координат клетки — потому эти гены сохранили прокариотический, т.е. чисто химический способ управления. А чтобы уйти от влияния структурогенного механизма — чтобы сделать активирование генов «домашнего хозяйства» независимым от акустических волн — Природе пришлось организовать для них особую систему управления транскрипцией и создать специфический фермент — РНК-полимеразу III.

Таким образом

  • Структурогенное управление активированием через разрыхление хроматина сфокусированными волнами в полной мере применяется только к генам, транскрибируемым РНК-полимеразой II (т.е. к структурным генам).
  • На гены транскрибируемые РНК-полимеразой I (крупные гены рибосом) волновое управление активированием распространяется лишь частично, задавая средний уровень активности без учета координат клетки.
  • На гены транскрибируемые РНК-полимеразой III (гены «домашнего хозяйства») волновое управление активированием вообще не распространяется — здесь действуют чисто химические способы управления.

Итак, связь между РНК-полимеразами и группами транскрибируемых генов имеет следующий характер:

РНК-полимераза   транскрибирует гены, активируемые

I   Расфокусированными волнами
II   Сфокусированными волнами
III   Независимые от волнового поля

Оптические расчеты объясняют также весьма специфическое распределение активного хроматина в ядре — резкое, нелинейное возрастание активности в направлении от оболочки ядра к ядрышку. Биологам известно, что наивысшая концентрация активных генов наблюдается именно вокруг ядрышка. Расчеты с использованием обычной формулы для объема сферы (4/3π•r3) показывают, что проекции активных зон ХВПО распределены в пространстве ядра крайне неравномерно.


Расположение сферического слоя, отсчет от оболочки ядра в Rядра Объем ядра, в который проецируется сферический слой (в % от Vядра)

Отношение Vслоя/Vпроекции


3-10 60 1612
10-100

11

105
100-1000 0,9 1011
1000-10.000 0,09 1015
10.000-100.000 0,01 1019

Вероятность проекции активных зон возле ядерной оболочки очень мала, а вблизи безадресной области возрастает на несколько порядков. Это еще раз и очень наглядно подтверждает правильность главных положений КСГ, объясняя в частности, почему тельце Барра («лишняя» Х-хромосома женщин) в ядре всегда прячется от ненужного активирования не где-нибудь, а именно возле ядерной оболочки — вероятность проекции активных зон здесь минимальна! Опять совпадение?

Выше отмечалось, что расположение генов рибосом в центре ядра затрудняет транспорт веществ. Далее обнаружилось, что так же неудачно (с позиций внутриклеточного транспорта) размещено и большинство активных структурных генов отодвинутых к ядрышку, т.е. подальше от оболочки ядра. Однако еще большую загадку (абсолютно необъяснимую в рамках ТДС) представляет сама ядерная оболочка отгораживающая геном от цитоплазмы — объяснить ее необходимость может только КСГ.

Поскольку фактором интеграции клеток в многоклеточный организм оказалась именно оптика клеточного ядра, то попутно решилась и другая совершенно неподъемная для ТДС проблема — стало ясно, почему при всем многообразии Природы в ней принципиально нет многоклеточных прокариот. Очередное совпадение?

ТДС также неспособна объяснить переход от безразличного пространственного расположения генов прокариот к стабильной (для отдельного типа клеток) пространственной организации геномов эукариот. Если намотку ДНК на нуклеосомы и укладку их в спираль соленоида пытались объяснить мниммым стремлением Природы повысить компактность генома, то к белковому матриксу ядра, лишь увеличивающему занимаемый объем, это объяснение уже не приложишь.

В реальности и нуклеосомы, и соленоиды, и матрикс служат одной общей цели — обеспечению строгого пространственного расположения генов в ядре конкретной клетки для создания условий правильной оптической проекции активных зон организма на гены.

Клетки жидкостей организма

Никакая оптика не может точно проецировать изображение на хаотично движущиеся объекты. Следовательно можно ожидать, кто и К-оптика также не может проецировать активные зоны организма на гены клеток, находящихся в движении. Есть ли тому подтверждение?

И о чудо — например красные клетки крови человека вообще не имеют клеточных ядер! Как это так, почему? Да потому что волновое управление геномом движущегося эритроцита невозможно и ядро таким объектам совершенно ненужно — вот почему выходящий в кровеносное русло молодой эритроцит выбрасывает из себя ядро! Многие полагают, что эритроциты идут на такую жертву ради уменьшения своих размеров для более легкого прохождения по капиллярам, но это предположение сразу же перечеркивается тем фактом, что куда как более крупные лейкоциты свои ядра сохраняют — у них они при выходе в кровь резко деформируются, но как только лейкоцит останавливается в пункте назначения, т.е. в воспаленной ткани, его ядро снова обретает нужную для оптики округлую форму! Итак, еще раз: управление активированием структурных генов во всех клетках жидкостей внутренней среды организма отсутствует.

Разве такой набор фактов может быть совпадениями? Конечно нет — сим Природа исключительно наглядно демонстрирует нам реальность КСГ. А с позиций ТДС все эти явления принципиально необъяснимы.

В ходе эволюции уже у моллюсков и немертин наблюдается нарушение формы ядер эритроцитов, перешнуровка ядер, многоядерные и амитотические фигуры [Иржак, 1983]. Выключены гены в эритроцитах птиц, что часто используется в экспериментах. И все-таки нарушения формы ядер стали характерной чертой не столько эритроцитов, сколько лейкоцитов — поэтому именно по деградации, пикнотизации, перешнуровке, по распаду ядер на отдельные фрагменты медики оценивают зрелость лейкоцитов человека и их готовность к выходу из костного мозга в кровоток.

У красных же клеток крови четко видна радикальная тенденция к ликвидации ядер. Эритроциты без ядер можно встретить уже в жидкости амбулакральных каналов организмов класса офиур (Oрhiactis virens). Свойство эритроцитов выкидывать ядро легко наблюдается у низших животных (например у кольчатого червя Magelona рaрillicornis, у немертин и др.), все чаще проявляется по ходу эволюции и наконец становится признаком класса у млекопитающих [Иржак, 1983].

Гены эритроцита активны лишь до тех пор, пока молодая клетка неподвижно сидит в костном мозге. При выходе же эритроцитов в кровоток их гены прекращают свое существование — эритроциты демонстративно выбрасывают ядра в момент прохождения сквозь стенку сосуда, т.е. в момент перехода от оседлого существования к беспорядочному движению. И это выбрасывание ядер нельзя объяснить каким-то механическим воздействием при протискивании клетки через стенку сосуда, ибо оно происходит и в культуре клеток, где вообще нет сосудов, а у немертин ядра эритроцитов выбрасываются так и вообще в кровеносном русле.

Высказывалось предположение, что поскольку эритроциты являются «замыкающими» в своих рядах клеточных поколений (т.е. это предельно дифференцированные клетки), то ядра им уже не нужны. Однако существует много других предельно дифференцированных клеток (например клетки вкусовых сосочков, имеющие на порядок более короткую жизнь, или клетки эпителия кишечника — в 100 раз менее долговечные), которые все сохраняют свои ядра.

Лейкоциты не выбрасывают свои ядра подобно эритроцитам, поскольку свою основную физиологическую функцию агентов иммунной системы они выполняют лишь после ухода из кровеносного русла и остановки в плотных тканях. Поэтому, например, представители немецкой биологической школы считают, что лейкоциты вообще нельзя причислять к клеткам крови — это клетки, переносимые кровью, и не более того. Так что совершенно логично, что перед выходом лейкоцитов в кровоток их ядра не выбрасываются, а лишь выключаются — деградируют, сморщиваются, распадаются на дольки, но по окончании путешествия с остановкой в воспаленной ткани их ядра опять надуваются и приобретают нормальную сферическую форму!

С точки зрения пространственного согласования генома с волновым полем, нарушение и восстановление сферической формы ядер лейкоцитов демонстрирует рассогласование генома с волновым полем при выходе клетки в кровеносное русло и восстановление согласованности после остановки ее в плотной ткани.

Как водится, многие биологи возражают против такого утверждения, считая, что активность генов лимфоцитов проявляется в кровотоке в виде синтеза иммуноглобулинов. Однако во-первых, лимфоциты становятся Т-лимфоцитами, т.е. приобретают способность синтеза иммуноглобулинов только после пребывания в тимусе (вилочковой железе), причем в оседлом стационарном состоянии, когда воздействие волнового поля на геном не подвержено помехам. Во-вторых, судить о волновом управлении морфогенезом на основе синтеза иммуноглобулинов вообще некорректно, ибо в отличие от процессов развития, синтез иммуноглобулинов не требует учета координат клетки в организме, т.е. не требует использования волнового поля.

На примере клеток жидкостей организма хорошо видно соотношение ролей химических и волновых методов управления генами эукариот — в таких клетках химические методы управления могли бы прекрасно действовать, ибо для их реализации созданы наилучшие условия и нет проблемы доставки к клетке веществ-регуляторов. А волновое управление упраздняется из-за непрерывного изменения ориентации и местоположения клеток. Более того, были обнаружены многочисленные примеры выключения или даже уничтожения ядер при выходе  оседлых клеток в жидкие среды организмов — так Природа демонстрирует нам бессилие химических методов управления геномами эукариот при выключении волнового механизма. Таким образом можно сделать два фундаментальных вывода:

  1. Главным механизмом управления активностью генов эукариот (в том числе людей) является волновой механизм, а многочисленные химические способы управления играют лишь подчиненную, вспомогательную роль.
  2. Поскольку рак уходит корнями именно в генные нарушения, то никаким химическим воздействием на рак нельзя повлиять в принципе.

О внутриядерной перестройке генома

Важным доводом в пользу волнового управления генами эукариот является строгая пространственная организация эукариотических геномов. У прокариот (безъядерных клеток) замкнутая в кольцо нежесткая спираль ДНК свободно плавает в протоплазме и либо вообще ни к чему не прикреплена, либо прикреплена к оболочке клетки в небольшом числе точек (от 1 до 100), так что говорить о стабильности или четкой закономерности пространственного расположения генов здесь не приходится. А вот при ядерной организации генома основная часть ДНК содержится в гетерохроматине, который имеет вид жестко фиксированной пространственной структуры, которая прикреплена и к ядерной оболочке, и к скелетной конструкции, называемой ядерным матриксом, во множестве точек. Ядерный матрикс состоит из двух компонентов [Збарский, 1988]:

  1. немембранной части ядерной оболочки (ламины), связанной с поровыми комплексами оболочки, и
  2. внутриядерной сетчатой структуры из фибрилл и гранул.

Ядерный матрикс построен из кислых негистоновых белков, содержит несколько процентов РНК, ДНК и липидов. Небольшое количество ДНК, обнаруживаемое в выделенном ядерном матриксе, вероятно представляет собой прочно прикрепившиеся участки удаленных хромосом.

Кроме компактного гетерохроматина в ядре существует разрыхленная, активная фракция называемая эухроматином. В ней строгое пространственное положение занимают только гены, еще не подвергшиеся активированию. Разрыхление хроматина, переводящее ген в активное состояние, делает его пространственные координаты менее определенными, превращает этот короткий участок хромосомы в свободно плавающую петлю ДНК. После прекращения акустических колебаний, самосборка хроматина снова возвращает ген в заданную микроскопическую зону пространства ядра, где он будет ожидать нового активирования.

Пример прокариот показывает, что гены способны нормально функционировать и без закрепления в определенных точках пространства. В то же время, в ядрах всех эукариот (а это около 2 миллионов видов) гены зафиксированы, из чего видно, что фиксация, жестко контролируемая естественным отбором, стала жизненно необходимым условием существования организмов — именно благодаря фиксации реализуются определенные закономерности пространственного расположения генов внутри ядер.

Так например выяснено, что хромосомы располагаются в ядре в строго определенном порядке — для этого Природа применила хитрое решение основанное, в частности, на однозначном взаимном расположении хромосом благодаря определенным длинам их плеч. Этот общий принцип, открытый новосибирским биологом А. И. Щаповой в 1971 году, выглядит следующим образом:

Рис. 1: Пример взаимного расположения хромосом в ядре с неповторяющимися длинами их плеч (кружками обозначены центромеры, цифрами — номера плеч хромосом в порядке увеличения их длин; плечи 5 и 8 соединяются между собой, подобно другим парам плеч).

При распределении плеч хромосом какого-либо генома (хоть пшеницы, хоть человека) по возрастанию их длин, их ряд образует более или менее равномерную лесенку, где не встречается двух плеч одинаковой длины. В ходе клеточного деления хромосомы дочерних клеток (в ранней стадии профазы) соединяются концами (теломерами) строго определенным образом, образуя замкнутую цепочку. А поскольку в районе центромер хромосомы при этом изламываются под острым углом, то цепочка приобретает вид замкнутой змейки (рис. 1). Каждый гаплоидный набор хромосом образует самостоятельную замкнутую змейку, а гомологичные хромосомы двух гаплоидных геномов располагаются рядом бок о бок.

Так как лесенка плеч хромосом более-менее равномерна, то при соответствующем соединении плеч между собой становится возможным построение такой змейки, у которой все расстояния между центромерами (вершинами змейки) одинаковы. Но при наличии в гаплоидном геноме каждой длины плеча в одном экземпляре, одинаковое расстояние между центромерами оказывается возможным лишь в единственном варианте взаимного расположения хромосом в змейке [Щапова, Баутина, 1975; Щапова, Потапова, 1984]. Позже было установлено, что теломеры хромосом содержат строго индивидуальные для каждой хромосомы тандемные повторы, которые образуют так называемые «липкие концы», быстро и однозначно соединяющие нужные теломеры в процессе формирования змейки.

Объединение четных и нечетных вершин змейки, соответственно, у одного и другого полюсов формирующегося ядра позволяет расположить пары плеч вдоль меридианов (рис. 2). Не исключено, что временному соединению центромер в два «узла» у полюсов ядра помогают индивидуальные особенности тандемных повторов центромерных участков хромосом. Весь этот сложный механизм нужен для того, чтобы отрезки змейки заняли четкое меридиональное положение перед последующими операциями разворачивания пространственной структуры генома.

Рис. 2: Схема расположения хромосом в ранней профазе митоза у пшеницы-однозернянки Triticum monococcum [Щапова, 1971]

На дальнейших стадиях формирования ядра (в поздней стадии профазы) происходит ряд перестроек — в том числе разъединяются концы хромосом, все центромеры направляются к одному полюсу ядра, а теломеры — к другому, каждая из хромосом начинает по-своему изгибаться, принимая определенную конфигурацию, которая в конце концов фиксируется прикреплением ДНК к ядерному матриксу и оболочке ядра [Hancock, Hughes, 1982].

Результатом временного соединения хромосом в замкнутую змейку оказывается одинаковая для всех клеток организма очередность взаимного расположения хромосом и их плеч вдоль экватора ядра.

Кроме строго определенного расположения в ядре хромосом, есть также данные и об определенном размещении генов на хромосомах. Лима-де-Фария ввел представление о центромеро-теломерном поле как о своеобразной шкале отсчета координат гена на хромосоме (аналогично «географической широте» по отношению к полюсам ядра). Исходя из таких представлений, он классифицировал различные гены как центроны, медоны и телоны в зависимости от того, расположены ли они около центромеров, в медиальной (средней) части плеч или около теломеров. Например, положение генов 28S и 18S, кодирующих рибосомную РНК (область ядрышкового организатора), проверенное для 100 видов (от водорослей до человека) соблюдалось настолько строго, что его можно было предсказывать исходя из простого уравнения. Аналогичные закономерности показаны для групп крупных хромомеров, для генов, чувствительных к холоду и пр. [Лима-де-Фария, 1981].

Определенное расположение генов на хромосомах и хромосом в ядре дополняется принятием хромосомами определенных конфигураций в пространстве ядра — в каждом типе дифференцированных клеток хромосомы изгибаются внутри ядра строго определенным образом. В итоге эти 3 закономерности выливаются в определенное пространственное расположение генов в интерфазных ядрах, но из-за разных изгибов хромосом внутри ядер клеток разных типов (даже в одном организме) одинаковое расположение генов в ядре бывает только у однотипных клеток. Другими словами: при неизменном положении генов на хромосомах, их пространственное расположение в ядре закономерно изменяется в ходе дифференцировки клеток [Щапова, Баутина, 1975; Steffensen, 1984].

Яркий пример строго определенной пространственной организации показывают 3 наиболее крупных гена рибосомальных РНК (рРНК) — гены 28S, 18S и 5,8S. Ничем не отличаясь у прокариот от других генов, эти гены, попав в ядро, занимают во всех клетках строго определенное пространственное положение в центральной зоне ядра, не допуская сюда никакие другие гены. Упомянутые гены рРНК не покидают центральной зоны ядра даже при дифференцировке клеток, когда пространственные конфигурации хромосом кардинально перестраиваются.

Известны также закономерности, не относящиеся непосредственно к пространственному расположению генов в ядре, но тем не менее указывающие на небезразличное, в отличие от ДНК прокариот, пространственное размещение хромосом. Например у хромосом гибридов Hordeum*Secale на стадии метафазной пластинки замечено разделение по отношению к центру клетки — во всех исследованных случаях хромосомы Hordeum оказывались ближе к центру, чем хромосомы Secale [Беннет, 1986].

Более того, оказалось, что некие закономерности разделения хромосом в метафазной пластинке можно заметить не только у гибридных геномов, но и в диплоидных геномах гомозиготных линий, где гомологичные хромосомы практически одинаковы! В этом случае хромосомы разных гаплоидных наборов стремятся расположиться по разные стороны от воображаемой прямой линии, делящей метафазную пластинку надвое.

Еще одна закономерность заключается в том, что одинаковые хромосомы двух гаплоидных наборов расходятся друг от друга дальше, чем разные. А это противоречит предположению, что у гибридов гаплоидные наборы хромосом отдаляются друг от друга из-за своего несходства. Здесь проглядывает какая-то более сложная зависимость.

Принципиальная важность вопросов пространственной организации геномов эукариот видна и при изучении эволюции. При переходе от прокариот к эукариотам центр тяжести эволюционных изменений переместился с белкового кодирования на расположение генов в ядрах. Обнаружилось, что скорость эволюции крупных таксонов коррелирует со скоростью перестроек структуры ядра [Nei, 1975].

Несколько десятилетий тому назад, изменения, существенно меняющие свойства популяции, воспринимались биологами как элементы длительного эволюционного процесса, исчисляемого тысячами или миллионами лет.

Никто не видел в геноме одну из регуляторных систем, быстро приспосабливающих популяцию к меняющимся условиям обитания. Тем более никто не подозревал, что геномы могут с высокой скоростью изменять свойства популяции как в одном, так и в противоположном направлениях.

Но именно такие способности генетических систем обнаружились при исследованиях мобильных диспергированных генов (МДГ), большая часть которых проводилась на дрозофилах (хотя использовались и другие организмы вроде дрожжей). Вообще говоря, первооткрывателям не следовало называть эти элементы генами, поскольку МДГ не содержат кодов для синтеза каких-либо молекул — у них обнаруживаются лишь свойства групп коротких неинформативных повторов.

Так вот выяснилось, что при навязывании популяции экстремальных условий существования, в ее геномах быстро перемещаются некоторые последовательности ДНК, и синхронно происходит общее повышение жизнеспособности популяции. При создании для дрозофил тяжелых условий существования, усиливающих отбор на половую активность и жизнеспособность, в популяции изменяется локализация одного из семейств МДГ, причем число мест локализации увеличивается от 14 до 25. В некоторых экспериментах перемещение и увеличение числа мест локализации МДГ с одновременным резким повышением жизнеспособности и конкурентоспособности наблюдалось вообще скачкообразно, за одно поколение, а характерный для измененной популяции новый геном полностью стабилизировался за четыре поколения [Беляева и др., 1981].

«Исходные линии четко различаются по числу и локализации в хромосомах копий МДГ. Они сохраняют высокую стабильность на протяжении десятков и сотен поколений. Частоты перемещений МДГ-элементов близки по грубым оценкам к 10–4. Направленный посемейный отбор на повышение приспособительных свойств приводит к выделению отдельных редких семей, которые превосходят остальные семьи по селектируемым признакам … У них, как оказалось, происходит реконструкция генома, выражающаяся в изменении числа и мест локализации МДГ-элементов. Копии МДГ появляются в новых сайтах, их число как правило увеличивается. Копии из старых сайтов обычно исчезают … Процесс перестройки генома такого рода захватывает сразу множество генетических элементов. Копии МДГ в новых сайтах часто появляются кооперативно, целыми блоками.

Центральным моментом исследований стало обнаружение в геноме горячих точек-мишеней, куда с высокой вероятностью перемещаются копии МДГ при селекции на повышение приспособительных свойств… Приобретение… высокого уровня приспособленности сопровождается появлением 5–8 новых сайтов локализации копий МДГ в горячих точках… Возвратная селекция в минус-направлении по адаптивно важным свойствам сопровождается исчезновением копий МДГ из горячих точек». [Кайданов, 1991]

Стоит ли говорить, что с позиций ТДС подобная связь перестроек генома с изменением свойств организмов непонятна совершенно?

Однако перемещения МДГ отражают вовсе не ускоренную эволюцию дрозофил в нечто другое, а лишь быстрое повторение ранее пройденного пути, не раз использовавшегося для выживания популяции в тяжелых условиях обитания и сохраненного геномом на будущее в виде системы «горячих точек».

Как отмечалось ранее, перемещения МДГ представляют собой широкий, пока еще мало изученный класс быстрых генетических регуляций, очень существенных для биологической теории и практики, который правильнее было бы обозначить термином «Быстрая Адаптация Генома». В исследованиях МДГ для нас важно то, что быстрые изменения свойств новых поколений вызываются пространственными перегруппировками генетического материала, а вовсе не появлением на хромосомах генов с новыми свойствами. Чрезвычайно важен тот факт, что разному пространственному расположению МДГ соответствуют разные свойства организма. Феномен МДГ лишний раз демонстрирует, что при переходе от прокариот к эукариотам (клеткам с ядрами) пространственная организация генома играет исключительно важную роль.

Совершенно очевидно, что если изменения в поведении целого огромного организма идут рука об руку с перестройками внутри клеточных ядер, то один лишь этот факт ясно свидетельствует в пользу существования некой связи между пространственной структурой микроскопического генома и структурой организма в целом.

Это наводит на мысль о каком-то осовремененном варианте преформизма, т.е. существовании в клетках плана построения организма, с которым связан весь организм. С позиций же КСГ мы четко видим здесь оптическую проекционную связь организма с хроматином ядер.


Тайны сна

Когда человек привыкает к мысли, что генами организма управляют волны, он переносится из пугающей темноты пещеры с призрачными тенями от пламени костра в солнечную степь, где видно ясно и далеко — многие свойства организмов и биологических процессов, которые ранее казались совершенно непонятными и нелогичными, получают простое и логичное объяснение. Один из таких процессов — необходимость во сне.

Принято считать, что зрелые (прошедшие сплайсинг и т.д.) матричные РНК (мРНК) эукариот отличаются от соответствующих мРНК прокариот лишь непринципиальными вариациями, возникшими в ходе молекулярной эволюции. Однако это не совсем так — есть принципиальное отличие, связанное с главной особенностью генетического аппарата эукариот, т.е. с волновым управлением транскрипцией. Речь идет о длительности «жизни» мРНК в цитоплазме — если у прокариот период полураспада мРНК измеряется минутами, то у эукариот — часами и даже днями.

Например, клетки кишечной палочки Escherichia coli, изначально неспособные к усвоению лактозы, при помещении в среду с лактозой активизируют свои гены бета-галактозидазы, пермеазы лактозы и трансацетилазы, столь необходимые в этих обстоятельствах — и через считанные минуты начинается интенсивное усвоение непривычного субстрата! При возвращении же клеток в среду без лактозы, способность к ее усвоению постепенно угасает и через несколько десятков минут практически исчезает — распадаются соответствующие ферменты и мРНК.

Иное положение с эукариотами, что проявляется уже на ранних стадиях развития. В зародыше ядро использует генетическую информацию импульсами, обеспечивая довольно длительный период дальнейшего развития за счет перешедших в цитоплазму мРНК. Например облучение зародышей вьюна на стадии 22-24ч развития, вызывавшее инактивацию ядер, блокирует развитие зачатка нервной системы на 26-28-м часу и сомитов — на 32-35-м часу развития [Збарский, 1988]. В подобных экспериментах час морфогенетической активности ядра обеспечивает дальнейшее развитие в течение более 3,5 часов.

По приводимым в литературе данным, период полураспада мРНК эукариот как правило превышает 10 часов, а в отдельных случаях, когда требуется накопление в клетке большого количества однотипного белка (например экдизона — гормона линьки), составляет несколько суток [Ткачук, 1983]. Продленный по сравнению с прокариотами период полураспада мРНК нельзя отнести к эволюционным завоеваниям эукариот, так как это увеличивает задержку в системе регулирования биосинтеза и вызывает серьезные неудобства. Их иллюстрирует например тот факт, что к прокариотам неприменимы такие знакомые нам понятия, как «объелся», «переел» и т.п. Прокариоты намного быстрее нас согласовывают активность генов с условиями окружающей среды — поэтому количество потребленного субстрата никогда не вступает у них в серьезные противоречия с остальными процессами. Другими словами: замедленный полураспад мРНК эукариот оказывается одной из потерь, одной из существенных проблем, требующих научного объяснения.

С позиций КСГ, причиной увеличенного периода полураспада мРНК является цикличность активации эукариотического генома. Цикл, измерявшийся у зародыша вьюна 1-2 часами, при переходе к наземным и взрослым организмам, приблизился к суткам.

Всплеск транскрипции регистрируется во время сна — когда исчезают непредсказуемые телодвижения и остаются лишь ритмичные сокращения отдельных групп мышц (дыхание, сердцебиение, перистальтика кишечника и т.п.), с паузами которых ХВПО легко синхронизируется. Именно во время сна наблюдаются интенсивный синтез РНК и белков, а также повышение потребления кислорода и тонуса сосудов (для его обслуживания).

Интересно отметить в этой связи, что, согласно Лингу, именно оксигенированное состояние является релаксированным или R-состоянием (от англ. relaxed). Соответственно, деоксигенированное состояние является напряженным или Т-состоянием (от англ. tense). И хотя оксигенация и деоксигенация — не то же самое, что окисление и восстановление, эти явления весьма схожи. Так например оксигенация, также как и окисление, подразумевает отъем электронов от гемоглобина, а деоксигенация — отдачу электронов белку. Переход из T- в R-состояние, сопровождающий оксигенацию, среди прочего сопровождается:

  • диссоциацией 6 пар межмолекулярных и 2 пар внутримолекулярных солевых связей, удерживающих белок в свернутом («одеревенелом», энергетически истощенном) состоянии
  • понижением «величины c» некоторых анионных групп (обратный эффект Бора), что сопровождается снижением аффинности к H+ и, соответственно, повышенной отдачей их среду (что отражается в частности кислой мочой)
  • снижением энтропии
  • увеличением реактивности сульфгидрильных групп
  • увеличением растворимости гемоглобина в воде.

Фактически, оксигенация, которая наиболее интенсивно происходит именно во время сна, переводит весь организм в состояние консервации и покоя, в состояние с высокой потенциальной энергией и низкой энтропией. Таким образом, рекомендации соблюдать в периоды болезней покой, постельный режим и вообще больше спать, а не прыгать козлом и не ходить на работу через «не могу», получают логичное биофизическое обоснование. Также хорошо известно, что окончательное выздоровление от всевозможных разновидностей ОРВИ происходит именно во сне и сопровождается интенсивным пропотеванием.

Растущий организм спит больше, чем взрослый, сформировавшийся. Неслучайно в народе говорят, что дети растут во сне. Зависимость развития ребенка от длительности сна зарегистрирована и наукой: «Механизмы сна более или менее известны, но совершенно непонятно, для чего нужен сон, в чем его функциональная сущность». [Чайченко, Харченко, 1981]. Другими словами: физиологическая роль сна остается для ученых загадкой по сей день.

Традиционные представления о сне как о периоде отдыха биологов не удовлетворяли в общем-то никогда — в частности потому, что именно в это время интенсифицируются важнейшие процессы жизнедеятельности (синтез РНК и белков, потребление кислорода и пр.) «Зачем нужен сон доподлинно никто не знает. Большинство исследователей сходятся на том, что сон — это весьма активный, а не пассивный, как некогда считалось, процесс. Сущность же его совершенно непонятна. Скажем проще: сон — это не отдых, а важная работа». [Иванов-Муромский, 1985]. Возможно еще интереснее то, что

Самый безмятежный отдых принципиально отличается ото сна и неспособен заменить его!

А для стариков так и вовсе характерна бессонница, но вряд ли кто-то скажет, что отдых нужен им меньше, чем молодым.

Связь сна с процессами транскрипции и синтеза белков-ферментов привела к тому, что сон оказался главным фактором, определяющим суточные ритмы организма. Если за начало отсчета принять сон, то разница между ритмами дневных и ночных животных практически исчезает [Деряпа и др., 1985].

Анализ физиологии организмов, связанных с водной средой (рыб, амфибий, рептилий) дает основания думать, что сон нужен прежде всего для обеспечения неподвижности тела. У человека, как и у других млекопитающих, неподвижность во время сна обеспечивается отключением скелетной мускулатуры. Но расслабление мышц в беспокойной водной среде не может обеспечить неподвижность, поскольку волны могут изгибать тело спящего животного. Поэтому у рыб, земноводных и пресмыкающихся эквивалентом нашего сна стала так называемая каталептическая обездвиженность, достигаемая не за счет расслабления, а за счет чрезвычайного напряжения мышц [Карманова, 1977]. Затраты мышечной энергии при «одеревенении» тела так велики, что если приложить руку к шее спящей черепахи, то в отличие от периода бодрствования, можно ощутить ее теплоту. Какой уж тут отдых!

У многих животных параллельно существуют и ночной сон, и дневная форма обездвиженности с открытыми глазами, для которой характерно непрерывное каталептоидно-тоническое возбуждение скелетной мускулатуры. На обездвиженность типа каталепсии

  • у рыб (карликовый сомик) приходится около 30% времени суток,
  • у амфибий (травяная лягушка) — около 60%,
  • у рептилий (болотная черепаха) — около 45%.

По мере развития центральных механизмов, ответственных за сон теплокровных, дневная форма покоя типа каталепсии сокращается, составляя

  • у сов — 25% времени суток,
  • у кур — порядка 18% времени,
  • у млекопитающих (кролик, морская свинка) — около 5% и постепенно утрачивает значение.

С позиций КСГ, периодическая обездвиженность организмов и связь активирования генов с состоянием сна, со стабильностью позы — понятны и естественны, прослеживается логическая связь с некоторыми событиями на клеточном уровне, где активность генов клеток крови приурочена не к функционированию клеток в кровеносном русле, а к их неподвижности.

Как на клеточном уровне, так и на уровне организма, активность генов приурочена не ко времени, когда это более всего желательно, а тоже к периоду неподвижности. Удивительно, но факт — всплеск биохимических процессов, вызванный активированием генов, приурочен не ко времени бодрствования, когда желательна мобилизация всей энергии, всех возможностей организма, когда животное охотится, спасается от врагов и т.п., а привязан к «теряемому впустую» времени сна! Такая совокупность данных заставляет думать, что главной физиологической функцией сна и состояния каталептической обездвиженности является обеспечение относительной неподвижности организма во время главного акта управления биохимическими процессами — во время избирательного активирования структурных генов под влиянием оптической проекции ХВПО на хроматин.

Апериодические, неожиданные движения животного со сном несовместимы, а вот ритмичные движения на уровне автоматизма — дыхание, биение сердца и даже однообразная работа, ходьба без изменения направления или «крейсерское» плавание рыб и дельфинов — хорошо сочетаются со сном и всеми его функциями. Синхронизируя пакеты структурогенных волн с одной и той же фазой цикла, как поступают при стробоскопических исследованиях, Природа как бы «остановливает» ритмичное движение. А вот «остановить» подобным образом апериодические движения принципиально невозможно.

Можно предположить, что существование различных фаз сна, их циклическая повторяемость обусловлены потребностями все того же волнового активирования генов. По данным киносъемки ядра клеток медленно вращаются, причем период их вращения по порядку величины соответствует периодичности повторения фаз сна (1,27–4,65 часа по данным Немечек с сотр., 1978). Скорее всего, фазы сна являются разными этапами подготовки карио-оптики к работе. Например сначала отключается скелетная мускулатура, ядра клеток ориентируются относительно слабого еще волнового поля. Затем на короткое время включается «генеральное» поле, происходит главное событие активирования генов, а после этого — дезорганизация ориентации ядер и последующее повторение цикла, занимающего в сумме 1,5–2,5 часа. Это можно сравнить с непрерывно повторяющимися циклами организации-дезорганизации рецептивных полей сетчатки у млекопитающих в процессе зрительного восприятия.

Хорошо известно, что иногда — при попытках бороться со сном или просто на грани между сном и бодрствованием — человек (или кошка, или собака) неожиданно вздрагивает всем телом словно пронизанный током. Такого никогда не случается при полном бодрствовании или, наоборот, при глубоком сне. Мы вздрагиваем тогда, когда пакет «генеральных» структурогенных волн (а может «пробная» волна) проходит раньше, чем нервная система отключает скелетную мускулатуру.

Тот факт, что пик активирования генов приурочен к состоянию неподвижности и сна, обуславливает и суточные колебания объемов клеточных ядер — у человека (и вообще у дневных животных) максимум объема ядер, как и следовало ожидать, приходится на ночное время.

Связь транскрипции со сном идеально вписывается в КСГ. Кстати в ТДС необходимость в неподвижности организма во время формообразовательных процессов должна быть еще более острой, чем при оптическом механизме управления, ибо диффузия крупных молекул при формировании диссипативных структур протекает очень медленно, и в это время недопустимы движения частей организма, тогда как при оптическом управлении возможна быстрая подстройка системы за счет поворотов и изменения формы клеточных ядер.


Оптика, оптика и еще раз оптика!

«Часто сложные природные явления основаны на простых процессах, но эволюция обычно украшала их всякими видоизменениями и добавлениями в стиле барокко. Разглядеть скрытую под ними простоту бывает чрезвычайно трудно». © Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей двойной спирали ДНК, 1984

КСГ представляет человеческий организм ансамблем из многих миллиардов оптических систем, странных, непривычных для нас оптических систем, имеющих непривычную конструкцию, использующих непривычные волновые поля, создающих фантастически сложную среду, в которой необычные волны выполняют свою информационную функцию.

Такой взгляд на положение дел принципиально несовместим со взглядами современных биологов. Но только и исключительно с таких позиций удается безо всяких противоречий объяснить работу генетического аппарата эукариот, включая твоего, моего и всех остальных в мире.

Неподготовленному человеку кажется, что ядро клетки неспособно подчиняться законам оптики да хотя бы из-за своей низкой геометрической точности. Но тот, кто знаком с информационными системами животных, знает, что судить об эффективности их работы по анатомическому строению нужно с большой осторожностью — их анатомия никогда не соответствует идеалу, который сформирован в нашем представлении под влиянием тех или иных технических образцов.

Например, если исходить из анатомии человеческого глаза, то просто напрашивается вывод, что при таком строении он никак не может передавать высококачественную картину внешнего мира — ведь геометрическая точность хрусталика не идет ни в какое сравнение с точностью линз объективов! Более того, перед слоем фоторецепторов расположена хаотичная сеть нервных волокон и капилляров, накладывающихся на изображение. Сами фоторецепторы расположены очень неравномерно — от центра к периферии плотность их расположения убывает в сотни раз, а вблизи центра есть невидимое для нас «слепое пятно», где вообще отсутствуют фоторецепторы! Чувствительная сторона фоторецепторов человека в отличие от, скажем, кальмара, вопреки всякой логике, обращена не к приходящему свету, а в противоположную сторону — к черному непрозрачному слою клеток, заполненных меланином.

«Каким таким образом из дрожащих, смутных теней на дне каждого глаза мозг воссоздает единый видимый мир, поразительно богатый, надежно устойчивый — это загадка, решение которой не дается самым талантливым физиологам, посвятившим себя изучению сенсорных систем». © Сомьен, 1975

И похожая удаленность от технических идеалов характерна для всех информационных систем животных. Например, мозг по степени упорядоченности и строгости структуры не идет ни в какое сравнение с компьютерными чипами или печатными платами. В слуховой системе нет ничего даже отдаленно похожего на камертон, который объяснил бы феномен музыкального слуха и т.д. И низкая геометрическая точность клеточных ядер не является исключением, ибо, как уже говорилось, все биологические информационные системы характеризуются низким уровнем анатомической точности.

Сопоставление с оптическими приборами просто обязано привести также к мысли, что поскольку биологические ткани — среда очень «мутная», то использование их в информационных целях совершенно невозможно. Действительно, ткани и клетки содержат очень много элементов стоящих на пути беспрепятственного распространения каких бы то ни было волн, а протоплазма соседних клеток связана между собой только через коннексоны, т.е. трубочки молекулярного размера, пронизывающие стенки клеток. Да чтобы только перейти из одной клетки в соседнюю, волна химических реакций должна каждый раз дробиться на элементарные волны, которые «протискиваются» сквозь узкие каналы коннексонов!

Далее нам не раз придется упоминать коннексоны как молекулярные структуры, через которые соединяется протоплазма соседних клеток. Поэтому есть смысл задержать на них внимание. У животных коннексоны чаще всего входят в состав так называемых щелевых контактов, соединяющих соседние клетки. Щелевые контакты получили такое название потому, что в местах их расположения оболочки соседних клеток не соприкасаются вплотную друг с другом — в этих местах между оболочками существует заполненный жидким веществом промежуток толщиной порядка 30 нанометров (механическая связь между клетками обеспечивается другими участками контакта). Коннексон представляет собой сложный молекулярный комплекс, образуемый двумя встроенными в клеточные оболочки частицами, принадлежащими соседним клеткам и соединенными между собой в так называемом «межмембранном» пространстве. Внутри коннексона проходит канал, связывающий протоплазму соседних клеток, и из таких повторяющихся единиц построено все щелевое соединение [Goodenough, 1976]. Коннексоны обеспечивают не только проведение электрического тока, но и переход из клетки в клетку молекул массой до 1000 Дальтон включая такие, как АТФ, цАМФ и др. По другим данным, через коннексоны щелевых контактов могут проходить низкомолекулярные белки с массой до 10.000 Дальтон [Гербильский, 1982]. Через аналог коннексонов в растениях (плазмодесмы) способны диффундировать еще более крупные частицы. Коннексоны существенно влияют на информационные характеристики структурогенного волнового поля, и потому естественно, что резкие изменения их количества являются составной частью строго организованного процесса формирования организма, процесса дифференцировки клеток. Например, у зародышей аксолотлей и шпорцевых лягушек на определенном этапе исчезают коннексоны и нарушается электрическая связь между клетками в том месте, где в дальнейшем пройдет граница сомита [Гербильский, 1982, с. 75]. Резкие увеличения или уменьшения количества коннексонов регистрируются в процессе формирования мышечной и нервной систем, при формировании глаз насекомых и позвоночных и во многих других случаях. Если для начальных стадий развития зародышей характерно наличие большого числа коннексонов, то далее часто наблюдается резкое уменьшение их количества в тех или иных группах клеток. Как это ни странно, кажущаяся неудобной связь протоплазмы клеток через коннексоны оказалась очень целесообразным и изощренным техническим решением Природы, без которого мир Живого не был бы таким, какой он есть.

Много десятилетий идет речь об изучении «морфогенеза», т.е. о создании форм тел живых организмов. Однако применительно к животным никак нельзя говорить об определенных формах — определенность возникает лишь при изучении трупов или чучел, а у животных никакой стабильности форм нет! Например, какая поза человека является его главной видовой позой? Да никакая. Поэтому поиск механизмов наследования именно форм организмов — это дорога в тупик.

Никакие организмы не наследуют от предков определенную форму — наследуется лишь структура тела (анатомия), но не его форма.

Как бы это ни резало слух, но наш организм больше похож отнюдь не на мраморную статую Аполлона, а на невзрачную сетку-авоську. Попробуй изменить позу мраморной статуи — и ты сломаешь ее. Но ничего подобного не произойдет с авоськой — она может стать шарообразной, если вместила арбуз, может жгутом висеть на крючке или комочком лежать в кармане. При этом ее форма меняется в самых широких пределах. Но пока авоська цела, она сохраняет неизменную схему расположения узелков сети, неизменные длины нитей между узелками, т.е. неизменную структуру. Человеческий организм (и любой другой многоклеточный организм) тоже характеризуется определенной структурой.

И именно структура организма кодируется генетическим аппаратом. Точнне так: координатами генов в ядре и их взаимодействием с волновым полем задаются векторы формирования структуры организма.

Чтобы организм формировался генетической системой именно как структура, он должен обладать определенными свойствами именно как среда распространения химических волн — нужно чтобы параметры ХПВО определялись не столько проходимым волной расстоянием, сколько особенностями структуры, по которой волна распространяется. И связь протоплазмы соседних клеток через коннексоны как раз и создает такие условия. Суммарная площадь поперечного сечения каналов коннексонов, соединяющих соседние клетки, на несколько порядков меньше площади поперечного сечения самой клетки. Поэтому сопротивление прохождению химической волны определяется почти исключительно неизменяемым числом пройденных переходов от клетки к клетке и стабильным количеством коннексонов на каждом переходе, а не размерами клеток, меняющимися при их деформациях в ходе изменения позы.

Именно поэтому изменение позы очень слабо влияет на параметры ХВПО. Именно поэтому ХВПО прочитывает из генома и описывает структуру, а не формы организма.

Однако нельзя считать, что информационный результат прохождения химических волн по биологическим тканям совершенно не зависит от расстояния. Если бы длина пути никак не отражалась на информационных характеристиках химических волн, то движения животного совершенно не мешали бы процессам развития, и тогда животным не нужен был бы сон точно также, как он не нужен растениям. Однако необходимость в периодах неподвижности — в каталептической обездвиженности и во сне — есть.

Коннексоны оказались именно тем изобретением Природы, которое позволило перейти от колонии однотипных клеток к многоклеточному организму, позволило возникнуть животным как активным, подвижным организмам, способным нападать и защищаться, активно искать пищу и уходить от опасности, а на более высоком уровне — создавать орудия труда, работать, творить. Не случайно высокая степень совершенства молекулярной структуры коннексонов характерна именно для животных, а сходные структуры растений куда примитивнее.

Может возникнуть вопрос: а как же реагируют на прохождение химических волн другие поверхности клетки (традиционно именуемые «мембранами»), которых довольно много? Ведь есть энергетические центры клеток — митохондрии, имеющие «мембранные» оболочки. У растений к ним добавляются хлоропласты. В каждой клетке есть так называемый аппарат Гольджи со сложной «мембранной» структурой и т.д. Если воздействие фронта химической волны на оболочку клеточного ядра вызывает ее электрострикционное сжатие и порождает акустические волны, разрыхляющие хроматин, то разве не должно что-то похожее иметь место и при воздействии химической волны на любую другую «мембрану»? А с учетом количества всяких разных «мембран» в клетке (не говоря уже о самой клеточной оболочке), это должно создавать такой хаос акустических колебаний, в котором не может быть никакого прицельного управления транскрипцией. Так или нет?

И да, и нет. Взаимодействие химических волн со множеством «мембран», находящихся в протоплазме, действительно порождает пеструю картину акустических колебаний, пронизывающих клетку во всех направлениях. Но концентрация энергии этих «посторонних» волн в районе хроматина всегда ниже порогового уровня, определяющего отрыв двойной спирали ДНК от нуклеосом.

Активные зоны ХВПО не являются совершенно независимыми друг от друга колебательными системами — это единая активная среда, некое подобие ансамбля усилителей близких к генерированию и реагирующих всплеском активности на прохождение волны возбуждения. Но эта среда имеет разную плотность мощности колебаний в разных зонах. А возможно, что активные зоны организма похожи на «ведущие центры», возникающие на поверхности раствора при генерировании волн БЖ — каждый центр независимо от других инициирует волну за волной, но общая картина колебаний совсем не хаотична. Да даже хаотичность волновой картины не должна вызывать особого беспокойства: представь себе старинный собор — скульптуры, роспись, канделябры, лепка и пр. — и сравни два резко отличающихся варианта освещения — солнечное освещение через витражи окон днем и зыбкое дрожащее освещение множеством свечей ночью. Однако никакая хаотичность волнового поля не мешает воспринимать ночную красоту храма при свечах, так же как красоту при ярком солнечном свете.

Разрыхлить структурный ген могут только сфокусированные колебания, для чего требуется строго определенное расположение гена относительно «мембраны», определенный радиус ее кривизны, определенное расположение центра кривизны и нужная ориентация этой системы по отношению к активной зоне ХВПО.

Случайное разрыхление ненужного гена и кратковременное появление в клетке несвойственных этой клетке РНК или даже белка как правило неспособно существенно повлиять на протекающие процессы. Биохимические процессы — это цепочки реакций, обслуживаемых группой последовательно действующих ферментов. Поэтому при активировании генов, определяющих биохимические процессы в клетке, принципиально важно обеспечить не эпизодические волновые воздействия, редко превышающие порог, а устойчивое включение целой группы генов. А для этого требуется устойчивое расположение по отношению к генам неких «мембран» с определенными радиусами кривизны и определенными положениями центров. Нужна также их совместная ориентация относительно конкретных зон волнового поля организма, на которые «нацелена» данная клетка.

И такое постоянство взаимного расположения генов и «мембран» существует только между генами и оболочкой ядра. Поэтому на разрыхление хроматина и биосинтез в клетке реально влияет только воздействие химических волн на оболочку ядра, а влиянием остальных мембранных структур клетки вполне можно пренебречь.

Интересно, что у эукариот нередко встречаются крупные многоядерные клетки, в которых химические волны могут распространяться между ядрами без препятствий. Но такие многоядерные ансамбли, как правило, неприспособлены к разнонаправленным деформациям. Например при развитии яйца дрозофилы в единой клетке образуется множество беспорядочно разбросанных ядер, затем они мигрируют к периферии яйца и располагаются определенным образом. Радиоактивные метки показывают согласованность ориентации генетического материала ядер на этой стадии. Далее вокруг ядер формируются стенки клеток и начинаются все усложняющиеся процессы формирования тела личинки. Но яйцо отнюдь не обладает подвижностью.

Яркий пример статичных многоядерных клеток дают растения. Тропическая водоросль каулерпа (Caulerpa) из порядка бриопсиновых (сифоновых) представляет собой организм, достигающий 1 метра в длину и состоящий из единственной клетки со множеством ядер. Недостаток механической прочности, связанный с отсутствием внутренних клеточных стенок, в огромной клетке каулерпы компенсируется наличием многочисленных целлюлозных балок.

Связь клеток через коннексоны объясняет, почему крупные одноклеточные растения есть, а крупных одноклеточных животных нет — поскольку геном способен управлять биохимическими процессами лишь в ограниченном объеме, то формирование крупного организма требует использования многих геномов, многих ядер. Однако многоядерный одноклеточный организм может сформироваться лишь в том случае, если он не изменяет своей формы между периодами активирования генов, т.е. если он отказывается от активного поведения, что противоречит сущности большинства животных.

Таким образом, деление организма на клетки, сохраняющее относительное постоянство условий активирования генов при изменениях формы организма (позы), реализует возможности структурогенеза гораздо более полно, чем многоядерность в одной крупной клетке. Деление организма на клетки перенесло центр тяжести эволюции с форм организмов на их клеточные структуры, стало кардинальным условием развития наиболее активных представителей живого мира, т.е. животных.


Загадка клеточной дифференцировки

Одной из совершенно непонятных биологам особенностей эукариот является способность их клеток к дифференцировке, т.е. к резкому и строго определенному изменению своих свойств в соответствии со специализацией клеток в организме для выполнения различных функций.

Дифференцировка клеток является важнейшей частью формирования многоклеточного организма. Убери у человека специализацию клеток — он превратится в однородную клеточную массу неспособную долго существовать даже в идеальном растворе питательных веществ.

Другой загадкой биологии стал тот факт, что к прокариотам (организмам без клеточных ядер) понятие дифференцировки неприменимо! Если описывать акт дифференцировки на языке активности генов, то это событие выражается в резком переключении подмножества активных генов — группа ранее активных генов деактивируется, а группа ранее бездействовавших генов, наоборот, активируется. Такое переключение всегда приурочено к митозу (процессу деления клетки), причем переход от типа родительской клетки к типу дочерней клетки в каждом варианте дифференцировки подчиняется строго определенной вероятности — так что новый тип может обнаружиться в двух, в одной или вообще ни в одной дочерней клетке. Вероятность перехода клетки в новый клеточный тип при митозе в разных вариантах дифференцировки может принимать значения, грубо говоря, от 0 до 1.

Ни ТДС, ни какие бы то ни было другие теории не объясняют загадки дифференцировки — до сих пор никому непонятно, как и почему это вообще происходит.

Совершенно неясно

  • Почему этот феномен не распространяется на прокариот?
  • Почему дифференцировка всегда приурочена к митозу, тогда как согласно ТДС, информационные молекулы (морфогены) действуют непрерывно и вне всякой связи с митозом?
  • Почему наблюдается резкая пространственная дискретность процесса дифференцировки при плавном изменении концентрации морфогенов в пространстве организма?
  • Где записывается предыстория клетки (память), позволяющая вырисовывать некое подобие генеалогического древа клеточных типов, если никакого присоединения морфогенов, ответственных за прошлые дифференцировки, в клетках не обнаружено?

По поводу памяти предыстории в работе Альбертса с сотр. (1986) говорится:

«Выключенные, т.е. неактивные гены как правило остаются выключенными, а активные гены продолжают активно действовать во всех дочерних клетках клона. Такого рода клеточная «память» не может обеспечиваться просто тем, что некоторые регуляторные элементы постоянно присоединены к соответствующим сигнальным последовательностям ДНК, так как подобный механизм трудно увязать со сменой многих поколений клеток».

Все очень любят анализировать имеющиеся факты, но мало кто задумывается над отсутствием необходимых фактов, которое содержит очень важную информацию. Если бы наследование клеточного типа объяснялось воздействием на клетку при каждом митозе определенного набора управляющих веществ (морфогенов), то должны были бы встречаться и специфические ошибки такого управления. Например, когда митоз мышечной клетки совпадает по времени с митозом соседней клетки стенки капилляра, то легко диффундирующие морфогены, предназначенные для одной клетки, могли бы повлиять и на соседнюю — тогда в стенке капилляра вдруг не к месту появился бы клон мышечных клеток или в мышце появились бы клоны клеток стенки капилляра. Но подобные аномалии никем и никогда не наблюдались, что перечеркивает идею управления дифференцировкой на основе чисто химических методов. А вот КСГ дает феномену дифференцировки клеток вполне четкое объясненние:

Поскольку в основе управления активностью генов эукариот лежат волны химических реакций, распространяющиеся в протоплазме клеток и переходящие через коннексоны из одной клетки в другую, то когда волна достигает оболочки клеточного ядра, сопутствующий ее фронту перепад ОВП создает на оболочке быстро перемещающуюся кольцевую зону электрострикционного сжатия, которая, в свою очередь, порождает акустическую волну во внутриядерной жидкости. Различие скоростей распространения химической и акустической волн приводит к преломлению волнового поля на сферической ядерной оболочке и создает внутри ядра акустические проекции активных зон ХВПО. Участок ДНК, совпавший с проекцией активной зоны, разрыхляется акустическими колебаниями и отрывается от нуклеосом.

Эта часть волнового управления геномом эукариот одинакова как при активировании генов, так и при управлении дифференцировкой, которая подготавливает условия для правильного активирования. А вот дальше между процессами активирования и дифференцировки возникают принципиальные различия.

  • При активировании, разрыхление хроматина в области конкретного гена освобождает ДНК от связанных с ней белков и тем самым открывает РНК-полимеразе доступ к гену. Но для того чтобы соседние клетки, имеющие одинаковые наборы генов и находящиеся в одинаковых по оношению к ХВПО условиях стали проявлять совершенно разные свойства — становились клетками хряща, мышцы, нерва, кровеносного сосуда и т.д.  — их гены должны по-разному располагаться относительно активных зон акустического поля ядра. Так вот дифференцировка клеток как раз и решает задачу необходимого перемещения генов в пространстве ядра.
  • При дифференцировке в зоне разрыхления оказывается не ген, кодирующий белок, а один из многочисленных инвертированных палиндромов (обращенных повторов) ДНК. Особенностью палиндрома является его способность длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний — либо в линейной, либо в крестообразной конфигурации, как это схематически показано на рисунках с той оговоркой, что они не отражают истинных размеров палиндрома, а буквы не обозначают какие-то конкретные нуклеотиды. За каждой из букв может стоять аденин, тимин, гуанин или цитозин. Двунитчатые «стебли креста» KLMNP и комплементарные им K'L'M'N'P' в реальности имеют длины порядка сотен и тысяч, а однонитчатые петли RSTUFX и R'S'T'U'F'X' — десятков и сотен нуклеотидов.

В хромосомах человека палиндромы составляют около 6% общей длины ДНК [Чуанг и др., 1981]. Соединение одиночных цепочек ДНК в двойную спираль отдаленно напоминает застежку-молнию. Как согласованная форма зубчиков позволяет связать воедино две половины молнии, так и согласованная молекулярная конфигурация нуклеотидов обеспечивает прочное соединение между собой двух нитей ДНК. Но в отличие от молнии, у которой все зубчики одинаковы, ДНК имеет четыре типа нуклеотидов, способных соединяться между собой только попарно: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Поэтому при построении двойной спирали каждому участку одной из нитей ДНК соответствует строго определенный (комплементарный) участок другой нити — с «чужим» участком нить ДНК не соединяется.

Более сложная ситуация складывается в месте расположения палиндрома ДНК: если какой-то участок двойной спирали оказывается скопированным, повернутым на 180° и встроенным в хромосому неподалеку от оригинала (при таком повороте копия участка первой нити обязательно включается в оригинал второй нити и наоборот), то появляются условия, при которых нити — после расплетения — могут соединиться в двойную спираль двояким образом:

  1. Исходный участок одной нити может восстановить соединение с комплементарным участком другой нити, как было до расплетения  — восстанавливается обычная двойная спираль.
  2. Он может сблизиться и сплестись с комплементарным участком копии, расположенным на одной с ним нити  — образуется «шпилька».

«Шпилька» состоит из двух объединившихся в двойную спираль участков одной и той же нити (исходной последовательности нуклеотидов и ее комплементарной копии), связанных между собой петлей или спейсером (от англ. spacer — прокладка, распорка). Если на одной нити образовалась «шпилька», то вторая нить лишается выбора и тоже складывается в аналогичную «шпильку». На изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа, две «шпильки», относящиеся к одному палиндрому, как правило располагаются симметрично и образуют фигуру, похожую на крест.

К дифференцировке клеток имеют отношение не все палиндромы ДНК, большинство из них используется иным образом. Далее речь будет идти только о тех крупных палиндромах, которые участвуют в процессе дифференцировки.

Если акустические колебания разрыхлят хроматин на участке одного из палиндромов и освободят ДНК от нуклеосом, к палиндрому могут подойти особые ферменты, называемые расплетающими и релаксирующими белками (или хеликазой и ДНК-гиразой), которые способны разъединить двойную спираль ДНК на две отдельные нити, после чего:

У палиндрома появляется возможность случайного выбора дальнейшей судьбы  — самосборка может снова объединить нити в линейную двойную спираль, либо нити могут сформировать структуру похожую на крест.

При этом вероятность образования креста тем выше, чем короче внутренняя петля палиндрома. Поэтому для разных палиндромов эта вероятность неодинакова, что и ведет к различным, но всегда строго определенным (для каждого типа дифференцировки) вероятностям перехода клеток в новый клеточный тип. Более чем вероятно, что возникший крест дополнительно фиксируется присоединением специальных белков. Во всяком случае он передается при репликации, влияя на конфигурацию соответствующей интерфазной хромосомы в следующем клеточном поколении.

Если после расплетения самосборка возвращает палиндром к исходной линейной конфигурации, то возможности процесса клеточной дифференцировки остаются неиспользованными. Крест же не может изменить расположение генов в ядре данной клетки, поскольку в сформированном (интерфазном) ядре хромосомы прикреплены к ядерной оболочке и губчатой структуре белкового ядерного матрикса во множестве точек — поэтому клетка, где возник крест, не меняет своего типа дифференцировки.

Иное дело — дочерние клетки. Процесс самосборки интерфазных ядер очень чувствителен к изменениям условий протекания, так что появление креста способно кардинально изменить расположение ДНК в ядре дочерней клетки — одни гены окажутся выведенными из активных зон акустического поля ядра (по сравнению с родительской клеткой), а другие  — введенными, что создает новую топологию расположения генов в пространстве ядра, определяющую тип дифференцировки клеток. Выведенные из потенциально активных зон гены переходят в состояние факультативного гетерохроматина, а введенные становятся способными к транскрибированию.

Если крест возникает перед репликацией (т.е. перед удвоением ДНК), то после деления родительской клетки он обнаруживается в обеих дочерних клетках, и они обе переходят в новый клеточный тип. Если же крест возникает после репликации (лишь в одной из двух одинаковых хромосом), то в новый клеточный тип переходит только одна из дочерних клеток, а вторая остается в клеточном типе родительской клетки.

Теперь можно говорить о существовании эукариотических генов двух типов:

  1. М-гены, кодирующие строение соответствующих молекул (например белков или РНК).
  2. Д-гены, кодирующие дифференцировку клеток и определяющие их специализацию.

Информация М-гена считывается РНК-полимеразой, а результатом считывания является синтез цепочки РНК. Информация Д-гена не требует считывания РНК-полимеразой, а реализуется в ходе пространственной перестройки генома дочерней клетки после перехода Д-гена родительской клетки в крестообразную конфигурацию.

Изменение пространственного расположения генов в ядре вызывается уже самим укорочением хромосомы при переходе Д-гена из линейного состояния в крестообразное, но еще ощутимее изменения, вызываемые переменой направления оси спирали ДНК в пространстве ядра. Рентгеноструктурный анализ, моделирование и термодинамические расчеты показали, что плоскости соседних пар оснований в двойной спирали ДНК не строго параллельны — каждая комплементарная пара оснований является как бы клином, отклоняющим ось спирали. Наибольший «крен» наблюдается, когда два соседних аденина в одной цепи спарены с двумя тиминами в другой — в этом месте происходит локальное искривление спирали. Если такие пары встречаются с периодичностью примерно 1 раз на 10 пар (т.е. 1 раз на каждый виток спирали), то молекула ДНК приобретает заметно искривленную форму [Сингер, Берг, 1998].

В ходе формирования интерфазного ядра дочерней клетки петли нового креста могут поглотить тот или иной участок изгиба, резко изменив этим направление оси ДНК — такая перемена может изменить расположение части генов относительно активных зон акустического поля ядра, одни гены вывести из активных зон, другие — ввести в них.

Возможно, в половых клетках палиндромы дифференцировки находятся в линейной конфигурации, которая позже передается зиготе, но еще более вероятно, что в зиготе действуют некие химические факторы, освобождающие кресты ДНК от скрепляющих белков и принудительно возвращающие палиндромы к линейной конфигурации.

Во всяком случае, дифференцировка клеток при нормальном развитии организма обусловлена последовательным переключением палиндромов ДНК из исходного линейного состояния, какое они имеют в оплодотворенной яйцеклетке, в крестообразную форму. При регенерации тканей и органов обычно происходит расплетение некоторых крестов с возвратом клеток (в процессе деления) к более «молодым» типам. Если заблокировать нормальный процесс изменения конфигурации палиндромов ДНК (например воздействием 5-бромдезоксиуридина), то прекращается и дифференцировка клеток [Dickenson, Barker, 1979].

Хотя исследования давно обнаружили синхронность между дискретными изменениями свойств клеток в ряду клеточных поколений (т.е. дифференцировкой) и пространственными перестройками хроматина [Щапова, Баутина, 1975; Steffensen, 1984], соединение перестройки с дифференцировкой в одно логическое целое требует веских доказательств, коих к счастью немало:

  1. Первой группой подтверждающих фактов является полное совпадение свойств теоретической модели и реального процесса.
    1. Например четко объясняется неприменимость понятия дифференцировки к прокариотам — в безъядерных клетках изменение пространственного расположения генов не может повлиять на их активность (в частности потому, что здесь для активирования используются не сфокусированные волны, а диффузные химические факторы).
    2. По теоретической модели, дифференцировка начинается с воздействия проекции активной зоны волнового поля организма на конкретный палиндром в ядре клетки предшествующего поколения. Поэтому родительская клетка должна быть расположена в организме вполне определенным образом. И действительно, еще Ганс Дриш показал, что судьба клеток, характер их развития зависит от их расположения в целостном организме.
    3. Переход палиндрома из одной конфигурации в другую является сугубо дискретным процессом, которому соответствует строго дискретный характер ошибок развития (трансдетерминации) в ходе длительного культивирования клеток имагинальных дисков насекомых, чем демонстрируется и дискретность процесса дифференцировки в целом.
    4. Палиндромы ДНК способны устойчиво сохранять одну из двух конфигураций (а не из трех, четырех или другого числа). В полном соответствии с этим теоретическим положением еще из работы [Lawrence, Morata, 1976] известно, что формирование компартментов крыла дрозофилы подчиняется именно двоичному коду. Эта же закономерность проявилась и в других исследованных случаях.
    5. Теория предсказывает, что в зависимости от длины внутренней петли палиндрома в широких пределах изменяется вероятность его перехода (после расплетения) в крестообразное состояние — чем короче петля, тем выше вероятность образования креста. Этому точно соответствуют данные о том, что переход клетки (в процессе деления) в следующий клеточный тип происходит с различной, но всегда постоянной для каждого типа дифференцировки вероятностью.

      Иначе говоря: все свойства дифференцировки — неприменимость к прокариотам, зависимость от местоположения в целом организме, дискретность, двоичный код и вероятностный характер изменений  — точно соответствуют описанному молекулярному механизму. Опять случайные совпадения?
  2. Другой группой подтверждающих фактов является совпадение динамики работы модели и реального процесса дифференцировки.
    1. Например в работе Белоусова Л. В. (1980) так описываются наблюдения и эксперименты над группами клеток в живом организме:
      • «Сначала участок проходит фазу зависимой дифференцировки (что соответствует образованию нового креста): именно в этот период его судьба зависит от внешних относительно него условий окружения (читай: от волнового поля). Затем наступает момент, когда он может считаться «в целом» детерминированным (крест уже сформирован) и вступает в фазу независимой дифференцировки. Это обнаруживается по способности зачатка к полноценной дифференцировке при пересадке в другое окружение».
    2. Но самым ярким подтверждением теории является эффект вызываемый действием на клетки 5-бромдезоксиуридина: хорошо известно, что это вещество прекращает нормальный процесс изменения конфигурации палиндромов ДНК, и в полном соответствии с теоретической моделью этим же веществом останавливается процесс дифференцировки клеток!

Таким образом, теоретическая модель дифференцировки клеток КСГ демонстрирует абсолютное совпадение с реальным феноменом дифференцировки по всем пунктам, а поксольку таких совпадений очено много, то никакая теория вероятностей не может объяснить это набором случайностей.

Очень важно придти к единым определениям таких понятий биологии развития как компетенция, детерминация и дифференцировка — без однозначности в этих вопросах даже ученым, работающим в одной области, практически невозможно обсуждать результаты и понимать друг друга. Естественно, что формулировки предлагаемые с позиций волнового управления дифференцировкой, по форме радикально отличаются от ранее сложившихся определений, хотя привычная сущность сохраняется.

Компетенцией (при нормальном развитии) называется состояние клетки (и ее генома), предшествующее возникновению очередного креста дифференцировки (как результата воздействия акустического поля ядра на соответствующий палиндром ДНК).

Детерминацией (при нормальном развитии) называется состояние клетки (и ее генома) после воздействия волнового поля на палиндром ДНК и вероятностного возникновения очередного креста дифференцировки.

Дифференцировкой клетки и ее генома называется дискретное перемещение генов относительно активных зон акустического поля ядра после воздействия поля на соответствующий палиндром дифференцировки клетки предшествующего поколения и перехода его в состояние креста.

В некоторых организмах наблюдается особая ситуация, при которой акты дифференцировки клеток строго детерминированы и вероятностная сторона процесса не обнаруживается — этим отличаются организмы с так называемым постоянным клеточным составом (явление эвтелии). К ним относятся круглые черви (например аскариды), коловратки, личинки насекомых и др. Для организмов с постоянным клеточным составом характерно небольшое общее количество сравнительно крупных клеток, яркая индивидуальность каждой клетки в соответствии с ее расположением в организме и строгая повторяемость свойств однотипных клеток в пределах вида.

Из описанных свойств вытекает, что в таких организмах каждый митоз сопровождается обязательной дифференцировкой, и каждый клеточный тип представлен единственной клеткой. Подобный характер дифференцировки соответствует случаю, когда каждое разрыхление палиндрома четко переводит его из линейного состояния в крестообразное (т.е. вероятность дифференцировки =1). Возможны два варианта объяснения такого хода развития организма.

  1. 100%-ная вероятность образования крестов может быть следствием малой длины или полного отсутствия внутренних петель палиндромов (спейсеров).
  2. Повышение вероятности перехода палиндромов в крестообразное состояние может вызываться присутствием особых химических факторов — например ферментов, локально изменяющих степень скручивания нити ДНК. На такую мысль наводит редкое заболевание детей — прогерия или синдром Хатчинсона-Гилфорда, картина которого наиболее логично трактуется как появление в организме химических факторов, повышающих именно общую вероятность дифференцировки, т.е. общую вероятность перехода крупных палиндромов ДНК в крестообразное состояние.

Поскольку в геноме выделены два вида информации — М-гены и Д-гены,  — то нелишним будет напомнить, что с позиций КСГ в эукариотическом геноме содержится еще и третья разновидность информации, но в отличие от вышеупомянутых она локализована не на конкретном участке ДНК, а распределена по всему геному (как идея книги бывает локализована не в конкретной фразе, а заключена в произведении в целом). Информация третьего типа выражается координатами М-генов и Д-генов в пространствах интерфазных ядер разных типов клеток данного организма — эта информация реализуется в строении организма и в пропорциях его структуры. В свете таких представлений интересно следующее высказывание генетиков-практиков:

«Функции избыточной (junk) ДНК неясны, хотя ее структура изучена достаточно подробно. Предполагается, что эта ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов, выполнять структурные функции и, возможно, является носителем принципиально иного генетического кода с неизвестной функцией. Проведенный компьютерный анализ генома человека позволяет предполагать наличие в его некодирующей части особого, пока еще непонятного генетического кода, смысл и значение которого остаются загадочными». [Горбунова, Баранов, 1997]

По отношению к той ядерной ДНК, которая не относится к М-генам с примыкающими регуляторными участками, а обеспечивает нужное пространственное расположение этих генов в ядре, можно согласиться, что она является носителем принципиально иного генетического кода. Но не в том смысле, что эта ДНК якобы особым способом кодирует неизвестные ученым процессы биосинтеза.

Эта часть ДНК несет информацию особого характера, информацию о строении и структуре организма.

Поэтому единая таблица генетического кода на эту часть ДНК не распространяется. И хотя любой триплет ДНК (если он не является стартовым или терминирующим кодоном) может быть интерпретирован как код одной из 20 аминокислот, общие свойства этой части ДНК имеют особенности, благодаря которым все 3 типа РНК-полимераз эукариот минуют ее, не синтезируя РНК. Например есть данные, что на этих участках в каждой из 2-х нитей ДНК встречаются только 3 из 4-х возможных нуклеотидов. В этой части ДНК информация содержится не в виде кодонов, а в виде элементов пространственной структуры генома, в виде длин отрезков (например между концом гена и точкой прикрепления ДНК к матриксу, к оболочке), в виде изломов оси интерфазной хромосомы и т.п.


О Дон Кихотах и Санчо Пансах

Как уже говорилось, некоторые успехи молекулярной биологии и биохимии создали у биологов иллюзию, что все загадки биологии развития можно объяснить молекулярными процессами и механизмами контактных взаимодействий клеток. В качестве примера такой убежденности уже приводилась матриксная гипотеза ДНК-направляемого морфогенеза [Шеррер; 1987], в которой автор информационно связывает ядерную ДНК с построением клеточного матрикса и формированием клетки, откуда он перебрасывает мостик к формированию органов и всего организма. По мнению автора, организованный с помощью ДНК матрикс «будет определять в целом размеры и морфологию клетки и, в силу этого, морфологию органа».

Навязчивая идея близких контактных взаимодействий пронизывает самые разные работы. В качестве одного из относительно свежих примеров можно назвать работу В. А. Гвоздева (2001) — в ней говорится, что хотя активность ядерных генов определяется связанными с ними регуляторными элементами (промоторами, энхансерами и др.) и передаваемым в рядах клеточных поколений обратимым метилированием ДНК, но плюс к этому активность зависит еще и от расположения гена в том или ином участке пространства ядра. Казалось бы, прекрасная мысль, ведущая к раскрытию механизма структурогенеза? Ан нет, Гвоздев утверждает, что все сводится к влиянию на активность генов специфичного белкового окружения, сложно распределенного в пространстве ядра из-за привязки к определенным участкам хромосом. И хотя в конце работы он признает, что молекулярные механизмы такой системы управления остаются полностью загадочными, надежды на их раскрытие возлагаются отнюдь не на дальнодействующие связи — по мнению Гвоздева, непонятная система управления «представляется одной из самых актуальных проблем молекулярной генетики эукариот». Другими словами: автор собирается искать разгадку исключительно на молекулярном уровне — нет даже намека на возможность участия дальнодействующих связей в управлении активностью генов. А все потому, что нельзя использовать в качестве объектов исследований лишь дрожжи да мелких мух-дрозофил!

Вот если бы исследования проводились на слонах или китах, то исследователям никак не удалось бы пройти мимо того факта, что построение подобной туши немыслимо без дальнодействующих информационных связей, что на активность генов отдельно взятой клетки, помимо ее ближайшего окружения, влияют также и участки тела, удаленные от нее на единицы и десятки метров!

Между тем, оптический характер законов, лежащих в основе существования многоклеточных организмов, пронизывает все их характерные особенности и уровни организации. Он виден и в свойствах хроматина. Как уже отмечалось ранее, расчеты выявили, в частности, резко неравномерное распределение оптических связей генома с различными зонами организма. Эта неравномерность совпала с характером распределения в ядре эухроматина и гетерохроматина (активного и неактивного хроматина).

В главе Управление активностью генов было показано отношение элементарного объема пространства организма к внутриядерному пространству, занятому его проекцией. Внешнее (относительно клетки) пространство условно разделено в этой таблице на пять сферических слоев. Показано, какую часть объема ядра занимает проекция каждого из выделенных слоев, и как объем конкретного слоя пространства организма относится к объему его проекции в ядре.

Расчеты показали, что при n=2,7 примерно 60% объема ядра оказываются зоной проекции группы клеток, непосредственно контактирующих с рассматриваемой клеткой (расстояние до 10 радиусов ядра). Еще 11% объема ядра приходятся на проекционные связи с клетками, удаленными до расстояния в 100 радиусов ядра, и менее 1% объема ядра занято проекцией более отдаленных зон организма. Первые две группы клеток, составляющие сферу диаметром около миллиметра, являются ничтожной частью крупного организма. Однако, по расчетам, именно внутри этой сферы замыкаются основные проекционные связи генома. На проекционные связи со всем остальным организмом приходится менее сотой части объема ядра. Этот феномен имеет смысл называть эффектом доминирования ближней зоны (или сокращенно «эффектом ДБЗ»).

Особенность волнового поля, выраженная в ДБЗ, хорошо согласуется с реальным поведением клеток в ходе развития зародышей. С одной стороны, отмечено жесткое взаимодействие, координация процессов в соседних клетках. Процессы развития разыгрываются не в отдельных клетках зародыша, а в сомкнутых клеточных группах. Например, в зародышах позвоночных кратковременно возникают так называемые колбовидные клетки — они образуются не поодиночке, а пучками, окаймленными с боков наползающими на них клетками других типов, которые тоже располагаются целыми сериями. Это указывает на кооперативный характер процессов, протекающих в соседних клетках, на то, что, скажем, поляризация одной клетки побуждает соседнюю клетку к такой же поляризации.

С другой стороны, известно, что согласуются между собой и разнородные процессы в далеких друг от друга частях зародыша, но это согласование не носит жесткого характера. При изоляции частей зародыша один процесс может протекать без другого, но при совместном протекании они все же как-то подстраиваются друг под друга. По-видимому, именно различие между «жестким» и «мягким» согласованием процессов развития — в зависимости от расстояния между клетками зародыша — наиболее наглядно характеризует феномен ДБЗ.

Этот же эффект проявляется в экспериментах по перемешиванию клеток. Порядок в клеточной смеси обычно восстанавливается лишь на малых расстояниях. Например, если рассыпать на клетки головной мозг зародыша тритона и перемешать клетки, то разовьются зачатки легко узнаваемых органов — глаза, внутреннего уха, органа обоняния и т.д., — но расположенные в полном беспорядке [Белоусов Л. В., 1980].

Доминирование проекционных связей с ближайшим окружением клетки стало одним из факторов, маскирующих механизм структурогенеза, поскольку доминирование вывело на первый план те самые близкие взаимодействия, что так похожи на проявления химических, механических и других контактных информационных связей. Потому-то на них сегодня и сосредоточено внимание исследователей.

То, что в организмах действует универсальный и принципиально более важный волновой информационный механизм, охватывающий и близкие взаимодействия, и расстояния до сотен метров, единственный механизм, объясняющий формирование гигантских животных и растений — это осталось незамеченным.

  1. Приведенные выше данные можно интерпретировать так, что активность наибольшего по объему слоя хроматина, примыкающего к оболочке, (60% объема ядра при n=2,7) зависит от процессов всего в нескольких ближайших клетках. Вероятность нахождения активной зоны ХВПО в таком малом числе клеток очень низка, а потому вероятность разрыхления хроматина периферийного слоя крайне мала.
  2. Следующий к центру расчетный слой хроматина — 11% объема ядра — является проекцией (и зависит от активности) гораздо большей группы клеток, в радиусе приблизительно до 0,5 мм, где более вероятно присутствие активной зоны. Соответственно, транскрипционная активность этой части хроматина должна быть (и, действительно, наблюдается) выше, чем у предыдущей.
  3. Наконец, наибольшую активность и наибольшее значение для структурогенеза должен иметь самый тонкий слой хроматина — около 1% объема ядра, непосредственно окружающий центральную безадресную область, ибо в него проецируются все остальные активные зоны ХВПО.

После многих совпадений реальности с выводами КСГ, нас уже не должно удивлять соответствие между расчетом вероятностей проекций активных зон и фактической картиной распределения разрыхленных участков хроматина (эухроматина) в ядрах.

  1. Действительно, у ядерной оболочки активность хроматина минимальна. Здесь доминирует компактный гетерохроматин и укрываются от активирования лишние X-хромосомы женщин — тельца Барра [Албертс и др., 1986].
  2. Чем ближе к центру, тем чаще встречаются активные структурные гены.
  3. А в тонком слое, непосредственно окружающем ядрышко, их концентрация достигает максимума — это (если не считать само ядрышко) наиболее активная часть хроматина.

Данные, выявившие ДБЗ, показывают, что из генетической информации, затрачиваемой на кодирование анатомии организма, львиная доля (около 99%) приходится на цитоархитектонику тканей. Это кажется невероятным, но не потому ли, что совершенство организмов в целом мы ежедневно видим воочию, а, возможно, еще более впечатляющее совершенство на уровне биологических тканей показывает себя лишь тем, кто потратил на их изучение многие годы?

С другой стороны, 1% информации на дальнодействующие связи — это много или мало? Геном человека содержит около 1,3 х 1010 бит информации. Если отбросить 10% информации, предположительно затрачиваемых на кодирование белков, то 1% от оставшегося объема составит 117 миллионов бит, что эквивалентно более чем 8000 страниц машинописного текста.

Это и есть информация, задающая строение макроструктуры организма или, грубо говоря, задающая организм в целом.

Таким образом, проекция некоторой зоны организма в ядро увеличивается в размерах по мере приближения рассматриваемой зоны к клетке. Но есть и другой фактор, влияющий на характер проекционных связей в зависимости от расстояния. Он аналогичен изменению глубины резкости при удалении объекта съемки от фотоаппарата.

Известно, что при малом расстоянии между объектом и фотоаппаратом (при так называемой макросъемке) глубина резкости невелика и наводку на резкость приходится выполнять с особой тщательностью. И наоборот, когда расстояние до объекта съемки велико, можно установить объектив «на бесконечность» и вообще не заботиться о наводке на резкость. Один из случаев проявления этого феномена в генетической системе эукариот будет отмечен в дальнейшем.

Совокупное влияние двух указанных факторов объясняет некоторые загадки процессов роста. Можно обнаружить устойчивые соотношения между количеством ДНК в ядре и объемом клетки. В случаях полиплоидии, когда в ядре вместо двух гаплоидных геномов оказывается четыре, шесть или больше геномов, соответственно увеличивается и объем клетки. При стабильной массе генома даже рост организма, увеличивающий его в несколько раз, практически не изменяет размеров клеток и структуры тканей.

До сих пор оставалось непонятным, как рост органов и организма в целом сочетается со стабильностью размеров на клеточном и тканевом уровнях. Особенности проекционных связей показали, что в этом проявляется действие оптических законов. Оболочка клетки расположена близко от ядра, и характер ее проекционной связи с генами напоминает условия макросъемки, когда даже небольшие изменения оптических отрезков вызывают расфокусировку. Поэтому только стабильные размеры клеток обеспечивают устойчивые проекционные связи между клеточной оболочкой и конкретными генами (вероятно, роль активных зон ХВПО в этом случае играют коннексоны). И наоборот, размеры органов и организма в целом в тысячи и миллионы раз больше расстояния между оболочкой ядра и генами клетки, что сохраняет неизменной резкость проекции активных зон организма на гены при существенном изменении размеров организма.

  • Только КСГ раскрывает причину плавного снижения активности хроматина от ядрышка к оболочке ядра.
  • Только КСГ объясняет и противоположный факт — резкого, дискретного изменения свойств хроматина при переходе от его основной массы к ядрышку, о чем писалось в главе Реальность, похожая на фантастику.

В каждом нюансе проявляется общий закон — именно проекция ХВПО на хроматин ядра является главным системообразующим принципом построения геномов эукариот.

Что закодировано в геноме — определяется всей системой считывания информации, подобно тому, как о грамзаписи можно говорить лишь применительно к прослушиванию пластинки на стандартной звуковоспроизводящей аппаратуре. Достаточно увеличить скорость диска на два порядка, и вместо музыки будет воспроизводиться запись недоступных слуху ультразвуковых колебаний.

Геном, с его сложной пространственной организацией и кодами нуклеотидов, является носителем наследственной информации, а волновое поле можно считать системой ее считывания. Особенности распространения ХВПО через коннексоны, как отмечалось выше, информационно связывают поле не с формой, а с клеточной структурой организма. Соответственно, и конфигурацию генома волновое поле прочитывает как наследственную информацию о структуре особи данного биологического вида.

Уместно сопоставить концепцию структурогенеза с идеями преформистов. Проекционное соответствие между геномом и волновым полем, описывающим организм, сближает КСГ с идеями преформистов. Но в ядре нельзя обнаружить образ существа в обычном понимании. Этому мешает несколько факторов:

  1. Как отмечалось, геном кодирует не формы, а структуру организма. Ни искусство, ни фотография не отображали структур. Поэтому у большинства людей не сформировалось представление о том, что же это такое.
  2. Взаимодействие генома с волновым полем управляет динамическими параметрами — активированием генов и процессами дифференцировки клеток. Следовательно, в геноме записана не статика структуры, а векторы ее развития. При этом генетически задаются не фактические процессы развития, а лишь их возможности, задаются комплексно согласованные направления и интенсивности роста, тогда как реализация этих возможностей зависит от условий окружающей среды.

    [Задание геномом векторов развития использовано в японском искусстве бонсай («дерево на подносе»), показавшем возможность выращивания многократно уменьшенных, но точных, ничем не уступающих обычным, вариантов знакомых деревьев. Например, японские кудесники выращивают на подносе миниатюрную яблоню с созревшими яблоками. В этом случае размеры всех векторов развития искусственно уменьшаются ими путем создания особых условий выращивания.]
  3. Точки организма, находящиеся вблизи от рассматриваемой клетки, проецируются на хроматин у противоположной стороны ядерной оболочки. По мере удаления точки, ее проекция приближается к центральной «безадресной» области ядра. Поэтому проекция организма в ядро дает «вывернутое наизнанку» пространство, где самые удаленные точки проецируются ближе к центру ядра, а ближние — дальше от центра. Кроме того, происходит резкое изменение масштаба отображения, когда проекция полудюжины соседних клеток занимает больше половины пространства ядра, а проекции подавляющей части организма, от расстояния в 100 радиусов ядра и далее, соответствует всего 1% ядерного пространства. Изменение масштаба по мере удаления точки от рассматриваемой клетки показано в таблице.

Изменение масштаба проекции в ядро при n=2,7 в зависимости от расстоянии до рассматриваемой клетки.

Расстояние от точки до рассматриваемой клетки
(в радиусах ядра)
Масштаб проекции на хроматин
перпендикулярно лучу
3 1:4,1
10 1:16
100 1:169
1000 1:1700
10000 1:17000
100000 1:170000

Поэтому, хотя пространственная структура организма и связана с пространственной структурой генома правилами оптической проекции, между ними нет прямого подобия, как это подразумевалось преформистами. Тем не менее, с позиций КСГ, данные Д'Арси-Томпсона [Thomрson, 1942] о совпадении плавно деформированных рисунков костей и внешних контуров разных животных подтверждают мысль, что расположенный в ядре геном является материальным шаблоном, деформация которого ведет к изменению форм развивающейся особи. В этом смысле картина, рисуемая концепцией, близка к идеям преформистов. Можно предположить, что различие между строением тел долговязого Дон-Кихота и коренастого Санчо Панса берет начало именно в особенностях пространственного строения их геномов.

Большинство законов действует лишь в пределах своих границ. Говоря об оптической проекции организма на геном, нужно заметить, что это относится к соматическим клеткам и, вероятно, к яйцеклеткам, но не касается сперматозоидов. В последних не происходит транскрипция, им не требуется управляющее воздействие волнового поля. Поэтому, ради компактности сперматозоидов, Природа упаковала их ДНК наиболее тесно, без оглядки на проекционное соответствие между организмом и геномом.


Одним из отличий генома эукариот от прокариот является повторяемость подавляющего большинства генов. Повторение генов, выполняющих одну и ту же функцию, вызывается у эукариот двумя группами причин:

  1. Причинами, не обусловленными проекционным управлением транскрипцией, примером чего служит амплификация («размножение») генов рРНК ради повышения скорости синтеза рибосом и
  2. Причинами, обусловленными проекционным управлением транскрипцией.

Нас интересуют только случаи второй группы, тем более что они гораздо многочисленнее. Их и рассмотрим.

Картину активных зон ХВПО можно сравнить со звездным небом, галактики и туманности которого проецируются внутрь ядра каждой клетки. М-ген, совпавший с такой проекцией, активируется, а Д-ген — получает возможность перейти в крестообразное состояние и тем самым изменить тип дифференцировки дочерних клеток.

Один и тот же М-ген, нужный, например, для развития костной или мышечной ткани, должен активироваться в разных органах, а значит, и в клетках, по-разному расположенных относительно активных зон организма. В тех случаях, когда М-ген управляется проекцией одной определенной активной зоны, ему необходимо по-разному располагаться в ядрах однотипных клеток разных органов, чтобы при разном взаимном расположении клетки и активной зоны надежно совпадать с проекцией этой зоны. Иначе говоря, ген, используемый в разных органах, в разных точках организма, при разной картине волнового поля, должен соответствующее число раз повторяться в эукариотическом геноме, что и наблюдается в действительности.

Есть и другая причина увеличения количества М-генов.

«Большинство структурных генов эукариот присутствует в виде мультигенных семейств, члены которых кодируют структурно и функционально родственные белки, экспрессирующиеся на разных стадиях развития ... Они, в отличие от генов прокариот, в большинстве своем организованы как отдельные транскрипционные единицы». [Рысков, 1989]

Для мультигенных семейств или, иначе, кластеров характерно строго поочередное — по ходу развития организма — переключение активности с одного гена на другой. Но молекулярных генетиков удивляет то, что при строгой очередности, гены кластеров часто хаотически изменяют направление считывания от гена к гену.

Ни ТДС, ни какая бы то ни было другая теория не объясняют, зачем эукариотам нужна кластерная организация генов, как не объясняет и механизма строго поочередного переключения активности с гена на ген. С позиций же КСГ все предельно ясно.

По мере роста организма, оптические проекции активных зон смещаются в ядрах клеток, и постепенно уходят от генов, которые они ранее активировали.

Чтобы не прерывать синтез необходимых ферментов, Природа расположила в ядре — на пути движения проекции активной зоны — цепочку однотипных генов. В связи с плавностью роста организма, переключение с гена на ген происходит строго поочередно. А так как волновое активирование генов через разрыхление хроматина безразлично к расположению начала и конца гена, то в кластере нет необходимости всем генам ориентироваться в одну сторону, и ориентация часто хаотически меняется от гена к гену (в отличие от ситуации в оперонах прокариот).

Другими словами, разные М-гены одного и того же кластера могут располагаться на одной или на другой нити двойной спирали ДНК, имеющих противоположные направления считывания. При этом механизм переключения активности с гена на ген делает возможным рост организма вопреки сопровождающему рост смещению проекций активных зон в ядрах клеток.

Поговорим теперь об особенностях транскрипции у эукариот.

«Хромосомная ДНК эукариот чрезвычайно богата некодирующими участками и повторами. По мере восхождения по лестнице эволюции все чаще встречаются гены с экзонинтронной структурой, все обширнее становятся межгенные области, все больше мультигенных семейств, все многочисленнее повторы». [Курильски, Гашлен, 1987]

Удивительный характер изменений в геномах по ходу эволюции и странная расточительность Природы в использовании ДНК уже давно привлекли внимание биологов. ТДС не смогла устранить возникшее недоумение. На все вопросы ответила лишь КСГ.

Одним из замечательных изобретений прокариот явилась организация генов в совместно активируемые группы — опероны. Как правило, биохимия основана не на единичных процессах, а на тщательно отшлифованных естественным отбором цепочках биохимических реакций, каждая из которых катализируется собственным ферментом. Групповое активирование генов и одновременный синтез всех ферментов цепочки — это самое удобное, самое экономное решение, какое можно придумать. Но, факт остается фактом — эукариоты отказались от этой замечательной находки!

Активирование каждого М-гена проекцией определенной активной зоны превратило его в отдельный объект транскрибирования. Поэтому, отмечая отличия от прокариот, исследователи указывают (например, [Loрez, 1983]), что у эукариот не только одинаковые гены обычно разбросаны по геному, но и совместно регулируемые гены, кодирующие ферменты единой цепочки реакций, которые у прокариот составляют целостно активируемый оперон, в ядрах клеток всегда разобщены и не образуют опероноподобных групп. Обычно гены этих групп расположены в ядре на большом удалении друг от друга или даже на разных хромосомах.

Отказ эукариот от оперонной организации генома непосредственно вытекает из волнового способа управления транскрипцией. Одновременно экспрессируемые М-гены одного и того же ядра управляются проекциями разных активных зон организма, отчего они должны находиться в разных точках внутриядерного пространства.

Избирательное воздействие кариооптики на отдельный ген требует от оптики разрешающей способности молекулярного уровня. Вспомним, что задачей К-оптики является воздействие на ДНК, намотанную на нуклеосомы (диаметр нуклеосом оценивают в 11 нанометров) и с ними компактно уложенную в спираль соленоида.

Фокусное расстояние оболочки ядра, как гетероволнового преломляющего элемента, измеряется единицами микрон, откуда вытекает разрешающая способность порядка десятков или даже единиц нанометров. Дифракционные ограничения, вероятно, определяются размерами молекул воды — основного содержимого кариоплазмы (расстояние между центрами молекул — около 0,4нм). Но даже при таких благоприятных условиях невозможно представить себе точное совпадение границ волнового воздействия с границами гена. Края зон информационных воздействий обязательно окажутся размытыми, что способно вызвать ненужную активность соседних генов.

  1. Отсюда вполне естественно возникает такая особенность эукариот, как неинформативные промежутки между генами, в несколько раз превышающие длину самих генов.
    Отодвинув гены далеко друг от друга, Природа обеспечила достаточно независимое управление каждым из них со стороны волнового поля.
  2. Другая часть неинформативной ДНК создает нужную конфигурацию генома внутри ядра.
  3. Наконец, третья часть — интроны — расположена внутри М-генов, отделяя друг от друга экзоны. И снова-таки, длины неинформативных интронов значительно больше, чем длины экзонов. Отсюда можно сделать вывод, что и экзоны приспособлены для независимого друг от друга управления со стороны оптической системы. С позиций КСГ этим и объясняется существование интронов.

Независимое управление экзонами (или, иначе говоря, раздельное активирование экзонов) не следует понимать слишком прямолинейно и упрощенно. Речь не идет о том, что каждый из экзонов транскрибируется вне всякой связи со своими соседями. Можно лишь сказать, что каждый экзон, отдельно от соседних экзонов, получает со стороны волнового поля разрешение на транскрибирование. Оно выражено в форме отрыва ДНК от нуклеосом на участке экзона. Механизм же последующего использования этого разрешения пока недостаточно ясен и ждет исследований.

Принципиальная способность эволюции сохранять М-гены эукариот неразделенными на экзоны продемонстрирована на гистоновых генах всех организмов, на генах транспортных РНК дрозофилы и шелкопряда и во многих других случаях. Следовательно, для эукариот вполне допустимо существование сплошных генов, не разделенных на экзоны. Однако в подавляющем большинстве случаев такая возможность Природой не использована. Более того, отмечено, что «чем выше эволюционное положение организма, тем, как правило, больше интронов содержат его гены и тем они длиннее». [Страйер, 1985, т. 3, с. 146, примечание переводчика]

Ради деления М-генов эукариот на экзоны Природа пошла на значительные потери. Составление гена из экзонов потребовало последующего вырезания ненужных интронов и соединения экзонов М-гена в одну цепочку (так называемого, сплайсинга), для обслуживания чего понадобились особые ферменты и постоянный дополнительный расход энергии. При этом Природа продемонстрировала такую фантастическую изобретательность, что не оставила ни малейших сомнений в своей способности избавиться от интронов, если бы это было оправдано.

Например, при сплайсинге мРНК цитохрома b используется фермент матураза, который синтезируется на основе кода того самого интрона, который он удаляет [Заварзин, Харазова, 1982]! Ясно, что случайный набор нуклеотидов не мог оказаться кодом такого высокоспецифичного фермента, как матураза. Цитохромы относятся к наиболее древним белкам эукариот. Поэтому логичнее признать, что эволюция гена цитохрома b около полутора миллиардов лет шла не в направлении устранения интрона, а в направлении его сохранения и, (если уж он есть) использования в хозяйстве клетки, например, для уменьшения вредных последствий его же существования.

Чтобы обеспечить правильное пространственное расположение экзонов, каждый интрон должен иметь строго определенную длину, а вот последовательность нуклеотидов практически не имеет значения. Действительно, исследования показали, что замены нуклеотидов накапливаются в интронах быстрее, чем в экзонах, но длины интронов весьма консервативны. Очень важно, что консервативны также ферменты сплайсинга и последовательности на стыках экзонов с интронами, по которым происходит сплайсинг [Страйер, 1985].

Значение точного расположения экзонов в пространстве ядра подтверждается исследованиями мутаций, затрагивающих длины интронов. Показано (например, [Hare et al., 1984]), что

Изменение длины интрона меняет интенсивность проявления гена, а иногда даже полностью выключает его, превращает из нормально функционирующего гена в нетранскрибируемый псевдоген.

Поскольку изменение длины интрона не влияет на работу важных для транскрипции управляющих участков, расположенных перед геном (промотора и модулятора), остается думать, что в этих случаях именно сдвиг части экзонов в пространстве ядра выводит их из активных зон волнового поля и тем нарушает работу всего гена.

Специфика волнового управления генами особенно ярко видна в отдельных неординарных ситуациях, которые нельзя было бы даже представить себе в геномах прокариот и вообще на основе химических управляющих агентов. Один из таких случаев описан в работе [Горбунова, Баранов, 1997] и касается гена F8C, кодирующего главный компонент так называемого фактора VIII, отвечающего за свертывание крови (нарушения в этом гене вызывает наследственное заболевание — гемофилию А).

Ген F8C  — один из очень крупных генов человека. Он содержит 26 экзонов, а общая длина его интронов составляет 177 тыс. пар нуклеотидов. Оригинальной особенностью этого гена является то, что в крупном интроне 22 (32,4 тыс. пар нуклеотидов) молекулярными методами обнаружены два других структурных гена неизвестной природы — F8A и F8B. Ген F8A целиком локализован в интроне 22 и состоит из одного экзона, транскрибируемого в противоположном направлении относительно гена F8C. В отличие от него, ген F8B транскрибируется в том же направлении, что и ген F8C, содержит несколько экзонов и они располагаются в последующих интронах гена F8C.

Такая сложная структура небольшого участка генома говорит о весьма изощренной системе управления транскрипцией, которая, однако, оказалась доступной волновому механизму управления.

Независимость активирования разных экзонов одного гена косвенно подтверждается подчинением экзонов правилу эффективного кодирования — чем меньше процент клеток, где проявляется активность данного гена, тем в среднем больше у него экзонов. Это особенно заметно при сравнении крайних случаев — с одной стороны генов, активируемых в каждой клетке, например, генов гистонов, транспортных РНК, рРНК, а с другой стороны — уникальных М-генов, активность которых проявляется только в небольших пулах клеток. Если гены гистонов, тРНК, рРНК состоят из 1-3 экзонов, то иная ситуация с генами, активируемыми в строго ограниченных зонах организма. Так α-амилазный ген печени (мыши) состоит из 11-ти, σ-кристаллиновый ген (курицы) — из 16-ти, Al-вителлогениновый ген (лягушки) — из 34-х экзонов и т.п. [Газарян, Тарантул, 1983].

Если символы некоторого алфавита используются в виде групп независимо друг от друга выбираемых кодовых элементов, то наиболее экономная передача и хранение информации, согласно правилу эффективного кодирования, достигаются, когда длина группы кодовых элементов, соответствующая некоторому символу, тем меньше, чем выше вероятность его использования. Совокупность экзонов одного гена можно рассматривать как группу кодовых элементов, которыми записывается ген как символ определенного алфавита (здесь алфавитом является перечень разных генов генома).

С таких позиций, использование естественным отбором правила эффективного кодирования при делении генов на экзоны создает преимущества (и, следовательно, может закрепиться отбором) только при раздельном управлении активированием экзонов. Другими словами, факт использования правила эффективного кодирования при делении генов на экзоны говорит о выполнении в геномах эукариот условий, для которых выведено это правило, этот факт служит признаком взаимной независимости активирования экзонов. Если бы каждый ген ядра активировался как одно целое, подчинение экзонов правилу эффективного кодирования не приносило бы никакой пользы, и не закрепилось бы естественным отбором.

Оптимальное кодирование и раздельное активирование экзонов не объясняются никакими вариантами чисто химического (неволнового) управления активностью генов, потому что в геноме нет инструментов, позволяющих химическими методами управлять активностью отдельных экзонов. Управляющие участки (промоторы, терминаторы, модуляторы) располагаются лишь по краям гена в целом (или по краям части гена, транскрибируемой в определенном случае), но не на концах каждого из экзонов. Нет объяснения оптимальному кодированию и в ТДС. Только избирательное воздействие акустических волн на каждый экзон способно объяснить данный феномен.

Еще одно косвенное подтверждение независимого активирования экзонов — это распад в ядре большей части свежесинтезированной РНК (зрелая, т.е. используемая в последующих процессах, мРНК составляет лишь около 3% всей РНК в клетке [Албертс и др., 1986]). Этот факт непохож на ситуацию у прокариот, где используется вся РНК, но точно отвечает требованиям теории кодирования в случае раздельного активирования экзонов. Раздельное активирование экзонов позволяет появиться большому количеству неполных комплектов экзонов РНК, которые не нужны в цитоплазме. Целесообразнее прямо в ядре разбирать их на исходные нуклеотиды. Поэтому причина распада в ядре большей части РНК понятна. Менее ясно, по каким признакам ферменты, проводящие разборку, отличают неполные наборы экзонов РНК от полных.

Возможно, признаком неполного набора экзонов РНК является отсутствие в наборе так называемого терминатора (специфической последовательности нуклеотидов), отмечающего конец гена.

В прошлом, тезис о раздельном активировании экзонов резко противоречил бы общепринятым взглядам. Считалось, что ген может быть активен или неактивен лишь как неделимое целое. Однако уже накопилось много данных об М-генах с несколькими промоторами и М-генах, у которых используются в одних тканях или на одних этапах развития организма — транскрипты с одной группы экзонов, а в других тканях или на других этапах развития — с другой группы [Hagenbuchle et al., 1981; Rozek, Davidson, 1983; Кикнадзе и др., 1985].

Раздельное активирование экзонов глубоко связано с механизмом структурогенеза, поскольку этот механизм создал саму возможность дробления гена на экзоны. Использование для активирования М-гена проекций не одной, а нескольких активных зон, естественно, ужесточило контроль активирования. Его еще более ужесточило то обстоятельство, что белковые части многих ферментов являются агрегатами нескольких неодинаковых полипептидных цепей, гены которых расположены в разных частях ядра и, значит, требуют для своего активирования еще более сложного, неслучайного расположения активных зон волнового поля.

В клетке взрослого многоклеточного организма (опять-таки, в отличие от прокариот) обычно активируется лишь малая часть от общего количества генов, и главной проблемой системы управления здесь оказывается не столько активирование этой малой части, сколько защита от активирования остальных генов.

В цифрах это выглядит следующим образом. Общие возможности активирования генов ядра очень высоки. Например, в ооците морского ежа активны 37 тыс. генов из 40 тыс., тогда как во взрослом организме число активируемых генов резко сокращается — у морского ежа суммарно 3-5 тыс. [Белоусов Л. В., 1980]. В отдельной клетке взрослого организма человека обычно активны, как полагают, 1-3% от всего количества неодинаковых генов.

Но такие данные получают по результатам подсчета числа разных РНК или разных белков, присутствующих в цитоплазме клетки. В то же время, один и тот же М-ген, как правило, представлен многими копиями, количество которых в среднем можно оценить сотней. Надо думать, что при определенных координатах клетки в организме, определенной картине волнового поля включается лишь один из многих одинаковых генов, так что количество активных генов в клетке взрослого организма, вероятно, следует оценивать еще меньшими величинами. Отсюда, сложность волнового управления генами, состоит, прежде всего, в том, чтобы защитить от активирования не менее 99% их общего количества. Создание в геноме большого резерва «спящих» (редко используемых) генов и явилось тем выигрышем, ради которого произошло дробление М-генов эукариот на экзоны.

Теперь мы знаем, что все особенности эукариотического генома, так или иначе, связаны со спецификой его волнового механизма управления. Эта специфика обнаруживает себя также в поведении хромосом и хроматина в целом. В этом смысле особого внимания заслуживают как раз неактивный хроматин и неактивные хромосомы.

Хотя неактивный хроматин более компактен, чем транскрипционно активный хроматин (эухроматин), только часть его формирует области с особо плотной упаковкой, называемые гетерохроматином. Некоторые участки хромосом конденсируются в гетерохроматин во всех клетках организма — это конститутивный гетерохроматин. Другие участки хромосом формируют гетерохроматин лишь в определенных клетках. В таком случае говорят о факультативном гетерохроматине.

«Биохимические основы наблюдаемых различий между гетеро- и эухроматином неизвестны... Упаковка отдельных участков генома в гетерохроматин... представляет собой такой способ генетической регуляции, который недоступен бактериям. Существенный момент этой свойственной лишь эукариотам формы генетического контроля состоит в том, что прямая наследственная передача информации о функциональном статусе тех или иных генов осуществляется в виде структурной информации, заложенной в хроматине, а не с помощью петли обратной связи, в которой действуют саморегулирующиеся белки-активаторы генной активности, способные перемещаться в ядре с одного места на другое». [Албертс и др., 1986]

Действительно, белки-регуляторы не могут объяснить устойчивую (но отличающуюся в разных типах клеток одного организма) конденсацию хроматина в одних крупных областях ядра и разрыхление — в других областях, так как эти белки свободно диффундируют в пространстве ядра. Конденсацию конститутивного гетерохроматина можно было бы отнести за счет невыявленных пока особенностей его ДНК, но такое объяснение непригодно для факультативного гетерохроматина, который в одних клетках упакован плотно, а в других (при неизменной последовательности нуклеотидов ДНК) — рыхло. Наблюдаемые факты хорошо объясняются лишь изменением расположения хроматина относительно сложно организованного (и различного в разных зонах организма) волнового поля.

В пользу волнового управления транскрипцией свидетельствуют и хромосомы, определяющие пол особи. Все клетки женских особей млекопитающих имеют две X-хромосомы, тогда как клетки мужских организмов обладают одной X-хромосомой и одной Y-хромосомой. Одна из X-хромосом женщин обязательно должна быть выключена (инактивирована). В противном случае организм гибнет. Поэтому в каждой клетке женской особи с равной вероятностью одна или другая X-хромосома конденсируется (превращается в тельце Барра) и становится частью гетерохроматина.

Каждый женский организм имеет мозаичное строение в том смысле, что он образован разными клонами клеток: примерно в половине клеточных клонов активна X-хромосома, унаследованная по материнской, а в другой половине — по отцовской линии. Эта закономерность распространяется и на кожный покров женщины; часть его наследует свойства матери, а часть — отца. Данный феномен объясняет, в частности, существование трехцветных кошек при отсутствии трехцветных котов.

Характерные для прокариот механизмы генетического контроля, основанные на использовании свободно диффундирующих белков-регуляторов, неспособны объяснить принципиальную разницу в функционировании X-хромосом. Действием белков-регуляторов нельзя объяснить полную инактивацию в одном и том же ядре одной из двух случайно выбираемых и иногда полностью идентичных хромосом. Но то, что нельзя отнести к действию белков-регуляторов, прекрасно объясняется различиями в расположении X-хромосом относительно сложно структурированного волнового поля.

Как видим, между спецификой генетической системы эукариот и особенностями КСГ обнаруживается длинный ряд тонких, детальных соответствий. Объяснить их вне КСГ еще никому не удалось. Что же, отнести все эти совпадения к случайным причудам Природы? Так может говорить разве что человек, почему-то изо всех сил не желающий ничего ни видеть, ни слышать.


Потребность в процессах структурогенеза, т.е. в волновом управлении работой генома, возникает к моменту начала транскрипции. Поэтому на первых этапах развития зародыша, например, у амфибий — пока не начат синтез собственных информационных РНК (т.е. пока еще используются ранее заготовленные материнские иРНК) — структурогенное волновое поле отсутствует.

Отсутствие волнового поля означает отсутствие у клеток информации об их расположении в структуре зародыша. Это приводит к одинаковому поведению всех клеток, в том числе, к одновременности протекающих процессов и, соответственно, к синхронности деления. Поэтому переход к асинхронному делению свидетельствует о первом всплеске структурогенного волнового поля — о том, что оно взяло бразды правления на себя.

Например, у лягушки Xenoрus laevis первые 12 циклов деления проходят синхронно, а затем внезапно — казалось бы, безо всяких причин — синхронность нарушается, и зародыш переходит к асинхронному делению, характерному для всей последующей жизни. Это и есть пробуждение волнового поля. Если раньше все клетки вели себя одинаково, одновременно проходя стадии клеточного цикла и не выказывая при этом никакой индивидуальности, то после включения волнового поля возникает определенная очередность, последовательность делений, согласованная с расположением конкретных клеток в зародыше. Более индивидуальными становятся и направления осей деления (веретен деления) клеток.

Другими словами, если на стадии синхронного деления все клетки индифферентны к своему расположению в структуре зародыша, то после перехода к асинхронному делению топология их размещения становится важнейшим фактором, определяющим протекающие процессы. Информация о расположении клеток, согласно КСГ, начинает поступать в ядро через ХВПО.

По-видимому, есть сходство между условиями возникновения цепной реакции в массе урана и условиями самовозбуждения химических волн в протоплазме клеток. В обоих случаях для преодоления затухания требуется превышение порога, определяемого количеством и концентрацией реагирующих веществ. Снижение концентрации до некоторой степени компенсируется увеличением количества вещества. Размеры клеток и концентрация веществ в протоплазме для разных биологических видов неодинаковы, что и определяет возникновение структурогенного ХВПО у них при разном числе клеток в зародыше.

Условия возникновения волнового поля облегчаются при связи зародыша с материнским организмом, отчего у млекопитающих уже первое деление зиготы сопровождается дифференцировкой клеток, т.е. происходит под управлением волнового поля. Можно сказать, что детеныш млекопитающего получает от матери не только ее хромосомы и питательные вещества, но и первое волновое поле.

Выше отмечалось, что концентрация множества очень активных генов рРНК в центре ядра затрудняет их работу и оправдывается только волновым управлением транскрипцией. Действительно, в ооцитах амфибий, где проблема транспорта веществ из-за больших размеров ядра особенно усложнена, на стадии синхронного деления клеток крупные гены рРНК не сосредоточены в центре ядра, а распределены в тысяче мелких ядрышек вблизи ядерной оболочки. Переход к асинхронному делению сопровождается рядом цитологических перестроек, из которых самая наглядная — появление нормального ядрышка в центре ядра каждой клетки [Белоусов Л. В., 1980].

Перемещение интенсивно окрашенных генов рРНК к центру ядра демонстрирует их реакцию на появление волнового поля. Пока нет волн, гены рРНК активируются химическими агентами и потому могут располагаться в любом месте — позиция вблизи ядерной оболочки наиболее удобна для транспорта молекул из цитоплазмы к генам и обратно. Но едва включается поле, и деление клеток становится асинхронным, как гены рРНК переходят под его управление, в «безадресную» область. Здесь интенсивность расфокусированных колебаний пропорциональна суммарной активности структурных генов, а, значит, согласовывается активность генов рРНК с нужной интенсивностью синтеза рибосом. Мы еще не знаем, что управляет перемещениями рРНК, но уже понятно, почему такие перемещения происходят.

Организмы с клеточными ядрами используют ХВПО не только в ходе формирования своего тела, но и в повседневной жизни — для координации различных биохимических процессов в сложной многоклеточной структуре.

Для выполнения своих функций кариооптика должна обладать определенной разрешающей способностью с точки зрения аберраций и дифракционного предела. Дифракционный предел здесь определяется расстоянием между центрами масс молекул, колеблющихся в акустическом поле. Основную часть кариоплазмы составляет вода, у которой расстояние между центрами молекул около 0,4нм. Это вполне обеспечивает разрешение отдельных экзонов генов, спирализованных на нуклеосомах — диаметр нуклеосомы со связанными с ней витками ДНК оценивают в 11нм, а расстояние между нуклеосомами — до 14нм.

Активная зона волнового поля организма и управляемый ею ген располагаются на прямой, проходящей через центр ядра. Поэтому в К-оптике не сказываются внеосевые аберрации — кома, астигматизм, дисторсия, кривизна поля.

Хроматическая аберрация может проявиться лишь в той мере, в какой искажается при движении форма фронта солитона, в какой способны отстать или опередить друг друга отдельные составляющие его спектра Фурье, т.е. синусоидальные волны разных частот. Поскольку подпитка химических волн энергией веществ протоплазмы стабилизирует форму фронта солитона, а длина пробега акустических волн в кариоплазме очень мала, хроматической аберрацией, вероятно, тоже можно пренебречь.

Важной остается лишь сферическая аберрация. Она ведет к тому, что лучи, исходящие из одной точки, проецируются в размытую зону, где основная энергия концентрируется в объеме, напоминающем эллипсоид вращения.

Размеры активных зон ХВПО различны. К тому же зоны, находящиеся на разном расстоянии от ядра, проецируются в разном масштабе. В итоге акустическое поле ядра содержит и малые, и крупные активные зоны. Вероятно, в одних случаях активная зона охватывает один экзон гена, в других же может захватывать целый ген или несколько генов (например, структурный ген вместе с его генами транспортных РНК).

Для оценки разрешающей способности К-оптики важно, что:

  • клеточное ядро, как оптическая система, обладает недостижимой для объективов широкоугольностью — его угол поля зрения охватывает все окружающее пространство
  • оболочка ядро одновременно, без наводки на дальность, проецирует активные зоны волнового поля организма на все гены, независимо от глубины их расположения в ядре.

С учетом этих особенностей, как показывают ориентировочные расчеты, разрешающая способность К-оптики оказывается вполне достаточной для избирательного активирования не только отдельных генов, но и их экзонов.

По расчетам, оптимальные скорости структурогенных волн для одноклеточных и многоклеточных эукариот неодинаковы. Для многоклеточных организмов наилучшие условия оптической проекции в ядро создаются при скорости распространения химических волн, превышающей скорость звука в кариоплазме в 2,7-2,8 раза, а для одноклеточных эукариот — в 3,5 раза и выше. Если такие данные подтвердятся, то, поскольку скорость звука в клетке близка к 1,5 км/с, фактические скорости структурогенных химических волн в многоклеточных организмах должны оказаться примерно 4-4,2 км/с, а в одноклеточных — более 5 км/с.

Это связано с тем, что в одноклеточном организме ХВПО ограничено размерами клетки, тогда как у многоклеточного оно охватывает весь организм. Оптимальные масштабы проекции ХВПО в ядро, фокусные расстояния (измеренные в радиусах ядра) и скорости волн в этих двух случаях оказываются различными.

Сегодня трудно сказать, одинаков ли химизм структурогенных волн у многоклеточных и одноклеточных, у животных и растений, у теплокровных и холоднокровных и т.д. Не исключено, что разные структурогенные автоволновые процессы имеют одинаковую химическую основу, сохраняющуюся с глубокой древности, а различие скоростей распространения волн обеспечивается, например, видовой специфичностью участвующего в реакции белка.

Структурогенные волны обладают характерными особенностями, способными помочь выяснению их химической природы. Они имеют очень короткий фронт, т.е. малое расстояние между прореагировавшей и непрореагировавшей частями среды при распространении волны в протоплазме. Протяженность фронта волны в направлении ее перемещения, вероятно, много меньше диаметра клеточного ядра и близка к размерам генов. Если бы частицы, инициирующие реакцию, могли проходить в протоплазме значительные расстояния, фронт волны, соответственно, растянулся бы. Малая протяженность фронта говорит об очень коротком пути пробега инициирующих частиц.

Вероятно, частицы, продвигающие волну реакции, могли давно привлечь внимание. Из явлений такого рода, связанных с развивающимися тканями, обращает на себя внимание, прежде всего, открытое А. Г. Гурвичем слабое ультрафиолетовое излучение, которое он назвал митогенетическим. Их источником является каждая живая эукариотическая клетка, причем интенсивность излучения возрастает в период клеточного деления. Характерно, что ультрафиолетовое излучение очень сильно поглощается биологическими тканями (испытывает высокое затухание), что говорит о малых длинах траекторий квантов в протоплазме и совпадает с представлениями о коротком переднем фронте структурогенной химической волны.

Высокую скорость распространения химической волны и короткий путь пробега частицы, кроме квантов ультрафиолета, могли бы обусловить и другие участники химических реакций, например, электроны или протоны. Разные кандидаты на роль фактора распространения волн долгое время выглядели приблизительно равноценно, хотя замеченная А. Г. Гурвичем связь митогенетического излучения с процессами развития все-таки давала УФ-излучению определенный перевес. События последнего десятилетия более ощутимо склонили чашу весов в пользу ультрафиолета. Сотрудник Международного института биофизики в городе Нойсе (ФРГ) Фриц Альберт Попп, используя новейшую технику эксперимента, расширил исследования митогенетического (по его терминологии — биофотонного) излучения, и обнаружил в нем признаки когерентности.

Здесь перед нами явно принципиально новый, ранее не известный механизм возникновения когерентности. Сами по себе химические реакции не дают когерентного излучения. Свет свечи, газовой горелки или костра некогерентен. Превратить некогерентное излучение в когерентное, по-видимому, тоже невозможно — когерентность возникает лишь в момент генерирования фотонов. До сих пор был известен только один способ получения когерентного излучения — размещение активной среды между зеркалами резонатора (интерферометра). Но в клетках организмов зеркал нет. Здесь остается место только для одного механизма синхронизации вспышек элементарных излучателей, объясняющего когерентность. Только перемещение фронта волны химических реакций может создать синфазность молекулярных процессов и генерирования фотонов.

Поскольку другого объяснения когерентности УФ-излучения в данном случае найти не удается, она сама становится весомым доказательством существования в клетках химических волн, а связь этого излучения с процессами развития подтверждает главные положения КСГ.

При регистрации этого излучения системой типа сверхскоростной кинокамеры, вероятно, можно было бы увидеть картину распространения структурогенных волн. Трудность — в противоречивых требованиях к такой системе. Она должна одновременно обладать очень высокой чувствительностью (из-за сильного поглощения лучей биологическими тканями) и высокой временнóй разрешающей способностью (из-за быстрого распространения волн).

Некоторые числовые параметры структурогенных волн будут приведены в других материалах. Там же будут отмечены признаки участия в реакции крупных молекул, снижающих стерический фактор реакции. Все это может стать ориентиром при раскрытии химической сущности волн. Структурогенные химические волны, вероятно, являются интегральным выражением нескольких химических процессов, и описываются несколькими строками химических формул. Свойства волн — генерирование УФ-квантов, инициирование реакции УФ-квантами, низкий стерический фактор, различные скорости волн для одноклеточных и многоклеточных и т.д. — могут определяться разными звеньями реакции.

Разные биологические виды, как указано, отличаются друг от друга по «критической массе» протоплазмы клеток зародыша, нужной для возникновения структурогенного ХВПО. Исследуя протоплазму клеток разных биологических видов, вероятно, можно выяснить, концентрация каких именно веществ влияет на величину «критической массы» и, следовательно, имеет отношение к генерированию таких волн.

Похоже, что в основе структурогенных химических волн лежат широко распространенные, давно известные биохимические процессы. Не исключено, что эти процессы отсутствуют или иначе протекают у прокариот. Некоторые признаки указывают, что они, возможно, более ярко выражены в цереброспинальной жидкости.

Появление волнового управления транскрипцией стало принципиальным отличием эукариот от прокариот. Оно позволило эукариотам накапливать резерв неиспользуемых в данный момент клеткой («репрессированных») генов, что кардинально развело пути эволюции прокариот и эукариот, создало пропасть между скоростями и конечными возможностями их эволюции. Возникновение множества видов крупных многоклеточных организмов, всей наблюдаемой нами живой природы — стало реализацией одной из потенций нового способа управления геномом.

Схема поэтапного развития многоклеточного организма


  1. Оплодотворение. На первом этапе развития организма — сразу после образования зиготы — структурогенное волновое поле (кроме видов с внутриутробным развитием эмбриона), как правило, отсутствует. В этот период протекают колебательные процессы иного рода — например, проходят циклы одновременного, синхронного деления клеток зародыша. Все клетки, возникшие до включения структурогенного волнового поля (см. ниже Механизм структурогенеза), естественно, имеют одинаковые свойства. Гены рРНК будущего ядрышка в это время могут быть еще не собраны в центральной области, а распределены возле ядерной оболочки.
  2. Увеличение количества однотипных клеток до порогового значения. После достижения определенного (но разного для разных видов) числа клеток зародыша в протоплазме клеток появляются условия для возникновения химических автоколебательных волн (по ссылке можно не только подробнее узнать о том, что это такое, но и посмотреть видеоролик).
  3. Рост и развитие.
    1. В результате этого в однородном клеточном массиве самовозбуждается структурогенное волновое поле (см. ниже Механизм структурогенеза) и наступает перелом в ходе развития — нарушается синхронность делений, появляются нормальные ядрышки, начинается процесс клеточной дифференцировки. Под управлением волнового поля возникают клетки все новой специализации, образуя «генеалогическое древо» клеточных типов. Увеличивается общее число клеток, изменяются их размеры, протекают формообразовательные процессы, образуются различные ткани и органы. Протекают процессы, которые мы, в совокупности с ростом организма, и называем развитием.
    2. Управляя активностью генов, структурогенное ХВПО вызывает опережающий рост одних групп клеток относительно других групп, задает деформацию клеточных пластов и самоуничтожение некоторых ансамблей клеток (апоптоз), т.е. обеспечивает формирование сложной анатомической структуры организма. Само структурогенное ХВПО изменяется в строгом соответствии с изменениями структуры организма, постоянно являясь ее волновым описанием.
  4. Старение и смерть. После прохождения пика развития, дальнейшие изменения пространственной конфигурации хромосом при дифференцировке клеток выводят жизненно важные гены из активных зон акустических полей ядер — начинается закономерная биохимическая и анатомическая деградация, завершающаяся гибелью организма.

Механизм стуктурогенеза

  1. Электрострикция ядерной оболочки. Когда фронт химической волны достигает ядра клетки, приуроченный к фронту скачок ОВП (окислительно-восстановительного потенциала) создает в ядерной оболочке быстро перемещающуюся кольцевую зону электрострикционного сжатия.
  2. Трансформация химии в звук. Движение зоны деформаций по ядерной оболочке порождает акустические колебания внутриядерной жидкости — так оболочка ядра трансформирует химические волны в акустические.
  3. Оболочка ядра — фокусирующая линза. Изменение природы волны при пересечении оболочки ядра изменяет скорость ее распространения и вызывает преломление волнового поля на сферической поверхности, отчего оболочка приобретает свойства фокусирующей линзы — она проецирует активные зоны ХВПО на хроматин ядра в виде микроскопических зон концентрации акустической энергии и вызывает этим локальное разрыхление хроматина.
    • Коды белков содержатся в М-генах, которые в неактивном хроматине имеют вид двойной спирали ДНК, намотанной на белковые глобулы (нуклеосомы), уложенной с ними в компактную конструкцию соленоида и точно размещенной в пространстве ядра. Нуклеосомы защищают ДНК от присоединения к ней белковых агрегатов (РНК-полимераз), считывающих генетическую информацию. Чтобы М-ген включился в работу, нужно разрыхлить структуру соленоида и оторвать спираль ДНК от нуклеосом, дав возможность РНК-полимеразе подойти к М-гену. Эту роль и выполняют сфокусированные акустические колебания — они избирательно разрыхляют хроматин в зонах М-генов, на которые проецируются активные зоны ХВПО. Благодаря этому, процесс активирования генов учитывает расположение каждой клетки в структуре организма — гены получают информацию о местоположении клетки в организме приблизительно так, как корабль в океане определяет свои координаты по звездам.
  4. Ориентация клеточных ядер. Чтобы активная зона организма точно проецировалась на нужный ген, ядро клетки должно быть соответственно ориентировано. В динамике (т.е. при движении объекта) согласованная ориентация ядер достигается лишь на короткое время в ходе медленного вращения ядер с периодом, измеряемым часами. Поэтому волновое поле включается на полную мощность лишь короткими вспышками при неподвижном состоянии животного во время сна.
  5. Возникновение различий — клеточная дифференцировка. По такой же общей схеме волновое поле управляет формированием специализированных клеток, предназначенных для выполнения определенных узких функций. Разрыхление хроматина в области одного из палиндромов ДНК (Д-генов) создает возможность его перехода от исходной линейной конфигурации к крестообразной. Переход Д-гена к крестообразной конфигурации не изменяет пространственного расположения и активности М-генов данной клетки, но влияет на процесс самосборки ядер дочерних клеток, изменяет в них конфигурацию интерфазных хромосом и, следовательно, расположение генов по отношению к активным зонам акустического поля ядра. При этом одни гены выходят из активных зон, а другие входят в них, дискретно изменяя свойства клетки, результат чего воспринимается как клеточная дифференцировка.
  6. Нервы — каналы распространения химических волн. Типичным путем распространения химических волн внутри организма являются коннексоны, соединяющие цитоплазму соседних клеток. Однако прохождение волн через коннексоны связано со значительными потерями энергии и ухудшением отношения сигнал/шум. Поэтому возникновение крупных организмов стало возможным лишь после того, как появились клетки-волокна, по которым структурогенные химические волны смогли проходить большие расстояния, не встречая поперечных перегородок. У растений это — система млечников, лубяные волокна и др. клетки, у животных — волокна периферических нервов.

 

 

 


Можно ли заново отрастить утраченные конечности?

Способность многоклеточных организмов восстанавливать поврежденные участки тела является скорее правилом, чем исключением. Широко представлена регенерация у растений, что используется человеком в практике вегетативного размножения. Удивительными возможностями регенерации обладают многие низшие животные.

У Homo saрiens прекрасно регенерируют лишь отдельные ткани (эпителий, мышцы, кости и др.), а печень, удаленная на 80%, полностью восстанавливается за 6-12 месяцев. Последний факт был известен еще в античные времена, ибо ему соответствует миф о Прометее обреченном за похищение у богов огня на вечную муку — ежедневно орел выклевывал у него часть печени, а она снова восстанавливалась и т.д.

Общая способность организмов к регенерации так велика, что удивляет скорее не это, а как раз случаи, когда живой, но поврежденный организм почему-то не восстанавливает нормальное строение. Особое значение имеет регенерация конечностей — есть миллионы людей, утративших ту или иную конечность, а несчастные случаи и войны постоянно поставляют все новых инвалидов.

Начало обстоятельного изучения регенерации конечностей относится к работам итальянского монаха и натуралиста XVIII века, Ладзаро Спалланцани. Из более поздних исследований особый интерес представляют те, что связывают процессы регенерации с влиянием нервной ткани либо ее экстрактов, а также с воздействиями электрических полей.

Еще в 1823 году было обнаружено, что перерезание седалищного нерва саламандры исключает возможность регенерации ее задней конечности. Позже установили общую закономерность — если конечность амфибии в норме регенерирует, ее тщательная денервация всегда исключает такую возможность. Отсутствие иннервации прекращало регенерацию не только конечностей, но многих органов и тканей. В тех случаях, когда запуск процесса могла происходить без участия нервов, все-таки для окончательной дифференцировки и ее поддержания наличие нервов было обязательным.

В 1924 году выяснилось, что нервы могут оказывать еще более серьезное влияние на формообразовательные процессы в организме. Так например Локателли отвела нерв конечности под кожу у основания той же конечности и... обнаружила развитие дополнительной конечности, причем эта лишняя конечность всегда имела форму той конечности, от которой был отщеплен нерв. Однако опыты Гиено и Шотте 1926 года показали, что форма дополнительной конечности определяется не тем, откуда ощеплен нерв, а близостью структуры, возле которой он имплантирован.

В 1973 году Маркус Сингер из Медицинской школы при Кливлендском университете (штат Огайо) установил, что регенерация зависит от количества нервных волокон, подходящих к зоне ампутации, и не зависит от того, в каком направлении осуществляется педача сигнала через эти волокна — от мышц к мозгу или от мозга к мышцам. Именно количество, а не тип нервных волокон имеет значение для хода регенерации. Для регенерации вообще неважно — сохраняются ли центральные связи и замыкается ли рефлекторная цепь. Если к зоне ампутации передней конечности тритона подходит не менее 1298 нервных волокон, то регенерация протекает нормально, и отсеченная конечность полностью восстанавливается. В диапазоне от 1298 до 793 волокон регенерация происходит с различной степенью вероятности, а если остается менее 793 волокон, то регенерация вообще не наблюдается.

При более детальном исследовании Сингер выяснил, что решающее значение имеет не само количество нервных волокон, а отношение площади аксоплазмы периферических нервов к общей площади сечения. Например у шпорцевой лягушки (ксенопуса) количество нервных волокон намного ниже порогового уровня, но они обладают увеличенным диаметром, что ведет почти к такому же соотношению площадей аксоплазмы и мышц, как у тритона, соответственно чему регенерационные процессы у ксенопуса идут очень хорошо.

Было проведено много экспериментов по выяснению механизма действия нервной ткани на процессы регенерации. Предполагалось, что регенерацию интенсифицируют некие вещества, вырабатываемые нервными клетками. Это предположение частично подтвердилось — вещества, выделенные из культуры нервной ткани, увеличивают в бластеме денервированной конечности потребление меченых аминокислот примерно до того же уровня, как и при сохраненной иннервации, что говорит о высоком уровне синтеза белков, а значит и активирования генов.

Другой факт: опоссумам двухдневного возраста имплантировали в конечность кусочек мозговой ткани и через 4 дня ампутировали эту конечность — присутствие мозговой ткани вызывало резкое усиление процессов регенерации по сравнению с контрольными животными.

И все-таки у животных, в норме неспособных к регенерации, достигаемая в опытах интенсификация процессов оказывается недостаточной. Главное что не обеспечивается — направленность регенерации на формирование конечности со свойственными ей подробностями анатомического строения, т.е. для построения требуемой структуры регенерационным процессам явно недостает какой-то информации.

«Вопрос о природе действия нервов остается неясным. Превалирует мнение, что эффект нервов опосредован секрецией химических факторов, но несмотря на интенсивные исследования во многих лабораториях, подобные факторы, способные вызывать регенерацию, охарактеризованы не были. Ни одному экспериментатору не удалось стимулировать регенерацию в результате инъекции экстрактов в ампутированные денервированные конечности». [Карлсон, 1986]

Таким образом, перерезание нерва явно нарушает распространение к зоне регенерации какого-то фактора, имеющего для регенерации принципиальное значение. Нервные импульсы не являются этим фактором, ибо несущественно даже направление их распространения. Вещества нервных клеток тоже не являются этим фактором. Тогда что? С позиций КСГ этим фактором является ХВПО, распространяющееся во взрослом организме прежде всего по длинным нервным волокнам.

Электрическая компонента химических волновых процессов разных клеток организма суммируется и выступает как интегральная электрическая активность живой ткани, которая уверенно регистрируется осциллографом. Естественно, что эта активность особенно возрастает при регенерации органов или тканей. Например отмечено резкое усиление электрической волновой активности костной ткани при регенерации кости, что еще раз подтверждает особую роль волновых процессов в управлении развитием.

С точки зрения анатомии, млекопитающие и птицы явились своего рода вершинами эволюционного развития, что проявилось и в высокой экономичности нервных систем — у этих организмов очень тонкие нервы способны управлять очень мощными мышцами. Площади поперечного сечения нервных стволов ничтожно малы по сравнению с сечением иннервируемых ими мышц — достаточно сравнить тончайшие периферические нервы человека со, скажем, гигантскими аксонами кальмара, очень удобными для изучения.

Но именно эта высокая степень совершенства нервной системы и перечеркнула для человека, млекопитающих и птиц возможность регенерации утраченных конечностей, ибо малое сечение нервов не обеспечивает распространение к зоне регенерации достаточно мощного ХВПО, что не обеспечивает интенсивного активирования генов.

В этом смысле, мы оказались жертвами собственного анатомического совершенства.

Главный генератор поля у позвоночных

Важнейшим этапом развития эмбрионов позвоночных является стадия нейруляции — когда формируется нервная трубка и происходит закладка центральной нервной системы.

«Нейруляция — характернейший для всех позвоночных формообразовательный процесс, определяющий главные структурные особенности представителей этого типа». [Белоусов Л. В. 1980]

Согласно КСГ, структурогенные химические волны могут возникать в протоплазме любой клетки, однако особенно важную роль в зародышах позвоночных играют волновые процессы в полости нервной трубки — эта заполненная жидкостью трубка задает ось растущей биологической структуры, ибо служит главной зоной генерирования ХВПО, главным ориентиром, «маяком» внутри организма.

При дальнейшем развитии особи полость нервной трубки превращается в канал позвоночника, скрывающий в себе ствол спинного мозга. Пространство канала позвоночника, остающееся свободным от нервной ткани, заполняет спинномозговая (цереброспинальная) жидкость. С точки зрения КСГ, главное предназначение этой уникальной жидкости — генерирование в определенные моменты сна мощных структурогенных химических волн (хотя кроме этого она выполняет и ряд других функций). Если забыть на время о КСГ, то можно лишь удивляться тому, что непосредственной осью сложной структуры позвоночного зародыша оказывается жидкая субстанция. Но если вспомнить, что добиться большой мощности генерирования химических волн легче всего именно в значительном объеме жидкости, не содержащем никаких стенок-перегородок, то удивляться становится нечему.

Связь нервной трубки с процессами формирования тела позвоночного наглядно проявляется в некоторых экспериментах по регенерации. Например в 1982 году Фаулер и Сискен ампутировали почку крыла 4-дневного куриного эмбриона и одновременно стимулировали регенерацию путем имплантации нервной трубки от доноров 15-й стадии развития — они получили интенсивный рост, а в ряде случаях почти полностью развилось крыло нормальной формы, причем степень восстановления была значительно большей, чем в других аналогичных экспериментах.

Итак, нервное волокно оказывается удобным и широко используемым каналом распространения ХВПО. Важно и то, что от позвоночника (от главной зоны генерирования ХВПО) к культе нервные волокна приходят кратчайшим путем — это и связывает успешность регенерации конечности с сечением пучка подходящих к ней нервных волокон, причем независимо от

  • принадлежности волокна к той или иной части нервной системы
  • направления прохождения по нему нервных импульсов
  • сохранения или нарушения центральных связей
  • замыкания петли условного рефлекса и т.п.

Волокна периферической нервной системы важны для нас не только в роли проводников нервных импульсов, но и в роли волноводов, разводящих по организму основную часть энергии ХВПО — чем больше сечение нервного пучка, тем выше интенсивность ХВПО в зоне культи и существеннее его влияние на активирование генов.

О резервных путях развития

Регенерация утраченной конечности тритона протекает в иных условиях, нежели формирование лапки при нормальном развитии — к этому времени изменяются и общая структура организма, и состояние межклеточных контактов, и многие другие характеристики. И тем не менее, в новых условиях повторно развивается нормальная конечность, на чем и основываются надежды медицинской регенерации.

Правильное формирование биологических структур в резко изменившихся условиях становится возможным благодаря присущим каждому организму резервным путям развития, позволяющим приходить к одной и той же структуре путем разных формообразовательных процессов. Так например нормальные личинки морского ежа можно получить из разделенных, а затем беспорядочно перемешанных клеток зародыша. При этом процесс развития может далеко отклоняться от обычного пути. Скажем, если в норме сначала формируется оболочка личинки, а затем ее скелет, то в эксперименте может сначала возникнуть скелет, а уж только потом — покровная ткань вокруг него.

Для нас важно знать, существуют ли такие резервные пути в организме человека? Можно привести такие соображения: резервные пути развития определяются не какими-то мистическими свойствами организма, а конкретной особенностью организации его генетического аппарата. И особенность эта заключается в том, что в ядрах клеток, кроме генов обеспечивающих нормальный процесс развития, существуют такие же гены в других точках ядерного пространства, которые активируются при иной картине ХВПО — при такой, какая имеет место при реализации резервного пути развития.

У морского ежа разделение и беспорядочное перемешивание клеток зародыша может происходить, например, при попадании зародыша в полосу прибоя и, следовательно, резервные пути развития могут выработаться естественным отбором как защитная реакция на подобный вид неблагоприятных воздействий. Есть ли основания считать, что естественный отбор у человека тоже обеспечил наличие в определенных зонах ядра генов, которые нужны для конкретных резервных путей развития — скажем, для регенерации каждой отдельной конечности уже взрослого организма?

Казалось бы, подобные ожидания беспочвенны, ибо регенерация утраченных конечностей у Homo saрiens в реальности не происходит, следовательно в данном направлении отбор не действует, т.е. ничто не заставляет гены расположиться в тех местах, где они активировались бы после окончания основных формообразовательных процессов, когда важными каналами распространения ХВПО становятся нервные волокна. Если у далеких предков (например у амфибий) такие «резервные» гены и были, то выйдя из орбиты естественного отбора, они за много поколений могли деградировать или сместиться с нужных мест. Однако хочется думать, что резервные пути развития присущи всем многоклеточным организмам, просто в ряде случаев не создаются условия для эффективного их проявления. Например, как уже говорилось, совершенствование нервной системы у млекопитающих привело к очень сильному уменьшению поперечного сечения нервов по сравнению с сечением иннервируемых ими мышц.

Как вообще возникают резервные пути развития? Например так: после формирования взрослого организма генетический аппарат не выключается, а работает на сохранение заданной структуры, вещества организма быстро обновляются, старые клетки отмирают и заменяются молодыми. Если бы генетический аппарат не контролировал эти процессы, то через пару лет однажды сформированная структура была бы сильно искажена — поэтому в клеточных ядрах должны существовать не только гены, работающие на эмбриональных стадиях развития, но и гены, расположение которых соответствует их активированию ХВПО взрослого сформированного организма. Именно такие гены обеспечивают регенерацию конечностей у тритонов, крабов, осьминогов, тараканов и т.п. И аналогичные гены скорее всего есть и у человека.

С позиций КСГ, неучтенным фактором влияния нервных волокон на регенерацию является проведение ими ХВПО. Конечно же нельзя игнорировать биохимические и физические воздействия, но главное внимание должно быть обращено на создание рядом с нервным пучком дополнительного канала прохождения химических волн — чтобы увеличить их суммарную мощность в зоне регенерации. Для решения этой задачи пострадавшему нужно имплантировать на все время регенерации волновод (трубку) с полупроницаемыми стенками заполненный спинномозговой жидкостью, начинающийся в спинномозговом канале и оканчивающийся полупроницаемым торцом в зоне культи. К стенкам волновода предъявляются противоречивые требования:

  1. С одной стороны, они должны обеспечить электрический и химический контакт с окружающей средой — как это происходит между клетками благодаря коннексонам. С другой стороны, стенки трубки должны быть непроницаемы для микрофлоры, встречающейся в организме каждого позвоночного, ибо проникновение микроорганизмов внутрь канала равносильно преодолению ими гематоэнцефалического барьера с тяжелыми последствиями для животного. Противоречие могли бы разрешить именно коннексоны, если бы их удалось встроить в стенку волновода, так как малый диаметр отверстия не позволил бы проходить через них бактериям. Вероятно можно использовать материал биологического происхождения, изначально обладающий полупроницаемостью вроде извлеченного из сингенного организма кровеносного сосуда.
  2. Контакт волновода с окружающими его тканями важен потому, что ХВПО отнюдь не исчерпывается зоной мощной генерации в спинномозговом канале — оно представлено также множеством более мелких активных зон разбросанных по всему организму. Химические волны, распространяющиеся вдоль нервных волокон, не изолированы от влияния соседних активных зон, благодаря чему они и воспринимают информацию о близлежащих структурах. Такая информация является одним из необходимых условий правильного воздействия ХВПО на гены, а значит и правильного протекания регенерационного процесса. Волновод, призванный дополнить нервные волокна как каналы распространения химических волн, должен быть сильно похож на нервные волокна и в их контактах с окружающими тканями. И желательно чтобы он был проложен как можно ближе к тому нервному пучку, который он призван дополнить.
  3. Длительное пребывание цереброспинальной жидкости в волноводе может привести к застойным явлениям, которые способны нарушить распространение химических волн. Поэтому нужно разработать систему принудительной циркуляции жидкости в волноводе, включающую в себя обратный канал (с меньшим диаметром и расположенный внутри основного канала), насос с электродвигателем (с питанием от аккумулятора или батарейки). Обратный канал должен постепенно возвращать цереброспинальную жидкость от закрытого торца волновода в спинномозговой канал организма.
  4. Насос не должен вызывать механических повреждений белков и др. элементов цереброспинальной жидкости. При достаточной компактности насоса он может имплантироваться внутрь организма и извлекаться вместе с волноводом после завершения регенерации.
  5. По мере регенерации конечности должно происходить удлинение волновода подобно тому, как в норме регенерация конечности сопровождается прорастанием в нее нервных волокон. Необходимость постепенного растяжения или наращивания волновода является одной из наиболее серьезных технических трудностей на пути. Как вариант можно представить себе, например, высокоэластичную трубку с упругой спиралью внутри, которая позволяла бы многократно увеличивать свою длину без существенного изменения диаметра.

Однако возможен и другой подход к увеличению сечения волноводного канала — изготовленный из синтетических материалов волновод может быть заменен, скажем, пучком гигантских аксонов кальмара (нервные клетки кальмара скорее всего могут быть выращены в культуре). Использование живых клеток вместо мертвого волновода приблизило бы процесс распространения химических волн к естественным условиям.

Большой проблемой здесь может стать реакция отторжения. Однако есть подход, дающий надежды на успех, — освоен метод лечения диабета путем пересадки пациенту клеток, вырабатывающих инсулин, из островков Лангерганса свиньи. Реакция отторжения предотвращается тем, что клетки свиньи окружаются слоем альгина — вещества добываемого из водорослей и не вызывающего противодействия со стороны иммунной системы человека. В таком виде клетки помещаются в микроскопическую металлическую капсулу с перфорациями и вместе с ней имплантируются в организм больного. По сравнению с диабетом наш случай проще в том смысле, что если инсулиновые клетки свиньи должны находиться в организме больного постоянно, то нейроны кальмара — лишь временно.

Вероятно есть еще и третий способ увеличения сечения волнового канала — известно, что с помощью стероидных гормонов удается быстро нарастить поперечное сечение мышц. Наверняка существует и аналогичная возможность значительного увеличения диаметра определенного нервного пучка фармакологическим путем. Регенерация пойдет даже в том случае, если увеличение сечения будет временным (скажем на год). Тогда и дополнительный искусственный волновод не понадобится. Подобный путь не только исключает хирургическое вмешательство, удешевляя лечение и расширяя возможности применения метода. Еще важнее то, что в нервный пучок заложена способность ветвиться, прорастая в кисть и пальцы — для правильного протекания регенерации очень важна синхронность развития периферийных нервов и остальных регенерирующих структур конечности. Поэтому увеличение диаметра конкретного нерва — принципиально лучший путь, чем прокладка искусственного волновода.

Идея временной имплантации волновода имеет немало общего с многочисленными экспериментами по стимулированию регенерации передней конечности позвоночного за счет подсадки седалищного нерва, который имеет гораздо большее сечение, чем нерв, иннервирующий переднюю конечность. Поэтому сечение канала, по которому к культе передней конечности приходят структурогенные волны, в результате такой операции резко возрастает. Данный метод был разработан Зингером в 1954 году для лягушкек, а затем применен к другим видах бесхвостых амфибий (шпорцевым лягушкам, жабам Bombina, крупным лягушкам Rana catesbiana) — во всех случаях удалось добиться заметного роста конечности, который однако не приводил к полной регенерации, т.е. в регенератах ни разу не были обнаружены лапки и пальчики. Сходные результаты получены и на ящерицах Lygosoma при сочетании данного метода с имплантацией в конечность ткани эпендимы.

А вот у млекопитающих подобный метод стимулирования регенерации (путем увеличения числа подведенных нервов) особых результатов не дал, ибо сечение нервов на единицу площади иннервируемых мышц у млекопитающих мало настолько, что даже подсадка седалищного нерва к нерву передней конечности не дает превышения необходимого порога — требуется значительно большее сечение канала, подводящего структурогенные волны, что можно обеспечить лишь имплантацией волновода большого диаметра.

Понятно также, почему в относительно удачных экспериментах на земноводных имплантация седалищного нерва к удаленной передней конечности вызывает ее рост, но не приводит к правильному формированию — путь седалищного нерва от спинного мозга до зоны ампутации слишком сильно отличается по топографии (если ориентироваться по окружающим тканям) от пути нервного ствола, иннервирующего переднюю конечность. Поэтому в информационном отношении волновое поле, приходящее по седалищному нерву, не может полноценно управлять формированием передней конечности. Это еще раз подчеркивает тот момент, что при имплантации волновода важно обеспечить максимальную близость его к нерву утраченной конечности.

..