КОНЦЕПЦИЯ  СТРУКТУРОГЕНЕЗА

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.2.1.  Гетероволновая  оптика  ядра 1

2.2.2.  Фантастическая  реальность 4

2.2.3.  Управление  активностью  генов  эукариот 8

2.2.4.  Клетки  жидкостей  внутренней  среды 9

2.2.5.  Гены  в  пространстве  ядра 11

2.2.6.  Дети  растут  во  сне 14

2.2.7.  Живая  и  неживая  оптика 16

2.2.8.  Разгадка  дифференцировки  клеток 19

2.2.9.  Проекция  организма  в  ядро 24

2.2.10.  Множественность  генов  эукариот 27

2.2.11.  Особенности  транскрипции  у  эукариот 28

2.2.12.  Первое  включение  и  параметры 32

Краткий  словарь 34

2.2.1.  Гетероволновая  оптика  ядра

“Продвижение науки вперёд 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.”

F. Jacob  [48]

На основе открытия колебательных реакций и волн Белоусова – Жаботинского, в 1982 г. автором была разработана, а в 1983 г. опубликована в виде депонированной рукописи [18] концепция структурогенеза (КСГ), включившая в себя впервые сформулированную идею гетероволновой оптики и объяснившая на такой основе принципы генетического кодирования структуры многоклеточного  организма.

Для этой работы важной была исходная мысль Б.П. Белоусова о сходстве волновых химических реакций с процессами в живом организме. Такой подход представил известные биологические факты в новом свете. Явления и закономерности, казавшиеся ранее между собой не связанными, выстроились в чёткую систему [2, 45, 47, 49–59].

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

В протоплазме клеток бодрствующего животного такие волны маломощны и относительно разрознённы, по степени упорядоченности их можно сравнить с мелкой рябью на поверхности воды. Роль таких волн ограничивается передачей информации на малые расстояния, порядка десятков клеток.

Однако, кроме того, в определённой фазе сна, при заторможенности скелетных мышц, в паузах ритмики сердца и лёгких, кратковременно возникают мощные пакеты химических волн такой же природы, охватывающие весь организм. При всём сходстве, эти волны нельзя отождествлять с волнами БЖ. У них разный химизм, разные механизмы распространения и сильно отличающиеся количественные характеристики.

Волны Белоусова – Жаботинского распространяются в растворе благодаря диффузии молекул, что определяет невысокие скорости продвижения волны порядка миллиметров в секунду. Но диффузия активных молекул – не единственный фактор, способный инициировать реакцию в растворе. Хотя химизм структурогенных волн пока не открыт (вспомним, что от открытия Г. Менделем генов до выяснения их химической природы прошло около 90 лет!), есть веские основания предполагать, что продвижение фронта структурогенной волны обеспечивают не диффундирующие молекулы, а более быстрые частицы, обладающие, к тому же, очень коротким пробегом.

Это заставляет вспомнить об открытом А.Г. Гурвичем слабом ультрафиолетовом излучении живых клеток, которое он назвал митогенетическим. Название отразило подмеченную учёным связь интенсивности излучения с делением клеток (с митозами), т.е. с процессами развития. Излучение универсально по отношению к живым клеткам разных типов, оно усиливается при стрессовом состоянии клетки и постепенно затухает после её гибели. Всё заставляет думать, что УФ-кванты порождаются биохимическими реакциями, в норме свойственными клетке.

Обладая скоростью света, УФ-кванты должны намного быстрее (чем диффундирующие атомы, молекулы или радикалы) проходить расстояние между последовательно вступающими в реакцию молекулами. Если химическая реакция, генерирующая митогенетическое излучение, проходит по раствору в виде волны, то от такой волны нужно ожидать гораздо более высокой скорости распространения по сравнению со знакомыми волнами БЖ. Вероятно, основные потери времени приходятся не на перемещение УФ-квантов в пространстве, а на их реакцию с субстратом, т.е. на паузу между поглощением молекулой кванта 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 = 4,05 км/с и выше.

Такая скорость распространения структурогенных химических волн на несколько порядков выше скорости известных волн Белоусова – Жаботинского (БЖ), что как раз и говорит в пользу распространения волн в протоплазме не за счёт диффузии “горячих” молекул, а благодаря упомянутым квантам ультрафиолетового излучения.

(Некоторые данные о параметрах структурогенных химических волн приведены в главах 2.2.12. и 2.4.5.)

*          *          *

У прокариот, использующих чисто химические способы управления активностью генов, включение и выключение транскрипции осуществляют специфичные регуляторные белки. Особенности 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”. [60]

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 был 100%-ным. Во многих случаях они используются эукариотами как дополнение к новому, физическому способу управления.

Практика акупунктуры распространила представления о существовании в организме неких „активных точек” и зон. Мы не будем эксплуатировать эту выгодную ситуацию. И без того ясно, что разные зоны организма – мышцы, костная ткань, спинно-мозговая 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 генов, природе пришлось снабдить геном механизмом, реагирующим на акустические колебания. Это достигнуто с помощью остроумного решения. Из белков-гистонов, обладающих повышенной основностью, были созданы крупные гранулы – нуклеосомы, которые, благодаря основности, хорошо „прилипают” к нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В спокойной среде нуклеосомы с намотанной на них нитью ДНК сами собой собираются в крупную спираль, названную соленоидом. Находясь в соленоиде, ДНК не пригодна для перезаписи с неё информации на РНК, т.е. для транскрипции. Только когда акустические колебания нуклеоплазмы разрушат структуру соленоида, оторвут нить ДНК от „прилипших” нуклеосом, 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.)

Картина химического автоволнового поля организма закономерно отображается гетероволновой оптикой ядра каждой клетки – К-оптикой – в акустическом поле ядра. Каждой зоне повышенной плотности энергии волнового поля организма отвечает микроскопическая зона повышенной интенсивности акустических волн в ядре. Когда плотность акустической энергии превышает определённый порог, акустические колебания отрывают спираль ДНК от нуклеосом, т.е. разрыхляют хроматин, дают возможность ферментам подойти к расположенному в данном месте гену и тем создают условия для его транскрибирования. Так активные зоны химического волнового поля организма определяют в каждой клетке активность тех или иных генов.

*          *          *

К настоящему времени известны многочисленные механизмы управления работой генома и процессами развития, имеющие сугубо химическую природу. В последующем изложении автор, как правило, не будет упоминать их, потому что они уже были объектами многих исследований, и не составляют предмета нашего рассмотрения. Но молчание по их поводу не нужно расценивать как свидетельство игнорирования этих механизмов. Напротив, автор считает их важными компонентами информационной системы организма. Просто, в проблеме формирования многоклеточного организма не они оказались главными.

Главное средство управления биохимическими процессами в клетках – локальное разрыхление хроматина – не удаётся свести к некоему химическому агенту, проявляющему химические предпочтения. Оно способно затронуть любой (в химическом смысле) ген, но почему-то, в большинстве случаев, зависит от расположения клетки в организме, что не характерно для химических процессов. Это ярко обнаруживается при разрыхлении гена внутри сплошной массы неактивного гетерохроматина, содержащего разные гены, в том числе и точно такие, как данный.

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, окружённой массивом плотного гетерохроматина. В пользу пространственной организации волновых процессов, управляющих генами, говорят и закономерности пространственного расположения генов эукариот, и их пространственная фиксация.

При молекулярных размерах генов избирательное волновое управление их разрыхлением должно представлять собой непростую задачу. Трудно создать интенсивные колебания в малой зоне, не затронув соседние зоны, где расположены другие гены, не требующие активирования. Прокариотам, использующим химические, контактные способы активирования генов, легче обеспечить избирательное управление транскрипцией. Их гены могут располагаться вплотную друг к другу без опасений непроизвольного активирования соседнего гена.

Есть ли следы того, что Природе труднее было обеспечить раздельное, независимое активирование генов эукариот по сравнению с прокариотами? Да, можно назвать, по крайней мере, два таких факта. Во-первых, гены эукариот, в отличие от прокариот, не расположены вплотную друг к другу. Между ними вставлены неинформативные спейсеры, вдесятеро и более превышающие по длине сами гены и соответственно увеличивающие общую массу генома. Во-вторых, точность управления активированием генов у эукариот значительно снижена. В отличие от прокариот, у них, хотя и с малой скоростью, 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” [21]. Признаки волнового механизма активирования генов закономерно проявились и в этом.

*          *          *

Характерно, 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, образовавшаяся „затравка” или праймер 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, 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, при чём это наблюдается у всех эукариот и, следовательно, жёстко 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 четырёх нуклеотидов РНК) заменён 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 концепция структурогенеза разъясняет эту странную ситуацию. Формирование многоклеточных организмов требует учёта расположения клеток в трёхмерной 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 [61], 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 всём 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 (ДНК-полимераза) и РНК (РНК-полимеразы). Первый фермент приобрёл способность работать независимо от разрыхления хроматина (такой проблемы не было у прокариот), а второй (точнее – РНК-полимеразы I и II) – только при разрыхлённом хроматине. Те загадки, о которых говорилось выше, появились как результат выработанных естественным отбором особенностей ДНК- и РНК-полимераз эукариот.

Чтобы оценить степень соответствия между следствиями концепции структурогенеза (КСГ) и биологическими фактами, удобно одновременно сравнивать факты со следствиями теории диссипативных структур (ТДС). Поэтому отметим, что ТДС не объясняет необходимости разрыхления хроматина для синтеза РНК, при том, что синтез ДНК происходит без такого разрыхления. А для КСГ этот же факт стал одной из фундаментальных опор.

2.2.2.  Фантастическая  реальность

„Физическая теория подобна костюму, сшитому для природы. Хорошая теория подобна хорошо сшитому костюму, а плохая – тришкиному кафтану.”

Я.И. Френкель

Есть три обстоятельства, существенно затрудняющих доказательство концепции структурогенеза.

1) Сегодняшняя измерительная техника не позволяет получить удовлетворительную осциллограмму структурогенных химических волн. По расчётам, эти уединённые волны, хотя имеют относительно невысокую частоту следования порядка 0,1–3,0 мГц, отличаются очень крутым передним фронтом, энергия которого сосредоточена на частотах около 100 гигагерц! Для адекватного отведения их сигнала нужны внутриклеточные электроды диаметром менее микрона, а это обуславливает высокое сопротивление источника сигнала (мегомы и гигаомы) и, следовательно, его очень малую мощность. Сочетание уникальной широкополосности сигнала с крайне малой мощностью его источника является главным препятствием для регистрации таких волн.

2) Сегодня неизвестен химизм структурогенных волн, хотя ряд их химических признаков можно назвать. Ясно, что эти волны используют какую-то очень распространённую химическую реакцию, свойственную всем эукариотам, от амёбы до человека. В многоклеточных организмах эта реакция протекает в самых разнообразных типах клеток (но не во всех клетках – например, структурогенные волны не возникают в клетках зародышей, ещё не вышедших из стадии дробления).

3) Предсказанные характеристики структурогенных волн резко отличаются от свойств волн Белоусова – Жаботинского, ошибочно принятых многими исследователями за принципиальные особенности всех химических волн. Во-первых, они распространяются не за счёт диффузии молекул, а, по-видимому, с помощью энергичных квантов ультрафиолетового излучения, обнаруженных в клетках А.Г. Гурвичем и названных митогенетическим излучением. Соответственно, они имеют высокую (сверхзвуковую) скорость распространения, порядка километров в секунду. Во-вторых, 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, соответственно, отражаются или интерферируют.

Итак, волны не зарегистрированы, их химизм неизвестен, а теоретически определённые характеристики принципиально отличаются от характеристик известных волн такого рода. Что же заставляет считать механизм структурогенеза реально существующим? Что подтверждает его?

Допустим, есть волны, способные установить связь между уровнем генов и уровнем органов или организма в целом. Мыслимо ли вообще установление волновой информационной связи между столь разными в размерном отношении уровнями организации? Ведь размер клеточного ядра, вмещающего весь геном, измеряется единицами микрон, а размер организма может превышать десяток метров. Они различаются более, чем в миллион раз, что соответствует масштабному коэффициенту наиболее высокоразрешающих электронных микроскопов. Кстати, и по разрешающей способности искомая информационная система должна достигать уровня электронного микроскопа, потому что речь идёт о взаимодействии с отдельными компактно упакованными генами, а это размеры крупных молекул.

Следовательно, речь идёт об информационной системе, по разрешающей способности и масштабному коэффициенту соответствующей электронному микроскопу. И не об одной системе, а повторённой по числу клеток организма, так как подразумевается информационная связь организма с генами каждой клетки. Только мозг человека содержит около триллиона нейронов. А сколько клеток во всём организме? Возможно ли такое количество „электронных микроскопов” в теле одного человека?

Кроме того, сегодняшняя биология досконально изучила строение организмов. Каждый тип клеток человека рассмотрен и изучен до молекул. Как же допустить, что в человеке остался незамеченным, как минимум, триллион информационных систем, каждая из которых эквивалентна электронному микроскопу?!

Да, это не укладывается в сознании, но, как увидим далее – реальность.

Живая материя создала, как минимум, два типа творческих систем. В одних нужный результат достигается опробованием многочисленных вариантов, в других решение отыскивается априори, до его реализации. Системы первого типа можно назвать пробующими или апостериорными, второго – мыслящими или априорными (см. гл. 3.5.2.).

В построении организмов обнаруживается действие пробующих творческих систем. Но на каждого человека (в том числе, на биолога) сильное впечатление производят объекты техники, созданные на основе мышления. Несхожесть результатов использования одних и тех же физических, математических и прочих законов в объектах, созданных разными творческими системами (пробующими и мыслящими) воспринимается как различие самих законов. Это усложняет задачу объяснения биологу законов, по которым построен организм.

В частности, трудно защищать взгляд на генетический аппарат эукариот как на оптическую систему. С точки зрения биологов, такой подход является слишком смелым допущением, требующим особо сильных доказательств. Если ещё можно примирить биолога с мыслью о волновом характере управления транскрипцией, то он, всё равно, восстанет против оптической проекции организма на геном.

Между тем, известно, что сам по себе принцип волнового управления транскрипцией кардинальных биологических проблем не решает. Это видно  на примере работы [35], автор которой рассматривает гены как акустические резонаторы, взаимодействующие друг с другом. Беда в том, что резонаторы реагируют только на изменения частот колебаний, но не на расположение их источников. Действительно, если отбросить то, что называют радиооптикой, т.е. не использовать направленные антенны, окажется, что радиоприёмники в пределах досягаемости принимают любую радиостанцию, на частоту которой настроены, но остаётся неизвестным, в какой стороне эта станция находится.

Для выяснения механизма избирательного управления транскрипцией нужно разобраться, как возникает зависимость активирования конкретных генов от расположения клетки в структуре организма. А такую зависимость даёт именно оптическая проекция активных зон организма на гены. Поэтому важно найти факты, подтверждающие оптическую проекцию.

Альберт Эйнштейн совершенно справедливо указал, что никакой эксперимент не способен дать прямого доказательства гипотезы. Эксперимент способен лишь опровергнуть её. Поэтому доказательство гипотезы возможно только путём опровержения всех несовместимых с ней гипотез (как выше опровергнута гипотеза А.Н. Мосолова), если они составляют исчерпывающее множество. Соответственно этому, большинство фундаментальных научных открытий утвердилось без прямого доказательства, на основе суммы косвенных данных, о чём подробнее сказано в главе 2.7.3.

Например, в биологии. Открытие Г. Менделем генов было основано на подсчётах потомков с разными признаками, а вовсе не на прямом наблюдении работы гена. Открытие двойной спирали ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком также явилось результатом отнюдь не прямого наблюдения, а математической интерпретации полученной Р. Франклин картины дифракции рентгеновских лучей в кристалле ДНК и т.д.

Вспомним упоминавшуюся мысль Ф. Крика – для объяснения биологии развития нужно понять то, чего по ряду причин нельзя увидеть. Читателю предлагается пойти именно таким путём – обратиться к „внутреннему зрению”, проанализировать математические зависимости, вытекающие из законов оптики (благо, они, в нашем случае, очень просты), и сопоставить результат с известными биологическими фактами. Если тезис об оптической проекции организма на хроматин справедлив, можно ожидать корреляции законов оптики с закономерностями строения ядра. Насколько это оправдывается?

На основании приведенной выше формулы (1), фокусное расстояние ядерной оболочки, как элемента гетероволновой оптики, равно:

f = nR / (n – 1);                       (2)

где f – фокусное расстояние, n – гетероволновый коэффициент преломления, т.е. отношение скоростей химических и акустических волн (для многоклеточных организмов – примерно 2,6–2,8), R – радиус ядра.

Легко увидеть, что при любом коэффициенте преломления n (когда n>1) фокусное расстояние f  больше, чем радиус ядра R. Это значит, что ни одна точка пространства не может быть спроецирована ближе к преломившей волну поверхности (в нашем случае – к оболочке ядра), чем на расстоянии f  > R. Следовательно, если концепция структурогенеза справедлива, то в центральной части ядра должна существовать сферическая область, в которую не проецируются никакие точки внешнего (относительно ядра) пространства. Центр этой области должен совпадать с центром ядра.

Такая особенность даёт основание назвать эту сферическую область акустического поля ядра безадресной. (Ранее автор использовал термин „мёртвая зона”, но он слишком диссонирует с тем фактом, что как раз здесь происходит наиболее интенсивный синтез РНК). Радиус r безадресной области равен:

r = R / (n – 1).             (3)

Ситуацию иллюстрирует рис. 2.4, где представлена типовая схема активирования структурного гена.

Рис. 2.4.  Схема  активирования структурного  гена

 Оптический расчёт делит пространство ядра на две области с резко отличающимися свойствами – в периферийной области возможна фокусировка акустических волн, а в центральной – невозможна. Сразу же вспоминается, что и хроматин ядра неодинаков по своим свойствам (что непонятно для ТДС) – расположенная в центре фракция, которую называют ядрышком,  выделяется и окраской, и другими особенностями. Исследования серийных срезов [62] показали совпадение центров ядрышка и ядра. Иначе говоря, ядрышко располагается там, где по расчётам должна находиться безадресная область. Когда ядро содержит несколько ядрышек, все они группируются в центре ядра, вероятно, в пределах безадресной области. Можно ли считать это случайностью? Для начала, не будем отрицать такую возможность.

Но совпадения идут дальше. Если в безадресной области нет зон фокусировки акустических волн, если ни одна точка этой области не имеет проекционной, а значит, и информационной связи с остальным пространством организма, то здесь не могут располагаться гены, активность которых зависит от местоположения клетки в организме – гены, участвующие в формировании структуры организма, или структурные гены. Соответственно, в ядрышке и нет структурных генов! Тоже совпадение? Все структурные гены клетки расположены внутри ядра, но за пределами безадресной области, т.е. именно там, где, в соответствии с оптическими расчётами, активные зоны химического волнового поля организма проецируются на хроматин ядра в виде микроскопических зон сфокусированных акустических колебаний.

Однако в ядрышке всё-таки есть гены. Как же они активируются?

Химические волны от одной из активных зон организма, преобразовавшись при пересечении оболочки ядра в акустические колебания, в таком виде фокусируются на соответствующий структурный ген. Но прежде, акустические волны проходят в расфокусированном состоянии через безадресную область или, иначе говоря, сквозь ядрышко. Подобным же образом ядрышко пересекают ещё не сфокусировавшиеся волны, идущие и ко всем другим структурным генам. Безадресная область оказывается заполненной расфокусированными (и только расфокусированными!) колебаниями. Поэтому использование здесь волнового механизма активирования генов возможно лишь при ослаблении связей ДНК с нуклеосомами, чтобы их могли разрывать менее интенсивные (расфокусированные) акустические колебания. Оказывается, есть два свидетельства того, что Природа поступила именно таким образом, выполнила это условие.

Во-первых, компоненты нуклеосом – гистоны, являющиеся белками с повышенной основностью, заменены здесь более кислыми белками, слабее „прилипающими” к ДНК. Собственно, это и выделило ядрышко, как особую фракцию хроматина, поскольку, из-за повышенной кислотности, её  интенсивнее окрашивают обычно применяемые оснóвные красители.

Во-вторых, можно было ожидать, что лёгкое разрыхление хроматина ядрышка создаст для эукариот специфическую трудность – при повышении температуры организма тепловые колебания молекул могут привести к излишнему разрыхлению хроматина, к излишнему активированию генов. Такая опасность, очевидно, реально возникла, потому что Природа позаботилась о борьбе с ней, создав 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 [63].

Поскольку интенсивность расфокусированных колебаний в „безадресной” области пропорциональна суммарной активности структурных генов, то, если концепция структурогенеза справедлива, Природа могла бы расположить здесь гены, потребность в продуктах которых, во-первых, не зависит от координат клетки в организме и, во-вторых, пропорциональна общей активности структурных генов клетки. Оба предположения подтверждаются. В ядрышке любой клетки расположены многочисленные копии трёх 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 в геноме от других генов. У эукариот же, в полном соответствии с требованиями волнового управления транскрипцией, крупные гены рРНК обладают пространственной обособленностью и специфичным белковым окружением, тяготеют к центру ядра у всех многоклеточных и во всех рядах клеточных поколений. Только слишком упрямый Разум может считать всё это случайностью.

Применительно к кишечной палочке Escherichia coli отмечено, что „регуляция синтеза рРНК – вероятно, наиболее важный фактор в определении скорости синтеза рибосом” [64]. Такой вывод, вероятно, ещё более обоснован применительно к эукариотам, что означало бы 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 должно всегда напоминать биологу о различии волновых полей безадресной области и периферии ядра. Но на микрофотографиях срезов видна также разница в степени структурированности хроматина. Периферийная часть ядра имеет сотовидную структуру, указывающую на небезразличное расположение хроматина относительно активных зон, тогда как в центре виден практически бесструктурный хроматин ядрышка, работающий независимо от координат клетки в организме и потому безразличный (индифферентный) 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 [65]. Вероятно, интенсивные акустические колебания в активных зонах периферийной части ядра помогают транскриптам оторваться от ДНК, а расфокусированные колебания в “безадресной” области менее способны к  этому.

Должно быть, основой терапевтического эффекта  при лечебном использовании ультразвука (например, в офтальмологии) стала именно облегчённая разрыхляемость хроматина ядрышка. Искусственное разрыхление ядрышка должно вызывать интенсивный синтез рРНК и сборку избыточного количества рибосом. Это несколько интенсифицирует синтез белков, а за ним и все биохимические процессы в клетке. Именно такой эффект общего стимулирования процессов в клетках и отмечается при лечении ультразвуком.

Как видим, необычным свойствам волнового поля центральной области ядра, вытекающим из оптических расчётов, точно соответствуют не менее уникальные особенности расположенного здесь хроматина ядрышка, что красноречиво говорит в пользу концепции структурогенеза. Думать о случайном совпадении таких тонких характеристик уже совершенно невозможно.

Согласно КСГ, ядрышко может не доходить до границ безадресной области, но не может выходить за её пределы. Это позволяет по размерам ядра и ядрышка, в соответствии с формулой (3), ориентировочно оценить коэффициент преломления гетероволновой оптической системы, т.е. соотношение скоростей распространения химических и акустических волн. Поскольку скорость акустических волн известна, отсюда может быть найдена приблизительная скорость химических волн.

2.2.3.  Управление  активностью  генов  эукариот

Рассмотрим непонятный для ТДС вопрос – почему прокариоты используют один тип РНК-полимераз, а каждый организм эукариот почему-то не ограничивается одним типом таких ферментов?

Как отвечает на это КСГ? Оказывается, именно различие в прочности связей ДНК с нуклеосомами определило необходимость существования, по крайней мере, двух типов РНК-полимераз. В ядрышке работает РНК-полимераза I [66] – её зона действия ограничена теми областями хроматина, где связи ДНК с белками слабы. В периферийной же зоне ядра, где связи ДНК с нуклеосомами значительно прочнее, где для их разрыва применяются сфокусированные акустические колебания, действует РНК-полимераза II. Таким образом, использование эукариотами разных полимераз – отнюдь не случайность, а прямой результат волнового управления транскрипцией.

ТДС не объясняет, ради чего Природа затруднила транспорт веществ, удалив к центру ядра крупные гены рибосом, т.е. самую активную фракцию хроматина, производящую более 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 более экономным решением (кстати, так они расположены в крупных ооцитах амфибий, где ещё не включено структурогенное волновое поле). Разгадка оказалась 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 разнообразные гены „домашнего хозяйства” клетки, активность которых нужна независимо от координат 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, и др. Активирование данной группы (как правило, довольно коротких) генов волновым полем только затруднило бы ситуацию, сделав их активность зависимой от координат клетки. Потому эти гены сохранили знакомый ещё прокариотам чисто химический способ управления. Но, чтобы преодолеть влияние структурогенного механизма, чтобы сделать активирование генов „домашнего хозяйства” независимым от влияния акустических волн, природе пришлось организовывать 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 учёта координат клетки. А на гены, транскрибируемые РНК-полимеразой III (гены „домашнего хозяйства”), волновое управление активированием вообще не распространяется, здесь действуют чисто химические способы управления.

*          *          *

В отличие от молчания по этому вопросу ТДС, оптические расчёты объяснили также специфическое распределение активного хроматина в ядре – резкое, нелинейное возрастание активности в направлении от оболочки ядра к ядрышку. Биологам известно, что непосредственно вокруг ядрышка расположена зона наивысшей концентрации активных генов. Детально объясняя такую ситуацию, оптические расчёты показали, что проекции активных зон химического волнового поля организма крайне неравномерно распределены в пространстве ядра, как это для случая n = 2,7 показано в табл. А. Вероятность проекции активных зон оказалась очень малой возле ядерной оболочки и возрастающей на несколько порядков вблизи безадресной области.

Таблица A

Отношения  объёмов  сферических  слоёв  пространства  организма 

к  объёмам  их проекций в ядро (начиная от оболочки)

Эта сторона оптических расчётов ещё раз, и очень наглядно, подтвердила правильность главных положений КСГ, объяснив, в частности, почему в ядре тельце Барра – „лишняя” Х-хромосома женщин – всегда укрывается от ненужного активирования именно возле ядерной оболочки. Здесь вероятность проекции активных зон минимальна. Опять совпадение?

Выше отмечалось, что расположение генов рибосом в центре ядра затруднило транспорт веществ. Теперь обнаружилось, что так же неудачно – с позиций внутриклеточного транспорта – размещено большинство активных структурных генов, отнесённых от оболочки ядра вглубь, к ядрышку. Однако ещё большее затруднение (также непонятное для ТДС) вызвало появление самой ядерной оболочки, отгородившей геном от цитоплазмы. Только КСГ объяснила эту кажущуюся нецелесообразность, раскрыв главенствующую роль ядерной оболочки в системе гетероволновой оптики.

Поскольку именно оптика клеточного ядра оказалась фактором интеграции клеток в многоклеточный организм, то решилась и другая неподъёмная для ТДС проблема, выяснилось, почему многообразие Живого оказалось неспособным создать многоклеточных прокариот. Считать и это очередным совпадением?

*          *          *

ТДС не была способна объяснить также 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 кое-кто объяснял стремлением Природы повысить компактность генома, то уж никак не подходило такое объяснение к белковому матриксу ядра, лишь увеличивающему занимаемый объём. В действительности, и нуклеосомы, и соленоид, и матрикс, как учит стереогенетика, служат общей цели – обеспечению строгого пространственного расположения генов в ядре конкретной клетки для создания условий правильной оптической проекции активных зон организма на гены.

2.2.4.  Клетки  жидкостей  внутренней  среды

Кариооптика не может проецировать активные зоны организма на гены хаотически движущихся клеток. И оказывается, управление активированием структурных генов во всех клетках жидкостей внутренней среды отсутствует. Например, 99,9% клеток крови человека (все красные клетки крови) вообще не имеют клеточных ядер! Казалось бы – нелепость! Работа генома нужна эритроциту именно во время его пребывания в кровеносном русле! Но в ситуации, когда невозможно волновое управление, геном эукариот становится, по существу, бесполезным, и выходящий в кровеносное русло молодой эритроцит выбрасывает из себя ставшее ненужным ядро. Думать, что клетка идёт на такую жертву ради уменьшения размеров для более лёгкого прохождения по капиллярам – не приходится, потому что одновременно сохраняют ядра более крупные лейкоциты.

У лейкоцитов при выходе в кровеносное русло ядра резко деформируются, но затем, после остановки лейкоцита в его истинной рабочей зоне – в воспалённой ткани, снова обретают нужную для оптики округлую форму. Могла ли природа более наглядно демонстрировать действие гетероволновой оптики, демонстрировать реальность КСГ?! И, снова-таки, с позиций ТДС всё это необъяснимо. Неужели, и это будем считать совпадениями?!

В ходе эволюции, уже у моллюсков и немертин наблюдается нарушение формы ядер эритроцитов, перешнуровка ядер, многоядерные и амитотические фигуры [67]. Выключены гены в эритроцитах птиц (что часто используется в экспериментах). И всё-таки, нарушения формы ядер стали характерной чертой не столько эритроцитов, сколько лейкоцитов, так что медики именно по деградации, пикнотизации, перешнуровке, по распаду ядер на отдельные фрагменты оценивают зрелость лейкоцитов человека и их готовность к выходу из костного мозга в кровоток.

У красных же клеток крови проявилась более радикальная тенденция к ликвидации ядер. Эритроциты без ядер можно встретить уже в жидкости амбулакральных каналов организмов класса офиур (Oрhiactis virens). Свойство красных клеток крови утрачивать ядро неоднократно наблюдается у низших животных (например, у кольчатого червя Magelona рaрillicornis, у немертин и др.), всё чаще проявляется по ходу эволюции и, наконец, становится признаком класса у млекопитающих [67].

Активная работа генов принесла бы особую пользу эритроциту в те три месяца, когда он переносит кислород, перемещаясь по кровеносному руслу. Вместо этого, его гены активны, пока молодая клетка неподвижна в костном мозге, и прекращают своё существование при выходе клетки в кровоток. Эритроциты человека „демонстративно” выбрасывают ядра в самый момент прохождения сквозь стенку сосуда при выходе из костного мозга в кровоток, т.е. в момент перехода от „оседлого” существования к беспорядочному движению.

Выбрасывание ядер эритроцитами нельзя объяснить механическими воздействиями на ядро при прохождении клетки через стенку сосуда, так как оно происходит и в культуре клеток, где нет сосудов, а у немертин ядра эритроцитов выбрасываются уже в кровеносном русле.

Наконец, дело не в том, что красные кровяные клетки являются „замыкающими” в своих рядах клеточных поколений, и им ядра не нужны. Подобных клеток крайней дифференцировки существует много, например, клетки вкусовых сосочков, имеющие на порядок более короткую жизнь, или клетки эпителия кишечника – на два порядка менее долговечные – но все они сохраняют ядра.

Лейкоциты не могут выбрасывать ядра, подобно эритроцитам, так как свою основную физиологическую функцию агентов иммунной системы они выполняют уже после выхода из кровеносного русла и остановки в плотных тканях. Поэтому, например, представители немецкой биологической школы полагают, что лейкоциты нельзя относить к клеткам крови; их следует называть клетками, переносимыми кровью. Вполне логично, что перед выходом лейкоцитов в кровоток их ядра не выбрасываются, а лишь выключаются – деградируют, сморщиваются, распадаются на дольки, но после окончания „путешествий” и остановки клеток в плотных тканях, их ядра опять наполняются, приобретают нормальную сферическую форму.

С точки зрения пространственного согласования генома с волновым полем, нарушение и восстановление сферической формы ядер лейкоцитов как бы демонстрирует прекращение согласования генома с волновым полем при выходе клетки в кровеносное русло и возврат к согласованности после остановки её в плотной ткани.

(Отдельные биологи возражают против такого утверждения, считая, что активность генов лимфоцитов проявляется в кровотоке в виде синтеза иммуноглобулинов. Но, во-первых, лимфоциты становятся Т-лимфоцитами, т.е. приобретают способность синтеза иммуноглобулинов, только после пребывания в вилочковой железе, в „оседлом” состоянии, когда возможно воздействие волнового поля на геном. Во-вторых, судить о волновом управлении морфогенезом на основе синтеза иммуноглобулинов вообще некорректно, так как, в отличие от процессов развития, синтез иммуноглобулинов не требует учёта координат клетки в организме, т.е. не требует использования волнового поля.)

На примере клеток жидкостей внутренней среды видно соотношение ролей химических и волновых методов управления генами эукариот. В таких клетках химические методы управления могли бы прекрасно действовать. Здесь для их реализации созданы наилучшие условия, так как нет проблемы доставки к клетке веществ-регуляторов. Волновое же управление исключается из-за непрерывного изменения ориентации и местоположения клеток. И оказалось, что без волнового механизма управление генами невозможно. Обнаруживаются многочисленные примеры выключения или даже уничтожения ядер при выходе клеток в жидкие среды организмов. Природа демонстрирует бессилие химических методов управления геномами эукариот при выключении волнового механизма!

Напрашивается общий вывод.

2.2.5.  Гены  в  пространстве  ядра

Важным доводом в пользу волнового управления генами эукариот является строгая пространственная организация эукариотических геномов.

У безъядерных клеток (прокариот) замкнутая в кольцо нежёсткая спираль ДНК свободно плавает в протоплазме и либо вовсе ни к чему не прикреплена, либо прикреплена к оболочке клетки в небольшом числе точек (от одной до сотни). Говорить о стабильности или закономерности пространственного расположения генов здесь не приходится. При ядерной же организации генома основная часть ДНК содержится в гетерохроматине, который имеет вид жёстко фиксированной пространственной структуры, во множестве точек прикреплённой к ядерной оболочке и к скелетной конструкции, называемой ядерным матриксом.

Ядерный матрикс состоит из двух компонентов: немембранной части ядерной оболочки (ламины), связанной с поровыми комплексами оболочки, и внутриядерной сетчатой структуры из фибрилл и гранул [68].  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 удалённых хромосом.

Кроме компактного гетерохроматина в ядре существует разрыхлённая, активная фракция, называемая эухроматином. В ней строгое пространственное положение занимают только гены, ещё не подвергшиеся активированию. Разрыхление хроматина, переводящее ген в активное состояние, делает его пространственные координаты менее определёнными, 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 определённых точках пространства. В то же время, в ядрах всех эукариот (около двух миллионов видов) гены зафиксированы, из чего видно, что фиксация жёстко контролируется естественным отбором, стала жизненно необходимым условием существования организмов. Благодаря фиксации реализуются определённые закономерности пространственного расположения генов внутри ядер – биологам известен ряд таких закономерностей.

Выяснено, что хромосомы располагаются в ядре в строго определённом порядке. Для этого выработан остроумный механизм, основанный на кодировании длин плеч хромосом. Если отбросить экзотические варианты геномов, требующие отдельного рассмотрения (например, геномы с мини-хромосомами), то этот механизм, открытый новосибирским биологом А.И. Щаповой [69]  и обеспечивающий однозначное взаимное расположение хромосом в пространстве ядра, выглядит следующим образом. При распределении плеч хромосом какого-либо генома (например, пшеницы или человека) по порядку возрастания их длин оказывается, что этот ряд образует более или менее равномерную лесенку, где не встречается двух плеч одинаковой длины. При делении клетки, хромосомы дочерних клеток (в ранней стадии профазы) соединяются концами (теломерами), образуя замкнутую цепочку. Поскольку в районе центромер хромосомы при этом изламываются под острым углом, цепочка приобретает вид замкнутой змейки, как это схематически изображено на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Пример кодирования взаимного расположения хромосом  в  ядре  через  не повторяющиеся  длины  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).

Позже было установлено, что в центромерах и теломерах хромосом расположены многочисленные и строго индивидуальные для каждой хромосомы генома (а потому хорошо маркируемые) тандемные повторы. Вероятно, именно они обеспечивают однозначное соединение между собой теломер при формировании змейки.

Чётные и нечётные вершины змейки располагаются, соответственно, у одного и у другого полюса формирующегося ядра, а пары соединившихся плеч располагаются, как показано на рис. 2.6, вдоль меридианов, таким образом, что расстояния между центромерами (вершинами змейки) во всём геноме оказываются одинаковыми.

Рис. 2.6.  Схема расположения хромосом в ранней профазе митоза у пшеницы-однозернянки Triticum monococcum [69]

Каждый гаплоидный набор хромосом образует самостоятельную замкнутую змейку. Гомологичные хромосомы двух гаплоидных геномов располагаются рядом, бок о бок. Естественно, что при отсутствии в гаплоидном геноме плеч одинаковой длины это ведёт к единственному возможному варианту взаимного расположения хромосом в своём геноме  [70, 71].

Не исключено, что индивидуальные особенности тандемных повторов центромерных участков хромосом служат для временного соединения центромер в два „узла” у полюсов ядра, что позволяет отрезкам змейки занять строго меридиональное исходное положение перед последующими операциями разворачивания пространственной структуры генома.

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 определённую конфигурацию. Эта конфигурация и фиксируется затем ядерным матриксом [72], а также прикреплением ДНК к оболочке ядра.

Результатом временного соединения хромосом в замкнутую змейку оказывается одинаковый для всех клеток организма порядок (очерёдность) взаимного расположения хромосом по экватору ядра.

Кроме закономерного расположения хромосом в ядре, есть данные и о закономерном размещении генов на хромосомах. Лима-де-Фария ввёл представление о центромеро-теломерном поле как о своеобразной шкале отсчёта координат гена на хромосоме (или по „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 в других случаях [73].

Закономерное расположение генов на хромосомах и хромосом в ядре дополняется (как уже говорилось) принятием хромосомами определённых конфигураций в пространстве ядра. В каждом типе дифференцированных клеток хромосомы изгибаются внутри ядра строго определённым образом. Эти три закономерности в итоге выливаются в общее закономерное 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 [70, 74].

Яркий пример закономерной пространственной организации показывают три 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, заняли во всех клетках строго определённое пространственное положение в центральной зоне ядра, не допуская сюда никакие другие гены. Упомянутые гены рРНК не покидают центральной зоны ядра и при дифференцировке клеток, когда происходят кардинальные изменения пространственных конфигураций хромосом.

Можно ли объяснить строгие закономерности пространственного расположения и фиксацию генов внутри ядер всех эукариот, в сочетании с прекрасным функционированием свободно плавающих нуклеоидов прокариот? Вспомним, что теория диссипативных структур не даёт такого объяснения. Опять объяснять ситуацию случайностью, объяснять лишь удивительным совпадением со следствиями КСГ и требованиями оптической проекции? До каких же пор?

Известны также закономерности, не относящиеся непосредственно к пространственному расположению генов в ядре, но, тем не менее, указывающие на небезразличное пространственное поведение хромосом, в отличие от ДНК прокариот. 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 [75].

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 [там же].

Ещё одна закономерность заключается в том, что одинаковые хромосомы двух гаплоидных наборов расходятся дальше друг от друга, чем разные.  Это противоречит предположению, что у гибридов гаплоидные наборы хромосом отдаляются друг от друга из-за своего несходства. Здесь проглядывает 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 кодов белков на пространственное расположение генов в ядрах. Обнаружилось, что скорость эволюции крупных таксонов коррелирует со скоростью перестроек структуры ядра [29].

*          *          *

За последние десятилетия существенно изменились взгляды биологов на возможную скорость изменения геномов. Изменения, весомо меняющие свойства популяции, ранее воспринимались, в основном, как элементы эволюционного процесса, отмеряемого по шкале в тысячи или миллионы лет. Никто не видел в геноме одну из регуляторных систем, сравнительно 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.

Строго говоря, первооткрывателям не следовало называть эти элементы генами, поскольку МДГ, по-видимому, не содержат кодов для синтеза каких-то молекул. Большинство исследований выявляет в них свойства групп коротких неинформативных повторов.

Основная масса исследований МДГ проводилась на дрозофилах, хотя использовались и другие организмы, например, дрожжи.

Выяснилось, что при навязывании популяции экстремальных условий существования в её геномах быстро перемещаются некоторые последовательности ДНК, и синхронно происходит общее повышение жизнеспособности популяции… При создании для дрозофил тяжёлых условий существования, усиливших отбор на половую активность и жизнеспособность, в популяции изменилась локализация одного из семейств МДГ. Число сайтов их локализации увеличилось в разных экспериментах от 14–15 до 21–25. В некоторых экспериментах наблюдалось скачкообразное перемещение и увеличение числа сайтов локализации за одно поколение с одновременным скачком жизнеспособности и конкурентоспособности. Характерный для изменённой популяции геном практически полностью стабилизировался за четыре поколения [76].

„Исходные линии чётко 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 1·10^–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.” [9]

„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”. [там же]

Воспроизводимость результатов и совпадение перемещений МДГ в родственных экспериментах продемонстрировали их закономерность. С позиций ТДС, подобная связь перестроек генома с изменением свойств организмов непонятна.

Вероятно, в перемещениях МДГ виден не сам процесс ускоренной эволюции дрозофил (невозможно, чтобы эволюция могла протекать с такой высокой скоростью), а быстрое повторение ранее пройденного пути, не раз использованного для выживания популяции в тяжёлых условиях обитания и сохранённого геномом в виде системы „горячих точек”.

Можно предположить, что перемещения МДГ открывают собой более широкий, пока ещё мало изученный класс быстрых генетических регуляций. Поскольку такое явление очень существенно для биологической теории и практики, вероятно, нелишне обозначить его специальным термином, например, „быстрая адаптация генома” – БАГ.

В исследованиях МДГ для нас важно, что быстрые изменения свойств новых поколений вызываются пространственными перегруппировками генетического материала, а не появлением на хромосомах генов с новыми свойствами. Важен сам факт, что разному пространственному расположению МДГ соответствуют разные свойства организма. Феномен МДГ „лишний раз” показал, что при переходе от прокариот к клеткам с ядрами пространственная организация генома стала играть исключительно важную роль.

*          *          *

Связь изменений на уровне организма с перестройками внутри ядра свидетельствует о существовании некоего соответствия между пространственной структурой генома и структурой организма в целом. Это говорит в пользу какого-то осовремененного варианта преформизма, в пользу существования в клетках „плана строения” организма, с которым связан организм в целом. С позиций КСГ, здесь мы видим проявление оптической проекционной связи организма с хроматином ядер.

2.2.6.  Дети  растут  во  сне

Когда биолог осваивается с мыслью, что генами организма управляют волны, он словно переносится из пугающей тёмноты пещеры с призрачными тенями от пламени костра в солнечную степь, где видно ясно и далеко, а фантастическим призракам не остаётся места. Получают объяснение многие свойства организмов и биологических процессов, которые ранее казались совершенно нелогичными. Один из таких случаев рассмотрен ниже.

Принято считать, что зрелые (прошедшие сплайсинг и т.д.) матричные РНК (мРНК) эукариот отличаются от соответствующих мРНК прокариот лишь не принципиальными вариациями, возникшими в ходе молекулярной эволюции. Это неточно. Есть принципиальное отличие, связанное, как можно понять, с главной особенностью генетического аппарата эукариот – с волновым управлением транскрипцией. Речь идёт 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, первоначально не способные к усвоению лактозы, будучи перенесенными в среду с лактозой, активизируют свои, необходимые в таком случае, гены бета-галактозидазы, пермеазы лактозы и трансацетилазы, так что через считанные минуты начинается интенсивное усвоение непривычного субстрата. При возвращении этих клеток в среду без лактозы способность к её усвоению постепенно угасает и через несколько десятков минут практически исчезает (распадаются соответствующие ферменты и мРНК).

Иное положение с эукариотами, что проявляется уже с ранних стадий развития. В зародыше ядро „использует генетическую информацию импульсами”, обеспечивая довольно длительный период дальнейшего развития за счёт перешедших в цитоплазму мРНК. Например, облучение зародышей вьюна на стадии 22–24 ч. развития, вызывавшее инактивацию ядер, блокирует  развитие  зачатка  нервной  системы  на 26–28-м часу и сомитов – на 32–35-м часу развития [68]. 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 [82].

Продлённый, по сравнению с прокариотами, период полураспада мРНК нельзя отнести к эволюционным завоеваниям эукариот, так как это увеличивает задержку в системе регулирования биосинтеза и вызывает серьёзные 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, и потому количество потреблённого субстрата никогда не вступает у них в серьёзные противоречия с остальными процессами.

Иначе говоря, замедленный полураспад мРНК эукариот оказывается одной из потерь, одной из существенных проблем, требующих научного объяснения.

С позиций КСГ, причиной увеличенного периода полураспада мРНК стала цикличность активации эукариотического генома. Цикл, измерявшийся у зародыша вьюна одним-двумя 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, возможно, синхронизировано химическое волновое поле организма. Во время сна отмечается интенсивный синтез РНК и белков, а также, вероятно – для его обслуживания, повышается потребление кислорода и тонус сосудов.

Растущий организм спит больше, чем взрослый, сформировавшийся. Не случайно в народе говорят, что „дети растут во сне”. Впрочем, зависимость развития ребёнка от длительности сна зарегистрирована и наукой.

„Механизмы сна более или менее известны, но совершенно непонятно, для чего нужен сон, в чём его функциональная сущность.” [83]. Физиологическая роль сна остаётся для учёных загадкой по сей день.

Старые представления о сне, как об отдыхе, и раньше не удовлетворяли биологов, в частности, из-за того, что в это время интенсифицируются важнейшие процессы жизнедеятельности – синтез РНК и белков, потребление кислорода и т.д. “Зачем нужен сон, ... доподлинно никто не знает. Большинство исследователей ныне сходятся на том, что сон весьма активный, а не пассивный, как некогда считалось, процесс, сущность же его пока непонятна. Скажем проще: сон – это не отдых, а важная работа ...” [84]

Самый безмятежный отдых по результатам принципиально отличается от сна и не способен заменить его. Для стариков характерна бессонница, но вряд ли кто-то скажет, что отдых нужен им менее, чем молодым.

Прямая связь сна с процессами транскрипции и синтеза белков-ферментов привела к тому, что сон оказался главным фактором, определяющим суточные ритмы организма. Если за начало отсчёта принять сон, то, практически, исчезает разница между ритмами дневных и ночных животных [85].

Анализ физиологии организмов, связанных с водной средой – рыб, амфибий, рептилий – даёт 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 в беспокойной водной среде, чтобы гарантировать неподвижность, недостаточно расслабить мышцы. Волны могут изгибать тело спящего животного. Поэтому у рыб, земноводных, пресмыкающихся эквивалентом нашего сна стала так называемая каталептическая обездвиженность, достигаемая не за счёт расслабления, а за счёт чрезвычайного напряжения мышц [86]. Затраты мышечной энергии при „одеревенении” тела так велики, что если приложить руку к шее спящей черепахи, то в отличие от периода бодрствования, можно ощутить её теплоту. Какой уж тут отдых!

У многих животных сосуществуют 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 структурогенеза, периодическая обездвиженность организмов и связь активирования генов с состоянием сна, со стабильностью позы – вполне 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 „потерянному для жизни” 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 волнового поля организма на хроматин. Естественно, что во время движения животного точная оптическая проекция затруднена.

Не вдаваясь в подробности, оговоримся, что несовместимы со сном апериодические, неожиданные движения животного, а ритмичные движения на уровне автоматизма – дыхание, биение сердца и иногда даже однообразная работа, ходьба без изменения направления или “крейсерское” плавание рыб и дельфинов – способны сочетаться со сном и всеми его функциями. Вероятно, здесь Природа использует возможность как бы „остановить” ритмичное движение, синхронизируя „пачки” структурогенных волн с одной и той же фазой цикла, как поступают при стробоскопических исследованиях. Апериодические же движения „остановить” подобным образом принципиально невозможно.

Можно предположить, что существование различных фаз сна, их циклическая повторяемость – обусловлены потребностями всё того же волнового активирования генов. По данным киносъёмки, ядра клеток медленно вращаются, причем период их вращения, по порядку величины (1,27–4,65 часа по данным [87]), соответствует периодичности повторения фаз сна. Возможно, фазы сна являются разными этапами подготовки К-оптики к работе. Например, сначала отключается скелетная мускулатура, ядра клеток ориентируются относительно слабого ещё 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. Такие представления можно сравнить с непрерывно повторяющимися циклами организации-дезорганизации рецептивных полей сетчатки у млекопитающих в процессе зрительного восприятия (см. гл. 3.4.4.).

Иногда, пытаясь бороться со сном, на грани между сном и бодрствованием, человек (или кошка, собака) неожиданно вздрагивает всем телом, словно пронизанный током. Такого не случается при полном бодрствовании или, наоборот, при глубоком сне. Вероятно, мы вздрагиваем, если  пачка „генеральных” структурогенных волн (или, может быть, „пробная” волна) проходит раньше, чем нервная система отключила скелетную мускулатуру.

Приуроченность пика активирования генов к состоянию неподвижности и сна обусловила суточные колебания объёмов клеточных ядер. У человека, и вообще у дневных животных, максимум объёма ядер, как и следовало ожидать, приходится на ночное время.

*          *          *

Связь транскрипции со сном отлично согласуется с концепцией структурогенеза. Но, справедливости ради, заметим, что этот факт нельзя рассматривать как доказательство КСГ, потому что, в случае развития организма под управлением диссипативных структур, необходимость неподвижности организма во время формообразовательных процессов оказалась бы ещё более острой, чем при оптическом механизме управления. Дело в том, что при оптическом управлении возможна быстрая подстройка системы за счёт поворотов и изменения формы клеточных ядер, тогда как диффузия крупных молекул при формировании диссипативных структур протекает принципиально медленнее, и в это время недопустимы движения частей организма.

2.2.7.  Живая  и  неживая  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.”

Ф. Крик [77]

Концепция структурогенеза представляет человеческий организм ансамблем 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, тем не менее, успешно выполняют свою информационную функцию. Такой взгляд трудно совместить с мировоззрением современного биолога. Но только с таких позиций удаётся непротиворечиво объяснить работу генетического аппарата эукариот.

Может показаться, что ядро клетки не способно подчиняться законам оптики просто 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, сформированному в нашем представлении на основе знакомства с техническими аналогами.

Например, если исходить из анатомии человеческого глаза, обязательно придём к выводу, что он не способен показывать нам высококачественную картину внешнего мира. Геометрическая точность хрусталика не идёт ни в какое сравнение с точностью линз объективов. 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 у человека, в отличие, скажем, от кальмара, вопреки логике, обращена не к приходящему свету, а в противоположную сторону, к черному непрозрачному слою клеток, заполненных меланином.

„Каким образом из дрожащих, смутных теней на дне каждого глаза мозг воссоздаёт единый видимый мир, поразительно богатый, надёжно устойчивый ... – это загадка, решение которой не даётся самым талантливым физиологам, посвятившим себя изучению сенсорных систем” [78].

Сходные отклонения от технических идеалов характерны для всех информационных систем животных. Мозг по степени упорядоченности и строгости структуры нельзя сравнить с компьютерными чипами или печатными платами; в слуховой системе нет ничего похожего на камертон, который объяснил бы феномен музыкального слуха и т.д. В этом смысле низкая геометрическая точность клеточных ядер в полной мере коррелирует с общим низким уровнем анатомической точности биологических информационных систем.

Сопоставление со знакомыми оптическими приборами может также привести к мысли, что биологические ткани являются слишком „мутной” средой для химических волн, и это исключает возможность их информационного использования. Действительно, структура ткани, конструкция клетки содержат много элементов, нарушающих беспрепятственное распространение таких волн, а протоплазма соседних клеток связана между собой только через коннексоны – трубочки молекулярного размера, пронизывающие стенки клеток. Чтобы перейти из одной клетки в другую, волна химических реакций каждый раз должна дробиться на элементарные волны, которые „протискиваются” сквозь узкие каналы коннексонов.

Далее нам не раз придётся 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, образованный двумя встроенными в мембраны частицами, принадлежащими соседним клеткам и соединёнными между собой в межмембранном пространстве. Внутри коннексона проходит канал, связывающий протоплазму соседних клеток, и из таких повторяющихся единиц построено всё щелевое соединение [79].

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. [80]. По другим данным, через коннексоны щелевых контактов могут проходить низкомолекулярные белки с массой до 10 000 Дальтон [81]. Через аналог коннексонов в растениях – плазмодесмы – способны диффундировать ещё 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 определённом этапе исчезают коннексоны и нарушается электрическая связь между клетками в том месте, где в дальнейшем пройдёт граница сомита [81]. 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 ни странно выглядит (для оптика) связь протоплазмы клеток через коннексоны, такой способ связи оказался очень целесообразным и изощрённым „техническим решением” Природы, без которого мир Живого не был бы таким, каким он есть.

*          *          *

Хотя много десятилетий идёт речь об изучении „морфогенеза”, т.е. генезиса форм тел живых организмов, такой подход лишён смысла. Применительно к животным вообще нельзя говорить об определённых формах; такая определённость возникает лишь при изучении трупов или чучел. У животных нет стабильности форм; никто не скажет, например, какая поза человека является его главной, видовой позой. Поэтому искать механизмы наследования форм организмов методологически ошибочно. Такой поиск – дорога в тупик. Нет оснований считать, что какой-либо организм наследует от предков определённую форму. Законы наследования стабильны относительно структуры (анатомии) тела, а не его формы.

Как бы это ни показалось унизительным для человека, наш организм похож не столько на мраморную статую Аполлона, сколько на невзрачную сетку-„авоську”. Попробуйте изменить позу мраморной статуи – и вы сломаете её. Ничего подобного не произойдёт с „авоськой”. Она может стать шарообразной, если вместила арбуз, может жгутом висеть на крючке или комочком лежать в кармане. При этом форма „авоськи” меняется в широких пределах. Но пока сетка цела, она сохраняет неизменную схему расположения узелков сети, неизменные длины нитей между узелками, и можно говорить о её неизменной структуре.

Человеческий организм (и любой другой многоклеточный организм) тоже характеризуется определённой структурой. И именно структура организма кодируется генетическим аппаратом. Если точнее, то координатами генов в ядре и их взаимодействием с волновым полем задаются векторы (процессы) формирования структуры организма.

Чтобы организм формировался генетической системой именно как структура, он должен обладать определёнными свойствами, как среда распространения химических волн. Нужно, чтобы параметры волнового поля организма определялись не столько проходимым волной расстоянием, сколько особенностями структуры, по которой волна распространяется. Связь протоплазмы соседних клеток через коннексоны создаёт именно 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. Потому-то изменение позы незначительно влияет на параметры структурогенного волнового поля. Потому-то структурогенное волновое поле описывает (и прочитывает из генома) структуру, а не формы организма.

Однако нельзя считать, что информационный результат прохождения химических волн по биологическим тканям совершенно не зависит от расстояния. Если бы геометрическая длина пути никак не отражалась на информационных характеристиках химических волн, то движения животного совершенно не мешали бы процессам развития и тогда сон, как физиологическое состояние, животным не был бы нужен (как он не нужен растениям). Но это не так.

Оценивая коннексоны как продукт биологической эволюции, можно заключить, что они 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 как раз для животных. Сходные структуры растений построены примитивнее.

*          *          *

Может возникнуть вопрос, а как же реагируют на прохождение химических волн другие мембраны клетки, которых довольно много? Существуют 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 её электрострикционное сжатие и порождает акустические волны, разрыхляющие хроматин, то аналогичные процессы должны иметь место и при воздействии химической волны на любую другую мембрану. Учитывая обилие мембран в клетке (не говоря уже о клеточной оболочке), это должно создать такой хаос акустических колебаний, при котором бесполезно надеяться на закономерное управление транскрипцией. Так ли это?

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

Активные зоны химического волнового поля организма, вероятно, не являются совершенно независимыми друг от друга колебательными системами. Это, скорее, единая активная среда, 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.

Возможно и другое – что активные зоны организма похожи на „ведущие центры”, возникающие на поверхности раствора при генерировании волн Белоусова – Жаботинского (см. рис. 2.1). Каждый центр независимо от других инициирует волну за волной, но общая картина колебаний не столь уж хаотична.

Наконец, нет причин излишне опасаться хаотичности волн. Представьте себе старинный собор, его скульптуры, роспись, канделябры, лепку и сравните два резко отличающихся варианта освещения – чёткое солнечное освещение через витражи окон и ночное зыбкое, хаотичное освещение множеством свечей. Хаотичность волнового поля не мешает воспринимать ночную красоту храма при свечах, как и дневную красоту – при строгом солнечном свете.

Разрыхлить структурный ген могут только сфокусированные колебания, для чего требуется строго определённое расположение гена относительно мембраны, определённый радиус её кривизны, определённое расположение центра кривизны и нужная ориентация этой системы по отношению к активной зоне химического волнового поля. Случайное разрыхление ненужного гена и кратковременное появление в клетке не свойственных ей РНК или даже белка, как правило, не способно существенно повлиять на процессы в клетке.

Биохимические процессы обычно представляют собой 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 целостной группы генов. Для этого требуется устойчивое расположение по отношению к генам неких мембран, с определёнными радиусами кривизны и определёнными положениями центров. Нужна также их совместная ориентация относительно конкретных зон волнового поля организма, на которые “нацелена” данная клетка.

Такое постоянство взаимного расположения генов и мембран существует лишь между генами и оболочкой ядра. Поэтому реально на разрыхление хроматина и на биосинтез в клетке влияет только воздействие химических волн на оболочку ядра. Влиянием остальных мембранных структур клетки, в первом приближении, 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, не приспособлены к значительным деформациям. Например, при развитии яйца дрозофилы в единой клетке образуется множество беспорядочно разбросанных ядер, затем они мигрируют к периферии яйца и располагаются закономерным образом. Радиоактивные метки показывают на этой стадии согласованность ориентации генетического материала ядер. Далее вокруг ядер формируются стенки клеток и начинаются всё усложняющиеся процессы формирования тела личинки.

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

Концепция структурогенеза, раскрывшая подоплёку связи клеток через коннексоны, объяснила, почему есть крупные одноклеточные растения, но нет крупных одноклеточных животных. Поскольку геном способен управлять биохимическими процессами лишь в некотором ограниченном объёме, то формирование значительного по размерам организма требует использования многих геномов, многих ядер. Однако, многоядерный одноклеточный организм может сформироваться только в случае, если он между периодами активирования генов не изменяет своей формы, если он откажется от активного поведения, а это противоречит сущности большинства животных.

Таким образом, деление организма на клетки, сохраняющее относительное постоянство условий активирования генов при изменениях формы (позы) организма, реализовало возможности структурогенеза 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 – условием развития животных.

2.2.8.  Разгадка  дифференцировки  клеток

Одной из непонятных биологам особенностей эукариот является способность их клеток к дифференцировке – к резкому (дискретному) и закономерному изменению своих свойств, в соответствии со специализацией клеток для выполнения различных функций в организме.

Дифференцировка клеток является важнейшей составной частью процесса формирования многоклеточного организма. Исчезни у человека специализация клеток, он превратился бы в однородную клеточную массу, вряд ли способную существовать даже в идеальном растворе питательных веществ. Другой загадкой биологии стал тот факт, что к организмам без клеточных ядер (к прокариотам) понятие дифференцировки неприменимо, хотя и не видно повинных в том факторов. Поэтому без объяснения механизма дифференцировки теоретическая биология плохо справляется со своей задачей.

Если описывать акт дифференцировки на языке активности генов, то это событие выражается в резком переключении подмножества активных генов – одна группа ранее активных генов при дифференцировке утрачивает активность, а другая группа – ранее бездействовавших генов, наоборот, входит в число активных. Такое переключение всегда приурочено к процессу деления клетки (к митозу), причём переход от типа родительской клетки к типу дочерней клетки в каждом варианте дифференцировки подчиняется строго определённой вероятности, так что новый тип может обнаружиться в одной или в двух (или ни в одной) дочерних клетках. В разных вариантах дифференцировки вероятность перехода клетки при митозе в новый клеточный тип может принимать значения, грубо говоря, от нуля до единицы.

Теория диссипативных структур (ТДС) не раскрывает загадок дифференцировки. Например, неясно, почему этот феномен не распространяется на прокариот. Неясно, почему дифференцировка всегда приурочена к митозу, тогда как фигурирующие в ТДС информационные молекулы (морфогены), по теории, действуют непрерывно, вне связи с митозом. Неясна также резкая пространственная дискретность процесса дифференцировки при плавном изменении концентрации морфогенов в пространстве организма. Неразрешимой проблемой оказалась и память предыстории клетки, позволяющая вырисовывать подобие генеалогического древа клеточных типов, тогда как никакого присоединения морфогенов, ответственных за прошлые дифференцировки, в клетках не обнаружено и т.д.

По поводу памяти предыстории, в работе [60] 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.”

Мы привыкли анализировать известные факты, но меньше задумываемся над их отсутствием. Между тем, „пропажа” ожидаемых фактов часто несёт важную информацию. Если бы наследование клеточного типа объяснялось воздействием на клетку при каждом митозе определённого 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, легко диффундирующие морфогены, предназначенные для одной клетки, могли бы повлиять и на соседнюю, и тогда в стенке капилляра вдруг не к месту появился бы клон мышечных клеток (или в мышце появились бы ни с чем не связанные клетки стенки капилляра). Но подобные аномалии не известны. Это ставит под сомнение саму идею управления дифференцировкой на основе чисто химических методов.

*          *          *

Чёткое объяснение феномена дифференцировки клеток даёт стереогенетика. Напомним, что в основу системы управления активностью генов эукариот она ставит волны химических реакций, распространяющиеся в протоплазме клеток, и переходящие через коннексоны из одной клетки в другую. Когда волна достигает оболочки клеточного ядра, сопутствующий её фронту перепад окислительно-восстановительного потенциала создаёт 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 создаёт внутри ядра акустические проекции активных зон химического волнового поля организма. Участок ДНК, совпавший с проекцией активной зоны, разрыхляется акустическими колебаниями и отрывается от нуклеосом.

Эта часть волнового управления геномами эукариот одинакова, как в процессе собственно активирования генов, так и при управлении дифференцировкой, которая подготавливает условия для правильного активирования. А вот дальше между процессами активирования и дифференцировки возникают принципиальные отличия.

При активировании, разрыхление хроматина в области конкретного гена освобождает ДНК от связанных с ней белков и тем открывает РНК-полимеразе доступ к гену. Но, чтобы рядом расположенные клетки, имеющие одинаковые наборы генов и находящиеся в практически одинаковых условиях волнового поля, стали проявлять совершенно разные свойства (например, клетки хряща, мышцы, нерва, кровеносного сосуда), гены должны по-разному располагаться относительно активных зон акустического поля ядра. Задачу необходимого закономерного перемещения генов в пространстве ядра как раз и решает дифференцировка клеток.

При дифференцировке, в зоне разрыхления оказывается не ген, а один из многочисленных обращённых (инвертированных) повторов (палиндромов) ДНК. Особенностью палиндрома является его способность длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний – в линейной или крестообразной конфигурации, как это схематически показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7.  Два состояния палиндрома (инвертированного повтора) ДНК: вверху – линейное, внизу – крестообразное.

Нужно лишь учесть, что схема не отражает истинных размеров палиндрома, а буквы не обозначают какие-либо конкретные нуклеотиды. В разных палиндромах за каждой из букв мог бы стоять либо аденин, либо тимин, либо гуанин, либо цитозин. Двунитчатые „стебли” „креста”, обозначенные буквами KLMNP и комплементарными им последовательностями K'L'M'N'P', в действительности имеют длины порядка сотен и тысяч нуклеотидов. Однонитчатые петли, обозначенные буквами RSTUFX и R'S'T'U'F'X' в подобных палиндромах имеют протяжённость в десятки и сотни нуклеотидов.

В хромосомах человека палиндромы составляют около 6% общей длины ДНК [88]. Соединение одиночных цепочек ДНК в двойную спираль отдалённо напоминает застёжку-„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, а гуанин – с цитозином. Поэтому при построении двойной спирали каждому участку одной из нитей ДНК соответствует строго определённый – так называемый, 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 оказался скопированным, повёрнутым 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. Во-первых, исходный участок одной нити может восстановить соединение с комплементарным участком другой нити, существовавшее до расплетения. Во-вторых, он может сблизиться и сплестись с комплементарным участком копии, расположенным на одной с ним нити. В первом случае восстановится обычная двойная спираль, а во втором – образуется „шпилька”.

„Шпилька” состоит из двух объединившихся в двойную спираль участков одной и той же нити (исходной последовательности нуклеотидов и её комплементарной копии), связанных между собой петлёй или спейсером. Если на одной нити образовалась „шпилька”, вторая нить лишается выбора и складывается в аналогичную „шпильку”. Две „шпильки”, относящиеся к одному палиндрому, на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа, располагаются, как правило, симметрично и образуют фигуру, похожую на крест.

К дифференцировке клеток имеют отношение не все палиндромы ДНК. Большинство из них используется иным образом. Далее будет идти речь 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). Они способны разъединить двойную спираль ДНК на две отдельные нити, после чего у палиндрома появляется возможность случайного выбора дальнейшей судьбы. Процесс самосборки может снова объединить нити в линейную двойную спираль. Но возможен и другой вариант – нити могут сформировать структуру, похожую на „крест”.

Вероятность образования „креста” тем выше, чем короче внутренняя петля палиндрома. Поэтому для разных палиндромов такая вероятность неодинакова, что и ведёт к различным, но всегда строго определённым (для каждого типа дифференцировки) вероятностям перехода клеток в новый клеточный тип. Есть основания полагать, что возникший „крест” дополнительно фиксируется присоединением специальных белков. Во всяком случае, он передаётся при репликации, влияя на конфигурацию соответствующей интерфазной хромосомы в следующем клеточном поколении.

Если самосборка вернула палиндром после расплетения к исходной линейной конфигурации, то возможности процесса клеточной дифференцировки остались не использованными. Иначе развиваются события при возникновении „креста”. Новый „крест” не может изменить расположение генов в ядре данной клетки, поскольку в сформированном (интерфазном) ядре хромосомы во множестве точек прикреплены к ядерной оболочке и к губчатой структуре белкового ядерного матрикса. Поэтому клетка, где возник новый „крест”, не меняет своего типа дифференцировки.

Иное дело – дочерние клетки. Процесс самосборки интерфазных ядер очень чувствителен к изменениям условий протекания, и появление нового „креста” способно кардинально изменить расположение ДНК в ядре дочерней клетки, одни гены вывести из активных зон акустического поля ядра (по сравнению с родительской клеткой), а другие гены – ввести в активные зоны.

Так создаётся новая топология расположения генов в пространстве ядра, определяющая тип дифференцировки клеток. Гены, которые выводятся из потенциально активных зон, переходят в состояние факультативного гетерохроматина, а те, что вводятся в них – становятся способными к транскрибированию.

Если „крест” возник перед репликацией (т.е. перед удвоением ДНК), то после деления родительской клетки он обнаружится в обеих дочерних клетках, и обе они перейдут в новый клеточный тип. Если же „крест” возник после репликации, возник лишь в одной из двух одинаковых хромосом, то в новый клеточный тип перейдёт только одна из дочерних клеток, а вторая (как это часто наблюдается) останется в клеточном типе родительской клетки.

Такой взгляд расширяет наши представления о генах. Теперь можно говорить о существовании эукариотических генов двух типов:

а) генов, кодирующих строение соответствующих молекул, например, белков или РНК – назовём их М-генами;

б) генов, кодирующих дифференцировку клеток и ответственных за их специализацию – назовём их Д-генами.

Информация М-гена прочитывается РНК-полимеразой, и результатом прочтения является синтез цепочки РНК. Информация Д-гена не требует прочтения РНК-полимеразой, и 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 ещё ощутимее изменения, вызываемые переменой направления оси спирали ДНК в пространстве ядра. Рентгеноструктурный анализ, моделирование и термодинамические расчёты 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 один раз на 10 пар (т.е. один раз на каждый виток спирали), то молекула ДНК приобретает заметно искривленную форму [66].

В ходе формирования интерфазного ядра дочерней клетки, петли нового „креста”, могут поглотить тот или иной участок изгиба, резко меняя 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 передаётся зиготе. Но 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 оплодотворённой 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, как показывает опыт, прекратится и дифференцировка клеток [89].

*          *          *

Хотя исследования давно обнаружили синхронность между дискретными изменениями свойств клеток в ряду клеточных поколений (т.е. дифференцировкой) и пространственными перестройками хроматина [70, 74], объединение перестройки с дифференцировкой в одно логическое целое не может обойтись без веских доказательств. К счастью, их немало.

Первой группой подтверждающих фактов является полное совпадение свойств теоретической модели и реального процесса. Например, чётко 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.

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 определённым образом расположена в организме. Действительно, еще Ганс Дриш показал, что судьба клеток, их характер развития зависит от положения в целостном организме.

Переход палиндрома из одной конфигурации в другую является сугубо дискретным процессом. Этому строго соответствуют наблюдаемые дискретные ошибки развития (трансдетерминации) после длительного культивирования клеток имагинальных дисков насекомых, чем демонстрируется и дискретность процесса дифференцировки в целом.

Палиндромы ДНК способны устойчиво сохранять одну из двух (а не из трёх, четырёх или другого числа) конфигураций. В строгом соответствии с этим теоретическим положением, ещё из работы [90] известно, что формирование компартментов крыла дрозофилы подчиняется именно двоичному коду. Эта же закономерность проявилась и в других исследованных случаях.

Теория показывает, 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 определённой в каждом случае вероятностью.

Иначе говоря, все свойства дифференцировки – неприменимость к прокариотам, зависимость от положения „в целом”, дискретность, двоичный код и вероятностный характер изменений – точно соответствуют описанному молекулярному механизму. Можно ли считать всё это случайными совпадениями?

Другой группой подтверждающих фактов является совпадение динамики работы модели и реального процесса дифференцировки. Например, в работе [30] так описываются наблюдения и эксперименты над группами клеток в живом организме:

„Сначала участок проходит фазу зависимой дифференцировки [что соответствует образованию нового „креста”; АБ]:  именно в этот период его судьба зависит от ... внешних относительно него условий окружения [читай – от волнового поля; АБ]. Затем наступает момент, когда он может считаться „в целом” детерминированным [„крест” уже сформирован; АБ] и вступает в фазу независимой дифференцировки. Это обнаруживается по способности зачатка к полноценной дифференцировке при пересадке в другое окружение.”

Но, пожалуй, 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, как составная часть стереогенетики, демонстрирует абсолютное совпадение с реальным феноменом дифференцировки во всех пунктах, где только удаётся их сопоставить. Поскольку таких совпадений много, теория вероятностей не позволяет объяснять их случайностями.

*          *          *

Очень важно придти к единым определениям таких понятий биологии развития, как компетенция, детерминация и дифференцировка. Без их однозначности, даже учёным, работающим в одной области, трудно обсуждать результаты и понимать друг друга. Естественно, что формулировки, предлагаемые с позиций волнового управления дифференцировкой, сохраняя привычную сущность, по форме существенно отличаются от сложившихся ранее определений.

*          *          *

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, в частности, круглые черви (например, аскариды), коловратки, личинки насекомых. Для организмов с постоянным клеточным составом характерно небольшое общее количество сравнительно крупных клеток, яркая индивидуальность каждой клетки в соответствии с её 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 чётко переводит его из линейного состояния в крестообразное (т.е. вероятность дифференцировки равна единице).

Возможны два варианта объяснения такого хода развития организма. Во-первых, 100%-ная вероятность образования „крестов” может быть следствием малой длины или полного отсутствия внутренних петель палиндромов (спейсеров). Во-вторых, 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 (см. гл. 2.4.6.), 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 зашла речь об информации, содержащейся в геноме, и выделены две разновидности такой информации – М-гены и Д-гены, – уместно напомнить, что, с позиций КСГ, в эукариотическом геноме содержится и третья разновидность информации. В отличие от первых двух, она не локализована в конкретном участке ДНК, а распределёна по всему геному (как идея книги бывает не локализована в конкретной фразе, а заключена в произведении в целом). Информация третьего типа выражена 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 не ясны, хотя её 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 недавно компьютерный анализ генома человека позволяет предполагать наличие в его некодирующей части особого, пока ещё непонятного генетического кода, смысл и значение которого остаются загадочными.” [91]

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, будто эта ДНК особым способом кодирует неизвестные учёным процессы биосинтеза. Эта часть ДНК несёт информацию особого характера, информацию о строении, о структуре организма.

Поэтому единая таблица генетического кода (см. гл. 4.2.4.) 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 двадцати аминокислот, общие свойства этой части ДНК имеют особенности, благодаря которым все три типа РНК-полимераз эукариот минуют её, не синтезируя РНК. (Например, есть данные, что на этих участках в каждой из двух нитей ДНК встречаются только три из четырёх 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.

2.2.9.  Проекция  организма  в  ядро

Оптический характер законов, лежащих в основе существования многоклеточных организмов, пронизывает все их характерные особенности и уровни организации. Он просматривается и в свойствах хроматина. Расчёты [45] выявили, в частности, (как отмечалось выше) 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 табл. A (глава 2.2.3.) было показано отношение выделенного объёма пространства организма к внутриядерному пространству, занятому его проекцией. Внешнее (относительно клетки) пространство условно разделено в этой таблице на пять сферических слоёв. Показано, какую часть объёма ядра занимает проекция каждого из выделенных слоёв, и как объём конкретного слоя пространства организма относится к объёму его проекции в ядре.

Результаты расчётов показали, что при n = 2,7 примерно 60% объёма ядра оказываются зоной проекции группы клеток, непосредственно контактирующих с рассматриваемой  клеткой (расстояние до 10 радиусов ядра). Ещё 11% объёма ядра приходится на проекционные связи с клетками, удалёнными до расстояния в 100 радиусов ядра, и менее 1% объёма ядра занято проекцией более отдалённых зон организма. Первые две группы клеток, составляющие сферу диаметром около миллиметра, являются ничтожной частью крупного организма. Однако, по расчётам, именно внутри этой сферы замыкаются основные проекционные связи генома. На проекционные связи со всем остальным организмом приходится менее сотой части объёма ядра. Этот феномен автор назвал эффектом „доминирования ближней зоны”.

Особенность волнового поля, выраженная в „доминировании ближней зоны”, хорошо согласуется с реальным  поведением  клеток  в ходе развития зародышей. С одной стороны, отмечено жёсткое 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, окаймлёнными 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 далёких друг от друга частях зародыша, но это согласование не носит жёсткого характера. При изоляции частей зародыша один процесс может протекать без другого, но при совместном протекании они всё же как-то „подстраиваются” друг к другу. Различие между „жёстким” и „мягким” согласованием процессов развития в зависимости от расстояния между клетками зародыша, по-видимому, наиболее наглядно характеризует феномен „доминирования ближней зоны”.

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 [30].

Доминирование проекционных связей с ближайшим окружением клетки стало одним из факторов, маскирующих механизм структурогенеза, поскольку аналогичным образом могут проявлять себя химические, механические и другие близкодействующие информационные связи, на которых сегодня и сосредоточено внимание исследователей. Принципиально более важный волновой информационный механизм, действующий на расстояниях до сотен метров, единственный механизм, объясняющий формирование гигантских животных и растений – остался незамеченным.

Приведенные выше данные можно интерпретировать так, что активность наибольшего по объёму слоя хроматина, примыкающего к оболочке, (60% объёма ядра при n = 2,7) зависит от процессов всего в нескольких ближайших клетках. Вероятность нахождения активной зоны химического волнового поля в таком малом числе клеток очень низка и потому у хроматина периферийного слоя мала вероятность разрыхления.

Следующий к центру расчётный слой хроматина – 11% объёма 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 выше, чем у предыдущей. Наконец, наибольшую активность и наибольшее значение для структурогенеза должен иметь самый тонкий слой хроматина – около 1% объёма ядра, непосредственно окружающий центральную безадресную область, ибо в него проецируются все остальные активные зоны химического волнового поля организма.

После многих совпадений реальности с выводами КСГ, нас уже не должно удивлять соответствие между расчётом вероятностей проекций активных зон и фактической картиной распределения разрыхлённых участков хроматина (эухроматина) в ядрах. Действительно, у ядерной оболочки активность хроматина минимальна. Здесь доминирует компактный гетерохроматин и укрываются от активирования лишние X-хромосомы женщин – тельца Барра [60]. Чем ближе к центру, тем чаще встречаются активные структурные гены, а в тонком слое, непосредственно окружающем ядрышко, их концентрация достигает максимума – это (если не считать само ядрышко) наиболее активная часть хроматина.

Данные, выявившие “доминирование ближней зоны”, 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, ещё более впечатляющее совершенство на уровне биологических тканей показывает себя  лишь тем, кто потратил на их изучение многие годы?

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

*          *          *

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

Известно, что при малом расстоянии между объёктом и фотоаппаратом (при так называемой макросъёмке) глубина резкости невелика и наводку на резкость приходится выполнять с особой тщательностью. И наоборот, когда расстояние до объёкта съёмки велико, можно установить объектив „на бесконечность” и вообще не заботиться о наводке на резкость. Один из случаев проявления этого феномена в генетической системе эукариот отмечен в главе 2.3.4. („Изменение масштаба у рода Plethodon”).

Совокупное влияние двух указанных факторов объясняет некоторые загадки процессов роста. Можно обнаружить устойчивые соотношения между количеством ДНК в ядре и объёмом клетки (что тоже отмечено в главе 2.3.4.). В случаях полиплоидии, когда в ядре вместо двух гаплоидных геномов оказывается четыре, шесть или больше геномов, соответственно увеличивается и объём 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 её проекционной связи с генами напоминает условия макросъёмки, 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 химического волнового поля организма в этом случае играют коннексоны). И наоборот, размеры органов и организма в целом в тысячи и миллионы раз больше расстояний от оболочки ядра до генов клетки, что сохраняет резкость проекции активных зон организма на конкретные 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 чём писалось в главе 2.2.2.. В каждом нюансе проявляется общий закон – именно проекция химического автоволнового поля организма 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 её считывания. Особенности распространения химического волнового поля через коннексоны, как отмечалось выше (гл. 2.2.6.), 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:

а) 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.

б) Взаимодействие генома с волновым полем управляет динамическими параметрами – активированием генов и процессами дифференцировки клеток. Следовательно, кодируется не статика структуры, а векторы её развития. Генетически задаются возможности, направления развития, а реализация этих возможностей зависит от условий внешней среды.

Кодирование 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 длина всех векторов развития искусственно уменьшается ими путём создания особых условий выращивания.

в) Точки организма, находящиеся вблизи от рассматриваемой клетки, проецируются на хроматин у противоположной стороны ядерной оболочки. По мере удаления точки, её проекция приближается к центральной „безадресной” области ядра. Поэтому проекция организма в ядро даёт „вывернутое наизнанку” пространство, где самые удалённые 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 табл. B.

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 [28] о совпадении плавно деформированных рисунков костей и внешних контуров  разных  животных (см. гл. 2.1.4.) подтверждают мысль, что расположенный в ядре геном является материальным шаблоном, деформация которого ведёт 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 берёт начало в особенностях пространственного строения их геномов.

Таблица B

Изменение масштаба проекции в ядро при  n=2,7

в зависимости от расстоянии до  рассматриваемой  клетки.

Большинство законов действует лишь в пределах своих границ. Говоря об оптической проекции организма на геном, тоже нужно заметить, что это относится к соматическим клеткам и, возможно, яйцеклеткам, но не касается сперматозоидов. В них не происходит транскрипция, 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.

2.2.10.  Множественность  генов  эукариот

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:

а) причинами, не обусловленными проекционным управлением транскрипцией, примером чего служит амплификация (“размножение”) генов рРНК ради повышения скорости синтеза рибосом и

б) причинами, обусловленными проекционным управлением транскрипцией.

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

Картину активных зон химического волнового поля организма можно сравнить со звёздным 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 изменить тип дифференцировки дочерних клеток.

Один и тот же М-ген, например, нужный 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 определённой активной зоны, ему необходимо по-разному располагаться в ядрах однотипных клеток разных органов, чтобы при разном взаимном расположении клетки и активной зоны надёжно 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 своём организованы как отдельные транскрипционные единицы.” [92]. Для мультигенных семейств или, иначе, кластеров характерно строго поочерёдное – по ходу развития организма – переключение активности с одного гена на другой. Но молекулярных генетиков удивляет то, что при строгой очерёдности, гены кластеров часто хаотически изменяют направление считывания от гена к гену.

ТДС не объясняет, зачем эукариотам нужна кластерная организация генов, как не объясняет и механизма строго поочерёдного переключения активности с гена на ген. С позиций же КСГ, всё 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 поочерёдно. 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.

2.2.11.  Особенности  транскрипции  у  эукариот

“Хромосомная ДНК эукариот чрезвычайно богата некодирующими участками и повторами. По мере восхождения по лестнице эволюции всё чаще встречаются гены с экзон-интронной структурой, всё обширнее становятся межгенные области, всё больше мультигенных семейств, всё многочисленнее повторы.” [93] Удивительный характер изменений в геномах по ходу эволюции, странная расточительность Природы в использовании ДНК – уже давно привлекли внимание биологов. Теория диссипативных структур не смогла устранить возникшее недоумение. На все вопросы ответила лишь концепция структурогенеза.

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 остаётся фактом – эукариоты отказались от этой замечательной находки!

Активирование каждого М-гена проекцией определённой активной зоны превратило его в отдельный объект транскрибирования. Поэтому, отмечая отличия от прокариот, исследователи указывают (например, [94]), 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 К-оптики на отдельный ген требует от оптики молекулярного уровня разрешающей способности. 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 0,4 нанометра). 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. 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.

Другая часть „неинформативной” ДНК создаёт нужную конфигурацию генома внутри ядра. 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 упрощённо. Речь не идёт 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 ждёт исследований.

Принципиальная способность эволюции сохранять М-гены эукариот неразделёнными 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 разделённых на экзоны. Однако в подавляющем большинстве случаев такая возможность Природой не использована. Больше того, отмечено, что, „чем выше эволюционное положение организма, тем, как правило, больше интронов содержат его гены и тем они длиннее”. [61, 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 [65]! 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 определённую длину; последовательность же 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 [61].

Значение точного расположения экзонов в пространстве ядра подтверждается исследованиями мутаций, затрагивающих длины интронов. Показано (например, [95]), 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), остаётся 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 [91] и касается гена F8C, кодирующего главный компонент так называемого фактора VIII, отвечающего за свёртывание 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 изощрённой 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 a-амилазный ген печени (мыши) состоит из 11-ти, s-кристаллиновый ген (курицы) – из 16-ти, Al-вителлогениновый ген (лягушки) – из 34-х экзонов и т.п. [96].

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 определённого алфавита (здесь алфавитом является перечень разных генов генома).

С таких позиций, использование естественным отбором правила эффективного кодирования при делении генов на экзоны создаёт 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 (не волнового) 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 определённом случае), но не на концах каждого из экзонов. Нет объяснения оптимальному кодированию и в теории диссипативных структур. Только избирательное воздействие акустических волн на каждый экзон способно объяснить данный феномен.

Ещё 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 [60]). 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 [97–99].

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 ещё 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 ещё 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. [30]. В отдельной клетке взрослого организма человека обычно активны, как полагают, 1–3% от всего количества неодинаковых генов.

Но такие данные получают по результатам подсчёта 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 определённых координатах клетки в организме, определённой картине волнового поля включается лишь один из многих одинаковых генов, так что количество активных генов в клетке взрослого организма, вероятно, следует оценивать ещё 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 определённых 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.” [60]

(Примечание: „ ... в виде структурной информации, заложенной в хроматине...” – здесь имеется в виду различие в плотности упаковки хроматина.)

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 счёт не выявленных 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 трёхцветных кошек при отсутствии трёхцветных котов.

Характерные для прокариот механизмы генетического контроля, основанные на использовании свободно диффундирующих белков-регуляторов, не способны 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, чего 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 концепции структурогенеза обнаруживается длинный ряд тонких, детальных соответствий. Вне концепции структурогенеза объяснять их, как правило, не удаётся. 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.

2.2.12.  Первое  включение  и  параметры

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 ещё 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 – без 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 определённая очерёдность, последовательность делений, согласованная с расположением конкретных клеток в зародыше. Более индивидуальными становятся и направления осей деления (“веретён” 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 химическое волновое поле.

По-видимому, есть сходство между условиями возникновения цепной реакции в массе урана и условиями самовозбуждения химических волн в протоплазме клеток. И в том, и в другом случае 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 химического волнового поля 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 детёныш млекопитающего получает от матери не только её 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 [30].

Перемещение интенсивно окрашенных генов рРНК к центру ядра демонстрирует их реакцию на появление волнового поля. Пока нет волн, гены рРНК активируются неким химическим агентом и потому могут располагаться в любом месте, а 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 в идеальную для них (с информационной точки зрения) „безадресную” область. Здесь интенсивность расфокусированных колебаний пропорциональна суммарной активности структурных генов, а, значит, и нужной интенсивности синтеза рибосом, активности генов рРНК. Мы всё ещё не знаем, что управляет перемещениями рРНК, но уже понятно, почему такие перемещения происходят.

Организмы с клеточными ядрами используют химическое волновое поле 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 определённой разрешающей способностью, как с точки зрения дифракционного предела, так и с точки зрения аберраций. 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 0,4 нанометра. Это вполне обеспечивает разрешение отдельных экзонов генов, спирализованных на нуклеосомах – диаметр нуклеосомы со связанными с ней витками ДНК оценивают в 11 нм, а расстояние между нуклеосомами – до 14 нм.

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 остаётся лишь сферическая аберрация. Она ведёт к тому, что лучи, исходящие из одной точки, проецируются в размытую зону, где основная энергия концентрируется в объёме, напоминающем эллипсоид вращения.

Размеры активных зон химического волнового поля организма различны. К тому же, зоны, находящиеся на разном расстоянии от ядра, проецируются в разном масштабе. В итоге акустическое поле ядра содержит и малые активные зоны, и более крупные. 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 всё 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 учётом этих особенностей, как показывают ориентировочные расчёты, разрешающая способность К-оптики оказывается вполне достаточной для избирательного активирования не только отдельных генов, но и их экзонов.

*          *          *

По расчётам, оптимальные скорости структурогенных волн для одноклеточных и многоклеточных эукариот не одинаковы. 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 химическое волновое поле ограничено размерами клетки, тогда как у многоклеточного оно охватывает весь организм. Оптимальные масштабы проекции химического волнового поля 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 ожидаемое 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. Протяжённость фронта волны в направлении её 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 протяжённость 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, причём 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 всё-таки давала УФ-излучению определённый 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 нём 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 не когерентен. 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 остаётся 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 удаётся, она сама становится весомым доказательством существования в клетках химических волн, а связь этого излучения с процессами развития подтверждает главные положения концепции структурогенеза.

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 гл. 2.4.5. Там же будут отмечены признаки участия в реакции крупных молекул, снижающих стерический фактор реакции. Всё 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 химического волнового поля. 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 распространённые, 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 (см. главу 2.6.2.). Бог в помощь тем, кого увлекут такие поиски!

*          *          *

Появление волнового управления транскрипцией стало принципиальным отличием эукариот от прокариот. Оно позволило эукариотам накапливать резерв не используемых 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.

Краткий  словарь

Амбулакральные каналы – составная часть воднососудистой системы у иглокожих, служащей для передвижения (ambulacrum, по лат. – место для передвижения), для дыхания и др. Амбулакральная система состоит из околоротового кольца и радиальных каналов. С водной средой связана через пористую пластинку. Радиальные каналы имеют боковые отростки, входящие в амбулакральные ножки – цилиндрические трубочки с ампулой у основания и с присоском или подошвой на внешнем конце (у морских звёзд, морских ежей и др.) или с острым окончание (у морских лилий, офиур и др.).

Априорный (от лат. a priori – изначально) – независимый от опыта, предшествующий ему.

Барра тельце – находящаяся в неактивном (конденсированном) состоянии одна из двух Х-хромосом в ядре каждой клетки женского организма. Располагается вблизи ядерной оболочки.

Гаплоидный геном – одиночный комплект каждого из типов хромосом данного биологического вида (обычно в гаплоидный геном входит и одна половая хромосома). Для высших животных и растений характерно наличие в клеточном ядре двух гаплоидных геномов – одного, унаследованного от отца и одного – от матери.

Геном – совокупность генов, локализованных в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом эукариот, в нуклеоиде прокариот или в нуклеиновых кислотах вирусов.

Гетерохроматин – неактивная, компактно упакованная разновидность ядерного вещества – хроматина. В хромосомах гетерохроматиновые участки расположены преимущественно в районах центромер. По сравнению с эухроматиновыми участками они содержат меньше структурных генов (кодирующих белки или полипептиды), отличаются более поздней репликацией (удвоением). Расположение гетерохроматина на хромосомах очень индивидуально.

Гомозиготная линия – популяция организмов, у которой подавляющее большинство генов представлено или только доминантным, или только рецессивным вариантом (аллелем). Доминантный ген отличается от рецессивного тем, что при их одновременном наличии в геноме проявляется только доминантный аллель.

Гранулы – сферообразные частицы, часто – молекулы или мультимолекулярные комплексы белковой природы.

Дальтон – единица массы, равная массе водородного атома.

Диплоидный геном – геном, в котором каждая из хромосом (кроме подчиняющихся более сложным закономерностям хромосом, определяющих пол) представлена двумя экземплярами, один из которых унаследован от отца, а другой – от матери.

Зигота – оплодотворённая яйцеклетка, та единственная клетка, из которой развивается многоклеточный организм в результате полового процесса.

Имагинальные диски – небольшие, строго определённые группы клеток личинки, из которых в дальнейшем, в ходе метаморфоза развиваются органы тела половозрелого (как правило, летающего) насекомого (имаго).

Интерфазное ядро – наиболее важное и продолжительное состояние ядра клетки в клеточном цикле. Именно в интерфазном ядре синтезируются РНК и ДНК, что определяет последующий синтез белков и деление клетки. Только в интерфазном ядре хромосомы находятся в рабочем состоянии, а гены занимают необходимые места в ядерном пространстве.

Интроны – в ядерных генах, кодирующих строение молекул белков или РНК (по нашей терминологии – в М-генах), – это участки ДНК, расположенные между экзонами, собственно несущими информацию о кодируемых молекулах. Транскрипты с интронов вырезаются из молекул РНК при сплайсинге и не используются в ходе дальнейшего синтеза. Информационная роль интронов заключается в обеспечении заданного пространственного расположения экзонов по отношению к активным зонам акустического поля ядра. Эту роль они выполняют совместно с другими „некодирующими” участками ДНК, используя фиксацию определённых „точек” ДНК на ядерной оболочке и внутриядерном белковом матриксе.

Компартмент – здесь участок крыла насекомого, отличающийся по некоторым свойствам или по происхождению от соседних участков.

Кристаллиновые гены кодируют так называемые кристаллины – структурные белки прозрачных сред глаза, например, его хрусталика.

Лактоза – один из сахаров. Характерен для молока.

Меланоцит – клетка, интенсивно окрашенная меланином. Особый интерес представляют меланоциты радужной оболочки глаза, расположение и интенсивность окраски которых позволяют судить о состоянии внутренних органов, связанных с ними (как полагают исследователи) нервными волокнами в обход центральной нервной системы. На этой особенности меланоцитов радужной оболочки глаза основана иридодиагностика.

Метафазная пластинка – форма организации генетического материала эукариот, кратковременно существующая в процессе деления клетки, при которой все хромосомы располагаются в одной плоскости. Возникает перед расхождением в разные стороны каждого из двух возникших к этому времени наборов хромосом и формированием ядер двух новых клеток.

Митоз – процесс деления клетки, которому предшествует удвоение количества ДНК (происходящее во время интерфазы, т.е. во время существования интерфазного ядра), в результате чего обе дочерние клетки получают диплоидные геномы. Это отличает митоз от мейоза, в который клетка вступает, имея обычный диплоидный (т.е. двойной) набор хромосом, и тогда после деления каждая из двух новых клеток получает одиночный (или иначе – гаплоидный) набор хромосом.

Митохондрии – органеллы клетки, обладающие собственным геномом, сходным с геномами прокариот. Митохондрии являются энергетическими центрами клетки. Используя энергию питательных веществ, они присоединяют к аденозинмонофосфату (АМФ) дополнительные фосфатные группы и превращают его в насыщенный энергией аденозинтрифосфат (АТФ), который и используется для всех энергетических нужд клетки.

Немертины – тип беспозвоночных животных. Длина от 1 мм до 30 м, тело удлинённое, цилиндрическое, с длинным выступающим хоботком, не имеет полостей. Промежутки между органами заполнены паренхимой. Пищеварительная система состоит из передней, средней и задней кишки, хорошо развита кровеносная система, органы дыхания отсутствуют. Раздельнополы, оплодотворение – внешнее. Живут в морях, изредка – в пресных водах и во влажных местах суши. Хищники, питаются моллюсками и червями.

Нуклеосомы – сферические белковые агрегаты, на каждый из которых обычно намотано несколько более, чем один виток ДНК. Нуклеосомы с намотанной на них ДНК укладываются в цилиндрическую спираль более высокого порядка, называемую соленоидом; а на основе соленоидов строятся ещё более сложные хроматиновые структуры. Разрыхление хроматина заключается в локальном разрушении соленоида и отрыве ДНК от нуклеосом.

Ооцит – женская половая клетка в период роста и дозревания.

Оперон – группа одновременно, скоординированно активируемых генов в геномах прокариот, снабжённая общими регуляторными элементами – промотором, оператором, терминатором и др.

Плазмодесма – заполненный протоплазмой канал в оболочках соседних клеток растений, являющийся своеобразным аналогом соединения протоплазмы соседних клеток животных через коннексоны.

Праймер – участок цепочки нуклеотидов, название которого примерно переводится как „промежуток”, „вставка”.

Преформизм – научное направление в эмбриологии, особенно заметное в XVII веке и утверждавшее, что все детали строения будущего организма предсуществуют и предраспределены с самого начала развития в том же пространственном порядке, в каком они расположены у взрослого животного. Преформисты допускали не новообразование частей, а лишь их рост. Существовали преформисты-анималькулисты (от animalculum – спермий), полагавшие, что все детали будущего организма предсуществуют в сперматозоиде, и преформисты-овисты (от ovum – яйцо), отводившие подобную роль яйцу.

Прокариоты – одноклеточные организмы упрощённого строения, не имеющие клеточного ядра. Их геном имеет вид нуклеоида – замкнутой в кольцо двойной спирали ДНК, плавающей в протоплазме или прикреплённой к оболочке клетки в небольшом числе точек.

Репликация – синтез ДНК на матрице ДНК. Является необходимым элементом подготовки ядра к делению клетки, так как обеспечивает удвоение количества хромосом для последующего формирования двух ядер. В процессе репликации (как и при транскрипции) спираль ДНК расплетается на две отдельные нити. На основе каждой из нитей синтезируется комплементарная ей нить-копия, а процесс самосборки скручивает одну старую и одну новую нить в новую двойную спираль ДНК.

Репрессия генов – подавление активности генов, установление препятствий для их транскрибирования.

Рибосомы – молекулярные агрегаты, которые на основе информации, представленной тройками (“триплетами”) нуклеотидов РНК, соединяют отдельные аминокислоты в цепочку, далее самостоятельно сворачивающуюся в молекулу белка. Рибосомы являются, пожалуй, наиболее сложными из известных молекулярных агрегатов. Они построены из нескольких типов белков и имеют внутренний каркас из нитей РНК различной длины. Такие РНК принято называть рибосомными и обозначать рРНК. В хроматине ядрышка находятся лишь многократно размноженные кластеры генов трёх наиболее длинных нитей рРНК с показателями седиментации (оседания в растворе) 5,8S; 18S и 28S. Кроме того, в периферийном хроматине ядра располагаются гены 5S рРНК.

РНК-полимеразы – ферменты (молекулярные машины), осуществляющие во взаимодействии с рядом других молекул синтез цепочки РНК на матрице ДНК. В клетках прокариот имеется один тип РНК-полимеразы, а у эукариот – три типа. По существу, это устройство считывания информации с ДНК.

Сайт локализации – определённое место расположения нуклеотидной последовательности на хромосоме.

Сплайсинг – одна из операций „созревания” молекул РНК (рибонуклеиновой кислоты), в ходе которой из цепочки нуклеотидов специальными ферментами удаляются части, соответствующие интронам, а оставшиеся части цепочки соединяются воедино.

Стерический фактор – один из важнейших параметров кинетики химической реакции, определяется вероятностью вступления в реакцию двух столкнувшихся частиц, обладающих достаточной энергией. Название связано с зависимостью результата столкновения частиц от их взаимной ориентации при ударе. Для реакций атомов и одноатомных молекул с молекулами – стерический фактор близок к 1. Для реакций крупных молекул и радикалов с молекулами он изменяется от 10^–3 до 10^–6 и даже до  10^–10.

Таксон – общее название различных групп организмов в биологической классификации – т.е. видов, родов, семейств и т.п.

Тандемный повтор – ряд одинаковых нуклеотидных последовательностей, внутри которого их ориентация не изменяется.

Теломера – участок, которым оканчивается каждая хромосома. Данные о строении теломерных участков хромосом можно найти, например, в работе [154].

Тельца Барра – см. Барра тельце.

Трансдетерминация – особые случаи искажения генетической информации, управляющей формированием организма, при многократных пересадках клеток имагинальных дисков насекомых.

Транскрипция – синтез однонитевой цепочки нуклеотидов РНК (рибонуклеиновой кислоты) на матрице ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). У прокариот транскрипция выполняется ферментом, носящим название ДНК-зависимой-РНК-полимеразы. У эукариот – выполняется тремя разными типами ферментов с таким же названием. Здесь каждая из РНК-полимераз обслуживает определённый тип генов. С точки зрения кибернетики, транскрипция (синтез транскрипта) оказывается прочтением генетической информации из долговременной памяти, какой является ДНК, и перезаписью её на короткоживущий носитель – РНК, который далее переносится в цитоплазму, к месту синтеза соответствующего белка.

Фибриллы – широко распространённые в клетках надмолекулярные белковые структуры в виде нитей (часто имеют строение трубочки, образованной плотной цилиндрической спиралью).

цАМФ – циклический аденозинмонофосфат – вещество, молекулы которого, благодаря своей особой пространственной конфигурации, обладают весьма специфическими сигнальными свойствами и которое широко используется системами внутриклеточной сигнализации.

Центромера – участок хромосомы, соединяющий два плеча, служащий местом её излома и обычно не содержащий генов. При делении клетки именно к центромерам прикрепляются тянущие нити в ходе разделения набора хромосом на два генома, из которых в дальнейшем формируются ядра дочерних клеток. Данные о строении центромерных участков хромосом можно найти, например, в работе [154].

Цитохромы – сложные мембранные белки, небелковая часть которых содержит железо. Переносят электроны путём обратимого изменения валентности железа при окислительно-восстановительных реакциях в клетках всех аэробных (т.е. использующих приток кислорода) организмов, что сопровождается созданием богатого энергией соединения – АТФ.

Шпорцевая лягушка, ксенопус – крупная южноафриканская лягушка Xenoрus laevis, являющаяся излюбленным объектом многих исследований.

Экзоны – в ядерных генах, кодирующих строение каких-либо молекул или молекулярных агрегатов (по нашей терминологии – в М-генах), – это участки, непосредственно несущие информацию о цепочках аминокислот (прежде всего, белков) или нуклеотидов РНК, имеющих самостоятельное значение (например, РНК рибосом). Экзоны одного гена отделены друг от друга интронами – участками ДНК, транскрипты с которых не используются при дальнейшем синтезе.

Электрострикция – сжатие диэлектриков в электрическом поле, пропорциональное квадрату напряжённости поля.

Эухроматин – готовая к активированию, менее компактная часть хроматина интерфазного ядра. Содержание эухроматина нелинейно возрастает по направлению от оболочки ядра к ядрышку.