ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РУССКОЙ мысли ТОМ 5


Отдел Теоретических Проблем Российской Академии Наук


П. П. Гаряев





                ВОЛНОВОЙ ГЕНОМ














Москва «Общественная польза» 1994

УДК 575.17

              Издание выходит с 1993 г.
Ответственный за выпуск В. Г. Родионов (главный редактор журнала «Русская Мысль»)

Энциклопедия Русской Мысли: Русское Физическое Общество. Издательство «Общественная польза»: — М.: Общ. польза, 1993 —      — ISBN 5-85617-100-4. '

Т. 5: (П. П. Гаряев. Волновой геном). — 1994. — 280 с. — ISBN 5-85617-005-9.



Пятый том «Энциклопедии Русской Мысли»,— монография Петра Петровича Гаряева, кандидата биологических наук, ст. научного сотрудника Отдела теоретических проблем Российской Академии Наук, — посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию нового направления в биологии — Волновой Генетике.
Предлагаемая в настоящей работе концепция Волнового гена основывается на фундаментальных исследованиях, проведенных в свое время А. Г. Гурвичем и А. А. Люби-щевым и развиваемых сейчас Дзян-Каньдженем и школой академика В. П. Казначеева.
Монография содержит несколько десятков рисунков, графиков, таблиц, микро- и макрофотографий и разделена на две основные части — теорию и экспериментальный раздел. Анализируются новейшие уникальные экспериментальные данные, касающиеся памяти генома, обмена информацией биосистем на молекулярном уровне, разговорного языка молекул ДНК. Обосновывается концепция голографического механизма хранения, передачи и восстановления морфогенетической информации. При этом генетический код и генетические тексты живых организмов представляются в виде образно-семантических конструкций солитонного типа.
Монография носит дискуссионный характер и призвана преимущественно к тому, чтобы попытаться выйти из привычных рамок понимания механизмов работы одномерного генетического кода и принять версию многомерности генетических языков, реализующихся как волновые атрибуты хромосомного аппарата биосистем.
Монография предназначена для широкого круга научных работников естественнонаучного профиля (биологов, медиков, биофизиков, генетиков), а также философов, лингвистов, специалистов по теории информации, информационным, нейрокомпьютерным и интеллектуальным сетям и системам.




ISBN 5-85617-005-9. (Т. 5) ISBN 5-85617-100-4.

          © Энциклопедия Русской Мысли, 1994 © Издательство Русского Физического Общества «Общественная польза», 1994
          © Гаряев П. П., 1994


ПРЕДИСЛОВИЕ



    Монография П. П. Гаряева «Волновой геном» посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию нового направления в биологии — волновой генетике. Предлагаемое положение о кодовых полях распределенной системы хромосомных излучателей (в дополнение к известному матричному синтезу белков) представляет не только теоретический интерес, но имеет также большое практическое значение. Уже сейчас видны перспективы его использования в онкологии, геронтологии и других разделах медицины, а также в сельском хозяйстве, молекулярной биотехнологии и электронике. Такой комплексный подход к анализу работы генетического аппарата Позволяет понять механизмы фрактальной свертки пространственно-временных характеристик биосистемы в ее хромосомах с учетом их микроокружения. Этот механизм включает голографическую память и речевую структуру ДНК. Последнее особенно актуально и переводит понятие ДНК-«тек-стов» из области метафор в хорошо формализованное русло математической лингвистики и лингвистической генетики. В работе затронута проблема связи структуры сознания и структуры генома как систем, оперирующих фрактальными знаковыми построениями, универсальной пластической единицей которых является Слово.
    Теоретические исследования с позиций физики проведены на примерах двух связанных генераторов, приближенно моделирующих топологию и электродинамику ДНК в составе хромосом. Схема генератора предложена А. А. Березиным (ОТП РАН) и существенно модифицирована впоследствии П. П. Гаряевым (ОТП РАН) и Г. Г. Комиссаровым (ИВТ РАН). Обсуждается явление возврата Ферми-Паста-Улама как процесс солитонообразования в ДНК и физико-математическая модель голографической памяти в хромосомах.
    В экспериментах с использованием спектроскопии корреляции фотонов проведено доказательство генерации гелями ДНК in vitro

3

акустических солитонов в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. Практические исследования включили в себя также опыты по дистантной трансляции излученных сигналов от зародышей Xenopus laevis к эмбриональной ткани с помощью генератора А. А. Березина, что согласуется с известными экспериментами Дзян-Каньдженя (г. Хабаровск).
    Проведены эксперименты с использованием этого генератора по илитаию сознания человека-оператора на метаболизм в растениях, аналогично разработкам школы академика В. П. Казначеева (г. Новосибирск) и опытам исследовательского центра Р. Джана (г. Принстон).
    Монография предназначена для широкого круга читателей — биологов, медиков и, несмотря на дискуссионный характер ряда положений, является очень интересной.
    Настоящая работа П. П. Гаряева выходит в свет благодаря активному сотрудничеству издательства Русского Физического Общества с генеральным спонсором данной книга — Александром Андреевичем Шашиным.

                                      Директор ОТП РАН, профессор академии ПАНИ Э. И. Андрианкин


    Часть 1.


            БИОМОРФОГЕНЕЗ И ЕГО МОДЕЛИ






1. МАТРИЧНО-ЯДЕРНЫЕ ОТНОШЕНИЯ

    Обсуждается взаимодействие внеклеточных матриксов с клетками и их компонентами — ядром, цитосклетом, белоксинтезирующим аппаратом,— и роль этого взаимодействия в онтогенезе. Предлагается гипотеза кодовой иерархии изоморфных матричных и нуклеиновых инфраструктур, обменивающихся эпигенетической информацией по физическим каналам биоэлектретных и иных состояний. Предполагается, что интерцеллюлярный ретикулум образует специфическую сигнальную систему животного организма.
    Межклеточное вещество или интерцеллюлярный ретикулум, одной из форм которого являются внеклеточные матриксы (ВКМ), обладает тонкой, высокоорганизованной, изменяющейся во времени и пространстве архитектоникой. Этот неслучайным образом структурированный субстрат несет первичную и двойственную функцию разделять и вместе с тем объединять клетки; он может почти полностью отсутствовать, например, на ранних эмбриональных стадиях, принимать форму базальных пластинок, отделяющих эпителиальные клетки от подлежащей мезенхимы, или гипертрофироваться в хрящевой и костной тканях. Молекулярный, ионный составы матриксов лабильны, причинно-следственно связаны с возрастом, конкретным метаболическим состоянием и типом ткани, являют собой совокупность фибриллярных и нефибриллярных белков и различных катионов, преимущественно Са . Белки ВКМ — это коллагены 5 типов, эластин, сложные высокомолекулярные протеогликаны (фибронектин, ламинины энтактин, коннектин, цитотактин), в составе которых — гиалуроновая кислота, гликозаминогликаны и малоизученная, но, видимо, функционально значимая фракция низкомолекулярных белков [17, 24, 49, 50, 53, 71, 74—76, 84—87 ].
    Долгие годы считалось, что функции межклеточного вещества исчерпываются его опорными и разделяющими клетки свойствами. Так было до 1955 г., когда Гробстейн [39—41 ] показал, что ассоциированные клеточные популяции действуют друг на друга, генерируя новые

4

5

клеточные типы. Это явление было названо «эмбриональная индукция», а сейчас известно как «тканевое взаимодействие».
    Было продемонстрировано, что эпителий-мезенхимные взаимодействия являются ключевыми для возникновения новых и расхождения дифференцирующихся тканей [22, 45 ]. Но главное и не оцененное поначалу положение Гробстейна [41 ] заключалось в том, что эмбриональная индукция есть матрично-опосредованное явление. Вплоть до недавнего времени гипотезе Гробстейна не придавали должного значения. Переворот в оценке роли ВКМ наступил, когда в 1974 г. на 2-м международном коллоквиуме «Влияние ВКМ на генную экспрессию» было осознано и сформулировано одно из основных направлений в клеточной и молекулярной биологии, сравнимое с открытием и дальнейшими работами по функции ДНК, а именно то, что геном клеток может эффективно (дифференцированно) реализовывать себя только через ключевое звено эпигенетического посредничества ВКМ. Это означало, что информация о том как развиваться клетке, ткани, органу и организму как целому находится не только в хромосомах, но и во внеклеточном специализированном веществе, функции которого подвержены экспериментальным модификациям [80 ].
    После некоторого латентного периода образовалась настоящая лавина экспериментальных исследований по ВКМ, которые в определенной мере суммированы в фундаментальных сборниках (45, 54, 71, 80). Значимость этого направления понята и у нас [9, 17, 12 ]. Лебедев [9 ], исходя из физиолого-биохимических свойств коллагена как основного компонента ВКМ, предложил отнести коллагеновые структуры с гормоноподобными функциями к одной из информационных систем организма.
    Доказательство роли ВКМ и его компонентов на процессы цитодифференцировки проводилось и проводится преимущественно феноменологически, мало затрагивая конкретные молекулярные или иные механизмы их эпигенетического функционирования. Однако, некоторые предположения о механизмах работы ВКМ есть. Так, Лебедев [9[ считает, что структуры фиксированных коллагеновых образований ВКМ и соединительной ткани служат своего рода ориентирами для определения местоположения клеток в духе теории позиционной информации Вольперта [94]. Петухов [12] в некоторой части своих рассуждений о роли межклеточного вещества близок изложенным идеям, считая его некой «системой координат». Но он идет дальше и в другом направлении, когда утверждает, что межклеточное вещество является носителем «полей объемного роста» организмов, обладающих специфической (свойственной живому) геометрией и дающих, в частности,

т. н. репликационный (копирующий) объемный рост. Более того, ре-пликационный объемный рост, по Петухову, «... можно зачастую трактовать как специфический класс автоволновых процессов». Последнее утверждение заслуживает особого внимания, поскольку находится, вероятно, в прямом соответствии с зарегистрированными фактами образования периодических пространственных структур (клеточных паттернов) на коллагеновых моделях ВКМ [43 ] и кругового движения гиалиновых выпячиваний клеток ранних зародышей амфибий [51 ], которое можно рассматривать как периодические, возможно, ав-товолновые сигналы клеток на ВКМ, а следовательно, через него — на другие клетки. Это примеры упорядоченной механической нестабильности матрично-клеточных систем, которая способна относительно быстро перемещаться в трех мерном пространстве и нести сигнал морфогенетической информации на большие расстояния и быстрее, по сравнению с химическими агентами в морфогенетической модели Тьюринга [43, 64 ].
    Механическая матрично-клеточная нестабильность наблюдается, как правило, в эмбриональных тканях и имеет своим источником силы натяжения клетками своего субстрата (ВКМ) и других клеток [64 ]. Круговое движение клеточных гиалиновых выпячиваний является пока экзотическим исключением такого рода нестабильности. Удивительно, что относительно простая физика вязко-эластических тяговых усилий движущихся в ВКМ клеток может быть описана адекватной количественной и качественной моделью формирования регулярных крупномасштабных распределений в развивающихся мезенхимных клеточных популяциях, предложенной Остером и др. [64]. Эта модель, в которую входят такие параметры, как поток клеток, градиент плотности клеток, градиент плотности ВКМ, митотический уровень, гаптотаксис, конвекция клеток и другие (всего 10), обладает большой предсказательной силой и приложима, по крайней мере, к таким хорошо изученным морфогенетическим процессам как образование трехмерного клеточного паттерна кожных сосочков перьевых закладок, конденсации хрящевых скелетных рудиментов и развитию позвоночных дисков. Авторы, однако, не претендуют на применимость описанного модельного мехнизма вообще ко всем эмбриональным процессам. Существенное ограничение этой модели состоит также и в том, что за пределами ее остаются изначальные метаболические причины, регулируемые как-то и побуждающие клетки двигаться и генерировать те самые тяговые усилия на ВКМ и других клетках, усилия, которые, по мысли авторов, и служат механическими нестабильностями, играющими роль активных начал морфогенеза.

6

7

    Плодотворную попытку расшифровать суть эпигенетических влияний ВКМ на клетки предприняла Биссель и соавт. [22 ], предложившие гипотезу «динамической взаимности» клетки и ВКМ. Влияние ВКМ через клетки направлено и на сформировавшуюся ткань. Оно выступает развивающимся непрерывно, динамичным. ВКМ действует на клетку, которая отвечает метаболическими перестройками, вызывающими, в свою очередь, составно-структурные изменения ВКМ, которые опять-таки влияют на клетку и т. д. В этом и заключена динамическая взаимность. Правда, не совсем понятно, чем она отличается от типичной обратной связи. Далее, группа Биссель, исходя из наличия морфо-функциональных связей между компонентами ВКМ и ядром клетки, предлагает модель «внешнего цитоскелета». Эта модель предполагает стабильность дифференцированного состояния, зависящего не только от клетки, но и от клетки плюс ее ВКМ. Следовательно, здесь выявляется свойственная клеточно-матричным отношениям двойственность, противоречивость: с одной стороны, ВКМ обеспечивает динамизм клеточных форм в развивающихся тканях, с другой — стабилизированность морфо-состояния в уже сформированной ткани.
    Структурно-функциональному подходу к выяснению того, как действует ВКМ, противостоят и дополняют морфо-биохимический и иммунологический методы с их попытками выделить, получить в чистом виде активные белковые или иные матричные начала и (или) выяснить топографию распределения этих начал.
    Существенные в этом плане результаты были получены при использовании деминерализованного костного матрикса, который, будучи имплантирован под кожу, индуцирует превращение фибробластов в хондроциты и остеоциты с образованием хряща и кости [70 ]. Ведутся интенсивные работы по выделению и очистке из костного матрикса индивидуальных белков, способных индуцировать дифференцировку кости. Было также показано, что деминерализованный костный матрикс при аллогенной трансплантации под кожу индуцирует локальную дифференцировку эндохондральной костной ткани [74 ]. Ксеногенная трансплантация такого ВКМ не дает подобных результатов, что указывает на видоспецифичность индивидуального ответа. В данной работе матрикс костей обезьяны, быка и крысы экстрагировали 4 м гуани-дин-HCl, а экстракты фракционировали путем гель-фильтрации. Затем разные фракции ассоциировали с биологически неактивными остатками ВКМ крысы. Полученные продукты анализировали на способность к индуцированию дифференцировки кости. Оказалось, что таковой способностью обладают сравнительно небольшие белки с М. м. меньше 50 кД, и что эти белки гомологичны для всех исследованных

видов. Кроме того, была показана зависимость индивидуальных потенций таких белков от витамина Д [75 ]. Это выражалось в том, что витамин Д-дефицитные крысы (рахитизм) имеют костный матрикс с набором белков, у которых описываемая активность много ниже по сравнению с контролем. Было показано также, что неочищенный костный матрикс и экстракты из плюсневых костей способны вызывать хонгдо-генез в мышечных клетках 19-дневных эмбрионов крыс [78 ]. Кровь и сыворотка также способны индуцировать хондроциты и другие мезодермальные производные [83, 44 ]. Этим работам по крови предшествовали ранние исследования в том же направлении [90, 77 ], где было показано, что в плазме и сыворотке крови человека находится некий фактор, который может сорбироваться на нескольких типах культивируемых клеток и побуждать их к мезодермальному морфогенезу. Обнаружение в крови и плазме мезодермализующих активностей, имеющих, вероятно, также белковую природу, не вызывает удивления, поскольку кровь можно рассматривать как жидкую соединительную ткань, а ее плазму как жидкий ВКМ [17]. Важен и другой момент: универсальность, единство, общность деструктивного функционирования ВКМ во всех типах тканей.
    Попытки выделить из ВКМ (или из тканей) в чистом виде так называемые «программирующие» (мезедермализующие, вегетализирую-щие, нейрализующие и прочие), а по сути,— морфогенетические факторы белковой и иной природы, были начаты давно и продолжаются по сей день. Принципиальные результаты в этой области получены Хоперской [17 ], которой удалось доказать общность свойств программирующих белков для всех типов ВКМ человека и основных классов животных.
    Аналогичные исследования проводят Юрист с соавт. [89 ], которые из костного матрикса изолировали остеогенный белок, являющийся, вероятно, одним из тотальных фракций белков с М. м. около 50 кД, что получили впоследствии и другие [79, 71, 74—76]. Сходный белок был получен также из плавательного пузыря рыб [53]. Эффективно работает в указанном направлении группа Тидеман [84—88, 49, 50, 24 ]. Выделенные ими препаративные количества активных начал такого рода — это также низкомолекулярные белки и нуклеопротеиды, где роль нуклеинового компонента неясна. Эти исследователи показали, что мезодермализующий белок легко адсорбируется, проникает в клетку и взаимодействует с ядром, используя в качестве мишени действия геном. Однако, эта работа небезупречна методически. Нейрали-зующая белковая фракция, по их представлениям, не проникает в

8

9

клетку, а остается на ее поверхности, на специализированных рецепторах, играя роль триггера определенного типа метаболизма.
    Интересный метод исследования взаимоотношений ВКМ и клеток предложили Мэй и Ченг [57 ], которые нашли способ покрытия микрошариков из цитодекса-2 матриксом желточного мешка с последующей посадкой на обработанные таким образом шарики клеток различных линий обезьяны, крысы, человека, мыши, в том числе и опухолевых.
    Эплин и др. [19 ] показали множественность механизмов прикрепления эпителиальных клеток амниона человека к их ВКМ,который содержит как трипсин-чувствительные, так и трипсин-резисгентные сайты, обеспечивающие адгезию. Имеются данные о прямом участии ВКМ в процессах старения [28, 29 ]. Трудоемкая и значительная работа проделана Хесл и др. [46 ], в которой выявлено с помощью маноклональных антител наличие в ВКМ антител, отличных от антилами-нина и других к уже известным компонентам ВКМ. Это указывает на то, что макромолекулярный состав ВКМ далеко не изучен до конца.
    Не только чисто белковые компоненты ВКМ имеют морфо-генетические свойства, но и полисахаридные компоненты протеогликанов-гликозаминогликаны — обладают модулирующими свойствами в проявлении активности ВКМ, причем часто их влияния носят разнонаправленный характер. Так, противоположным образом действуют гиалуронат и хондроитин-сульфат. Как и в случае коллагена, даже фрагменты гиалуроновой кислоты ингибируют в определенных условиях функциональную дифференцировку тканей [22 ].
    Существует множество доказательств, что даже после формирования ткани ее способность реализовать свои функции зависит, тем не менее, от природы ее ВКМ. В высшей степени характерно, что клетки в условиях культуры могут претерпевать существенные изменения в своих дифференцировочных функциях в зависимости от состава и структуры ВКМ [21 ]. Исследования показали, что определенные функциональные потери культур могут быть восстановлены, если клетки помещать на естественную поверхность ВКМ, но не на пластик или стекло непосредственно. Положительная роль линзового ВКМ или чистого коллагена на формирование клеток линзовой стромы в культуре была изучена Хэй [45 ]. Эта, а также многочисленные работы по индукции хряща и хондрогенеза показывают, что даже после сформирования хондроцитов или линз искусственное удаление ВКМ приводит к потере дифференцировочных функций, а его восстановление приводит к редифференцировке. Также как в случае дифференцировочных процессов, компоненты ВКМ могут иметь и положительную, и отрицательную направляющую в поддержании тканевой специфичности [21,

22 ]. Ясно, что ВКМ стабилизирует уже достигнутый тканями морфофункциональный статус и является, возможно, главным носителем высших механизмов гомеостаза тканей от зрелости до начала старения. Это согласуется с фактом участия ВКМ в старении и необычайно важно в поддержании целостности, стабильности его защитных систем. Однако, этот аспект значимости ВКМ еще требует большой теоретической и экспериментальной работы. Инструктивные функции ВКМ простираются и на клеточную пролиферацию. Регуляция роста — это важный пункт тканевой специфичности и поддержания «нормального» гомеостаза. В противоположность большой литературе по механизмам регуляции роста клеток в культуре, знание роли ВКМ в этом процессе ограничено. Это удивительно, т. к. первые успехи по выращиванию клеток в культуре были связаны с использованием фибриновых сгустков для адгезии растущих клеток. Биохимия взаимодействия клеточной поверхности с ВКМ стала значительно яснее, когда был открыт, выделен и очищен присущий ему практически всегда фибронектин [47, 95]. С помощью иммунофлуоресцентной техники было показано, что фибронектин располагается внизу и частично поверх культивируемых клеток [48 ]. Дальнейшие исследования выявили, что фибронектин имеет специфическую роль прикрепления фибробластов к их субстрату. Количество работ по фибронектину стало быстро расти [см. обзор 73 ], выявляя многочисленные детали в организации ВКМ. Было обнаружено специфическое фибронектин-коллагеновое взаимодействие посредством определенных участков связывания с образованием комплекса этих молекул в матриксе. Далее, было показано, что комплексообразование происходит с участием другого протеогликана — ламинина, а фибронектин способен связывать гликозаминогликаны. Было выяснено также, что фибронектиновая молекула имеет два типа сайтов, связывающих компоненты матрикса и клеточную поверхность. Иммунофлуоресцентная микроскопия с использованием антисыворотки против актина, тубулина, виментина и других цитоскелетных белков показала высокую упорядоченность в организации внутриклеточных фибрилл, большая часть которых ассоциирована с плазматической мембраной и ВКМ [56 ].
    Было доказано, что фибронектин вне клетки и актиновые пучки внутри клетки связаны [56 ], а использование изящного методического приема мягкого отделения фибробластов от мест связывания на культуральных чашках продемонстрировало, что остающиеся после отделения клеток молекулярные фрагменты, т. н. «отпечатки ног», содержат в своем составе фибронектин и гликозаминогликаны, также как и компоненты цитоскелета — актин, миозин и белки микротрубочек

10

11

[30 ]. Это было прямым свидетельством контактов цитоскелетных структур с ВКМ.
    Однако, эти контакты несут не только чисто механические функции: назначение их, вероятно, гораздо шире. Неожиданным и трудно поддающимся обьяснению, например, оказалось обнаружение иммунологического родства сульфогликопротеина М. м. 205 кД из ВКМ мышиных фибробластов с высокомолекулярными белками цитоплазматических микротрубочек этих клеток [25]. Электронномикроскопическое исследование животных клеток показало, что кроме микрофиламентов, промежуточных компонентов филаментов и микротрубочек существуют и сетчатые филаменты, называемые микротрабекулами [92 ], которые контактируют и с ядром, и с цитомембраной. Существенным и принципиальным фактом оказалось и то, что трабекулярная сеть и филаменты ассоциированы с главным компонентом трансляционного механизма клетки — полирибосомами [93 ], функционирование которого напрямую зависит от степени полимеризации указанных клеточных фибриллярных структур [26 ].
    Таким образом, морфо-иммуно-биохимическими методами было убедительно доказано, что межклеточное вещество — ВКМ — является сложной, гетерогенной, по сути информационной структурой, образующей с цитомембраной, цитоскелетом и ядром клетки эпигенетическое функциональное единство.
    Нарушение этого единства меняет пути цитодифференцировки и влияет на уже достигнутый сформированными тканями морфо-функциональный статус. Эпигено-трансляционная регуляция на уровне полисом, опосредованная ВКМ-цитоскелетно-ядерными отношениями, должна играть фундаментальную роль в онтогенезе и в поддержании ткане-специфических функций.
    В настоящее время сложилась парадоксальная ситуация, когда накоплен огромный экспериментальный материал о роли ВКМ, как уже говорилось, преимущественно феноменологического толка, но практически отсутствуют представления о молекулярных и более тонких механизмах матричной работы. ВКМ функционирует, но каким образом? Морфо-связи ВКМ с ядром, клеточной мембраной цитоплазмой зарегистрированы, но это еще не означает понимания их работы. Каково живое содержание этих связей между фибриллярными, главным образом, структурами ВКМ (коллагены), фибриллярными структурами цитоплазмы (микротрубочки, филаменты мышечных белков, РНК, в составе полисом и рибосомная РНК) и фибриллярной структурой клеточного ядра (ДНК в составе хромосом)? Что общего, какие рабочие связи между этими биополимерами, два из которых (ДНК, РНК), как

известно, являются информационными, а коллагены — кандидаты на эту роль?
    Попытки ответить на указанные вопросы будут альтернативой поиска «чистых» морфогенетических веществ, который в настоящее время дал много, но требует развития в иных направлениях. Диффузия химических морфогенов от клетки и клетке относительно медленна и не способна объяснить онтогенез (43 ].
    Неясное, но потенциально высокозначимое информационное взаимодействие между матричными структурами, программирующими белками, ДНК ядра, РНК всех типов и цитоскелетом представляется главным, сущностным в эпигенетических отправлениях ВКМ и выступает в качестве первичного содержания предлагаемой версии развития биосистемы из яйцеклетки, версии, которая будет постепенно развиваться в последующих главах в теоретическом и экспериментальном планах.
    Вернемся снова к модели морфогенеза как пространственной передаче морфогенетических матрично-клеточных механических нестабильностей [64 ]. Главный элемент модели — создание в матричной сети управляющих неоднородностей (градиентов адгезивности, механических колебаний надмолекулярных структур ВКМ и др.). Математический аппарат модели позволяет предсказать будущий пространственный паттерн мезенхимных клеток в раннем эмбриогенезе, в частности,— для кожных перьевых закладок и позвоночных дисков.
    Очевидно, модель верна в главном, но отражает лишь начальные тенденции морфогенезов, на что указывают сами ее авторы. И это понятно потому, что затрагивается только внешняя сторона, простейшие формы клеточно-матричных отношений, результат которых в создании механикоадгезивных векторов для движущихся клеток. Но ограничиваются ли этим функции ВКМ? Из рассмотренной литературы явствует, что ВКМ распространяет свое влияние внутрь клеток на их метаболизм, функцией которого, собственно, и являются клеточные натяжения, деформирующие матрикс. Приводимая выше гипотеза «динамической взаимности» Биссель и др. (22 ] предполагает, что клетка и матрикс обмениваются информацией как при цитодифференцировке, так и без нее.
    И эта гипотеза, и описанная выше модель морфогенеза Остер и ДР. [64 ] оставляют без ответа вопрос: как матричная информация передается внутрь клетки, в том числе и сигналы на ее «мышечно»-со-кратительную систему? Может быть, матрично-клеточные колебания гораздо сложнее по своим пространственно-временным и частотным характеристикам, а следствия их не только и не столько в сигнальных

12

13

чисто механических деформациях, предполагаемых моделью Остер и др? Можно полагать, что порождаемые этими колебаниями биоэлект-ретные, акустические и иные волновые (полевые) эффекты несут в себе гораздо больше морфогенетической эпигенной информации о взаимных состояниях клетки и ВКМ. Для такого предположения есть определенные экспериментальные посылки: (а) конформационная лабильность молекул ДНК, РНК и белков способна заключать в себе огромный запас информации, (б) конформационная лабильность ДНК, РНК и белков означает изменение их биоэлектретных свойств, а следовательно — лабильность и электрических полей, (в) матричные системы (например: костного ВКМ) являются сильными акцепторами электрических, магнитных и электромагнитных излучений. Рассмотрим подробнее эти три пункта в пределах обсуждаемой проблемы.
    Вряд ли имеет смысл приводить здесь результаты исследований по конформационным перестройкам и их биологической значимости для белков и РНК. Этому посвящена огромная литература. Укажем лишь на то, что давно и хорошо изученные вторично- и третично-структурные переходы РНК in vitro до сих пор не зафиксированы для состояния РНК рибосом in vivo. В равной мере это относится и к рибосомным белкам. Более оптимистическая ситуация с транспортными РНК, для которых показана существенность молекулярных конформаций в кодон — антикодоновых узнаваниях [96 ]. Изучение вторичных и более высоких уровней структур ДНК переживают сейчас как бы второе рождение. После долгих лет устоявшихся знаний относительно А-, В-конформаций ДНК в рамках модели Уотсона-Крика, появились многочисленные экспериментальные данные о других, отличных от А-В-состояний, структурах ДНК и о чрезвычайной биологической значимости топологии ее высших уровней. Так например, было показано, что простейшие топо-формы ДНК — узел (кольцевая замкнутая) и линейная молекулы различаются по эффективности транскрибирования тимидинкиназы в ооцитах шпорцевой лягушки в 500—1000 раз [42]. Практически бесконечное варьирование топологических форм ДНК на уровнях, более высоких, чем вторичная структура, определяется, вероятно, тем, что сама вторичная структура молекул ДНК оказалась удивительно подвижной, принимающей разнообразные состояния. Даже в пределах канонической 5-формы был обнаружен структурный полиморфизм [32], который раньше проявлялся только на рентгенограммах коротких олигомеров. Найдена важнейшая для гено-инженерных исследований корреляция между конформацией ДНК и направлением действия рестриктаз [62]. Вероятно, объединяющим фактором для всех высших конформационных состояний ДНК в хромосо

мах служит то, что ее молекулы находятся в жидкокристаллическом состоянии [34, 2 ], изначально обеспечивающим их упорядоченную динамику. Показано существование новых форм вторичной структуры ДНК: Z-форма, /’-форма, теоретически описан В «> Z переход в ее молекуле [4, 79 ].
    Высказано предположение, что ДНК присуща чередующаяся B-Z структура, которая снимает топологические трудности раскручивания ее молекулы при репликации [11]. Приводятся данные, которые позволяют предполагать сосуществование и взаимопереход множественности конформационных состояний на уровне вторичной структуры [79 ], зависящих от определенных последовательностей в ДНК [2, 13, 5].
    Термодинамические, изгибные, торсионные возможности ДНК велики. С помощью вычислительных экспериментов было обеспечено предсказание движения вдоль ее цепи особых уединенных волн (солитоны, кинки) [3, 16, 14, 97 ], потенциальная роль которых, как это будет показано ниже, огромна. В значительной мере это может относиться и к белкам, для которых солитоны также постулированы [7 ]. Широкий спектр возможных структурных перестроек ДНК и теоретический анализ конформаций динуклеозиддифосфатов позволил Покровской и др. [13 ] сделать вывод, что различные специфические последовательности полинуклеотидов будут иметь близкие по геометрии канонические структуры, но принципиально отличающиеся неканонические конформации. Такую возможность они назвали «конформационным кодированием», которое означает, что белково-нуклеиновое узнавание осуществляется на уровне неканонических конформаций нуклеиновых кислот. А, В плюс 5-структурный полиморфизм, Р, неканонические конформации динуклеозиддифосфатов — все эти большие, но ограниченные вариации взаимопереходящих форм вторичной структуры ДНК и ее компонентов детерминируют эволюционно неограниченное разнообразие высших уровней организации полинуклеотида.
    Это предопределяет то, что лабильная совокупность вариантов низших (первичная и вторичная структуры) и высших (после вторичной) уровней организации ДНК — это огромный пул многоступенчатой и многослойной эпигенетической информации (ее иерархия) о потенциальных и реальных операциях с ДНК, предшествующих и подготавливающих к дифференцированному считыванию матричных РНК, последующему их процессингу и, наконец, трансляции в аминокислотные последовательности белков. Оба вида информации, закодированной в РНК,— генетической (первичная структура, нуклеотидная последовательность) и эпигенетической (высшие и низшие формы упа

14

15

ковки вторичной структуры^ заключены в ее пространственной архитектонике, разнообразие которой неограничено или, по крайней мере, неопределенно велико. Кроме того, и это существенно, высшие/(знаковые) топологии ДНК в хромосомах интерфазных ядер позволяют выйти из границ одномерного кодирования биосистемы. '
    Здесь подтверждается известное положение, что информация есть отраженное разнообразие, в том числе и структурное [10]. Если исходить из того, что при ВКМ-ядерных отношениях происходит «динамический взаимный разговор» между этими внеклеточно-клеточными информационными структурами [22, 80], то передаваемая при этом информация может пониматься как разнообразие, которое один объект (ВКМ) содержит о другом (ядро). ВКМ и ядро взаимно и динамически отражают состояния друг друга. Можно сказать об анализируемой ситуации, что при такого рода взаимоотображениях происходит предача разнообразия от одного взаимодействующего объекта к другому. При этом разнообразие меняет свою форму (архитектоника ДНК в хроматине сменяется на архитектонику матричной сети, каким-то образом коррелирует с ней). Говоря языком теории информации, здесь происходит перекодирование разнообразия, но такое перекодирование, которое изменяя форму, сохраняет содержание, конкретное тождество взаимодействующих систем. Какие силы морфогенетического толка и какие внешние по отношению к организму влияния проводят ДНК и ВКМ через эту взаимно коррелированную динамическую иерархию структурных состояний в процессе роста и развития организма?
    Простейшие топологические переходы (линейная — кольцевая замкнутая ДНК) могут, к примеру, быть индуцированы электромагнитным излучением различных диапазонов. Так, индукция одного из бактериоцинов — пиоцина R — осуществляется воздействием ультрафиолетового света на ДНК бактерии Pseudomonas aeruginosa [6], профага А у бактерии Esherichia coli электромагнитным полем 40— 60 ГГц на субтепловом уровне [1 ].
    Чрезвычайно важны в этом плане теоретические и экспериментальные поиски [55, 82, 33 ] по адсорбции электромагнитных излучений (ЭМИ) гигагерцового диапазона молекулами ДНК, в которых было предсказано и экспериментально подтверждено резонансное взаимодействие ЭМИ с ДНК. Были обнаружены резонансные частоты микроволнового поглощения водными растворами образцов клонированной ДНК с известной длиной, последовательностью и топологией. Эти частоты зависят от длины и формы ДНК и лежат в районе 2—9 ГГц. Близкие явления были зарегистрированы для плазмидных и хромосомных ДНК [91 ], а также для рибосомной РНК [60 ]. Полагают [33 ], что

аналогичные феномены будут обнаружены и для других линейных симметричных биомакромолекул. Не исключено, что таковыми будут коллагены, чувствительность которых в костных матричных системах к ЭМИ исключительно велика [58, 59, 65, 20].
    Вернувшись к матричным системам, уместно вспомнить слова Гробстейна: «Мудрость матрикса, заимствованная у Кононовой мудрости тела, вероятно, может быть выражена языком, отличным от наследственности, но связанным с ней» [41 ]. В сущности, здесь прозорливо угадан некий гипотетический «язык» матрично-ядерных отношений, т. е. «язык» обмена супергенетической информацией, о которой говорилось выше, между их главными компонентами — ДНК и коллагеном. ДНК хромосом и коллаген ВКМ пространственно разобщены, но связаны через ансамбль цитоскелетно-ядерных фибрилл, микротрубочек, микротрабекул. Это механические связи, создающие по Биссель и др. [22] геометрически определенные компартменты в цитоплазме и обеспечиваются тем самым метаболические шаблоны и каналы,транспорт продуктов жизнедеятельности клетки. Считается, что эти фибриллярные связи способны каким-то образом преобразовывать характер упакавки ДНК в ядре, но это уже из области предположений. Здесь сила гипотезы Биссель и соавторов иссякает. Как уже подчеркивалось, констатация наличия морфо-связей ВКМ-ядро не означает еще понимания того, как они работают.
    Надо полагать, тяговые усилия, т. е. фактически сверхнизкочастотные колебания, источниками которых являются «внешний цитоскелет» ВКМ и внутренняя совокупность клеточных фибриллярных образований, включая хромосомы,по своей структуре и содержанию гораздо богаче. Меняющаяся геометрия коллагеновых фибрилл и протеогликанов в составе ВКМ порождает движение доменов однотипно поляризованных областей макромолекул и соответствующих им электрических полей по механизму «биоэлектретного эффекта» [8 ] и других биополевых эпигенетических потенций, о которых речь пойдет ниже.
    Есть прямые экспериментальные указания [76 ] о решающей роли геометрии костного ВКМ в процессе остеогенеза.
    Принципиален вопрос: почему меняется геометрия, суть, структурные состояния коллагено-протеогликановой сети ВКМ? Из моделей Биссель и др. [22 ], Остер и др. [64 ] следует, что таковые определяются состоянием и типом клеточных популяций, их суммарными тяговыми усилиями, но кроме того ясно [82, 18, 8, 91, 60, 33], что специфическим образом неслучайно поляризованные ассоциаты макромолекул, в том числе и в составе ядра, ВКМ и полирибосом, не могут не взаимодействовать с внешними по отношению к организму электрическими,

16

17

магнитными и электромагнитными полями. Последнее находит осо-| бенно яркое экспериментальное подтверждение на примере кости как! гипертрофированного ВКМ [59, 65, 20, 58 ].                    I
    Уже более 10 лет назад было принято [59, 65], что электретные! и информационные свойства ВКМ костей каким-то образом связаны,! а Пилла [65] на основании своих экспериментов по изменению остео-1 геназа импульсными электрическими полями, доказал, что при этом] происходит перенос электрохимической информации через межкле-1 точное вещество на мембрану клетки. Особое значение в этом процессе] принадлежит коллагену (как электрету) и ионам Са⁴"⁴. Однако, содер-1 жание понятия «электрохимическая информация» остается неопреде-] ленным.                                                       I
    Бассет и Павлюк [29 ] также полагали, что обнаруженные в осте-1 оцитах и их ВКМ пиро- и ферро-состояния биополимеров, а также их ] электретные свойства определяют многие особенности костной ткани. ] Затем было продемонстрировано, что кости характеризуются опреде-1 ленным электретным состоянием и способны накапливать большие ко-1 личества поляризации (до 10 В/см²). Даже малые электрические поля] могут индуцировать в них измеряемое электретное поведение [59 ]. I Свойства костной ткани обусловлены электретным механизмом накоп-] ления заряда в пространстве кости. Это обусловило применение давно] вошедшего в клиническую практику ускоренного сращивания костных ] обломков постоянными электрическими и переменными электромаг-1 нитными полями нетепловых уровней [58 ].                      ]
    Поскольку огромное большинство биополимеров могут содержать] диполи и (или) ионы, электретное состояние для них — неотъемлемое] качество. Вода, связанная с биополимерами, может также быть резер-| вуаром накопления электрической энергии посредством электретного] эффекта, а следовательно — и источником внутренних полей организ-| ма. Другим, не менее важным, источником внутренних полей организ-] ма являются трансмембранные электрические поля, обусловленные] калий-натрий и водородными насосами в нервных клетках и митохон- ] дриях. Это перманентно присутствующие, перемещающиеся, меняю-] щие свои характеристики поля, не учитывать действия которых, в ча-] стности,— на ВКМ, нельзя. Правильнее будет поставить вопрос даже] шире: как влияют взаимодействия электрических полей цитоплазма-] тического и матричного происхождения на ВКМ-клеточные взаимоот-] ношения? Несомненно, эти отношения включают в себя и обмен ин-] формацией, реализующей, по крайней мере частично, ту «динамиче-] скую взаимность» клетки и ее ВКМ, которую постулирует Биссель и] др. [22]. Таким образом, можно полагать, что инструктивная инфор-1

мация сложных полимерных сетей ВКМ заключена в динамизме их электретно-полевых состояний и связанных с ними конформационных перестроек.
    Если, исходя из сказанного, принять положение, что надмолекулярные ассоциаты биоэлектретной протеогликано-коллагеновой сети ВКМ в аранжировке малых «программирующих» белков являются специфическими акцепторами, преобразователями и передатчиками от клетки к клетке внутренней и внешней полевой информации, то гипотеза Гробстейна [41 ] о «мудрости матрикса», имеющего свой «язык», становится более понятной. «Диалог» клетка-матрикс, кроме мелкомасштабного тактического пути диффузии, рецепции и, вероятно, эн-доцитоза морфогенов, может проходить в эпигенетическом режиме на стратегическом крупномасштабном уровне, на кодовом «языке» электретно-конформационной динамики взаимоотражающих состояний ядра клетки и матричной системы. Это «язык» электрических и электромагнитных полей мобильных областей поляризации макромолекулярных и надмолекулярных ассоциатов матриксов, ДНК хромосом и РНК в составе белок-синтезирующей клеточной «машины». В прямых физико-биологических экспериментах были зарегистрированы слабые электромагнитые излучения, генерируемые в течение нескольких минут в процессе синхронного деления клеток дрожжей и водорослей в культуре, когда активность и лабильность хроматина максимальна [81, 66, 67 ]. Авторы исследований полагают, что такого рода электромагнитные колебания являются необходимым условием нормального клеточного деления. Эти данные прямо свидетельствуют в пользу специфического полевого «языка», присущего информационным макромолекулам. Не исключено также, что одним из таких полевых векторов является и акустический канал фононов, порождаемых конформационными и иными колебаниями рассматриваемых матричных и по-линуклеотидных макромолекул.
    Необходимо осознать еще одно существенное обстоятельство. Эпигенез матриксов отражен в эпигенезе хроматина, его ДНК. В этой связи надо понять: каковы эпигенетические функции хромосомной ДНК и РНК белок-синтезирующего аппарата?
    Можно условно классифицировать уровни организации ДНК и РНК по их генетической и эпигенетической информационной ценности в виде иерархии кодовых состояний. 0-уровень: короткие, линейные однонитчатые ДНК и РНК. Идеализирование транскрипция-трансляция без конформационных влияний полинуклеотидов на этот процесс. 1-уровень: нелинейные однонитчатые ДНК и РНК. Появля-»тся конформационные влияния полинуклеотидов эпигенетически

18

19