|
(По материалам Барбараш А.Н. Основы стереогенетики)
Как уже отмечалось ранее, успехи молекулярной биологии и биохимии создали у биологов иллюзию, будто бы, в конце концов, все загадки биологии развития можно объяснить молекулярными процессами и механизмами контактных взаимодействий клеток. Как пример таких взглядов можно привести матриксную гипотезу ДНК-направляемого морфогенеза [Шеррер; 1987]. Ее автор информационно связывает ядерную ДНК с построением клеточного матрикса и формированием клетки, а отсюда перебрасывает мостик к формированию органов и всего организма. По его мнению, организованный с помощью ДНК матрикс «... будет определять в целом размеры и морфологию клетки и, в силу этого, морфологию органа».
Идеология близких контактных взаимодействий многократно проскальзывает в самых разных работах. В качестве одного из свежих и четко выраженных примеров можно назвать работу Гвоздева (2001). В ней отмечено, что, хотя активность ядерных генов определяется связанными с ними регуляторными элементами (промоторами, энхансерами и др.) и передаваемым в рядах клеточных поколений обратимым метилированием ДНК, но, кроме того, активность зависит от расположения гена в том или ином участке пространства ядра. Казалось бы, прекрасная мысль, ведущая к раскрытию механизма структурогенеза! Ан, нет, по Гвоздеву все сводится к влиянию на активность генов специфичного белкового окружения, сложно распределенного в пространстве ядра из-за привязки к определенным участкам хромосом.
И хотя в конце работы признано, что молекулярные механизмы такой системы управления «остаются полностью загадочными», надежды на их раскрытие возлагаются отнюдь не на какие-либо дальнодействующие связи. По мнению В. А. Гвоздева, непонятная система управления «представляется … одной из самых актуальных проблем молекулярной генетики эукариот». Другими словами, автор работы видит загадку скрытой исключительно на молекулярном уровне. Даже намека на возможность участия дальнодействующих связей в управлении активностью генов в данной работе не просматривается. Возможно, здесь сыграло роль использование в качестве объектов исследований дрожжей и мелких мух-дрозофил.
Если бы исследования проводились на слонах или китах, не удалось бы пройти мимо того факта, что построение подобного организма немыслимо без дальнодействующих информационных связей, что на активность генов рассматриваемой клетки, кроме ближайшего окружения, влияют и участки тела, удаленные на единицы и десятки метров.
Между тем, оптический характер законов, лежащих в основе существования многоклеточных организмов, пронизывает все их характерные особенности и уровни организации. Он виден и в свойствах хроматина. Как уже отмечалось ранее, расчеты выявили, в частности, резко неравномерное распределение оптических связей генома с различными зонами организма. Эта неравномерность совпала с характером распределения в ядре эухроматина и гетерохроматина (активного и неактивного хроматина).
В статье Управление активностью генов было показано отношение элементарного объема пространства организма к внутриядерному пространству, занятому его проекцией. Внешнее (относительно клетки) пространство условно разделено в этой таблице на пять сферических слоев. Показано, какую часть объема ядра занимает проекция каждого из выделенных слоев, и как объем конкретного слоя пространства организма относится к объему его роекции в ядре.
Расчеты показали, что при n=2,7 примерно 60% объема ядра оказываются зоной проекции группы клеток, непосредственно контактирующих с рассматриваемой клеткой (расстояние до 10 радиусов ядра). Еще 11% объема ядра приходятся на проекционные связи с клетками, удаленными до расстояния в 100 радиусов ядра, и менее 1% объема ядра занято проекцией более отдаленных зон организма. Первые две группы клеток, составляющие сферу диаметром около миллиметра, являются ничтожной частью крупного организма. Однако, по расчетам, именно внутри этой сферы замыкаются основные проекционные связи генома. На проекционные связи со всем остальным организмом приходится менее сотой части объема ядра. Этот феномен имеет смысл называть эффектом доминирования ближней зоны (или сокращенно «эффектом ДБЗ»).
Особенность волнового поля, выраженная в ДБЗ, хорошо согласуется с реальным поведением клеток в ходе развития зародышей. С одной стороны, отмечено жесткое взаимодействие, координация процессов в соседних клетках. Процессы развития разыгрываются не в отдельных клетках зародыша, а в сомкнутых клеточных группах. Например, в зародышах позвоночных кратковременно возникают так называемые колбовидные клетки — они образуются не поодиночке, а пучками, окаймленными с боков наползающими на них клетками других типов, которые тоже располагаются целыми сериями. Это указывает на кооперативный характер процессов, протекающих в соседних клетках, на то, что, скажем, поляризация одной клетки побуждает соседнюю клетку к такой же поляризации.
С другой стороны, известно, что согласуются между собой и разнородные процессы в далеких друг от друга частях зародыша, но это согласование не носит жесткого характера. При изоляции частей зародыша один процесс может протекать без другого, но при совместном протекании они все же как-то подстраиваются друг под друга. По-видимому, именно различие между «жестким» и «мягким» согласованием процессов развития — в зависимости от расстояния между клетками зародыша — наиболее наглядно характеризует феномен ДБЗ.
Этот же эффект проявляется в экспериментах по перемешиванию клеток. Порядок в клеточной смеси обычно восстанавливается лишь на малых расстояниях. Например, если рассыпать на клетки головной мозг зародыша тритона и перемешать клетки, то разовьются зачатки легко узнаваемых органов — глаза, внутреннего уха, органа обоняния и т.д., — но расположенные в полном беспорядке [Белоусов Л. В., 1980].
Доминирование проекционных связей с ближайшим окружением клетки стало одним из факторов, маскирующих механизм структурогенеза, поскольку доминирование вывело на первый план те самые близкие взаимодействия, что так похожи на проявления химических, механических и других контактных информационных связей. Потому-то на них сегодня и сосредоточено внимание исследователей.
То, что в организмах действует универсальный и принципиально более важный волновой информационный механизм, охватывающий и близкие взаимодействия, и расстояния до сотен метров, единственный механизм, объясняющий формирование гигантских животных и растений — это осталось незамеченным.
После многих совпадений реальности с выводами КСГ, нас уже не должно удивлять соответствие между расчетом вероятностей проекций активных зон и фактической картиной распределения разрыхленных участков хроматина (эухроматина) в ядрах.
Данные, выявившие ДБЗ, показывают, что из генетической информации, затрачиваемой на кодирование анатомии организма, львиная доля (около 99%) приходится на цитоархитектонику тканей. Это кажется невероятным, но не потому ли, что совершенство организмов в целом мы ежедневно видим воочию, а, возможно, еще более впечатляющее совершенство на уровне биологических тканей показывает себя лишь тем, кто потратил на их изучение многие годы?
С другой стороны, 1% информации на дальнодействующие связи — это много или мало? Геном человека содержит около 1,3 х 1010 бит информации. Если отбросить 10% информации, предположительно затрачиваемых на кодирование белков, то 1% от оставшегося объема составит 117 миллионов бит, что эквивалентно более чем 8000 страниц машинописного текста.
Это и есть информация, задающая строение макроструктуры организма или, грубо говоря, задающая организм в целом.
Таким образом, проекция некоторой зоны организма в ядро увеличивается в размерах по мере приближения рассматриваемой зоны к клетке. Но есть и другой фактор, влияющий на характер проекционных связей в зависимости от расстояния. Он аналогичен изменению глубины резкости при удалении объекта съемки от фотоаппарата.
Известно, что при малом расстоянии между объектом и фотоаппаратом (при так называемой макросъемке) глубина резкости невелика и наводку на резкость приходится выполнять с особой тщательностью. И наоборот, когда расстояние до объекта съемки велико, можно установить объектив «на бесконечность» и вообще не заботиться о наводке на резкость. Один из случаев проявления этого феномена в генетической системе эукариот будет отмечен в дальнейшем.
Совокупное влияние двух указанных факторов объясняет некоторые загадки процессов роста. Можно обнаружить устойчивые соотношения между количеством ДНК в ядре и объемом клетки. В случаях полиплоидии, когда в ядре вместо двух гаплоидных геномов оказывается четыре, шесть или больше геномов, соответственно увеличивается и объем клетки. При стабильной массе генома даже рост организма, увеличивающий его в несколько раз, практически не изменяет размеров клеток и структуры тканей.
До сих пор оставалось непонятным, как рост органов и организма в целом сочетается со стабильностью размеров на клеточном и тканевом уровнях. Особенности проекционных связей показали, что в этом проявляется действие оптических законов. Оболочка клетки расположена близко от ядра, и характер ее проекционной связи с генами напоминает условия макросъемки, когда даже небольшие изменения оптических отрезков вызывают расфокусировку. Поэтому только стабильные размеры клеток обеспечивают устойчивые проекционные связи между клеточной оболочкой и конкретными генами (вероятно, роль активных зон химического волнового поля организма в этом случае играют коннексоны. И наоборот, размеры органов и организма в целом в тысячи и миллионы раз больше расстояния между оболочкой ядра и генами клетки, что сохраняет неизменной резкость проекции активных зон организма на гены при существенном изменении размеров организма.
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 ее считывания. Особенности распространения химического волнового поля через коннексоны, как отмечалось выше, информационно связывают поле не с формой, а с клеточной структурой организма. Соответственно, и конфигурацию генома волновое поле прочитывает как наследственную информацию о структуре особи данного биологического вида.
Уместно сопоставить концепцию структурогенеза с идеями преформистов. Проекционное соответствие между геномом и волновым полем, описывающим организм, сближает КСГ с идеями преформистов. Но в ядре нельзя обнаружить образ существа в обычном понимании. Этому мешает несколько факторов:
Изменение масштаба проекции в ядро при n=2,7 в зависимости от расстоянии до рассматриваемой клетки.
Расстояние от точки до
рассматриваемой клетки |
Масштаб проекции на
хроматин |
3 |
1:4,1 |
10 |
1:16 |
100 |
1:169 |
1000 |
1:1700 |
10000 |
1:17000 |
100000 |
1:170000 |
Поэтому, хотя пространственная структура организма и связана с пространственной структурой генома правилами оптической проекции, между ними нет прямого подобия, как это подразумевалось преформистами. Тем не менее, с позиций КСГ, данные Д'Арси-Томпсона [Thomрson, 1942] о совпадении плавно деформированных рисунков костей и внешних контуров разных животных подтверждают мысль, что расположенный в ядре геном является материальным шаблоном, деформация которого ведет к изменению форм развивающейся особи. В этом смысле картина, рисуемая концепцией, близка к идеям преформистов. Можно предположить, что различие между строением тел долговязого Дон-Кихота и коренастого Санчо Панса берет начало именно в особенностях пространственного строения их геномов.
Большинство законов действует лишь в пределах своих границ. Говоря об оптической проекции организма на геном, нужно заметить, что это относится к соматическим клеткам и, вероятно, к яйцеклеткам, но не касается сперматозоидов. В последних не происходит транскрипция, им не требуется управляющее воздействие волнового поля. Поэтому, ради компактности сперматозоидов, Природа упаковала их ДНК наиболее тесно, без оглядки на проекционное соответствие между организмом и геномом.