(По материалам Барбараш А.Н. Основы стереогенетики)

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

©Jacob, 1977

На основе открытия колебательных реакций и волн Белоусова-Жаботинского, еще в 1982 году была разработана концепция структурогенеза (в дальнейшем — КСГ), включившая в себя впервые сформулированную идею гетероволновой оптики и объяснившая на такой основе принципы генетического кодирования структуры многоклеточного организма.

Очень важной для этой работы 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, ранее казавшиеся несвязанными между собой, выстроились в четкую систему.

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 разрозненны — 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 определенной фазе сна, при заторможенности скелетных мышц, в паузах ритмики сердца и легких, кратковременно возникают мощные пакеты химических волн такой же природы, охватывающие весь организм. При всем их сходстве с волнами БЖ, эти волны нельзя отождествлять — у них разный химизм, разные механизмы распространения и сильно отличающиеся количественные характеристики.

Волны БЖ 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 непонятен (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 точно отразило подмеченную ученым связь интенсивности излучения с делением клеток (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 ее гибели. Все это заставляет думать, что УФ-кванты порождаются биохимическими реакциями, в норме свойственными клетке.

Обладая скоростью света, УФ-кванты должны проходить расстояние между последовательно вступающими в реакцию молекулами намного быстрее, чем диффундирующие атомы, молекулы или радикалы. Если химическая реакция, генерирующая митогенетическое излучение, проходит по раствору в виде волны, то от такой волны нужно ожидать гораздо более высокой скорости распространения по сравнению с уже знакомыми нам 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 х 2,7 = 4,05 км/с и выше.

Такая скорость распространения структурогенных химических волн на несколько порядков выше скорости известных волн БЖ, что как раз и говорит в пользу распространения волн в протоплазме не за счет диффузии «горячих» молекул, а благодаря упомянутым квантам ультрафиолетового излучения.

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».

©Албертс и др., 1986

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 стопроцентным — во многих случаях они используются эукариотами как дополнение к новому, физическому способу управления.

Практика акупунктуры распространила представление 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, спинномозговая жидкость и др. — настолько отличаются по своим свойствам, что химическое автоволновое поле этих зон принципиально не может быть всюду одинаковым, в том числе — по плотности энергии колебаний. Следовательно, нужно исходить из существования в организме зон с повышенной и пониженной концентрацией энергии химических волн.

Для реализации волнового механизма управления активностью генов, природе пришлось снабдить геном механизмом, реагирующим на акустические колебания. Это достигнуто с помощью остроумного решения. Из белков-гистонов, обладающих повышенной основностью (щелочностью — прим. ред.), 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 непригодна для перезаписи с нее информации на РНК, т.е. для транскрипции. Только когда акустические колебания нуклеоплазмы разрушат структуру соленоида, оторвут нить ДНК от «прилипших» нуклеосом, — вот тогда к ДНК может подойти фермент РНК-полимераза, выполняющий синтез РНК. Затем по информации РНК особые молекулярные структуры — рибосомы — соединяют нужные аминокислоты в цепочки будущих белков.

[Определенный интерес в этой связи представляет собой высказывание Э. Ревичи, сделанное им еще в 1986 году, цитируем:

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

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

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

Довольно примечательно то, что Ревичи и понятия не имел ни о какой КСГ, хотя о волновом механизме управления активностью генов, скорее всего, догадывался.]

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 определенный 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.

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

К настоящему времени известны многочисленные механизмы управления работой генома и процессами развития, имеющие сугубо химическую природу. В последующем изложении мы не будем 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, мы считаем 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 — никак не удается свести к некому 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 совершенно нехарактерно для химических процессов. Это ярко обнаруживается при разрыхлении гена внутри сплошной массы неактивного гетерохроматина, содержащего разные гены, в том числе и точно такие же, 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, окруженной 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 свидетельства того, что Природе было труднее обеспечить раздельное, независимое активирование генов эукариот по сравнению с прокариотами? Да, можно назвать, по крайней мере, два таких факта.

1. Во-первых, гены эукариот, в отличие от прокариот, не расположены вплотную друг к другу — между ними вставлены неинформативные спейсеры (разделители, от англ. spacer — прокладка, распорка), вдесятеро и более превышающие по длине сами гены и соответственно увеличивающие общую массу генома.
2. 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» [Нейфах, Лозовская, 1984]. Так что признаки волнового механизма активирования генов закономерно проявились и в этом.

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

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

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

Только КСГ разъясняет эту странную ситуацию. Формирование многоклеточных организмов требует учета расположения клеток в трехмерной структуре, и для управления таким процессом Природа использовала принцип оптической проекции активных зон волновых полей организма на гены. Механизм разрыхления хроматина выбран Природой как способ управления активностью генов со стороны волнового поля. Этот же способ управления обусловил удивительную консервативность аминокислотных последовательностей некоторых гистонов, без чего не было бы стабильности порогового усилия, при котором нуклеосомы начинают отрываться от ДНК.

Управление активированием генов у всех  эукариот через разрыхление хроматина показывает, что, при всем многообразии химических механизмов управления внутриклеточными процессами, именно волновой механизм управления транскрипцией оказался для эукариот решающим.

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

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