Rз(h) = -e(1-h)ln(1-h). (5)
Если изобразить графически R(h) и Rз(h) в Zv , то получим асимметричные куполообразные кривые с максимумами при h1 и h2, в обе стороны от которых величины R(h) и Rз(h) уменьшаются, и можно выделить "зоны" качества функционирования.
Помимо галактических факторов на эволюцию гомеостатов живых систем действуют самые разнообразные Земные физические факторы, такие как световые, тепловые, газовые, радиационные, ионно-солевые и т.д. Но среди этих факторов только три действовали постоянно и упорядоченно с самого начала возникновения Земли: гравитация, геомагнитное поле и силы вращения Кориолиса [46]. Биосистемы развиваются под их непрерывным действием и зависят от их изменений все время.
Эти факторы имеют уникальные особенности, которых нет у других - они обладают векторной направленностью, проникающим действием через любые преграды (экраны) и периодическими упорядоченными изменениями (колебаниями) во времени. Указанные главные геофизические факторы создают определенную пространственно-временную систему, в которой происходит возникновение и развитие биосистем. Поэтому гомеостаты должны отслеживать их, адаптироваться к ним или каким-то образом компенсировать их нарушающее действие. Следует отметить, что еще одной из важных характеристик гомеостатических систем является ритмичность изменения их структур и функций (показателей), отражающих изменение состояния организма. Именно векторный характер функциональных реакций, обеспечивающих гомеостаз, помогает выяснить фундаментальный принцип составляющий основу гомеостаза, на котором зиждется единство организма со средой, принцип СИММЕТРИИ. Принцип биосимметрии, заложенный в функциональной активности гомеостатов, отражается и на их структурной организации.
Известно, что симметрия тесно связана в своей основе с пропорциональностью, т.е. с соотношением целого и составляющих его частей. Эта связь находит свое выражение в так называемом "золотом сечении", являющемся основой гармонического построения живых и неживых систем. (По вопросу золотого сечения и его проявления в Природе смотри [147]).
Энергетический субстрат - температурные границы существования, наличие освещенности и ее цикличность, вещества энергоносители (пища), гравитационные перепады, электрические и магнитные поля. Электронно-зарядное равновесие.
Интегративным показателем видов обмена внутри гомеостатов в биохимическом аспекте является кислотно-щелочное равновесие - (КЩР). Его отклонения некомпенсированный алкалоз или ацидоз. КЩР ограничивается атомно-молекулярным уровнем и является собственно электронно-зарядным равновесием акцепторных (кислой реакции) и донорных (щелочной реакции) молекулярных соединений. О важнейшем значении электронно-зарядного равновесия свидетельствует тот факт, что в ходе эволюции выработались специальные механизмы его регуляции. В организме человека и высших животных известен гомеостат буферной системы крови, состоящий из подсистем гомеостатов эритроцитарно-гемоглобиновом, бикарбонатном, фосфатном, белков плазмы. Выход этих гомеостатов за границы рабочих параметров приводит в сторону либо превалирования акцепторных (отнимающих электроны), либо в сторону донорных (отдающих электроны) молекулярных соединений и отдельных ионов. В связи с их высокой реакционной способностью (разъедающие свойства кислот и щелочей) происходит повреждение структур организма и нарушение его функций. Кроме того, некомпенсированное превалирование акцепторных или донорных молекулярных соединений приводит к расширению и деформации структур (например, эмфизема легкого, дилятация сердца) вплоть до разрыва химических связей с соответствующими последствиями для жизнедеятельности организма.
Все экстремальные энергетические факторы внешней и внутренней среды ведут структуры организма к перегреву и расширению вплоть до разрыва связей и гибели организма. При гипоэнергетическом состоянии организма клетки вынужденно переходят на вспомогательный, менее выгодный энергетический цикл - гликолиз, приводящий к образованию большого количества молочной кислоты, а вследствие этого - к некомпенсированному сдвигу электронно-зарядового равновесия в сторону превалирования акцепторных соединений.
Пластический субстрат - наличие веществ, идущих на постройку физической структуры гомеостатов, скорость их потребления, ограничиваемая скоростью поступления (массопереноса), возобновления (реакреации, синтеза).
ЧАСТЬ III.
ГОМЕОСТАТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ВВЕДЕНИЕ
Разнообразие живых организмов на планете Земля формируется из сходных относительно простых структурных форм, приобретающих все более сложные черты по мере появления более мощных механизмов энергопотребления и увеличения перерабатываемого разнообразия информационных потоков, отличающихся по материальной природе носителей информации. Высшая биологическая форма не исчерпывается суммой низших форм, но сводится к ним в структурном отношении, так же как живое сводится к химии и физике, но не исчерпывается ими в качественном отношении.
Длительный путь исследования живого привел к некоторым аксиоматическим понятиям, на которых строится вся пирамида разнообразия форм живого. Медников Б.М.[78] их сформулировал таким образом:
1. Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа) передающегося по наследству из поколения в поколение.
2. Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.
3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и не направлено, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.
4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.
Мы считаем, что необходимо добавить пятую аксиому:
5. Живые организмы есть необходимая часть эволюционирующего Универсума в сторону увеличения скорости и качественно отличных способов переработки информационных потоков.
В этих аксиомах неявно утверждаются следующие принципы:
- носителем информации отдельности (индивида) живого является молекулярная форма организации материи;
- эта информация (генотип) обладает свойством относительной устойчивости и изменчивости;
- фенотип есть реализация генотипа в конкретных космофизических условиях.
Абсолютизация третьей аксиомы некоторыми исследователями подвергается сомнению; считается, что наряду со случайными мутациями наблюдается направленный мутационный процесс, особенно проявляющийся в период перед глобальными катастрофами, резко изменяющими среду обитания для предшествующих видов [153].
Граничной формой между живыми организмами и косной природой можно считать вирусы. Хотя вирусы обладают собственным аппаратом переноса информации о составе субъединиц своего организма, они не имеют собственного механизма его поддержания и функционирования. Для активации программы вируса требуется среда, в которой структурные элементы механизма воспроизводства были бы представлены полностью.
Существует две основные версии возникновения генетического способа поддержания и развития живого на земле. Одна из них постулирует автохтонное для планеты происхождение программы саморазвивающихся систем, другая - экзогенного происхождения, т.е. привнесения этой программы извне (панспермия). В пользу последней приводятся расчеты совершенной недостаточности времени существования Солнечной системы для случайного возникновения аппарата передачи информации и его реализации. В пользу первой наличие неорганических матриц (кремнистые глиноземы), на которых возможен синтез олигопептидов из отдельных аминокислот, и некоторые другие факторы.
ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
Одной из важных характеристик двадцатого века можно считать прорыв в знаниях о структурных механизмах воспроизводства и передачи биологической информации по наследству.
Ген - рождающий. Ген - это участок молекулы ДНК, ответственный за конкретный признак. В функции гена входит регуляция синтеза белка как структурного элемента признака и регуляция синтеза нуклеиновых кислот, являющихся материальной основой переноса информации. Последнее имеет два сходных, но качественно разных механизма, называемых транскрипция и репликация. Транскрипция - это перезапись информации о признаке на носитель, который служит непосредственной матрицей сборки последовательности аминокислот в молекуле белка (иРНК). Репликация - это копирование, размножение точной копии носителя генетической информации (ДНК). Перевод кода информационной РНК в линейную последовательность остатков аминокислот (в полипептид) называют трансляцией. Трансляцию обеспечивают транспортные РНК и рибосомы.
Обобщенная гомеостатическая модель работы гена
Кратко изложим известные механизмы функционирования гена и представим их в виде гомеостатической модели, описанной выше.
Обобщенно ген состоит из: 1 - участка, который называется геном регулятором, управляющим началом транскрипции и 2 - участка, называемого структурным геном, на котором и происходит собственно транскрипция. Структурный ген-обладает пусковым промежутком, расположенным вначале места считывания информации. Этот промежуток получил название "оперон". Если ген регулятор может находиться пространственно на другом месте хромосомы и даже на другой хромосоме, то оперон обязательно находится в начале участка транскрипции. Ген-регулятор специфичен по отношению к структурному гену. Ген-регулятор считывает информацию о белке, называемом репрессор. Синтезированный белок-репрессор может быть активным и сам взаимодействовать с опероном, подавляя транскрипцию, в противном случае он должен предварительно связаться с другим веществом - "эффектором" и уже этот комплекс подавляет транскрипцию. Когда белок-репрессор сам является активным по отношению к оперону, его инактивирует эффектор.
Активация работы гена регулятора может происходить либо за счет воздействия конечного продукта работы всего гена, либо через продукты метаболизма этого белка.
Рис.7. Схема регуляции активности гена [3].
Итак, у нас есть все предпосылки для того, чтобы вышеуказанную схему, не изменяя сущности материальных процессов, видоизменить в схему информационных потоков и их взаимодействий на принципах гомеостатического регулирования. Информационные потоки функционально можно представить как два встречно направленных потока. Первый - из внешней среды внутрь области гена. Внешняя среда воздействует на оперон гена-регулятора и оперон структурного гена, включая или выключая его активность. Второй поток это воздействие информации продуцируемой внутри гена на собственные внутренние структуры; опять же на опероны гена регулятора и структурного гена. Эффектор может оказаться веществом, которое синтезируется другими генами или собственной продукцией. Вся продуцируемая информация поступает в окружающую среду и взаимодействует с рецепторами входов на конкурсной основе, т.о. при передаче информации необходимо учитывать скорость диффузии и концентрацию вещества переносчика.
I(t) = F(d,k)
Накладывая обе функциональные схемы друг на друга мы получим уже известную нам модель гомеостата (рис.8).
Рис.8. Модель гомеостатической схемы работы гена.
Обозначения: О - оперон, Б - белковая молекула, R - рибосома
В этой схеме интересно отметить тот момент, что даже внутри гомеостата происходит неоднократная перекодировка информационных потоков с одного вида носителя на другой. Продуктом гена-регулятора и структурного гена является иРНК, чтобы информация, записанная на ней, достигла своего адресата должна произойти трансляция через рибосому и образоваться белковая форма.
Гомеостатическая модель механизма транскрипции
Транскрипция информационной РНК происходит на одной из нитей двойной ДНК. Для этого нити ДНК в этом месте должны быть расплетены. Синтез иРНК на матрице ДНК осуществляется РНК-полимеразой. Одновременно с одной единицы транскрипции ведут синтез многие молекулы РНК-полимеразы. В узнавании знака начала и конца синтеза иРНК участвуют специальные белки. Место начала транскрипции называют промотором. Место окончания транскрипции терминатором. Максимально возможная длина участка, на котором происходит синтез иРНК называют скриптоном. По мере развития организма от одной клетки к эмбриону и далее к взрослому организму спектр иРНК меняется в зависимости от зрелости и специализации клеток. Таким образом имеется надклеточная регуляция, с одной стороны, включения одних и выключения других скриптонов, с другой - размерами синтезированной иРНК, что естественно приводит к изменению величины и свойств транслируемых белков.
Рис.9. Схема модели гомеостата транскрипции иРНК на ДНК.
О гомеостатической модели репликации генетической информации
Репликация гена происходит почти по аналогичной схеме, но в едином механизме удвоения всей хромосомы. Начало удвоения ДНК происходит всегда с одного и того же места и идет полярно в обе стороны, пока удвоение ДНК не достигает конечной или исходной точки, если ДНК кольцевая, как у бактерий. Участок, с которого начинается репликация, называется репликатором. Фермент, обеспечивающий процесс репликации - ДНК-полимераза. Информация о строении вещества инициатора репликатора записана на ДНК в его структурном гене. Структурный ген инициатора вместе с локусом начала репликации генетики называют "репликоном". У эукариотов имеется много независимых единиц репликации (репликонов) на хромосоме. Белок-инициатор вызывает репликацию только своего репликона и не действует на другие хромосомы. Скорость синтеза ДНК регулируется наличием и скоростью поступления соответствующих дезоксинуклеотидов. Специфика синтезируемой ДНК определяется самой копируемой матрицей, на которой идет синтез. Фермент ДНК-полимераза неспецифичен для хромосом и является одним и тем же для любых матриц ДНК [131,132].
Рис. 10. Схема синтеза ДНК при репликации хромосомы.
О структурно-функциональной организации хромосомы эукариот пока нет достаточных знаний, чтобы можно было смоделировать схему гомеостатического управления активности как единого гомеостата. Общее представления о хромосоме даст следующая фраза:
"Хромосома - комплексное, динамическое надмолекулярное образование, выполняющее такие генетические, биохимические и механические функции, как репликация, транскрипция, в определенной степени регуляция генной активности и сегрегация, осуществляемая с помощью митоза и мейоза. Реализация этих функций связана со значительными конформационными перестройками молекулярных составляющих хромосом путем обратимых межмолекулярных взаимодействий. Хромосома способна при клеточной дифференцировке либо на разных стадиях клеточного цикла утрачивать (ослаблять) или усиливать (приобретать) какое-либо из перечисленных структурно-функциональных свойств." [131, с.193].