Ничего лишнего
Закон Гамперсона: Возможность достижения цели обратно пропорциональна вашему желанию. )))
....................
F140
читать дальше--------------------------------------------------------------------------------
Продолжение.
Важным доводом в пользу волнового управления генами эукариот является строгая пространственная организация эукариотических геномов.
У безъядерных клеток (прокариот) замкнутая в кольцо нежесткая спираль ДНК свободно плавает в протоплазме и либо вовсе ни к чему не прикреплена, либо прикреплена к оболочке клетки в небольшом числе точек (от 1 до 100). 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 жестко фиксированной пространственной структуры, во множестве точек прикрепленной к ядерной оболочке и к скелетной конструкции, называемой ядерным матриксом.
Ядерный матрикс состоит из двух компонентов:
1.немембранной части ядерной оболочки (ламины), связанной с поровыми комплексами оболочки, и
2.внутриядерной сетчатой структуры из фибрилл и гранул [Збарский, 1988].
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 удаленных хромосом.
Кроме компактного гетерохроматина в ядре существует разрыхленная, активная фракция, называемая эухроматином. В ней строгое пространственное положение занимают только гены, еще не подвергшиеся активированию. Разрыхление хроматина, переводящее ген в активное состояние, делает его пространственные координаты менее определенными, 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 определенных точках пространства. В то же время, в ядрах всех эукариот (а это около двух миллионов видов) гены зафиксированы, из чего видно, что фиксация, жестко контролируемая естественным отбором, стала жизненно необходимым условием существования организмов. Благодаря фиксации реализуются определенные закономерности пространственного расположения генов внутри ядер — биологам известен ряд таких закономерностей.
Выяснено, что хромосомы располагаются в ядре в строго определенном порядке. Для этого Природой выработан остроумный механизм, основанный, в частности, на однозначном взаимном расположении хромосом, благодаря определенным длинам их плеч. Если отбросить экзотические варианты геномов, требующие отдельного рассмотрения (например, геномы с мини-хромосомами), то этот механизм, открытый новосибирским биологом А. И. Щаповой в 1971 году, выглядит следующим образом.
Змейка
Рис. 1: Пример задания взаимного расположения хромосом в ядре через неповторяющиеся 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).
При распределении плеч хромосом какого-либо генома (например, пшеницы или человека) по порядку возрастания их длин, этот ряд образует более или менее равномерную лесенку, где не встречается двух плеч одинаковой длины. В ходе клеточного деления, хромосомы дочерних клеток (в ранней стадии профазы) строго определенным образом 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. 1. Каждый гаплоидный набор хромосом образует самостоятельную замкнутую змейку. Гомологичные хромосомы двух гаплоидных геномов располагаются рядом, бок о бок.
Так как лесенка плеч хромосом более или менее равномерна, то при соответствующем соединении плеч между собой становится возможным построение такой змейки, у которой все расстояния между центромерами (вершинами змейки) одинаковы. Но при наличии в гаплоидном геноме каждой длины плеча в одном экземпляре, одинаковое расстояние между центромерами оказывается возможным лишь в единственном варианте взаимного расположения хромосом в змейке [Щапова, Баутина, 1975; Щапова, Потапова, 1984]. Позже было установлено, что теломеры хромосом содержат строго индивидуальные для каждой хромосомы тандемные повторы, которые, вероятно, и образуют так называемые «липкие концы», быстро и однозначно соединяющие нужные теломеры в процессе формирования змейки.
Объединение четных и нечетных вершин змейки, соответственно, у одного и у другого полюса формирующегося ядра позволяет расположить пары плеч вдоль меридианов, как показано на следующем рис. 2. Не исключено, что временному соединению центромер в два «узла» у полюсов ядра помогают индивидуальные особенности тандемных повторов центромерных участков хромосом. Весь этот механизм служит для того, чтобы отрезки змейки заняли четкое меридиональное положение перед последующими операциями разворачивания пространственной структуры генома.
Схема расположения хромосом
Рис. 2: Схема расположения хромосом в ранней профазе митоза у пшеницы-однозернянки Triticum monococcum [Щапова, 1971]
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 определенную конфигурацию. Эта конфигурация и фиксируется, в конце концов, прикреплением ДНК к ядерному матриксу [Hancock, Hughes, 1982] и оболочке ядра.
Результатом временного соединения хромосом в замкнутую змейку оказывается одинаковый для всех клеток организма порядок (очередность) взаимного расположения хромосом (и их плеч) вдоль экватора ядра.
Кроме закономерного расположения хромосом в ядре, есть данные и о закономерном размещении генов на хромосомах. Лима-де-Фария ввел представление о центромеро-теломерном поле как о своеобразной шкале отсчета координат гена на хромосоме (аналогично «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 [Лима-де-Фария, 1981].
Закономерное расположение генов на хромосомах и хромосом в ядре дополняется принятием хромосомами определенных конфигураций в пространстве ядра. В каждом типе дифференцированных клеток хромосомы изгибаются внутри ядра строго определенным 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 [Щапова, Баутина, 1975; Steffensen, 1984].
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 определенное 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 пространственные конфигурации хромосом кардинально перестраиваются.
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 ТДС не дает такого объяснения. Что, опять пытаться объяснять ситуацию случайностью и просто удивительным совпадением фактов с выводами КСГ и требованиями оптической проекции?
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 [Беннет, 1986].
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.
Еще 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 какая-то 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 [Nei, 1975].
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 ее геномах быстро перемещаются некоторые последовательности ДНК, и синхронно происходит общее повышение жизнеспособности популяции. При создании для дрозофил тяжелых 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 измененной популяции геном практически полностью стабилизировался за четыре поколения [Беляева и др., 1981].
«Исходные линии четко 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 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».
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». [Кайданов, 1991]
Воспроизводимость результатов и совпадение перемещений МДГ в родственных экспериментах продемонстрировали их закономерность. С позиций ТДС, подобная связь перестроек генома с изменением свойств организмов совершенно 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 тяжелых условиях обитания и сохраненного геномом в виде системы «горячих точек».
Как отмечалось ранее, перемещения МДГ, вероятно, открывают собой более широкий, пока еще мало изученный класс быстрых генетических регуляций, очень существенных для биологической теории и практики. Надо думать, его следовало бы обозначить специальным термином, например, «быстрая адаптация генома» — БАГ.
В исследованиях МДГ для нас важно то, 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.
F141
--------------------------------------------------------------------------------
Продолжение.
Когда человек привыкает к мысли, что генами организма управляют волны, он словно переносится из пугающей темноты пещеры с призрачными тенями от пламени костра в солнечную степь, где видно ясно и далеко, а фантастическим призракам не остается места. Получают простое и логичное объяснение многие свойства организмов и биологических процессов, которые ранее казались совершенно нелогичными. Один из таких случаев рассмотрен ниже — это необходимость во сне.
Принято считать, что зрелые (прошедшие сплайсинг и т.д.) матричные РНК (мРНК) эукариот отличаются от соответствующих мРНК прокариот лишь непринципиальными вариациями, возникшими в ходе молекулярной эволюции. Это не совсем так. Есть принципиальное отличие, связанное, как можно понять, с главной особенностью генетического аппарата эукариот — с волновым управлением транскрипцией. Речь идет 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 неспособные 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 ее 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 счет перешедших в цитоплазму мРНК. Например, облучение зародышей вьюна на стадии 22-24ч развития, вызывавшее инактивацию ядер, блокирует развитие зачатка нервной системы на 26-28-м часу и сомитов — на 32-35-м часу развития [Збарский, 1988]. 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 [Ткачук, 1983].
Продленный, по сравнению с прокариотами, период полураспада мРНК нельзя отнести к эволюционным завоеваниям эукариот, так как это увеличивает задержку в системе регулирования биосинтеза и вызывает серьезные 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 потребленного субстрата никогда не вступает у них в серьезные 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 1-2 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. Неслучайно в народе говорят, что дети растут во сне. Впрочем, зависимость развития ребенка от длительности сна зарегистрирована не только колхозниками, но и наукой.
«Механизмы сна более или менее известны, но совершенно непонятно, для чего нужен сон, в чем его функциональная сущность». [Чайченко, Харченко, 1981].
Физиологическая роль сна остается для ученых загадкой по сей день.
Старые представления о сне, как об отдыхе, и раньше-то 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». [Иванов-Муромский, 1985]
Самый безмятежный отдых по результатам принципиально отличается от сна и не способен заменить его.
Для стариков же и вовсе характерна бессонница, но вряд ли кто-то скажет, что отдых нужен им меньше, чем молодым.
Связь сна с процессами транскрипции и синтеза белков-ферментов привела к тому, что сон оказался главным фактором, определяющим суточные ритмы организма. Если за начало отсчета принять сон, то, практически, исчезает разница между ритмами дневных и ночных животных [Деряпа и др., 1985].
Анализ физиологии организмов, связанных с водной средой — рыб, амфибий, рептилий — дает 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 счет расслабления, а за счет чрезвычайного напряжения мышц [Карманова, 1977]. Затраты мышечной энергии при «одеревенении» тела так велики, что если приложить руку к шее спящей черепахи, то в отличие от периода бодрствования, можно ощутить ее 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 КСГ, периодическая обездвиженность организмов и связь активирования генов с состоянием сна, со стабильностью позы — понятны и 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 лишь 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 все того же волнового активирования генов. По данным киносъемки, ядра клеток медленно вращаются, причем период их вращения, по порядку величины (1,27–4,65 часа по данным Немечек с сотр., 1978), соответствует периодичности повторения фаз сна. Скорее всего, фазы сна являются разными этапами подготовки кариооптики к работе. Например, сначала отключается скелетная мускулатура, ядра клеток ориентируются относительно слабого еще 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.
Хорошо известно, что иногда — при попытках бороться со сном или просто на грани между сном и бодрствованием — человек (или кошка, или собака) неожиданно вздрагивает всем телом, словно пронизанный током. Такого никогда не случается при полном бодрствовании или, наоборот, при глубоком сне. Судя по всему, мы вздрагиваем в том случае, если пачка «генеральных» структурогенных волн (или, может быть, «пробная» волна) проходит раньше, чем нервная система отключает скелетную мускулатуру.
Приуроченность пика активирования генов к состоянию неподвижности и сна обусловила суточные колебания объемов клеточных ядер. У человека, и вообще у дневных животных, максимум объема ядер, как и следовало ожидать, приходится на ночное время.
Связь транскрипции со сном отлично согласуется с КСГ. Но, справедливости ради, заметим, что этот факт нельзя рассматривать именно как доказательство КСГ, потому что, в случае развития организма под управлением диссипативных структур, необходимость неподвижности организма во время формообразовательных процессов оказалась бы еще более острой, чем при оптическом механизме управления. Дело в том, что при оптическом управлении возможна быстрая подстройка системы за счет 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.
www.ling1.net/articles/376
....................
F140
читать дальше--------------------------------------------------------------------------------
Продолжение.
Важным доводом в пользу волнового управления генами эукариот является строгая пространственная организация эукариотических геномов.
У безъядерных клеток (прокариот) замкнутая в кольцо нежесткая спираль ДНК свободно плавает в протоплазме и либо вовсе ни к чему не прикреплена, либо прикреплена к оболочке клетки в небольшом числе точек (от 1 до 100). 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 жестко фиксированной пространственной структуры, во множестве точек прикрепленной к ядерной оболочке и к скелетной конструкции, называемой ядерным матриксом.
Ядерный матрикс состоит из двух компонентов:
1.немембранной части ядерной оболочки (ламины), связанной с поровыми комплексами оболочки, и
2.внутриядерной сетчатой структуры из фибрилл и гранул [Збарский, 1988].
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 удаленных хромосом.
Кроме компактного гетерохроматина в ядре существует разрыхленная, активная фракция, называемая эухроматином. В ней строгое пространственное положение занимают только гены, еще не подвергшиеся активированию. Разрыхление хроматина, переводящее ген в активное состояние, делает его пространственные координаты менее определенными, 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 определенных точках пространства. В то же время, в ядрах всех эукариот (а это около двух миллионов видов) гены зафиксированы, из чего видно, что фиксация, жестко контролируемая естественным отбором, стала жизненно необходимым условием существования организмов. Благодаря фиксации реализуются определенные закономерности пространственного расположения генов внутри ядер — биологам известен ряд таких закономерностей.
Выяснено, что хромосомы располагаются в ядре в строго определенном порядке. Для этого Природой выработан остроумный механизм, основанный, в частности, на однозначном взаимном расположении хромосом, благодаря определенным длинам их плеч. Если отбросить экзотические варианты геномов, требующие отдельного рассмотрения (например, геномы с мини-хромосомами), то этот механизм, открытый новосибирским биологом А. И. Щаповой в 1971 году, выглядит следующим образом.
Змейка
Рис. 1: Пример задания взаимного расположения хромосом в ядре через неповторяющиеся 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). При распределении плеч хромосом какого-либо генома (например, пшеницы или человека) по порядку возрастания их длин, этот ряд образует более или менее равномерную лесенку, где не встречается двух плеч одинаковой длины. В ходе клеточного деления, хромосомы дочерних клеток (в ранней стадии профазы) строго определенным образом 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. 1. Каждый гаплоидный набор хромосом образует самостоятельную замкнутую змейку. Гомологичные хромосомы двух гаплоидных геномов располагаются рядом, бок о бок.
Так как лесенка плеч хромосом более или менее равномерна, то при соответствующем соединении плеч между собой становится возможным построение такой змейки, у которой все расстояния между центромерами (вершинами змейки) одинаковы. Но при наличии в гаплоидном геноме каждой длины плеча в одном экземпляре, одинаковое расстояние между центромерами оказывается возможным лишь в единственном варианте взаимного расположения хромосом в змейке [Щапова, Баутина, 1975; Щапова, Потапова, 1984]. Позже было установлено, что теломеры хромосом содержат строго индивидуальные для каждой хромосомы тандемные повторы, которые, вероятно, и образуют так называемые «липкие концы», быстро и однозначно соединяющие нужные теломеры в процессе формирования змейки.
Объединение четных и нечетных вершин змейки, соответственно, у одного и у другого полюса формирующегося ядра позволяет расположить пары плеч вдоль меридианов, как показано на следующем рис. 2. Не исключено, что временному соединению центромер в два «узла» у полюсов ядра помогают индивидуальные особенности тандемных повторов центромерных участков хромосом. Весь этот механизм служит для того, чтобы отрезки змейки заняли четкое меридиональное положение перед последующими операциями разворачивания пространственной структуры генома.
Схема расположения хромосом
Рис. 2: Схема расположения хромосом в ранней профазе митоза у пшеницы-однозернянки Triticum monococcum [Щапова, 1971] 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 определенную конфигурацию. Эта конфигурация и фиксируется, в конце концов, прикреплением ДНК к ядерному матриксу [Hancock, Hughes, 1982] и оболочке ядра.
Результатом временного соединения хромосом в замкнутую змейку оказывается одинаковый для всех клеток организма порядок (очередность) взаимного расположения хромосом (и их плеч) вдоль экватора ядра.
Кроме закономерного расположения хромосом в ядре, есть данные и о закономерном размещении генов на хромосомах. Лима-де-Фария ввел представление о центромеро-теломерном поле как о своеобразной шкале отсчета координат гена на хромосоме (аналогично «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 [Лима-де-Фария, 1981].
Закономерное расположение генов на хромосомах и хромосом в ядре дополняется принятием хромосомами определенных конфигураций в пространстве ядра. В каждом типе дифференцированных клеток хромосомы изгибаются внутри ядра строго определенным 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 [Щапова, Баутина, 1975; Steffensen, 1984].
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 определенное 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 пространственные конфигурации хромосом кардинально перестраиваются.
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 ТДС не дает такого объяснения. Что, опять пытаться объяснять ситуацию случайностью и просто удивительным совпадением фактов с выводами КСГ и требованиями оптической проекции?
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 [Беннет, 1986].
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.
Еще 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 какая-то 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 [Nei, 1975].
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 ее геномах быстро перемещаются некоторые последовательности ДНК, и синхронно происходит общее повышение жизнеспособности популяции. При создании для дрозофил тяжелых 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 измененной популяции геном практически полностью стабилизировался за четыре поколения [Беляева и др., 1981].
«Исходные линии четко 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 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».
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». [Кайданов, 1991]
Воспроизводимость результатов и совпадение перемещений МДГ в родственных экспериментах продемонстрировали их закономерность. С позиций ТДС, подобная связь перестроек генома с изменением свойств организмов совершенно 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 тяжелых условиях обитания и сохраненного геномом в виде системы «горячих точек».
Как отмечалось ранее, перемещения МДГ, вероятно, открывают собой более широкий, пока еще мало изученный класс быстрых генетических регуляций, очень существенных для биологической теории и практики. Надо думать, его следовало бы обозначить специальным термином, например, «быстрая адаптация генома» — БАГ.
В исследованиях МДГ для нас важно то, 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.
F141
--------------------------------------------------------------------------------
Продолжение.
Когда человек привыкает к мысли, что генами организма управляют волны, он словно переносится из пугающей темноты пещеры с призрачными тенями от пламени костра в солнечную степь, где видно ясно и далеко, а фантастическим призракам не остается места. Получают простое и логичное объяснение многие свойства организмов и биологических процессов, которые ранее казались совершенно нелогичными. Один из таких случаев рассмотрен ниже — это необходимость во сне.
Принято считать, что зрелые (прошедшие сплайсинг и т.д.) матричные РНК (мРНК) эукариот отличаются от соответствующих мРНК прокариот лишь непринципиальными вариациями, возникшими в ходе молекулярной эволюции. Это не совсем так. Есть принципиальное отличие, связанное, как можно понять, с главной особенностью генетического аппарата эукариот — с волновым управлением транскрипцией. Речь идет 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 неспособные 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 ее 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 счет перешедших в цитоплазму мРНК. Например, облучение зародышей вьюна на стадии 22-24ч развития, вызывавшее инактивацию ядер, блокирует развитие зачатка нервной системы на 26-28-м часу и сомитов — на 32-35-м часу развития [Збарский, 1988]. 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 [Ткачук, 1983].
Продленный, по сравнению с прокариотами, период полураспада мРНК нельзя отнести к эволюционным завоеваниям эукариот, так как это увеличивает задержку в системе регулирования биосинтеза и вызывает серьезные 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 потребленного субстрата никогда не вступает у них в серьезные 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 1-2 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. Неслучайно в народе говорят, что дети растут во сне. Впрочем, зависимость развития ребенка от длительности сна зарегистрирована не только колхозниками, но и наукой.
«Механизмы сна более или менее известны, но совершенно непонятно, для чего нужен сон, в чем его функциональная сущность». [Чайченко, Харченко, 1981].
Физиологическая роль сна остается для ученых загадкой по сей день.
Старые представления о сне, как об отдыхе, и раньше-то 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». [Иванов-Муромский, 1985]
Самый безмятежный отдых по результатам принципиально отличается от сна и не способен заменить его.
Для стариков же и вовсе характерна бессонница, но вряд ли кто-то скажет, что отдых нужен им меньше, чем молодым.
Связь сна с процессами транскрипции и синтеза белков-ферментов привела к тому, что сон оказался главным фактором, определяющим суточные ритмы организма. Если за начало отсчета принять сон, то, практически, исчезает разница между ритмами дневных и ночных животных [Деряпа и др., 1985].
Анализ физиологии организмов, связанных с водной средой — рыб, амфибий, рептилий — дает 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 счет расслабления, а за счет чрезвычайного напряжения мышц [Карманова, 1977]. Затраты мышечной энергии при «одеревенении» тела так велики, что если приложить руку к шее спящей черепахи, то в отличие от периода бодрствования, можно ощутить ее 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 КСГ, периодическая обездвиженность организмов и связь активирования генов с состоянием сна, со стабильностью позы — понятны и 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 лишь 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 все того же волнового активирования генов. По данным киносъемки, ядра клеток медленно вращаются, причем период их вращения, по порядку величины (1,27–4,65 часа по данным Немечек с сотр., 1978), соответствует периодичности повторения фаз сна. Скорее всего, фазы сна являются разными этапами подготовки кариооптики к работе. Например, сначала отключается скелетная мускулатура, ядра клеток ориентируются относительно слабого еще 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.
Хорошо известно, что иногда — при попытках бороться со сном или просто на грани между сном и бодрствованием — человек (или кошка, или собака) неожиданно вздрагивает всем телом, словно пронизанный током. Такого никогда не случается при полном бодрствовании или, наоборот, при глубоком сне. Судя по всему, мы вздрагиваем в том случае, если пачка «генеральных» структурогенных волн (или, может быть, «пробная» волна) проходит раньше, чем нервная система отключает скелетную мускулатуру.
Приуроченность пика активирования генов к состоянию неподвижности и сна обусловила суточные колебания объемов клеточных ядер. У человека, и вообще у дневных животных, максимум объема ядер, как и следовало ожидать, приходится на ночное время.
Связь транскрипции со сном отлично согласуется с КСГ. Но, справедливости ради, заметим, что этот факт нельзя рассматривать именно как доказательство КСГ, потому что, в случае развития организма под управлением диссипативных структур, необходимость неподвижности организма во время формообразовательных процессов оказалась бы еще более острой, чем при оптическом механизме управления. Дело в том, что при оптическом управлении возможна быстрая подстройка системы за счет 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.
www.ling1.net/articles/376
@темы: Равновесие, Вопрос, Соль, Физическое тело