А. Барбараш(Анатолий Никифорович БАРБАРАШ E-mail: barbarash@farlep.net)(Теории и гипотезы) Новая редакцияОглавление ЧАСТЬ ВТОРАЯ 2ОСНОВЫ СТЕРЕОГЕНЕТИКИ 2 ПРОБЛЕМА НАСЛЕДОВАНИЯ АНАТОМИИ 2 2.1.1. Коротко о проблеме 2 2.1.2. Загадка многоклеточных организмов 7 2.1.3. Где скрыта информация? 11 2.1.4. Идея Алана Тьюринга 13 2.1.5. Открытие Бориса Белоусова 15 2.1.6. Перенос информации солитонами 18 2.1.7. Оптика нового типа 20 Предыдущий разделПоследующий разделОбщее оглавление^ ЧАСТЬ ВТОРАЯ ОСНОВЫ СТЕРЕОГЕНЕТИКИ ПРОБЛЕМА НАСЛЕДОВАНИЯ АНАТОМИИ “Именно решение проблемы наследственного осуществления информации в процессе индивидуального развития, проблем генетики развития, стало сейчас направлением главного удара не только генетики, но и всей современной общей биологии.”[Астауров, 1972]^ 2.1.1. Коротко о проблеме Земные организмы пользуются двумя типами генетических кодов – один из них служит для наследования структур молекул РНК и белков, а второй – для наследования строения многоклеточных организмов. Первый код уже достаточно изучен, зато второй предстаёт перед учёными сложнейшей загадкой. Основной объём этой части книги посвящён принципам использования в генетической системе кода второго типа.Говорят, всё гениальное просто. В таких словах подспудно содержится мысль, что Природа проста. Отчасти, это справедливо. Природу можно было считать достаточно простой на раннем этапе развития науки, когда открывались законы Архимеда, Ньютона, Ома, Кирхгофа и другие сравнительно простые зависимости. Но по мере углубления в свойства Природы, стали обнаруживаться и более сложные связи, более сложные закономерности.Система управления работой генов в многоклеточном организме, которую нам предстоит рассмотреть, – далеко не самая сложная во Вселенной. Но назвать её очень простой тоже нельзя. Опыт выступлений автора перед разными аудиториями показал, что очень важен момент первого знакомства с предлагаемой концепцией, когда должны быть восприняты её главные принципы. Без понимания принципов дальнейшее изложение малопродуктивно.Поэтому изложение данной проблемы будет напоминать спираль – в этой главе ситуация излагается кратко, а в последующих главах и разделах рассмотрение выйдет на второй виток, проблема вырисуется более полно и подробно. Соответственно, автор просит извинить неминуемые в таком случае повторы. * * *Студенты разных стран изучают анатомию человека по одинаковым учебникам. Это доказывает строгую повторяемость строения человеческого организма в миллиардах его воплощений на всех континентах. Для кибернетика данный факт говорит о существовании у всех людей одинаковой информационной системы, однозначно управляющей формированием организма. Сомневаться в таком выводе могут лишь биологи, не привыкшие рассматривать окружающий мир с информационных позиций. Так, в книге одного из биологов развитие организма представлено как последовательность бифуркаций, т.е. выборов в узловых точках развития каждый раз одного из двух возможных вариантов, при чём нет даже намёка на какую-либо систему, управляющую выбором, что подразумевает его полную случайность.Но разве случайный выбор мог бы привести, скажем, к одинаковому количеству пальцев на всех четырёх конечностях человека, не говоря уже о совпадении анатомии разных людей?На тему о том, что конкретно управляет развитием организма, есть много гипотез. Большинство из них (в частности, гипотеза о бифуркациях) не вызывает интереса уже потому, что не отвечает на главный вопрос – как из простого (из оплодотворённой яйцеклетки) закономерно развивается нечто неизмеримо более сложное (многоклеточный организм)?Разгадка закономерного развития сложного из более простого в том, что развитие представляет собой реализацию наследственной информации. Тогда нужно выяснить: где находится информация, управляющая развитием, в каком виде она представлена и как именно реализуется (прочитывается)?Хотя в научной литературе называлось несколько мест расположения информации, управляющей формированием организма, сомнений в её фактическом расположении нет. Формы организма наследуются (за редчайшими и объяснёнными исключениями) по законам Г. Менделя, а это говорит о диплоидной форме представления соответствующей информации. Такой формой представления обладают только ДНК клеточных ядер.По существу, в прошлом была выдвинута только одна сильная гипотеза о принципах реализации информации, управляющей формированием организма и записанной в ядерной ДНК. Это опубликованная в 1952 г. гипотеза А. Тьюринга о том, что в первоначально однородном растворе веществ могут протекать химические процессы, приводящие к образованию сложного пространственного распределения реагентов. Возникшая химическая неоднородность могла бы выполнить роль „разметки” при построении организма.Гипотеза вполне логична. С таких позиций, в ДНК оказываются закодированными свойства участвующих в реакциях молекул (так называемых, морфогенов), а взаимодействия между ними, формирующие в растворе неоднородность, являются главной частью процесса прочтения наследственной информации о строении организма. На основе таких представлений, трудами многих учёных была разработана математически корректная теория диссипативных структур (ТДС), а далее возникла и новая наука – синергетика. Было показано, что использование принципов ТДС даёт Природе возможность формировать сложные многоклеточные организмы.Смысл выдвижения гипотез заключается в том, что при решении трудных проблем, не поддающихся прямому экспериментальному исследованию, гипотеза переносит вопросы в совершенно другие области, где получить ответы легче или где ответы уже существуют. Например, гипотеза Тьюринга позволила вместо безуспешного прямого исследования факторов, управляющих развитием организма, переключить усилия на поиск молекул (морфогенов) с предсказанными свойствами или на поиск корреляций между особенностями организмов и следствиями гипотезы.Повторим, что гипотеза А. Тьюринга – очень сильная гипотеза. Не случайно она привлекла внимание большого числа исследователей. Коллективными усилиями было показано, что Природа, действительно, могла бы формировать живой мир на базе изложенных принципов. Но беда в том, что сопоставление реальных организмов с особенностями ТДС выявило ряд принципиальных расхождений. Жизнь на основе ТДС должна была бы выглядеть не такой, какой она предстаёт в действительности.Например, обнаружилось, что ТДС может объяснить формирование организмов с центральной симметрией – морских звёзд, офиур, актиний и др., но не объясняет формирование как раз подавляющего большинства животных (среди которых только насекомых – более миллиона видов), имеющих зеркальную симметрию. Обнаружилось, что разновидностей молекул, похожих по своим свойствам на морфогены, в организмах очень мало, в тысячи раз меньше, чем нужно для объяснения его развития. К тому же, крупные молекулы с информационными свойствами морфогенов диффундируют в протоплазме очень медленно. Из-за этого могут формироваться только диссипативные структуры не крупнее миллиметра. Более крупные организмы, по ТДС, способны возникнуть лишь в результате роста (тогда как, например, для человеческого организма основное формообразование происходит уже после превышения зародышем миллиметрового размера, и одного роста оказывается недостаточно для объяснения его развития).Кроме того, столь важный для ТДС рост организмов в рамки этой же теории не укладывается. При постоянной температуре зародыша скорость диффузии молекул стабильна, отчего характерные размеры диссипативных структур остаются неизменными. Под управлением подобной информационной системы организм мог бы увеличивать массу тела, разве что, по частям, поочерёдно – туловище, голова, одна рука, другая, нога и т.д., а вовсе не так, как это происходит в действительности! Именно расти, т.е. пропорционально увеличиваться в размерах, организм не мог бы.Для закономерного формирования диссипативных структур важно, чтобы в среде не происходили принудительные перемещения молекул, более интенсивные, чем диффузия. Это значит, что все этапы развития организма после начала функционирования кровеносной системы уже нельзя объяснять на основе ТДС. А ведь для человека – это вся жизнь, кроме первых месяцев развития зародыша. И так далее.Такой набор противоречий потребовал поиска другого, лучше совпадающего с реальностью механизма управления развитием.Однако, большой труд армии разработчиков ТДС не был напрасным. Не пройдя пути разработки ТДС, наука не смогла бы сделать следующего, психологически трудного шага, который требовал осознания слабых мест процесса формирования диссипативных структур и ломки привычных представлений.В проблеме управления развитием одним из центральных вопросов является вопрос о способе передачи в организме информации, согласовывающей в нём процессы развития разных органов. Успехи биохимии ХХ века сформировали у большинства биологов убеждение, будто химическими процессами и вообще близкими взаимодействиями между молекулярными структурами можно объяснить практически всё, происходящее в организме. Гипотеза о диссипативных структурах точно укладывалась в русло таких представлений – она предусматривала передачу информации в системе управления развитием за счёт переноса (диффузии) молекул.Усилиями разработчиков ТДС были изучены практически все мыслимые варианты формирования организмов на основе передачи информации путём переноса веществ. Общая неудача этого направления поисков заставила предположить, что в данном случае информационные связи основаны не на переносе вещества, а на втором возможном варианте – на переносе энергии. Перенос энергии, не связанный с переносом вещества (скажем, с переносом АТФ), осуществляется волновыми полями. Значит, нужно выявить волны, позволяющие переносить в организме информацию, управляющую развитием. При этом следует сразу уйти от ошибки разработчиков ТДС, не придавших значения огромным размерам некоторых организмов. Нужно сразу же искать волновое поле, способное пройти вдоль всего кита, мамонта, динозавра или даже саргассовой водоросли, длина которой достигает 200 м.Дальнодействие информационных связей ярко проявилось в специфике управления развитием, например, в частоте встречаемости мутаций галтеров (жужжалец) дрозофилы. Вероятность мутаций, затрагивающих одновременно левые и правые галтеры, оказалась равной произведению вероятностей мутаций отдельно левых и отдельно правых галтеров [Астауров, 1927; 1974]. Отсюда (на основании теории вероятностей) следовало, что развитие левых и правых органов определяется разными генами, не зависящими друг от друга.Но различие генов левых и правых органов не отразилось на хиральности (параметрах симметрии) молекул, из которых построены клетки этих органов. Белки всегда содержат левые аминокислоты (L-аминокислоты), а все сахара, входящие в нуклеиновые кислоты клеток – правые (D-сахара). Клетки (особенно, у высших животных) и ткани, как правило, тоже не различаются оттого, что принадлежат к левой или правой сторонам организма. Различие между левой и правой сторонами можно увидеть лишь на уровне органов и организма в целом. Другими словами, хотя зеркально-симметричные органы кодируются разными генами, эта особенность не сказывается на молекулярном уровне организации тела и обычно не проявляется на уровнях клеток или тканей. Раздельное влияние генов неожиданно (и в полной мере) обнаруживает себя лишь на уровне органов и организма в целом! Уже в этом видна большая протяжённость информационных связей между генами и органами. Если эти связи реализуются волнами, то такие волны должны обладать способностью проходить большие расстояния.Сложность ситуации в том, что одновременно с большой дальностью действия, искомые волны должны иметь малую длину волны, сопоставимую с размерами молекулярных агрегатов. Иначе они не могут избирательно воздействовать на гены. Но коротковолновые и, следовательно, высокочастотные колебания (электромагнитные или акустические) испытывают в биологических тканях очень сильное затухание, отчего не могут проходить значительные расстояния.Однако, многоклеточные организмы существуют. Значит, какое-то решение проблемы Природа нашла. Учёным нужно лишь отыскать его.Пытаясь создать удобную для изучения модель цикла Кребса, т.е. цепочки реакций, питающих организмы энергией, выдающийся русский химик Борис Павлович Белоусов, за год до гипотезы Алана Тьюринга о диссипативных структурах, открыл химические колебательные реакции. Например, если приготовить водный раствор лимонной кислоты, сульфата церия и бромата калия, добавив в качестве буфера серную кислоту, колебательный характер реакции проявляется в периодическом изменении цвета раствора с жёлтого на бесцветный. Если ввести в раствор, в качестве индикатора, железофенантролин, то возникает более контрастное изменение цветов с синего на красный и наоборот. Но если работа А. Тьюринга была сразу же опубликована, то Б.П. Белоусов жил в другой стране и ему повезло меньше. Только через 8 лет после открытия, ему с огромным трудом удалось опубликовать статью о колебательных реакциях, и то лишь в журнале по радиационной медицине, который химики не читают. Умер Б.П. Белоусов в 1970 г., так и не дождавшись признания. А в 1980 г. ему (посмертно) и группе последователей была присуждена высшая государственная премия, и сообщение о колебательных реакциях с триумфом прокатилось по химическим журналам всего мира. Вскоре оно было признано самым выдающимся экспериментом ХХ века.А.М. Жаботинским и А.Н. Заикиным было открыто, что химические колебательные реакции способны распространяться в виде волн. Возникло название „волны Белоусова – Жаботинского” или „волны БЖ”. Эти волны проявили именно то противоречивое сочетание качеств, которое способно объяснить работу волновой системы управления развитием.Во-первых, они, как лесной пожар, распространяются на любые расстояния, не теряя интенсивности (не затухая), так как черпают энергию из среды распространения. Во-вторых, имея форму уединённых волн, солитонов (а не привычных всем синусоид), волны химических реакций обладают на несколько порядков более коротким передним фронтом, чем расстояние между фронтами. При длине волны порядка единиц или десятков миллиметров, такие волны могут иметь передний фронт, сопоставимый по протяжённости с размерами гена, т.е. фронт, способный взаимодействовать с геном.Но одних лишь волн для системы управления развитием недостаточно. Ситуация выглядит так. Организм человека построен из миллиардов клеток и в ядре каждой – одинаковый набор генов. В зависимости от расположения клетки в организме, в ней из общего набора включается строго определённая группа генов, например, в клетках хрусталика глаза – группа, включающая в себя гены кристаллинов, белков прозрачных сред глаза. В другой точке организма включается другая группа генов. Чтобы связать это с волновым управлением, нужно объяснить природу избирательного взаимодействия волн с каждой группой генов.Известна гипотеза (А.Н. Мосолова) о том, что волны (правда, речь шла об акустических, а не о химических волнах) могут избирательно взаимодействовать с генами на основе резонанса. Но резонансные явления не объясняют связи активирования генов с координатами клетки в организме. Радиоприёмник на основе резонанса настраивается на ту или иную радиостанцию, но при этом остаётся неизвестным, как радиостанции расположены по отношению к приёмнику, поскольку (если не считать случая использования встроенной магнитной антенны, т.е. радиооптики) ориентация приёмника не влияет на приём. * * *На таком этапе развития науки автором была выдвинута гипотеза об оптическом механизме управления активностью генов, названная концепцией структурогенеза [Барбараш, 1983]. По этой гипотезе, гены получают информацию о местоположении клетки в организме приблизительно так, как корабль в океане определяет свои координаты по звёздам.По гипотезе, в клетках организма периодически возникает химическое волновое поле. Через многочисленные коннексоны – трубки молекулярного размера, пронизывающие стенки клеток и связывающие между собой их протоплазму – химические волны распространяются по всему организму. Из-за разных свойств тканей, интенсивность химических волн в разных тканях, конечно, не одинакова. Существуют зоны организма с высокой концентрацией энергии химических волн – назовём их активными зонами – и зоны с низкой плотностью энергии.Когда волна химических реакций, перемещаясь в протоплазме, достигает оболочки клеточного ядра, сопутствующий фронту волны скачок окислительно-восстановительного потенциала создаёт в ядерной оболочке кольцевую зону электрострикционного сжатия, которая быстро пробегает по поверхности ядра. Скачок электрического потенциала в растворе составляет всего десятые доли вольта. Но так как он оказывается приложенным к очень тонкой фосфолипидной мембране, напряжённость поля достигает в ней сотен киловольт на сантиметр, что превышает напряжённость пробоя лучших технических изоляторов, и вызывает интенсивную электрострикцию (сжатие диэлектрика под действием электрического поля).Зона электрострикционного сжатия приобретает вид кольцевой морщины, пробегающей по оболочке ядра. Естественно, что перемещение зоны деформаций порождает акустические колебания прилегающей протоплазмы. Источником энергии акустических колебаний является преобразованная мембраной энергия химических волн. Другими словами, часть энергии химической волны преобразовывается ядерной оболочкой в акустические волны, расходящиеся от оболочки в разные стороны – внутрь ядра и во внешнее пространство.Внешняя волна постепенно рассеивает свою энергию и затухает. Интереснее судьба акустической волны, уходящей внутрь ядра. Так как природа химических и акустических волн различна, то и скорости их распространения не одинаковы. Поэтому на границе раздела, на сферической поверхности ядерной оболочки, неминуемо происходит преломление волнового поля. В зависимости от величины коэффициента преломления, или иначе – отношения скоростей химических и акустических волн, сферическая оболочка могла бы приобретать свойства собирающей или рассеивающей линзы.Концепция структурогенеза предполагает, что в многоклеточных организмах такой коэффициент преломления имеет величину порядка 2,6–2,8, и тогда все активные зоны химического волнового поля организма проецируются ядерной оболочкой внутрь ядра, на содержащийся там хроматин. Естественно, проецируются они уже не в виде химических, а в виде акустических активных зон, в виде микроскопических зон фокусировки энергии акустических колебаний.Оптических систем такого типа физика ещё не знала. В известных оптических устройствах и в природных явлениях преломление волнового поля происходит тоже в результате изменения скорости распространения волн, но всегда из-за изменения свойств среды, а не изменения природы волн. Поэтому новой оптической системе следовало присвоить новое название. Автор назвал такие системы гетероволновой (разноволновой) оптикой или, в более узком понимании, кариооптикой, т.е. оптикой клеточных ядер.Кариооптика действует следующим образом. Активные зоны химического волнового поля организма проецируются оболочкой каждого ядра на содержащийся внутри него хроматин в виде системы акустических активных зон. В таких зонах двойная спираль ДНК отрывается акустическими колебаниями от нуклеосом, и гены, оказавшиеся на освобождённых участках ДНК, становятся доступными для РНК-полимераз, т.е. для ферментов, прочитывающих записанную на ДНК информацию и переписывающих её на синтезируемые нити РНК. Таким способом гены переводятся в активное состояние, или, иначе говоря, сиюминутное строение организма управляет активностью всех генов и дальнейшим развитием особи.По концепции, этот же волновой механизм управляет и дискретными перестройками хроматина внутри ядер, которые определяют возникновение клеток новых типов, что биологи называют клеточной дифференцировкой. Подробности этого процесса – в дальнейших главах. * * *Есть ли основания говорить, что концепция структурогенеза чем-то лучше гипотезы А. Тьюринга? Конечно, лучше. Прежде всего, она лишена недостатков тьюринговской гипотезы. На основе волнового механизма, в отличие от гипотезы А. Тьюринга, могут формироваться (в зависимости от расположения генов в ядре) организмы как с центральной, так и с зеркальной симметрией. Волновой механизм снимает вопрос об отсутствующих морфогенах. Его функционированию не мешает кровообращение. Он не ограничивает размеров организмов, и хорошо согласуется с процессами роста, что подробнее будет рассмотрено далее.Но дело не только в отсутствии недостатков тьюринговской гипотезы. Концепция структурогенеза чётко объяснила широкий круг биологических явлений, остававшихся непонятными после разработки гипотезы А. Тьюринга. Например, известно, что многоклеточные организмы построены только из клеток с ядрами. Почему? Для формирования диссипативных структур ядра не нужны. В то же время, они совершенно необходимы при оптической гипотезе!Для диссипативных структур не нужно, чтобы гены рибосом собирались в центре ядра, образуя ядрышко, не требуется многократного повторения одинаковых генов, из которых в каждой клетке используются лишь единицы, не нужны кластеры поочерёдно действующих генов и другие непонятные свойства эукариот, которые, вместе с тем, прямо следуют из оптического способа управления. * * *Когда общее представление о проблеме сложилось, можно выходить на второй виток – рассматривать тему и глубже, и подробнее. Как уже отмечалось, при этом неминуемы повторы. Кроме того, повторы определяются основополагающей ролью волнового механизма в генетической системе эукариот, отчего при описании разных сторон явления приходится снова и снова возвращаться к некоторым общим положениям. Но после двадцати лет упорного непонимания этих работ представителями официальной науки, упрёк за повторы представляется гораздо меньшей бедой, чем опасность и дальше оставаться непонятым. Повторенье – мать ученья. ^ 2.1.2. Загадка многоклеточных организмов В 1865 году, на заседании общества естествоиспытателей моравского города Брно был прочитан доклад, название которого подошло бы выступлению садовода-любителя: „Опыты над растительными гибридами”. Однако при взгляде из следующего, 20-го века этот доклад оказался одной из важнейших вех эпохи. Его столетие отмечалось мессой в церкви Успения, куда съехались генетики со всего мира, чтобы почтить память Грегора Менделя, автора доклада и настоятеля Августинского монастыря, которому принадлежала церковь.Изучая статистику распределения свойств в гибридах гороха, Грегор Мендель открыл существование генов, и сформулировал первые три закона генетики. Последующее развитие науки раскрыло в 1953 г. структуру двойной спирали ДНК и фактически решило вопрос о материальной природе генов (хотя выяснение подробностей, например, генетического кода и способа репликации, заняло ещё несколько лет).Далее последовал бурный рост и впечатляющие успехи исследований в области молекулярной генетики. Однако постепенно стало ясно, что молекулярная генетика ещё далека от полного триумфа. Были раскрыты способы наследования структуры белков (а с ними – биохимии клеток), но осталось непонятным, как наследуется строение многоклеточного организма. * * *Каждый биолог и медик, кто осознанно, а кто интуитивно, считает активность генов ответственной за все процессы, протекающие в организме. Появились аномалии развития – значит, нарушился нормальный процесс активирования генов. Израненный человек без помощи врачей поднялся на ноги – следовательно, вовремя включились нужные гены. Но что знает биолог о самом механизме активирования генов? По отношению к бактериям – практически, всё. По отношению к дождевому червю или человеку – почти ничего.Каждая клетка организма содержит одинаковый набор генов. Но какой-то интимный механизм включает в одних клетках одно, в других – другое подмножество генов, и в результате из одной клетки закономерно развивается сложный организм, описание анатомии которого требует многих томов.„Легче понять образование всех небесных тел и причину их движений,... чем точно выяснить... возникновение одной только былинки или гусеницы.” [Кант, 1963] В этих словах Иммануил Кант не случайно сделал акцент на „возникновении”. Жизнь содержит в себе много удивительного и загадочного. Загадочно её возникновение на Земле – буквально сразу, как только возникли приемлемые условия, загадочна способность высших организмов мыслить и т.д. Но более всего поражает учёных способность многоклеточных организмов развиваться из единственной клетки, закономерно повторяя строение предков. Если отбросить вирусы и прочую экзотику, то живая материя резко делится надвое – на прокариот и эукариот.Прокариоты немногочисленны по числу биологических видов (хотя широко распространены в природе) и примитивны по структуре. Они имеют одноклеточное строение, их колонии не образуют целостных организмов. Клетки очень малы, обычно неразличимы без микроскопа. Генетический аппарат представлен плавающей в протоплазме замкнутой в кольцо двойной спиралью ДНК, если и прикреплённой к оболочке клетки, то не более, чем в десятках точек.Эукариоты представлены в тысячи раз большим количеством биологических видов. В подавляющем большинстве – это многоклеточные организмы. К ним относится, в частности, вся видимая невооружённым глазом живая природа – животные и растения. Генетический аппарат каждой клетки организован в виде ядра, внутри оболочки которого сложная белковая структура обеспечивает заданное пространственное положение двойных спиралей ДНК.Уровни понимания нами биологии прокариот и эукариот разительно различаются. Если организация прокариот достаточно ясна и дальнейшего изучения требуют лишь особенности индивидуальных свойств да новые виды, то совсем иное положение с эукариотами. Что объединяет клетки в целостные организмы? Что и как управляет формообразованием растущей клеточной массы? Что контролирует изменение типов клеток при формировании организма? Как единственная клетка порождает клетки всех нужных типов?Как наследуется строение организма? Что объединяет столь различные по этиологии отклонения процессов развития, какими являются злокачественные опухоли? Как связаны процессы развития с нервной системой; почему только животные, обладающие длинными нервными пучками, смогли превысить своими размерами десяток метров? Почему организмы, находящиеся на более высоких ступенях эволюционной лестницы, оказались хуже приспособленными к восстановлению повреждённых органов (к регенерации), чем менее развитые, и т.п.?Та часть биологии, которая изучает процессы развития от конкретной зародышевой клетки до смерти организма, названа биологией развития. Именно к биологии развития относятся все перечисленные вопросы.Один из авторов открытия двойной спирали ДНК, Френсис Крик отмечал, что биология развития является областью наибольшей научной важности, где наше незнание гораздо поразительнее наших знаний [Фролов, 1981]. Он указывал, что наши знания в этой области имеют курьёзную особенность. Мы знаем, как организм строит самые сложные молекулы. Знаем многое из того, что творится внутри клетки. Но не знаем, как эти клетки соединяются, образуя ткани, органы и целые организмы.В тон ему, один из ведущих специалистов биологии развития А. Нейфах писал: „ ... понять, как создаётся форма органов, мы не можем и, честно говоря, не знаем, как к этой проблеме лучше подойти”. [Нейфах, Лозовская, 1984].По мнению Ф. Крика, сложность в том, что, поскольку жизнь построена на молекулярном уровне, да и по ряду других причин, чтобы объяснить наблюдаемое, нужно понять то, чего мы, при всей экспериментальной технике, не можем увидеть. * * *В ходе развития многоклеточного организма можно, в общем случае, выделить следующие существенные моменты:– обычно развитие начинается со слияния женской и мужской половых клеток с образованием клетки – зиготы;– далее, у многих организмов быстро проходит несколько делений зиготы (или только её ядра), значительно опережающих приток питательных веществ; это приводит к появлению всё более мелких клеток (биологи назвали данный этап “дроблением”), деления протекают во всех частях зародыша согласованно, синхронно, и все клетки приобретают одинаковые свойства;– затем в развитии наступает перелом, нарушается синхронность процессов деления, и впервые возникают отличия в свойствах образующихся клеток; появляются клетки всё новых и новых типов, так что дальнейшее развитие организма можно рассматривать как формирование „генеалогического древа” клеточных типов; параллельно со специализацией клеток (которую биологи называют „дифференцировкой”), увеличивается их количество, изменяются размеры, происходит рост организма;– наряду с появлением клеток разных типов и увеличением их общего количества, протекают формообразовательные процессы; рост одних групп клеток опережает рост других групп, вызывая деформации клеточных пластов, некоторые клетки самоуничтожаются, и в результате подобных, хорошо согласованных процессов формируется сложная анатомическая структура организма;– после достижения пика развития, обычно совпадающего с репродуктивной фазой, происходит постепенная деградация протекающих в организме биохимических процессов, а также анатомическая деградация (последнее особенно важно для многолетних растений), завершающиеся гибелью особи.Каждый из перечисленных пунктов содержит множество загадок. Биология развития оказалась той частью биологии многоклеточных, где проблемы выражены особенно остро.Нельзя сказать, что этот раздел биологии не имеет серьёзных успехов. Неплохо изучены биологические механизмы управления процессами с помощью специфических молекул (топоизомераз, цАМФ, экдизона и др.). Обнаружены разнообразные способы управления формированием организма на разных этапах развития. Например, установлена роль ооплазматической сегрегации (распределения веществ цитоплазмы яйцеклетки) в определении специализации клеток зародышей будущих организмов. Выявлено использование материнских РНК при первых делениях клеток зародышей с последующим переключением на синтез собственных РНК. Накоплен большой экспериментальный материал по эмбриональным индукциям, т.е. по специализации менее дифференцированных клеток под влиянием более дифференцированных.В ряде случаев установлена зависимость направления дифференцировки от взаимного расположения дочерних клеток после деления. Исследованы синхронизация процессов в разных частях организма с помощью гормонов и избирательное влияние состава транспортных РНК на скорость синтеза различных белков. У разных животных, вплоть до человека, обнаружены особые гомеотические гены, прямо влияющие на морфогенез, например, на сегментацию личинок дрозофилы или на формирование её нервной ткани.Подобные успехи создали у части биологов представление, будто совокупность уже известных механизмов развития, в принципе, способна объяснить все наблюдаемые факты. Особые надежды возлагаются на роль близких взаимодействий между клетками. Ситуация усугубилась разительными достижениями биохимии последних десятилетий. Эти успехи создали у специалистов впечатление, будто практически все процессы развития, в конце концов, могут быть объяснены через биохимические процессы, через контактные взаимодействия между молекулами и клетками.Многие процессы в клетке основаны на самосборке или на сходных с ней процессах опосредованной сборки, направленной сборки. После синтеза на рибосоме заданной цепочки аминокислот, эта цепочка (при соответствующих параметрах среды) сама собой сворачивается в пространственную структуру белковой молекулы. Сходные процессы, определяемые свойствами самих молекул, строят мембраны, микротрубочки, центриоли и пр. Поэтому для многих биологов естественна мысль, что самосборка, опосредованная или направленная сборка, и вообще близкие или контактные взаимодействия, в каком-то усложнённом варианте способны действовать и на более высоких уровнях, собирать из клеток ткани, из тканей – органы и так вплоть до целостного организма.Ярким примером такого подхода стала матриксная гипотеза ДНК-направляемого морфогенеза [Шеррер; 1987], в которой автор пытается информационно связать ядерную ДНК с построением матрикса клетки, а через него – и с формированием клетки в целом. Отсюда он перебрасывает мостик далее, к формированию органов и всего организма, считая, что организованный с помощью ДНК матрикс „ ... будет определять в целом размеры и морфологию клетки и, в силу этого, морфологию органа”.Существуют организмы (аскариды, коловратки и др.) со строго постоянными числами клеток каждого типа, словно подтверждающие мысль о самосборке особи из определённого комплекта клеток за счёт их чётких контактных взаимодействий. Но подобные явления редки. У подавляющего большинства организмов размеры, форма и количество клеток варьируют в широких пределах, что не нарушает строгой детерминированности общего строения органов и организма. Это показывает, что самосборка, опосредованная и направленная сборка, и в целом контактные взаимодействия клеток, сами по себе не могут объяснить построение высокоорганизованного многоклеточного организма. Всех упомянутых частных механизмов управления морфогенезом недостаточно. Должен существовать ещё „генеральный” управляющий механизм, действующий на значительных расстояниях и выполняющий „управление в целом”.Стремление понять наш наследственный аппарат обострило главную проблему биологии, суть которой в том, что мы знаем, как ДНК кодирует белки организма, но не знаем, как закодировано строение особи, её анатомия. Интерес к этой злободневной проблеме выразился, в частности, в исследованиях по широкой международной программе „Геном человека”.Поскольку каждый биохимический процесс задаётся каталитическим действием соответствующего белка (фермента), на основе генетического кода белков объясняется наследование всей биохимии организма. Но что обеспечивает точное наследование строения, структуры многоклеточного организма? Вот главная загадка биологии.Термин “структура организма” в дальнейшем используется довольно часто и потому требует определения. Обычно структурой называют совокупность элементов, соединённых системообразующими связями. В случае организма дать определение структуры нелегко, так как его элементы и объединяющие связи очень разнохарактерны и сложны. Что считать элементами организма (молекулы, клетки, органы?), какие связи должны учитываться, а какие – нет? В дальнейшем изложении термин “структура организма” будет использоваться в узком понимании – как совокупность разнотипных клеток организма, а также связей, обеспечивающих их согласованное развитие и совместное функционирование.Чтобы клетка правильно функционировала в структуре организма, каждой клетке должно быть известно её точное положение в структуре. „Совершенно очевидно, что клетки располагают позиционной информацией... Клетка усваивает информацию о своём расположении в трёхмерном пространстве ...” [Зенгбуш, 1982, т.1] Нельзя понять развитие многоклеточных организмов, не узнав, каким