2 курс / Нормальная физиология / Загускин_С_Л_Ритмы_клетки_и_здоровье_человека

изменениями относительно процессов во внешней среде и потока внешней энергии. Недостаток или избыток внешней энергии определяет чередование в биосистеме двух противоположных стратегий поддержания ее устойчивости. Пассивная стратегия минимизации энергетических затрат на функцию

ирегуляцию биосистемы целесообразна и дает преимущество в выживании биосистемам, которые в условиях дефицита внешней энергии способны достаточно быстро уменьшить обмен веществ, уровень регуляторных процессов и внешней активности. Наоборот, в условиях, или иначе, в фазах ритма роста и избытка внешней энергии приоритет получают биосистемы, способные вовремя и в максимальной степени использовать эту добавочную с временным избытком внешнюю энергию на повышение своей организации, увеличение функциональных и структурных регуляторных процессов. В итоге сохраняют устойчивость лишь те биосистемы, которые чередуют пассивную и активную стратегии сохранения устойчивости адекватно фазам ритма потока внешней энергии. Эволюция биосистем – это их коэволюция и согласование с ритмами внешней среды.

Ритмы функции и биосинтеза должны соответствовать по фазам увеличения и снижения ритмам энергетики клетки. Для сохранения жизнедеятельности клетки, ее ритмы функциональной активности и регуляции должны вписаться в ритмы энергообеспечения ткани, соответствовать фазам спектра ритмов микроциркуляции крови. Увеличение активности тканей и органов, как известно, в норме соответствует изменению их кровенаполнения. Для выживания организма необходимы нормальное чередование сна и бодрствования, коррекция обмена веществ с учетом сезона года, фаз роста и развития, витаукта и старения по уровню функциональных и регуляторных процессов. Выживание видов определяется ритмами трофических цепей, консорций и ритмами энергетики биоценозов. Сохранение биоценозов и направленность их изменений определяется ритмами энергетики биосферы, постоянно приспосабливающимися, в свою очередь, к внешним ритмам солнечной активности и другим ритмам внешней среды. Биологические часы должны с опережающим отражением (по П. К. Анохину) фаз увеличения или уменьшения потока внешней энергии чередовать стратегии сохранения устойчивости на каждом уровне биосистемы.

Все биосистемы зависят от энергии внешней среды не пассивно. Они находят способы дополнительного увеличения потребления этой внешней энергии, конкурируя при этом друг с другом, или, наоборот, кооперируясь

ивзаимосодействуя между собой. Последний принцип является особенностью интеграции живых систем. П. А. Кропоткин распространил его даже на социальные процессы. Энергетическая интеграция однородных элементов в биосистеме позволяет им согласовывать их ритмы равных периодов

61

за счет сдвига фаз, увеличивая тем самым полноту и коэффициент полезного использования внешней энергии для биосистемы в целом. Аналогично объединение потребителей электроэнергии разных часовых поясов в общую энергосистему выгодно как для этих потребителей, так и для общей энергетической системы за счет увеличения равномерности потребления энергии. Интеграция в биосистеме разнородных элементов, отличающихся по периодам биоритмов, также выгодна как каждому элементу благодаря увеличению длительности активной стратегии, так и всей биосистеме благодаря более полному использованию внешней энергии, поступающей в биосистему. То, что не мог использовать элемент с большей инерционностью и энергоемкостью, потребляет элемент той же биосистемы с меньшей инерционностью и с меньшей энергоемкостью. Например, в растительном сообществе как в единой биосистеме та часть солнечного света, которая прошла без поглощения хлорофиллом листьев деревьев, усваивается и поглощается листьями нижнего яруса кустарников и травой. Интересно, что если установить в еловом лесу измеритель освещенности, то колебания фототока кроме суточного ритма выявляют околочасовые и более быстрые колебания, определяемые морфологией растений. Некоторые растения для увеличения потребления солнечной энергии поворачивают свои листья или, как подсолнечник, свои созревающие семена к солнцу. Основные уровни интеграции биосистем (клетка, организм, биоценоз, биосфера) являются результатом энергетической интеграции однородных и разнородных элементов в единую систему, относительно автономную на том же иерархическом уровне.

Смена направления движения «маятника» биологических часов – это смена стратегий сохранения устойчивости биосистемы данного уровня. Смена стратегий имеет эндогенную природу, хотя корректируется и может вызываться сигнатурами ритмов внешней среды. Увеличение внешней функциональной активности и внутренних регуляторных процессов в биосистеме или их уменьшение поддерживается эндогенно благодаря переменноприоритетномупринципураспределенияпотоковэнергиимеждупроцессами разной энергоемкости и лабильности (инерционности регуляции). Околосуточные футильные циклы энергетики клеток и организма в соответствии с дневным и ночным временем суток дают приоритет либо лабильным и менее энергоемкимфункциональнымпроцессамвдневноевремя,либоболееинерционным и энергоемким процессам биосинтеза и репарации в ночное время. Соответственно, днем потребляются и синтезируются преимущественно углеводы, а в ночное время – жирные кислоты. Подобная же смена приоритетов в обеспечении процессов, отличающихся по энергоемкости и лабильности, происходит на всех других уровнях биосистем и, соответственно, для

62

«маятников» биологических часов с меньшим, чем сутки, периодом (от околочасового ритма до ритма элонгации у прокариот).

Переменно-приоритетный принцип распределения потоков энергии в клетке на процессы разной энергоемкости и лабильности (рис. 13) объясняет

Рис. 13. Схема переменноприоритетного распределения потоков энергии (Eвх) на процессы саморегуляции жизнедеятельности биосистемы разной лабильности и энергоемкости: r1 , r2 – пара-

метры лабильности, p1 ,p2 – параметры энергоемкости.

иерархическую природу и эндогенный механизм биологических часов как смену направлений движения их «маятников», независимо от внешних воздействий, которые могут использоваться лишь для коррекции с привычными ритмами внешней среды, и не требует непосредственной генетической регуляции. В отличие от системы автоколебаний типа реакции Белоусова– Жаботинского эндогенный механизм биологических часов основан на синхронизации взаимно поддерживающихся нелинейных колебаний. При этом генетическая детерминация касается лишь морфологических форм. Сохранение нормальной работы биологических часов является основным условием активного долголетия человека. Для устранения десинхронозов вне за-

63

висимости от причин их появления необходимо временное согласование по энергетическим затратам функциональных и биосинтетических восстановительных процессов.

Функциональная активность клетки любого эволюционного уровня, вызванная либо внутренним источником неравновесия, либо внешним воздействием, увеличивает производство энергии в клетке в силу саморегуляции (кривые синтеза и расхода АТФ Аткинсона) с перерегулированием, что позволяет достичь порога энергетической активации более энергоемкого, но менее лабильного процесса биосинтеза. Инерционные биосинтетические процессы, в свою очередь, в силу саморегуляции увеличивают плотность потока синтезируемой энергии, который дает приоритет дальнейшему повышению биосинтеза и тормозит функцию, которая лимитируется по скорости производства энергии и уже не зависит от плотности потока (концентрации АТФ) энергии. Достигнув насыщения по энергообеспечению, биосинтез перестает стимулировать энергопродукцию, и последняя в силу саморегуляции начинает уменьшаться. Это ведет к лимитированию, а затем и торможению биосинтеза, и приоритет вновь переходит к стимуляции уровня функции. Таким образом, промежуточные значения инерционности регуляции энергетики обеспечивают чередование стимуляции и торможения функции и биосинтеза, смену их приоритетов, что хорошо соответствует разным параметрам ритмов внешних воздействий и последовательности фаз и периодам ответных реакций клетки по показателям функциональной активности и биосинтеза.

На рис. 14 показаны три зоны энергетической параметрической регуляции процессов функции и биосинтеза, отличающиеся по лабильности и энергоемкости. Зона 1 определяет подпороговые значения энергетики по плотности (меньше значения для функции) и по скорости потока энергии (меньше значения для биосинтеза). Функция энергетически санкционируется при тех значениях плотности потока энергии, при которых биосинтез еще блокирован. Наоборот, биосинтез санкционируется при тех значениях скорости потока энергии, при которых функция еще невозможна. Зона 2 показывает диапазоны энергетической саморегуляции уровней функции и биосинтеза, также отличающиеся по скорости и плотности используемого потока энергии. Зона 3 – насыщения, при которой уровни функции и биосинтеза уже энергетически не регулируются, также отличается по параметрам энергии для функции и биосинтеза.

В действительности даже в простейшей клетке происходят не два энергетически взаиморегулируемых процесса, а многие десятки, также различающиеся по своим энергетическим параметрам регуляции. Однако смена направления движения «маятника» биологических часов возможна при общей

64

Рис. 14. Энергетическая регуляция в клетке функции как более лабильного и менее энергоемкого процесса по сравнению с регуляцией биосинтеза. «Ножницы» энерге-

тической саморегуляции функции и биосинтеза обеспечивают эндогенную устойчивость и смену направлений «движения маятника» биологических часов

энергетической взаимосвязи уже двух процессов, отличающихся по энергоемкости и лабильности и, следовательно, по постоянным времени обратных связей и длительности переходного процесса.

В научной литературе представлены внешне противоречивые результаты исследованиявлиянияфункциональнойнагрузкинасодержаниебелкавнервной клетке. В одних работах указана первичная фаза снижения содержания белка,вдругих–толькоповышениеспоследующейнормализацией.Внаших исследованияхнамоделииприэкспериментальнойпроверкерезультатовмоделирования получены все варианты зависимости стимуляции и торможения функцией биосинтеза белка в клетке в зависимости от фаз ритма энергетического метаболизма клетки. Уже простейшая реостатная модель (рис. 15) реализует все варианты ответных изменений уровня функции и биосинтеза, их последовательностьисоотношенияприразныхпараметрахвнешнеговоздействия в зависимости от фаз ритмов энергетики клетки и соотношения скоростейдвиженияползунковреостата(лабильности).Болеесложнаямодельклетки разработана нами совместно с профессором, доктором технических наук

65

С. Н. Гринченко [15]. Эта модель описывает регуляцию ритмов уже десятков разных процессов, отличающихся по своей энергоемкости и лабильности (инерционности энергетической регуляции).

Рис. 15. Реостатная модель связи энергетики (Е), биосинтеза (Б) и функции (Ф) нервной клетки в переходном процессе внешнего воздействия. Инерционность (скорость движения ползунков реостата) – Б > Е > Ф. Изменения плотности и скорости потока энергопотребления и энергопродукции определяют энергетическую параметрическую регуляцию функциональной индукции пластических процессов и все вари-

анты экспериментальных связей биоритмов Ф, Е и Б

Почему ломаются биологические часы? Это происходит при любых заболеваниях организма, при любых нарушениях жизнедеятельности клетки и другихбиосистем.Внезависимостиотпричинзаболеванийонивсегдасопровождаются десинхронозами. Они могут возникать в организме при гипоксии ткани, артериальной или венозной гиперемии, т. е. когда нарушаются ритмы энергетики,ритмыработысердца,дыхания,микроциркуляциикрови.Десинхронозы фазовые, системные, иерархические могут возникать при нарушениях функции и биосинтеза, восстановительных процессов. Восстановление гармонии биоритмов, устранение десинхронозов является наиболее физиологичнымспособомирезультатомуспешноголечения.Наиболееадекватным методом для этого является биоуправляемая хронофизиотерапия, которая в отличие от обычной физиотерапии и лекарственной терапии, не имеет по-

66

бочных реакций, дает стабильный лечебный эффект, увеличивает интегральную целостность организма, устраняя компенсаторные изменения в других органах и системах. Этот метод обеспечивает автоматическую синхронизацию физических воздействий с фазами увеличения кровенаполнения ткани и энергообеспечения ответных реакций по сигналам с датчиков пульса и дыхания, установленных на теле пациента. В результате десинхронозы устраняются наиболее физиологичным, быстрым и менее затратным способом.

Изложенная гипотеза о природе и механизме биологических часов позволяет представить адаптацию биосистем к внешним воздействиям как минимизацию энергетических затрат благодаря сохранению адекватных изменений структуры, соответствующей параметрам привычных воздействий внешней среды. Для адаптационных гипотез старения хронобиологический подход вносит важное дополнение в виде снижения в результате адаптации гомеостатическоймощностибиосистем,уменьшениядиапазонадопустимых без потери устойчивости отклонений параметров гомеостазиса. Для гипотез старения, основанных на накоплении повреждений и ошибок, дополнением является увеличение вероятности элиминирования и гибели структур в результате снижения общего уровня энергетики и гомеостатической мощности биосистемы. Для гипотез о генетической детерминации старения уточнением служит ограничение генетической регуляцией только морфологических параметровпроцессовминимизацииэнергозатратприадаптациииобучении.

Отрицание прямой генетической регуляции биологических часов не противоречит роли генома в эволюционном закреплении морфологических параметров разных взаимно поддерживающихся ритмов золь-гель структур клетки. Эндогенная природа биологических часов основана на общей энергетической параметрической регуляции всей иерархии ритмов внутриклеточных процессов и их согласовании. Если изменения согласования ритмов золь-гель переходов в геноме клетки выходят за пределы гомеостатической мощности, т. е. функционального десинхроноза, то вероятность неблагоприятных мутаций резко возрастает. Генмодифицированные организмы (ГМО), полученные методами генной инженерии, могут под воздействием даже слабых мутагенных факторов давать такие неблагоприятные мутации, которые невозможны у обычных эволюционно устойчивых организмов. ГМО по этой причине могут представлять потенциальную опасность и для генома человека. Представление о том, что в геноме активны только несколько процентов генов, непосредственно кодирующих биосинтез белков, с позиции механизма биологических часов не соответствует действительности. Все участки хроматина в интерфазном ядре клетки обнаруживают ритмы золь-гель переходов в широком диапазоне периодов, что показано в наших исследованиях (рис. 7). Дерепрессия любого гена определяется изменением синхронизации

67

всех ритмов золь-гель переходов всего хроматина клетки с образованием определенных солитонов и бризеров, что обеспечивает конкретное место транскрипции, трансляции и движение макромолекул в определенные области клетки. Именно эта «неработающая» якобы часть генома регулирует путем физических сигналов при переходах золя в гель ритмы золь-гель переходов и, следовательно, функцию активных генов, обеспечивающих транскрипцию (синтез иРНК в ядре) и затем трансляцию (биосинтез определенных белков в цитоплазме клетки). Аналогичное утверждение, что в головном мозгу одновременно работает не более 10 % нейронов, также является упрощенным представлением. Информационная функция в мозгу базируется не только генерацией потенциалов действия и их адресной передачи, но и на разнообразных гуморальных связях и генерации многочастотных информационных сигналов ритмов акустических и электромагнитных полей при постоянно идущих золь-гель переходах во всех нервных и глиальных клетках мозга. Причем трофическая роль глии подтверждает значение физических и химических сигналов якобы «неработающих» нервных клеток.

Биологические часы – это результат коэволюции биоритмов биосистем и временной организации внешней среды. Благодаря им повышается чувствительность к привычным для биосистемы ритмам, которые используются для коррекции биологических часов, и снижается чувствительность к помехам

ик ритмам, не имеющим биологической значимости. Соответственно дискретному спектру биологически значимых ритмов в эволюции клеток закрепляются морфологически определенные по кинетике и емкости внутриклеточные кальциевые депо.

Нередко под биологическими часами понимают лишь околосуточный ритм, который отсутствует у прокариот, но хорошо известен для организма человека. Это наименее варьирующий ритм, фазы которого подстраиваются под внешние корректоры этого ритма синхронизацией околочасовых ритмов [21]. Такими корректорами для околосуточных часов являются солнечный свет, температура внешней среды (для ряда животных) и, возможно, изменение магнитного поля Земли. Синтезируемый преимущественно в эпифизе

ив ночное время гормон мелатонин задает фазу ритма ночного обмена веществ и согласует ритмы всех органов и систем организма. Его уровень в крови отражает биологический возраст человека. Принятие лекарственных форм мелатонина позволяет при перелетах через несколько часовых поясов, не только нормализовать биологические часы, но и устранить десинхронозы, характерные для многих заболеваний. Недостатком такого лечения искусственным мелатонином при длительном применении является подавление биосинтеза его в самом организме человека. Человек становится зависимым от постоянного употребления этого лекарства. Нами разработан спо-

68

соб биоуправляемой лазерной стимуляции продукции мелатонина, который исключает привыкание и снижение собственной функции эпифиза. Методы биоуправляемой хронофизиотерапии позволяют без побочных негативных реакций, присущих как медикаментозной терапии, так и обычной физиотерапии, корректировать биологические часы организма по всей иерархии биоритмов и устранять патологические десинхронозы, которые оцениваются и контролируются разработанными нами методами хронодиагностики.

Таким образом, природа и механизм биологических часов понимаются нами как самосинхронизация и эндогенное самоподдержание нелинейных колебаний разных по параметрам энергоемкости и лабильности процессов жизнедеятельности, определяемых ритмами золь-гель переходов в компартментах клетки. Дальнейшие исследования связи ритмов золь-гель переходов и биоритмологического управления ими в живой клетке позволят понять бионические механизмы бионанотехнологий. Они открывают путь к управлению функцией генома, регуляции апоптоза, получению гибридом разных видов клеток, успешной трансплантации стволовых клеток за счет согласования их ритмов с ритмами клеток в месте трансплантации и к решению других актуальных проблем хронобиологии и хрономедицины.

69

Глава 3. Адаптация, память и обучение

Настоящее смотрит в будущее глазами прошлого.

Эдуард Севрус

Время измеряется памятью.

Августин

Чем больше привычек, тем меньше свободы.

И. Кант

Все отличия биосистем от механических или искусственных технических систем тем или иным способом связаны со спецификой биоритмов и их связей. Прежде всего это ритмы фазовых золь-гель переходов, интеграция которых в автономную систему со свойством ковариантной редупликации

исамоорганизации на основе взаимосвязи этих ритмов и создала впервые жизнь в виде живой клетки. Одновременно эта система взаимно поддерживаемых нелинейных колебаний стала обладать свойствами адаптации не только в снижении чувствительности (привыкании), но и в сенсибилизации, повышении чувствительности к биологически значимым внешним воздействиям, к их сигналам. Фиксация истории входных воздействий в структуре мицелл и в организации макромолекул, обеспечивающих адекватные параметры ритмов золь-гель переходов, позволила возникнуть принципиально новомусвойству–биологическойпамятииобучению,эволюцииструктурно- метаболической организации со свойствами опережающего отражения изменений (ритмов) внешней среды. Все эти свойства гомеостазиса необходимо учитывать для обоснования хронобиологических методов диагностики и управления жизнедеятельностью на всех уровнях биосистем.

Гомеостазис любой биосистемы обеспечивается поддержанием периодов

иамплитуд колебаний различных показателей обмена, структуры в определенном допустимом без потери устойчивости биосистемы диапазоне и, следовательно, допустимым изменением параметров биоритмов. Выход за пределы гомеостатического коридора на срок, превышающий длительность соответствующего структурного восстановительного процесса, приводит к гибели (элиминированию) данного элемента биосистемы. Возникновение

исуществование жизни невозможно без передачи информации, без информационных сигналов между золь-гель структурами, между компартментами уже самой простой клетки. Химический обмен недостаточен для обмена информацией, он энергетически неэкономичен, слишком медлен и расточителен. Это не означает отсутствия химической сигнализации внутри клетки

имежду биосистемами. Однако уже на первом этапе возникновения жизни необходимы были быстрые, экономичные связи всех элементов в системе, каждого с каждым.

70