Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
Результат и значимость процессов рекомбинации достаточно удачно иллюстрируется моделью Г.Мёллера – «храповик Мёллера». Отсутствие трансцендентной генетической рекомбинации приводит к неуклонной деградации генофонда за счет последовательного накопления вредных мутаций. Популяции с таким типом размножения могут поддерживать свое существование только за счет очень высокой численности, сильного давления стабилизирующего отбора, благодаря которому носители даже не очень вредных мутаций быстро погибают, а их место занимают клоны свободные от мутаций, и с малым размером генома. Как видим, условия достаточно жесткие. Трансцендентная генетическая рекомбинация существенно ослабляет их, проводя более мягкую изменчивость организмов, в сравнении с внутригенными мутациями. Очевидно, именно на этой основе в надцарстве прокариотных организмов «отшлифовались» и закрепились механизмы реализации различных способов генетической рекомбинации.
Обычно называют три способа рекомбинации:
– трансформация: ДНК, поглощенная клеткой реципиентом образует в ней, фактически, диплоидный набор гетерологичных хромотид, на основе которых происходит репликация новых молекул ДНК с реализацией процедуры межхромотидной рекомбинации генетического материала для передачи их дочерним образованиям;
– конъюгация: клетки входят в непосредственный контакт, соединяясь F -фимбрией[45], через которую проникает из донорской клетки в клетку реципиента одна из цепей молекулы ДНК. Донорская способность клеток определяется генами, содержащими F -фактор (чаще всего это своеобразная плазмида). В случае если F -фактор вставлен в молекулу основной ДНК клетки, то при конъюгации переносится не только F -фактор, но так же и остальная цепь ДНК. Такие Hfr -штаммы[46] постоянно передают всю или большую часть своей ДНК другим клеткам;
– трансдукция: рекомбинация ДНК с помощью вирусов.
Основой ферментного обеспечения процессов генетической рекомбинации прокариот является система ферментов процедуры репарации при репликации ДНК. Заметим к тому же, что белки топоизомеразы уже в составе прокариотных клеток разрешают ряд топологических проблем, связанных со спирализацией и деспирадизацией ДНК. В частности, топоизомераза, оборачиваясь вокруг ДНК, вносит разрыв, который снимает напряжение и позволяет спиралям ДНК вращаться. Не это ли является прелюдией обеспечения топологической перестройки и перехода от циклических хромотид прокариот к набору разомкнутых хромосом эукариот? Тем более что такая топология, в частности, уже возникает и обслуживается в прокариотных клетках в процессах генетической рекомбинации. В таких условиях обеспечивалось достаточно комплементарное развитие первичных эндосимбиозных структур формирующихся эукариотных клеток с диплоидной организацией генетической информации.
При рассмотрении последовательных стадий мейоза, обращает на себя внимание тот факт, что реализующиеся при этом процедуры на стадиях элонгации ДНК идентичны аналогичным процедурам прокариот в различных ситуациях размножения прокариотных организмов при возникновении ситуаций для осуществления генетической рекомбинации.
Мейоз включает два быстро следующих одно за другим деления. Эти деления так и называются: первое деление мейоза и второе деление мейоза. Продолжительность интерфазы первого деления мейоза различна у разных видов. На этой стадии происходит инициализация и, обычно, репликация ДНК и гистонов. Каждая хромосома реплицируется, следовательно, в каждом ядре, в котором начинается мейоз, содержится эквивалент четырех наборов гомологичных хромосом, которые начинают конъюгировать – сближение гомологичных (парных) хромосом, образуя хромосомные пары – биваленты. Аналогичный этому процесс происходит у прокариот при генетической рекомбинации. Конъюгация хромосом в обоих случаях происходит на основе сближения схожих участков цепей ДНК, а степень комплиментарности, видимо, активно связана со структурой молекулы ДНК.
Необходимо отметить, что эффект акта генетической рекомбинации прокариот проявляется в жизнеспособности новых клеток без какой-либо репарации произведенной замены генетического материала! В случае мейоза, вследствие гомологичности конъюгирующихся хромосом, следовало бы ожидать 100% позитивный исход первого деления мейоза. Однако, на деле оказывается, что конъюгация абсолютно гомологичных хромосом, т.е. произошедших либо только от материнской, либо только от отцовской хромосом, приводят обычно к гибели организмов (клеток). Для позитивного исхода мейоза действует правило обязательного обмена: всякая пара хромосом должна иметь хотя бы один обмен. Общее число обменов на хромосому зависит от ее размера. Это правило обусловлено тем, что рекомбинация в мейозе обеспечивает связь между гомологами вплоть до их расхождения в первом делении мейоза. Если между гомологами не произошло ни одного обмена то нарушается регламент их расхождения к полюсам деления, что приводит к непредсказуемому искажению генетической информации, и, как следствие, к гибели потомков. Достаточно естественно предположить, что такая ситуация возникает только при абсолютно идентичных конъюгирующих хромосомах. Действительно, в этом случае отсутствуют причины возникновения кроссинговера и формирования точек-хиазмов между расходящимися хромотидами бивалентов[47]. Ведь в случае абсолютной идентичности как конънюгация, так и расхождение хромосом должны происходить гладко, без всяких разрывов и особых точек.
В контексте эволюции некоторые количественные потери в результате рассмотренных особенностей первого деления мейоза полностью компенсируются тем, что на основе кроссинговера происходит генетическая рекомбинация. После кроссинговера расходятся уже измененные хромосомы, т.е. с другим сочетанием генов. Являясь процессом закономерным, кроссинговер приводит каждый раз к обмену разными по величине участками и обеспечивает эффективную рекомбинацию материала хромосом в гаметах. С этих позиций, важнейшее значение мейоза заключается в обеспечении постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида. Вместе с тем, рекомбинация является главным генератором фенотипического разнообразия генетически совместимых представителей одного вида, что обеспечивает эффективность процессов адаптации видов в изменяющихся внешних условиях.
Второе деление мейоза следует практически сразу же за первым, и синтеза ДНК в промежутке между ними не происходит. Состояние дочерних клеток, возникших в результате первого деления мейоза, абсолютно эквивалентно состоянию прокариотных клеток на этапе терминации ДНК-репликации. Естественно, что в этой ситуации включается традиционный процесс бинарного деления клетки, аналогичный этой стадии прокариот. Дальнейшая жизнь вновь образованных клеток регулируется фенотипической информацией, определяющей, по крайней мере, первые этапы структурного формирования клеток. По-видимому, именно идентичность механизмов реализации локальных процедур тиражирования генофонда про– и эукариотных организмов обусловила быстрое и, фактически, безальтернативное их распространение на всем многообразии формирующихся эукариот. Но следствия организации на этой основе генофонда надцарств про– и эукариотов оказались существенно различными.
Гаплоидная структура организации генофонда прокариот за счет действия «храповика Мёллера» существенно ограничивает возможность усложнения и наращивания размера генома прокариотных организмов. В отличие от этого, регулярная генетическая рекомбинация на каждом жизненном цикле эукариотных организмов, обеспечивая некоторый процесс элиминации[48], позволяет в значительной степени избавиться от ограничений, накладываемых «храповиком Мёллера». Как бы то ни было, но ароморфоз эукариотных организмов сопровождается, по крайней мере, увеличением количества и разнообразия наследуемой генетической информации.
В ходе ассимиляции механизмов и процедур репликации ДНК и клеточного деления гаплоидных прокариотных организмов в структуру диплоидной организации генетического материала эндосимбиоза произошло половое разделение эукариотных организмов. Естественно предположить, что это явилось следствием химерной структуры эндосимбиоза формирования первичных эукариотных организмов. Если вспомнить, что у современных эукариот генетическая информация для формирования органелл клеточного энергообеспечения (митохондрии и хролопласты) связана с полом (только Х-хромосома несет эту информацию), то процесс разделения полов представляется вполне предопределенным. (Вспомним естественную предопределенность формирования хиральности живой материи.) Можно предположить, что в эпоху зарождения надцарства эукариот структура генома эндосимбиоза уркариот и эубактерий была ограничена монопарой гетеросом. Если считать, что пролонгацией этой ситуации в ходе усложнения генома явилось наследие в виде половых хромосом (Х-хромосома – наследие эубактериальной, а Y-хромосома – наследие уркариотных хромосом), то не исключено, что наряду с существующими ХХ и ХY комбинациями формировались и YY комбинации. Однако последние оказывались нежизнеспособными, вследствие отсутствия у них программ формирования структур энергообеспечения жизни клетки.
В фазе гаплоидного клеточного представления эукариотных организмов в Y-гаметах обычно присутствуют сформированные энергообеспечивающие органеллы, перешедшие в клетку вместе с цитоплазмой материнской делящейся клетки. В ходе оплодотворения и формирования зиготы эти реликтовые материнские органеллы обычно распадаются. Этот факт, видимо, и подтверждает неспособность программ Y-хромосом формировать структуры энергообеспечения жизни клетки.
Такая естественная селекция размножения диплоидных организмов сформировала двуполую организацию их генотипов.
Часто рассуждения о двуполости эукариотных организмов строятся по схеме: для обеспечения процессов эволюции в природе сформировались механизмы хромосомной (половой) и межхромосомной (на уровне гомологичных хромосом) генетической рекомбинации. Более правильно, все-таки, представлять, что процессы размножения эукариотных клеток, сложившиеся на основе адаптации к их диплоидной структуре механизмов репликации ДНК прокариот, породили двуполость эукариотных организмов, обеспечивающую возможность естественной реализации генетической рекомбинации, создающей предпосылки ароморфоза. Это лишний раз подтверждает представление, что именно имманентные потенции информационных отношений являются основой эволюции и ароморфоза биосферы на Земле.
С. Гильберт в своем фундаментальном трехтомном учебнике «Биология развития» (Scott F. Gilbert “Developmental Biology”), претерпевшем уже третье издание, отмечает, «что половой процесс и размножение суть два различных явления, которые могут существовать отдельно друг от друга. Размножение – это возникновение новых особей, половой процесс – это создание новых комбинаций генов, происходящих от двух разных особей.… При объединении этих двух независимых явлений – полового процесса и размножения, говорят о половом размножении …. При возникновении в эволюции полового размножения прогресс был достигнут в двух отношениях. Во-первых, возник механизм мейоза, с помощью которого диплоидный набор хромосом редуцируется до гаплоидного состояния. Во-вторых, возник механизм, благодаря которому особи двух типов, различающиеся по полу, узнают друг друга». Используемый в этом случае термин «особь» очень уместен и важен, так как подчеркивает трансцендентный характер отношений при половом размножении.
Приведенные суждения об эволюции феноменологических трансформаций на основе диплоидности эукариот, которые привели к половому размножению эукариотных организмов, достаточно наглядно иллюстрируются, например, тем, что размножение простейших осуществляется половым и бесполым путем. Присутствуют все варианты полового процесса, включая: изогамию[49], анизогамию[50] и оогамию[51].
У колониальных жгутиконосцев, например, отмечается тенденция к усложнению полового процесса по мере увеличения числа клеток (организмов) в колонии. В малоклеточных колониях стефаносферы, состоящих из 8 клеток, гаметы не различимы между собой (изогамия). В колониях пандорины (Pandorina), состоящих уже из 16 клеток, гаметы различаются по размеру (анизогамия). В колониях вольвокса (Volvox), которые насчитывают свыше 104 клеток, уже четко выделяются крупные неподвижные женские гаметы и мелкие подвижные мужские, которых образуется намного больше (оогамия).
Половой процесс у простейших не всегда представляет собой слияние гамет с образоанием зиготы. Так, у инфузорий (Paramecium caudatum) половые клетки вообще не образуются, а происходит лишь частичное соединение половых партнеров посредством цитоплазматического мостика (конъюгация). При этом происходит обмен половыми ядрами и последующее их попарное слияние. В результате этого процесса макронуклеус (вегетативное ядро) постепенно разрушается, а микронуклеус (половое ядро) двукратно делится путем мейоза, после чего три ядра разрушаются, а одно делится снова. Каждая из его половинок обменивается на половинку ядра партнера и происходит их слияние. Образуется синкарион, в результате чего восстанавливается двойной набор хромосом. В результате деления синкариона часть продуктов деления превращается в макронуклеус, а другая часть в микронуклеусы.
Как показывает история развития Жизни на нашей планете, не смотря на отсутствие половой организации у прокариот, потенциальные возможности этого надцарства организмов с точки зрения размножения и адаптации к изменению внешних условий пока что ни чуть не слабее этого показателя эукариот. Да, с точки зрения биологической мощности и выживаемости, пока это действительно так, но с точки зрения ароморфоза, эволюция прокариот не идет ни в какое сравнение с достижениями совершенствования развития Жизни на Земле, обусловленными эволюцией эукариотных организмов.
Митоз
Диплоидная структура организации генетической информации первичных эукариот, которая возникла на основе симбиоза и адаптации в нем прокариотных процедур тиражирования генетической информации, явилась предпосылкой формирования нового уровня организации внутриклеточных информационных отношений, апогеем которых является митоз. Отметим, что на это ушел значительный период эволюции биосферы на Земле. Появление примитивных многоклеточных, а именно у многоклеточных наблюдаются устойчивые сформировавшиеся митотические процессы, обычно относят к позднему докембрию. Возможно, покажется странным, но на формирование новых уровней и архитектуры внутриклеточных информационных отношений в эволюции земной биосферы каждый раз уходило порядка миллиарда лет. Это относится и к периоду пражизни, и к времени формирования первичной прокариотной биосферы, и к периоду формирования диплоидной хромосомной организации генетической информации организмов, обеспечившей наблюдаемый ароморфоз жизни на Земле, который вызывает беспредельное изумление, восхищение и преклонение перед возможностями Природы. Не будем сейчас обсуждать это как содержательную дефиницию, а обратимся к некоторому конкретному рассмотрению возможных гипотез возникновения механизмов реализации митоза на основе диплоидной структурной организации генетической информации.
Прежде всего, необходимо ещё раз подчеркнуть единство «элементной базы» во всех надцарствах биосферы. Это касается и «операционных модулей» – рибосом на основе молекул рРНК, и «оперативной памяти» для программных компонент на основе иРНК и тРНК, и исходных «данных» (аминокислот) для создания фенотипической информации (белки) на основе генетически заложенного программного обеспечения, и средств «долговременной памяти» на молекулах ДНК – для хранения и тиражирования генетической информации.
Вследствие этого достигается гармония органической биосферы на Земле, как в аспекте ресурсного обеспечения, так и в аспекте преемственности в ходе эволюции Жизни на Земле. Именно единство и взаимодополняемость процессов ресурсообеспечения в биосфере создают условия организации кругооборотов живой материи, ограничивая экстенсивные потребности для осуществления жизни и развития биосферы, а так же содействуют интенсивному качественному преобразованию Жизни на нашей планете, включая воздействие и на окружающую среду. Не смотря на мощную дивергенцию в процессах формирования древа эукариотной жизни, наблюдаемый ароморфоз происходит не путем коренной ломки «проверенных жизнью решений» и/или спонтанного, «эмерджетного» возникновения чего-либо нового (что в определенной степени свойственно прокариотной биосфере), а именно на основе преемственности, которая зиждется на эволюционных преобразованиях, происходящих в условиях созданного единого базиса жизни организмов.
Именно вследствие такого единства результаты процессов клеточного эндосимбиоза на основе многопрограммной организации жизненных процессов развития и размножения клеток обеспечили устойчивый переход к закреплению существенных изменений структурной и топологической организации клеточных органелл и, в значительной степени, архитектуры клеток. Заметим, что это касается как архитектуры информационных отношений, так и архитектуры материального обеспечения жизненных процессов эукариотных организмов. Именно hardware изменения обеспечивали развитие и устойчивость реализации нового уровня информационных отношений, возникшего вследствие внутриклеточной многопрограммности.
Можно обратить внимание на некоторую схожесть переходных периодов при смене архитектурных парадигм в существенно различных областях их приложения, что подтверждает гипотезу о естественном возникновении и разитии происходящих трансформаций. Так, например, переход от прокариотного к эукариотному миру очень созвучен с переходом от романской архитектуры к готике. В обоих случаях переход происходил в рамках одной элементной базы, но при этом существенно изменялась архитектура системных отношений. В строительной индустрии романская архитектура, являвшаяся наследницей древнеримской, опиралась на парадигму целостности всех несущих частей здания (напоминает архитектуру монопрограммного обеспечения информационных отношений). Это приводило к необходимости создания мощных фундаментальных стен и к ограниченным размерам сводчатых перекрытий. Техническим прорывом архитекторов готики явился переход к организации распределенной нагрузки на несущие конструкции (не кажется ли в этом некоторая аналогия с мультипрограммностью). Свод перестали опирать на сплошные стены здания, распределив нагрузку с помощью ажурных жестких ребер – нервюр, на столбы (колонны), возникающий боковой распор которых воспринимался создаваемыми аркбутанами и контрфорсами. Готическая архитектура позволила существенно расширить масштабы внутренних помещений в зданиях и обогатить их качественно новыми возможностями наружного освещения. Необходимо отметить, что новая архитектура привела к существенным изменениям интерфейсов организации взаимодействия различных элементов здания. Для этого, конечно, потребовалось внедрение новых связующих компонентов и новых конструктивных решений в увязке строительных конструкций. Но, как мы видим, эффект перехода к новой архитектурной парадигме оказался весьма плодотворным, и до сих пор все передовые строительные сооружения в той или иной мере созданы с учетом различных способов организации распределения нагрузки на распределённые несущие опорные части. Вместе с тем утилитарные сооружения и в настоящее время возводятся по принципам романской архитектуры. При этом не возникает какой-либо существенной конфронтации и конкуренции в применении этих архитектур. Более того, единство элементной базы совместно обогащает обе архитектуры новыми технологическими приемами, обеспечивая качественное совершенствование обеих архитектур. Приведенный пример преследует цель показать, что, не смотря на уникальность процессов развития и эволюции биосферы, они по своей форме феноменологически достаточно схожи с другими, наблюдаемыми нами процессами.
В отличие от мейоза, который фактически явился результатом адаптации прокариотных механизмов репликации ДНК в условиях симбиозного набора генетической информации, митоз представляет собой качественно новый процесс конвариантной редупликации живых клеток. Его формирование и эволюция связаны с появлением новых структурных элементов клеточной организации и механизмов преобразования и хранения генетической информации с сохранением принципа полуконсервативной репликации молекул ДНК.
Длительность эволюционного периода формирования структуры материального (hardware) обеспечения и функциональной реализации процессов митоза определялась достаточно случайными событиями фрактальной структуризации клеточных элементов. Необходимо было, чтобы обеспечивалась устойчивая синергетическая увязка мультипрограммных режимов информационного функционирования клетки на основе складывающейся диплоидности и активизации режимов полового размножения.
Напомним, что схемы жизненных циклов различных эукариотных организмов обязательно включают стадии диплоидного и гаплоидного состояния организации генетической информации. Переход из одной формы организации генетической информации в другую для всех без исключения эукариотных организмов происходит по идентичным схемам и на основе одинаковых механизмов репликации ДНК. Вместе с тем, отметим: акт полового размножения эукариотных организмов является достаточно эксклюзивным явлением, в то время как на этом фоне в необозримое количество раз чаще происходят акты бесполого размножения эукариотных клеток, находящихся в различных стадиях организации генетической информации.
Жизнь клетки от одного деления до следующего или до смерти называется клеточным или жизненным циклом клетки. У одноклеточных организмов клеточный цикл совпадает с жизнью особи. В непрерывно размножающихся тканевых клетках многоклеточных организмов клеточный цикл совпадает с митотическим циклом, который является цитологической основой формирования тканей многоклеточных организмов вследствие (на основе) бесполого размножения клеток.
Митотический цикл состоит из четырех периодов со строгой последовательностью смен друг друга:
– пост-митотический период, наступающий с момента появления дочерних клеток в результате деления материнской клетки. В этом периоде происходит рост клетки, во время которого усиленно образуются РНК и белки, на основе которых формируются ферменты, катализирующие образование предшественников ДНК, а также ферменты метаболизма РНК и строительных белков;
– синтетический период, в течение которого происходит репликация ДНК. В результате удвоения ДНК в каждой хромосоме оказывается вдвое больше ДНК, чем было при рождении клетки, т.е. количество ДНК в диплоидных клетках соответствует тетраплоидному набору. Однако количество хромосом считается диплоидным, потому что вновь образовавшиеся дочерние хроматиды тесно переплетены между собой и составляют единую хромосому. В этом периоде, кроме репликации ДНК, активно продолжается синтез РНК и белков, осуществляется синтез рРНК, происходит удвоение центриолей, а также деление митохондрий. Увеличивается количество других органелл клетки;
– премитотический период начинается с момента окончания синтеза (репликации) ДНК и продолжается до начала митоза. В этот период образуются нити веретена деления, и завершается подготовка клетки к митозу;
– митоз – деление клетки.
С феноменологической точки зрения митоз является актом бесполого размножения эукариотных клеток живых организмов в стадии диплоидного состояния организации их генетической информации. Эволюция митоза достаточно образно может быть проиллюстрирована разнообразием и неоднородностью существующих в современной биосфере картин митотического деления эукариотных клеток. В настоящее время в эукариотной биосфере наблюдается значительное разнообразие типов митоза. Принято считать, что эволюция митотического деления идет в направлении от закрытого внутриядерного плевромитоза к открытому ортомитозу. Первый из упомянутых типов до сих пор достаточно распространен у многих простейших эукариот, для которых митоз остался процессом, связанным с мемраной, подобно тому, как в клетках прокариот пара нуклеотидов после репликации сохраняет связь с плазматической мембраной посредством мезосомы. Открытый ортомитоз, характерный для животных, высших растений и некоторых простейших, является наиболее распространенным в современной эукариотной биосфере.
Отмечается, что в сравнении с прокариотами у эукариот, особенно у многоклеточных, существенно увеличивается роль и значимость фенотипической информации в регулировании и управлении процессами развития и размножения (деления) клеток. В частности, ярким примером этого являются, например, процессы регуляции митоза гетеродимерным комплексом, состоящим из белка циклина и зависимой от циклина протеинкиназы, формирующим фактор, стимулирующий митоз. Этот фактор упомянут в связи с тем, что он обладает высокой консервативностью и присущ, фактически, всем эукариотным организмам. На основании этого можно предположить, что это был один из первоначальных механизмов формирования жизненных технологий эукариотных клеток. При этом белок циклин и зависимая от циклина протеинкиназа – образующие фактор, стимулирующий митоз, не являются, каким-либо новым биохимическим образованием, присущим только эукариотным клеткам. Другое дело, что в условиях реализации мультипрограммного пула генетической информации структурно сформировался феноменологически новый фактор, регламентирующий определенный этап жизненного цикла этого клеточного эндосимбиоза.