Анаэробный этап эволюционного развития животной клетки Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

АНАЭРОБНЫЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИОННОГО РАЗВИТИЯ ЖИВОТНОЙ КЛЕТКИ

1Зарицкий А. Р., 2Грачев В.И., 3Воронцов Ю. П., 1Кириченко М.Н., 4Пронин В. С.

■'Физический институт им. П.Н. Лебедева, Российская академия наук, http://www.lebedev.ru 119991 Москва, Российская Федерация

2Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова, Российская академия наук, http://www.cplire.ru 125009 Москва, Российская Федерация

3ДГК Больница № 13 им. Н.Ф. Филатова, Департамент здравоохранения г. Москвы, http://www.13dgkb.ru 103001 Москва, Российская Федерация

4Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Министерство здравоохранения и социального развития РФ, http://www.mmm.ru 119991 Москва, Российская Федерация Поступила 28.04.2015

Проведен анализ вероятного эволюционного развития живого мира в период формирования первых животных клеток. Показаны условия и возможный путь превращения липидных везикул в животные ядерные клетки. Основным содержанием эволюционного пути на рассматриваемом этапе постулируется формирование молекулярных механизмов энергетического метаболизма в двух режимах активации и деления (митоза) везикул. Выявлены ведущие физико-химические факторы, определяющие порядок смены процессов и явлений при делении клеток - кислотность цитоплазмы и концентрация в ней основного макроэрга АТФ. На фазовых диаграммах кинетики энергетического метаболизма липидных везикул и первых клеток проиллюстрированы циклические процессы режимов активации и митоза в условиях непрерывного синтеза и ферментативного распада гликогена цитоплазмы, регуляторных ингибиторов и активаторов метаболических процессов, концентрации АТФ и ионов водорода, вовлеченных в проточное гомеостатирование. Показан самоорганизующийся характер кинетики энергетического метаболизма цитоплазмы липидных везикул и формирующихся первых архаичных клеток.

Ключевые слова: анаэробный этап эволюции, липидные везикулы, вирусы, режимы энергетического метаболизма, кислотность, макроэрги, фазовые диаграммы метаболизма.

УДК: 576.1+551.7

Содержание

1. Введение (87)

2. Условия эволюционного развития клеток до накопления атмосферного кислорода (88)

3. регулирование режима активности, преход к режиму деления клетки (89)

4. Митоз архаичной кдетки (90)

5. Эволюция кинетики основных параметров энергетического метаболизма липидных везикул и первых клеток (94)

6. самоорганизация режимов метаболизма (96)

7. заключение (97) литература (98)

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящей работе анализ проблемы вероятного эволюционного становления животной ядерной клетки построен на следующих основных положениях:

• новую информацию для клеток вносили и

вносят вирусы в процессах симбиотических и антагонистических взаимодействий с ними;

• новая информация закреплялась навсегда, проявляясь как эволюционная память, и могла закрепляться в клетках только на основе энергетического выигрыша, получаемого при появлении новых структур за счет экономии или интенсификации (генеральной линии развития живых систем) генерации в клетках свободной энергии без ущерба для деятельности уже имеющихся структур;

• сохранение нативности (целостности состава и свойств) органических структур в клетках за редким исключением поддерживалось и поддерживается в проточном гомеостазе, при непрерывном синтезе и ферментативной разборке соединений.

Задачей проводимого анализа является

выяснение истоков появления, формирования

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

и совершенствования средств и структур регуляторных механизмов, обеспечивших архаичным клеткам:

• высокую надежность в накоплении объема гликогена, достаточного для обеспечения энергией процессов деления клеток;

• своевременное (когда созрели условия) автоматическое переключение уже сложившихся двух режимов их метаболизма — режима активности на режим деления и обратно.

Кроме того, требуется определить также движущие силы и главный фактор, определяющие порядок смены процессов и событий при митозе и смене режимов метаболизма клеток

2. УСЛОВИЯ ЭВОЛЮЦИОННОГО РАЗВИТИЯ КЛЕТОК ДО НАКОПЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО КИСЛОРОДА

Разделение архаичного цикла энергетических процессов метаболизма первых ядерных клеток на циклы активности и деления рассмотрены в [1, 2]. Формирование и совершенствование этих двух режимов метаболизма началось, по-видимому, при парциальном давлении атмосферного кислорода, не превышающем 2 мм.рт.ст (судя по гомеостазу уровня кислорода в цитоплазме современной животной клетки). Подавляющее господство в окружающей липидные везикулы водной среде глюкозы способствовало их эволюционным преобразованиям. Такой энергоемкий субстрат, как глюкоза, оказался на начальном этапе рассматриваемого периода эволюционно первым и основным продуктом фотосинтеза липидных везикул — предшественников растительных клеток и их органелл. В то время клетки грибов и растений еще не сформировались, а кислород в тогдашней атмосфере только начинал накапливаться в результате деятельности упомянутых везикул. Предпосылок для формирования ферментативного аппарата аэробного усвоения сахаров в этот период пока у первых клеток не было. Поэтому энергетической основой митотической деятельности первых животных клеток остается анаэробное усвоение глюкозы и её полимера — гликогена1. По мере формирования и совершенствования

1 Остается оно таковым и на сегодняшний день.

соответствующего ферментативного аппарата анаэробного усвоения глюкозы в митотическом цикле липидных везикул утвердился и нашел свое закрепление гликолиз, сопровождающийся синтезом АТФ. Здесь в полной мере проявился биологический консерватизм.

Совершенствование энергетического

метаболизма2 липидных везикул определялось появлением механизмов регулирования его режимов. К тому времени сложились два режима метаболизма циклического характера — режим активности всех процессов во внутренней среде везикулы и митоз. Переходы из одного режима в другой и обратно носили случайный, вероятностный характер. Зачастую протоклетки начинали деление без достаточного энергетического обеспечения (запасов гликогена) и гибли. С другой стороны, задержка в режиме активности могла привести к неограниченному накоплению гликогена. Это могло существенно изменить условия протекания метаболических процессов вплоть до их дискриминации и гибели протоклетки.

Для регулирования указанных переходов сложился соответствующий механизм. Его основу заложила межвидовая борьба тогдашних вирусов за энергетические запасы клетки. В процессах развития живого мира появляющимся все более крупным вирусам для своего стабильного воспроизводства стало не хватать энергии, запасаемой в циклах активности протоклетки за время, ограниченное нерегулируемым переходом ее к делению. Именно они внесли в клетку информацию о регуляторных веществах — ингибиторах и активаторах (пептидной природы) процессов подщелачивания цитоплазмы, осуществляемых группой специальных ферментов. Соединения этой группы и в настоящее время катализируют реакции синтеза высокомолекулярной органики, которые идут с поглощением ионов Н+ [2], реализуя подщелачивание реакционной среды. Напомним, что в рассматриваемый эволюционный период появление и действие

2Под энергетическим метаболизмом понимаются две группы энергозависимых и противоположно направленных процессов: высвобождение свободной энергии и кумуляция ее в макроэргах и расход этой энергии на выживаемость клетки и на ее адаптацию в экологической нише.

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

в цитоплазме таких ферментативных реакций обеспечили первым клеткам интенсификацию процессов энергетического метаболизма, а его циклический характер — разведением во времени двух основных групп процессов, конкурирующих за использование основных макроэргов [1]. Действие указанных выше активаторов и ингибиторов на скорость подщелачивания цитоплазмы в клетках обеспечило формирование и действие соответствующих регуляторных механизмов, опосредованно, через изменения кислотности среды, влияющих на скорость и объем запасаемого гликогена.

3. РЕГУЛИРОВКА РЕЖИМА АКТИВНОСТИ, ПЕРЕХОД К РЕЖИМУ ДЕЛЕНИЯ КЛЕТКИ

Рассмотрим возможную схему действия указанных регуляторных ингибиторов и активаторов. Функциональное назначение режима активности архаичных клеток состояло в накоплении гликогена. Поэтому часть генерируемой в них энергии отводилось для этой цели. Остальная часть энергии тратилась для осуществления проточного гомеостаза. Все соединения (кроме ДНК) в протоклетке непрерывно синтезировались и одновременно подвергались ферментативному распаду. Равенство скоростей этих процессов в среднем за цикл активности обеспечивало постоянство количества и концентраций всех соединений, вовлеченных в проточное гомеостатирование. Такой проток вещества, но с особенностью, установился и для регуляторных ингибиторов и активаторов. Возможность спонтанного переключения метаболизма клеток с цикла активности в митоз начала достигаться за счет частичного ингибирования новыми регуляторными соединениями процесса подщелачивания цитоплазмы в фазе роста в ней концентрации АТФ с самого начала накопления клеткой гликогена. Присутствие активаторов процесса подщелачивания необходимо длятонкой подстройки глубины начального ингибирования. В процессе естественного отбора ингибиторов нашли свое закрепление только те соединения, которые обладали сродством к гликогену. Это позволило часть потока ингибиторов, синтезируемых в клетке, на все время наработки и роста запасов гликогена отвлекать на образование комплексов ингибитор-гликоген. По мере роста

«кустов» гликогена в клетке на единицу времени все больше образовывалось мест сорбции на них ингибиторов. Этим обеспечивалось снижение их концентрации в цитоплазме и, как следствие, рост активности ферментов, задействованных в процессах ее подщелачивания. Поэтому возрастала также скорость самих процессов подщелачивания, постепенно выходя на постоянный, определяемый концентрацией самих ферментов и активаторов их активности, уровень. По достижению нейтральных значений рН цитоплазмы происходило (происходит до настоящего времени) автоматическое включение процессов деления клеток (механизмы включения приведены ниже). В процессах эволюционного совершенствования приведенного механизма произошел отбор и нашли закрепление в гомеостазе всех упомянутых выше соединений, которые обеспечили надежное переключение метаболизма клетки с режима активности с накоплением гликогена на режим деления с его расходом.

Рис. 1 иллюстрирует изменения концентрации АТФ (пАТф) и величины pH цитоплазмы (фазовый портрет энергетического метаболизма) в режиме накопления гликогена архаичной животной клеткой. На фазовой плоскости (жАТф; рН} приведена траектория изменений этих величин, определявшей (определяющая и в настоящее время) скорости метаболических процессов в цитоплазме. Стартовав в точке А с координатами п и рН ,

1 1 нач ^ нач3

рНкон

рНнач

пнач патф

Рис. 1. Фазовый портрет энергетического метаболизма архаичной клетки в режиме активации.

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

расположенной ниже критического уровнярН , состояние кислой цитоплазмы по указанным переменным изменялось циклически. Фазовая точка (пАТф; рН двигаясь по квазизамкнутой траектории, постепенно смещалась в сторону более высоких значений рН. На рисунке показаны три незамкнутых цикла активности, которые пронумерованы в порядке прохождения по ним фазовой точки. Стрелками указано направление ее движения. Если ввести ось времени (, то фазовая точка в пространстве {пАТф; рН; /} при наборе гликогена архаичной клеткой, двигаясь по раскручивающейся спирали, будет смещаться в сторону более высоких значений рН. По достижению системой критического уровня величины рН в точке В автоматически включался митоз.

Отметим (см. рис. 1) колебательный характер пАТф и рН на фоне монотонного их роста, средних этих величин за цикл по мере накопления гликогена из-за постепенного снятия ингибирования процессов подщелачивания цитоплазмы.

Отметим также, что чрезвычайно важен для нашего рассмотрения случай внезапного включения в этих условиях мощных окислительных процессов, способных существенно подкислять цитоплазму, невзирая на нарастающее ее подщелачивание. Изменение величин п Тф и рН неизбежно пойдет схожим с рис. 1 образом только в обратном направлении и при значительно больших концентрациях АТФ.

Нельзя обойти вопрос интенсификации энергетического метаболизма как генеральной линии эволюционных преобразований клетки на данном этапе ее развития применительно к рассмотренному циклу активности. Ясно, что достижение максимальных мощностей генерации свободной энергии за цикл может быть обеспечено подщелачиванием цитоплазмы до уровня, близкого к нейтральным значениям рН, но исключающего переход на режим деления клетки, и набором в этих условиях объема гликогена, достаточного для обеспечения митоза. Поэтому при дальнейшем совершенствовании цикла активности в архаичных и современных клетках нашло закрепление крайнее (но ниже нейтральных значений) положение «щелочной» ветви фазовой траектории состояний на

координатной плоскости (пАТФ; рН). Кроме того, интенсификация энергетического метаболизма клеток в режиме активности проявлялась также в достижении в цитоплазме все больших величин максимальных концентраций АТФ и смещением «кислой» ветви фазовой траектории в область более низких значений рН.

4. МИТОЗ АРХАИЧНОЙ КЛЕТКИ

При достижении в цитоплазме нейтральных значений рН в клетке реализовывались условия самых начальных (везикулярных) этапов развития живого мира. Большинство соединений и их комплексов, имея в этих условиях высокое сродство с липидами, ассоциировались с мембранами. Это касалось, как цитомембран, так и мембран ядер. Немного ранее, при слабо кислой цитоплазме информационные молекулы претерпевали конформационные изменения, принимая форму «ламповой щетки», удобной для их репликации (копирования). Полинуклиотиды, не имея сродства с липидами, ассоциировались с мембранами через белковые комплексы, при такой кислотности внутренней среды клеток сродство имеющие. Усилившийся под воздействием этих комплексов и других соединений, ассоциированных с мембранами, ферментативный распад липидов поставлял энергию для синтеза макроэргов, необходимых для репликации ДНК генома. Распаду, в первую очередь, подвергались липиды ядра вплоть до его исчезновения, поскольку ферменты действовали с двух сторон: и изнутри ядерной мембраны, и снаружи её. Хромосомы (после репликации) при достижении в среде нейтральных значений конденсировались, знаменуя начало митоза, называемое профазой. Самым важным моментом в развертывании дальнейших событий является резкое возрастание активности ферментов, катализирующих реакции энергетического метаболизма. В соответствии со вторым положением вводной части это объясняется наследованием ферментами свойств,

характерных для соединений на ранних эволюционных этапах форм нарождающихся живых систем до появления клеток. В то время метаболизм осуществлялся преимущественно на поверхности липидов, либо в водной среде, непосредственно к ним прилегающей [4].

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Поэтому эволюционный отбор ферментов вёлся, соответственно, по максимальной их активности при ассоциации с липидными слоями.

Указанный рост активности ферментов при их сорбции на поверхности мембраны обуславливал увеличение мощности

окислительных процессов (напомним, что это было анаэробное усвоение глюкозы). Связанное с этим последующее усиление подкисления цитоплазмы оказалось способным пересилить действие специальной цепочки реакций её подщелачивания. К тому эволюционному периоду объем ферментативного пула окислительных процессов оказался достаточным, чтобы обеспечить монотонное подкисление цитоплазмы. Заметим, что при этом на неуклонное уменьшение величины рН накладывались колебания, характерные для цикла активности, но с постепенным уменьшением амплитуды вплоть до полного их исчезновения. Такие колебания кислотности цитоплазмы на фоне неуклонного ее подкисления в современных животных клетках приходятся на прометафазу митоза. Они вызывают попеременное доминирование противоположно направленных процессов: синтеза структур веретена и ферментативного распада их материала. Вследствие таких перемен микротрубочки и другие структуры формирующегося веретена меняют свои линейные размеры, обеспечивая их сложные движения (конгрессия [5]). При образовании веретена колебания на фоне неуклонного снижения величины рН цитоплазмы обеспечивают срабатывание механизма поиска и захвата. Микротрубочки «находили свою» хромосому, присоединяя свободные концы к её центромере и «стряхивая чужие», если такие оказывались захваченными. После затухания колебаний величины рН из-за дальнейшего подкисления цитоплазмы, вызванного усиленной утилизацией запасённого гликогена, начинали доминировать синтетические процессы. Структуры веретена удлинялись, и все хромосомы двигались к экватору на полпути от полюсов, приводя к их конгрегации в плоскости на экваторе. Считается [5], что при этом клетка переходит в метафазу митоза.

По нашим представлениям алгоритм (последовательность) включения процессов при

смене фаз митоза животной ядерной клетки сложился в рассматриваемый анаэробный период эволюции клетки. Ведущим фактором в самопроизвольном развертывании сложной картины событий при митозе утвердилось неуклонное снижение величины рН цитоплазмы в результате усиления окислительных процессов из-за ускорения утилизации клетками гликогена. Усиление окислительных процессов вызывало существенный рост концентрации АТФ, так что фазовая траектория митоза не пересекала траекторию режима набора гликогена. Поэтому при таких высоких концентрациях основного макроэрга доминировали процессы его трат.

Неуклоннойинтенсификацииокислительных процессов в режиме активности, неизбежно сопровождающейся все большим подкислением цитоплазмы, клетки обязаны вирусам. Они вносили в клетку новую информацию, и она закреплялась (согласно второму положению вводной части) только в том случае, если давала ей энергетический выигрыш. Неизбежным следствием роста информационного

объема генома явились интенсификация энергетического метаболизма и все большее подкисление цитоплазмы. Другим важным следствием стали рост скорости и сокращение времени репликации единиц генетического материала. Порядок репликации оказался строго увязан с показателем кислотности цитоплазмы в обратном соответствии с непрерывно растущим уровнем генерации свободной энергии, достигнутом на момент внесения в клетку новой информации. Эволюционное развитие предопределяет появление все более и более сложных форм клеточных структур и соединений. Соответственно усложнялась генетическая информация, требуя для своей репликации все больших энерговложений. Поэтому ядерная мембрана клеток высших животных и человека стала двойной. Запасов липидов в ней при их утилизации в качестве энергоемкого материала хватает для обеспечения энергией процессов репликации генома и транспорта всех участников многокомпонентных реакций в реакционные зоны.

Следует еще раз обратить внимание на одно важное обстоятельство. Еще на везикулярном (до клеток) этапе развития нарождающегося

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

переход клеток к делению. Однако даже на рассматриваемом этапе эволюционного развития клеток такое усиление подщелачивания среды в начале накопления гликогена стало значительным тормозом для этого процесса. Проблема была снята с появлением и закреплением в клетках упомянутых выше ингибиторов процессов подщелачивания цитоплазмы. Их активность с ростом pH падала (как падает в клетках и сейчас), обеспечивая оптимальные по кислотности среды условия для синтеза гликогена.

Кислотность цитоплазмы стало основным регуляторным фактором, определяющим в рассматриваемый период смену режимов метаболизма и последовательность включения процессов в сложном явлении деления клеток. С этих позиций находят своё простое объяснение практически вся совокупность известных фактов в развертывании картины событий при митозе и современных клеток. После предельного подщелачивания цитоплазмы из-за ассоциации большинства ферментов энергетического метаболизма с липидами мембран включаются мощные окислительные процессы. Стартует неуклонное ее подкисление, диктуя строгий порядок перехода от одной фазы митоза к другой. В основе этого механизма лежит проток вещества, энергии и информации. Например, в условиях неуклонного подкисления вначале доминирует до некоторого значения pH цитоплазмы, постепенно уменьшаясь, процессы сборки структур, а после, нарастая, — ферментативного распада. Такие структуры в указанных условиях появляются на некоторое время и исчезают. Наиболее загадочным и не нашедшем по движущим силам должного освещения в научной литературе, нам представляется кариокинез (греч. kario — ядро; kinesis — деление) и цитокинез.

Начнем с цитокинеза. В тот эволюционный период, который мы рассматриваем, цитоскелета у первых клеток не было. Приток (синтез) липидной массы в мембрану осуществлялся, как и в настоящее время, только во внутренний слой этих соединений, а её сток (ферментативный распад и уход частей липидов в водную среду) — из внешнего и внутреннего их слоев. Поэтому плотность диполей головок липидов их внутреннего слоя всегда была выше, чем во внешнем слое. Это обстоятельство обуславливает

живого мира в водной среде вирусы при подходе к липидному источнику свободной энергии «узнавали» его по слабому подкислению окружения. Под действием этого фактора вирусы сбрасывали свои защитные белковые оболочки, реплицировали свои информационные молекулы и синтезировали белки защитной части. Диффузия молекул от места синтеза (от источника свободной энергии) в область водной среды с нейтральными значениями pH обеспечивала восстановление сродства вирусных структур друг к другу. Посредством конденсации в водной среде с нейтральной кислотностью восстанавливалась целостность вирусов. Благодаря эволюционной памяти, известной как биологический консерватизм (второе положение введения), конденсация хромосом в клетке неизбежно начиналась и начинается в настоящее время по достижении нейтральных значений pH цитоплазмы после репликации генетического материала при переходе клеток из режима активности в режим деления.

Генеральной линией развития клеток является неуклонное наращивание в них мощности генерации энергии и, следовательно, окислительных процессов. Соответственно, цитоплазма также все сильнее подкислялась. Активность ферментов, катализирующих реакции синтеза гликогена, росла (как растет и в настоящее время) со снижением величины pH, затрудняя достижение в цикле активности нейтральных значений кислотности в цитоплазме и переход клеток к делению. Чтобы все же достигать нейтральных значений кислотности цитоплазмы, в клетках с помощью вирусов появились и закрепились (информацией о них в геноме) упомянутые выше активаторы процесса подщелачивания среды — соединения, обладающие способностью образовывать комплексы с ферментами (катализировавшие реакции указанного процесса) и увеличивать их активность. Благодаря естественному отбору, закрепились в клетках только те из них, активность которых по мере роста величины pH плазмы возрастала. По мере приближения ранее подкисленной среды к нейтральным значениям pH эффективность активации процессов подщелачивания цитоплазмы непрерывно возрастала, обеспечивая надежный

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

наличие в мембране упругой энергии, связанной со стремлением мембраны «вывернуться наизнанку», и энергии электростатического поля. Расчеты свободной энергии мембраны, выполненные с учетом приведенного выше обстоятельства для разных форм клетки и варьированием вкладов в нее электростатической и упругой составляющих, показали наличие минимума для формы с перетяжкой в виде гантели. При сдвиговых течениях в водной среде такая перетяжка могла легко разрываться, отделяя две одинаковые особи друг от друга. Заметим, что варьирование вклада электростатической составляющей в свободную энергию мембран первых клеток при митозе неизбежно имело место автоматически из-за неуклонного подкисления цитоплазмы. Действительно, по достижению в цитоплазме нейтральных значений кислотности подавляющее большинство ферментов ассоциировались с мембраной. Плотность электростатической энергии в липидах определялась трансмембранной разностью потенциалов и толщиной мембраны (с учётом ассоциированных с ней соединений). По мере подкисления цитоплазмы все больше соединений, теряя сродство с липидами, уходило в водную среду. Толщина мембраны уменьшалась, а вклад электростатической составляющей в свободную энергию мембраны непрерывно возрастал, достигая критического значения, при котором клетка принимала форму гантели, возникала перетяжка, и следовал распад клетки на две части. Подбор соответствующей зависимости сродства ферментов с липидами мембран от величины pH цитоплазмы обеспечил естественный отбор.

Заметим, что появлению и развитию перетяжки способствовало также другое обстоятельство. Взаимодействие двух групп ферментов, катализирующих процессы синтеза липидов, с одной стороны, и их распада, с другой, приводили к концентрации этих соединений на внутренней стороне мембраны: для первой группы на полюсах, а для второй — на экваторе. Поэтому деятельность первой группы приводила к увеличению площади липидов в районе полюсов, а второй — её уменьшению вблизи экватора, выдавливая водную среду в сторону полюсов, способствуя появлению перетяжки.

Если на раннем этапе эволюционного развития доминировал первый способ формирования перетяжки, то на последующих этапах, особенно после появления цитоскелета, — второй.

Нельзя обойти проблему деления ядер. Наблюдают, собственно, процесс деления клетки внутри другой клетки. В первую очередь следует ответить на вопрос: почему сначала делится ядро (клетка внутри клетки), а затем и сама клетка?

Поскольку в живых клетках протекают окислительные процессы, то они являются источником кислых продуктов, диффундирующих в окружающее водное пространство. При этом средина клетки и, следовательно, внутренняя среда ядра является её самой подкисленной зоной. Поэтому все события митоза, порядок появления которых определяется неуклонным нарастанием кислотности внутренней жидкой среды, для делящегося ядра начинаются раньше, чем для клетки в целом. После деления ядра нарастание кислотности в цитоплазме продолжается, и клетка сама делится. Заметим, что такая последовательность событий может иметь место только в том случае, если запасов липидов в ядерной мембране оказывается достаточным для обеспечения энергией процессов репликации генетического материала, а их остаток обеспечивает её целостность. Кроме того, после деления ядра, во-первых, рН внутренней среды вне ядра не должна быть ниже уровня, при котором начинается формирование веретена, и, во-вторых, кислотность цитоплазмы должна неуклонно нарастать до включения доминирования процессов её подщелачивания, обеспечивая завершение всех митотических процессов.

Вернемся к митозу первых клеток, вернее к окончанию их деления. Выше показано, что надежность переключения метаболизма клетки на режим деления обеспечивалась действием активаторов процесса подщелачивания цитоплазмы, причём активность этих соединений по мере роста рН среды росла. Именно таким образом обеспечивался переход из режима активности клеток в режим их деления. Последующая неуклонно увеличивающаяся кислотность их внутренней среды определяла порядок смены процессов при митозе. Поскольку начало митотической деятельности

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

обозначено нейтральностью внутренней среды, то для надежного обеспечения деления клетка должна была «пройти» последовательно строго определенный интервал кислотности в своей цитоплазме: от нейтральных значений рН — начала, до более низких значений этой величины — завершения процесса собственно деления на две одинаковые жизнеспособные клетки. Какими же средствами это достигалось? Протяженность указанного интервала изменений величины рН при росте кислотности цитоплазмы и темп её подкисления зависят в первую очередь от количества и активности группы ферментов, катализирующих окислительные процессы в клетке. Увеличение пула таких ферментов приводит в данных условиях к увеличению как длины упомянутого выше интервала рН, так и темпа подкисления цитоплазмы. Увеличение количества соединений-активаторов подщелачивания среды приводит в основном только к снижению темпа её подкисления. Кроме того, на данные характеристики влияла (влияет и в настоящее время) также зависимость активности соединений от рН цитоплазмы. Так неуклонное подкисление цитоплазмы неизбежно сопровождалось уменьшением активности не только ферментов-катализаторов реакций окислительных процессов, но и соединений-активаторов процессов её подщелачивания. Более быстрый по мере снижения величины рН цитоплазмы спад активности последних соединений, чем ферментов-катализаторов первой группы, гарантировал увеличение длины упомянутого интервала. Суммируя приведенные доводы, можно утверждать, что для выбора оптимальных вариантов решения поставленной задачи естественному отбору был предоставлен перечисленный выше набор средств, применение которых гарантировали успех. Выбраны были только те из них, которые не мешали продолжению генеральной линии развития живых систем — интенсификации их энергетического метаболизма. Последнее утверждение чрезвычайно важно, поскольку учитывает крайне низкий уровень развития клеточного мира в рассматриваемый период. Накопленного гликогена не всегда хватало даже для одного деления клетки. Неуклонное эволюционное движение по пути

интенсификации энергетического метаболизма, сопровождаемое усилением подкисления цитоплазмы, обеспечило необходимую для завершения митоза длину интервала подкисления цитоплазмы и перехода в режим активности, а также набора объёма гликогена, достаточного для деления клетки.

5. ЭВОЛЮЦИЯ КИНЕТИКИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТАБОЛИЗМА ЛИПИДНЫХ ВЕЗИКУЛ И ПЕРВЫХ КЛЕТОК

К рассматриваемому периоду в качестве основных величин, от которых зависят скорости подавляющего большинства биофизических реакций в клетках, утвердились кислотность (показатель кислотности рН) и концентрация основного макроэрга пАТф цитоплазмы. Поэтому для полной картины динамики любого важного параметра, характеризующего энергетический метаболизм клеток, следует получить зависимости скоростей роста У+ и его убыли V1 в зависимости от концентрации п и величины рН цитоплазмы. В первую очередь это необходимо сделать для самой концентрации пАТф и концентрации ионов пН+. Зависимости указанных скоростей роста и убыли каждого из рассматриваемых параметров, в том числе пАТф и пН+, являются функциями двух указанных выше переменных: для пАТф — АТф(пАТф> рН) и ^АТФ(пАТФ; рН), а для величины пН+ — скоростей

её роста ^>атф; РН) и убыли ^и>атф; Р^

соответственно. В пространстве скоростей процессов {V, пАТф, рН} это — поверхности, и каждой их точке соответствует точка-след (п Тф; рН) на фазовой плоскости {пАТф;рН} и, наоборот, каждой точке фазовой плоскости соответствуют скорости V+ и V' — точки на поверхности скоростей процессов. Если поверхности скоростей пересекаются, то след линии их пересечения на фазовой плоскости {пАТф; рН} является в общем случае кривой баланса скоростей накопления молекул АТФ и их расхода. То же самое следует сказать о следе пересечения поверхностей скоростей роста ф; рН) и

убыли V" (п ф; рН) концентрации ионов Н+ — п . Точки равенства скоростей на отдельных участках этой кривой могут быть устойчивыми и неустойчивыми по каждой из переменных указанных пар. Мы не будем проводить

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

ун

АТФ

VI

V АТФ V АТФ V" * АТФ

У2

01 / у+ у АТФ

/1 и

рН=сопз1

п1-Ап1 г^ г^+Лгц ПдТФ

Рис. 2а. Кинетика энергетического метаболизма липидных везикул, устойчивость по пАТф.

подробный анализ трехмерных графиков. Ограничимся картиной в его двух сечениях в одной из точек кривой баланса. Рассмотрим (см. рис. 2): во-первых, зависимость V* и V" от концентрации АТФ — п при постоянстве величины рН, во-вторых, зависимость указанных скоростей от величины рН внутренней среды при постоянстве в ней концентрации АТФ — пАТ®. Рис. 2а и 2б иллюстрируют кинетику энергетического метаболизма липидных везикул (неспособных делиться) — непосредственных предшественников первых клеток. Из первого рисунка видно, что точка 01, с координатой п ,

равенства ск°р°стей V+АТф и ^ф (К+АТФ = КАТФ = V) синтеза и, соответственно, трат молекул АТФ во внутренней среде везикул, устойчива по величине п Тф, а из второго — неустойчива по величине рН. Поэтому во внутренней среде везикул, обладавших таким энергетическим метаболизмом, неизбежно возбуждались небольшие колебания этих величин: п Тф —

х/ АТФ V АТФ

V АТФ V' * АТФ

\ 01 /

VI I /\ I I /1 \ I I/ I \| / 1 \ / 1 \ /1 1 |\ /1 1 1 \ / 1 1 1 '

^ АТФ V дтф °2/ У.„

П1-Ап1 п, п1+Ап1 пАТФ

Рис. 2в. Кинетика энергетического метаболизма первых

клеток при постоянстве рН цитоплазмы. в диапазоне (п1-Ап1; п1+Ап1), где Ап1<<п1, а рН — в диапазоне (рН1-АрН1; рН1+АрН1), где АрН <<рН. Первые клетки, унаследовав от везикул их метаболизм, приплюсовали к нему дополнительно анаэробное усвоение глюкозы (гликолиз) и расходы АТФ на синтез ферментов, катализирующие реакции этого процесса.

На рис. 2в и 2г приведена кинетика энергетического метаболизма первых клеток. На первом из указанных рисунков дана зависимость скорости синтеза V* и трат V" от концентрации АТФ - п при постоянстве рН цитоплазмы. На втором — такая же зависимость скоростей от величины рН цитоплазмы при постоянстве в ней концентрации АТФ — п . Как и в случае с метаболизмом везикул точка О баланса скоростей V* Ф и V устойчива по концентрации АТФ и неустойчива по величине рН цитоплазмы. Поэтому в клетке, как и в случае,

ПАТф=сопз1

рН1-АрН1 рН1 рН^АрН, рН

Рис. 2б. Кинетика энергетического метаболизма липидных везикул,устойчивость по рН.

рН1-АрН1 рН1 рН1+АрН1 рН

Рис. 2г. Кинетика энергетического метаболизма первых клеток при постоянстве концентрации АТФ.

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

рассмотренном выше для везикул, возбуждались колебания параметров пАТФ — в диапазоне (п2-Дп2; п2+Дп^1 и рН — (Н2-ДрН2; рН2+ДН), однако с гораздо большими амплитудами. Баланс скоростей синтеза основного макроэрга и его трат реализовывался при скорости V, причем К2>>К1. Этот баланс достигался при рН<рН что объясняется значительным усилением окислительных процессов в клетках по сравнению с метаболизмом предшественников клеток — везикул.

Фазовые траектории состояний метаболизма липидных везикул и первых клеток по параметрам пАТф и рН представлены на рис. 3. На фазовой плоскости {пАТф, рН} для везикул (см. рис. 3, верх) — это замкнутая кривая вокруг следа точки О с координатами (п1; рН1), при которых скорости роста и убыли каждой из концентраций пары АТФ и ионов Н+ строго сбалансированы и для клеток (см. рис. 3, низ) — также замкнутая кривая, но

РИ-

ГИ

патф

рНкр

рНнач

пнач патф

Рис. 3. Фазовые траектории состояний метаболизма липидных везикул (сверху) и первых клеток (внизу) по

АТФ и PH

гораздо более сложной формы. Она включает отчетливо выраженную квазициклическую часть, напоминающие циклы везикул. Однако величины п и рН изменяются циклически с гораздо большими нарастающими амплитудами, смещаясь из-за подщелачивания цитоплазмы в сторону более высоких значений величины рН. Важно отметить, что средние значения за цикл указанных величин располагаются на некой восходящей кривой их роста. По достижению в цитоплазме нейтральных значений кислотности скорость её подщелачивания замедляется, но величина рН, несмотря на включение упомянутых выше мощных окислительных процессов, продолжает расти, пока не достигнет максимальных значений. Далее кислотность монотонно возрастает (снижение величины рН). Монотонно растет также концентрация АТФ, пока не достигнет своего максимума, связанного с истощением запасов гликогена. На этом нисходящем участке фазовой траектории также можно выделить некую среднюю линию (особенно в его начале), на которую накладываются колебания значительно меньшей амплитуды, чем на восходящей ветви траектории. Заключающий участок фазовой траектории связан с тратой накопленного пула АТФ на восполнение ферментативного пула до уровня, который был до деления клетки. Синтез соединений осуществлялся практически при постоянном уровне кислотности (начальном значении рН) при израсходованном запасе гликогена и поэтому при полном ингибировании процесса подщелачивания цитоплазмы. Фазовая кривая замыкается. На нижней фазовой кривой рис. 3 можно выделить два функциональных участка: восходящий, соответствующий режиму накопления гликогена, и нисходящий, — режиму деления клетки. Первый мы условно назвали режимом активности, подчеркивая, что в процессе эволюционного развития он стал именно таковым после появления режима покоя клетки.

Таким образом, на нижнем рис. 3 представлен архаичный клеточный цикл, включающий только два указанных выше функциональных режима. В отличие от архаичного современный клеточный цикл включает также режим (состояние) покоя, который позволяет одноклеточным

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

организмам пережидать неблагоприятные для их жизнедеятельности периоды. Предпосылки для его появления сложились именно в рассматриваемый период. Обратимся к рис. 2в. Из рисунка видно, что для получения устойчивой по концентрации АТФ точки в области низких его значений достаточно увеличить угол наклона прямой V , например, увеличив концентрацию или активность ферментов группы трат АТФ на синтетические процессы (кроме трат на синтез самих молекул АТФ), либо понизив скорость ферментативного распада соединений. Тогда могут появиться 3 стационарные точки: одна — дискриминационная, неустойчивая и две — устойчивые по величине п . В разные периоды развития живых систем эти приемы использовались вместе и по отдельности.

6. САМООРГАНИЗАЦИЯ КИНЕТИКИ РЕЖИМОВ МЕТАБОЛИЗМА

Самым важным аспектом проделанного анализа является утверждение об автоматизме смены режимов энергетического метаболизма клеток. Выявлен основной ведущий фактор — изменение кислотности цитоплазмы, определяющее порядок смены процессов в каждом из двух режимов, сформировавшихся к рассматриваемому эволюционному периоду — активности и деления (митоза), а также их взаимные переходы туда и обратно. При этом в цитоплазме с запаздыванием неизбежно изменялись и концентрации АТФ. Противоположная зависимость активности двух основных групп ферментов от кислотности среды обеспечила даже при архаичном циклическом режиме метаболизма разведение во времени двух энергозависимых процессов — синтеза АТФ и трат этого соединения на поддержание жизнеспособности системы [4]. Средняя за цикл интенсивность энергетического метаболизма оказалась много больше (от разов до порядков), чем в точке баланса скоростей роста и убыли основного макроэрга.

Формирование дополнительной цепочки реакций подщелачивания цитоплазмы обеспечило дальнейшее существенное продвижение по генеральной линии эволюционного развития живых систем — интенсификации генерации энергии. Указанная интенсивность возросла более

чем на порядок. В цитоплазме «предклеток» началось автоматическое сканирование широкого диапазона кислотности, включая значения рН водной среды всего предыдущего нарождающегося живого мира. Это сканирование вызывало к жизни все атрибуты взаимодействия вирусов с энергетическими предшественниками клеток. На короткий срок возникали известные в настоящее время микротрубочки, веретена и прочие атрибуты, обеспечившие вирусам оптимальные условия для своего воспроизводства. В этом хаосе и разнообразии закрепились только единичные случаи полноценного деления.

После появления в цитоплазме ингибиторов и активаторов указанного выше подщелачивания было надежно обеспечено, причем минимальными средствами, во-первых, разведение во времени двух режимов метаболизма — активности и деления, и, во-вторых, разведение по режимам двух противоположно направленных процессов — синтеза гликогена в режиме активности и его трат в режиме деления первых клеток. Собственно, надежность воспроизведения липидных везикул означала рождение первых клеток и определила бессмертие клетки и клеточного мира в целом.

Огромную, если не решающую роль в автоматизации регулирования энергетического метаболизма играет инерционность его процессов, т.е. невозможность мгновенного установления выбранного режима их скоростей, поскольку эти скорости определяются основными параметрами цитоплазмы — концентрациями в клетке АТФ и ионов Н+, для накопления или уменьшения которых требуется время. Так как характерные времена релаксации этих взаимосвязанных основных параметров разные (до минут для АТФ и до миллисекунд для Н+, то при смене состояний клетки, определяемых указанной парой, и возвращении в исходное состояние неизбежен гистерезис траекторий на фазовой плоскости {пАТФ; рН}. Выше показано, как с помощью дополнительных средств (активаторов и ингибиторов) осуществляется автоматическое управление характеристиками замкнутой кривой фазовой траектории и вместе с этим, скоростями процессов и сменой режимов энергетического метаболизма клеток.

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе проведен анализ эволюционного развития живого мира в период формирования первых животных клеток. Показаны условияи возможный путь превращения липидных везикул в животные ядерные клетки. Основным содержанием пройденного эволюционного пути стало формирование молекулярных механизмов деления (митоза), надежное действие которых сделало везикулу бессмертной клеткой. Выявлен также ведущий физический фактор — изменение кислотности её внутренней среды, определяющий порядок смены процессов и явлений при делении клеток и смены режимов их метаболизма. При этом необходимым условием, определяющим безошибочную работу указанных механизмов, является их надёжное обеспечение энергией.

Нельзя не указать на практическую значимость настоящей работы. Так Тейяр де Шарден [6], касаясь особенностей эволюционного развития живых систем, утверждал, что такие системы разбираются строго по тому же самому пути, по которому создавались, но в обратном порядке. Применительно к проблеме упрощений клеток при канцерогенезе это означает их возврат к начальным этапам своего эволюционного развития. Предельное упрощение соответствуют эволюционному этапу, рассмотренному в настоящей работе. Такая злокачественная клетка, оказавшаяся в благоприятных для её упрощенного метаболизма условиях внутренней среды организма, будет безудержно делиться даже при отсутствии кислорода.

Другой не менее значимой проблемой, чем канцерогенез, является бесплодие людей обоего пола, достигших возраста своего воспроизводства. Значительная доля этого контингента здоровы, но их организмы не могут воспроизводить гаметы — гаплоидные клетки. Мейоз — формирование гамет — во многом напоминает митоз. Поэтому есть все основания полагать, что ведущим фактором, определяющим порядок смены процессов и явлений при мейозе, как и при митозе, являются изменения кислотности цитоплазмы. По нашему мнению, принципиальное отличие мейоза от митоза заключается только в том, что при митозе режим изменений кислотности цитоплазмы

задается автоматически процессами в самой клетке, а в случае мейоза в этом участвует и организм. При прохождении формирующимися гаметами своего пути по протокам, организм, на определенных его участках, изменением кислотности окружающей клетки водной среды обеспечивает нужный режим изменений кислотности в цитоплазме гамет. Именно нарушения воздействия организма на клетки, находящиеся в мейозе, неизбежно приводят к его бесплодию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зарицкий АР, Пронин ВС. Биофизика основных режимов клеточного метаболизма. Функциональные режимы клетки: состояние покоя и активность. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2006, 12:8-18.

2. Зарицкий АР, Пронин ВС. Биофизика основных режимов клеточного метаболизма. Режим деления клетки (митоз). Краткие сообщения по физике ФИАН, 2006, 12:19-27.

3. Зарицкий АР, Грачев ВИ, Воронцов ЮП, Пронин ВС. Энергетические аспекты абиогенеза в атмосфере на нанокаплях углеводородного аэрозоля. РЭНСИТ, 2013, 5(2):105-125.

4. Зарицкий АР, Грачев ВИ, Воронцов ЮП, Пронин ВС. Абиогенез на этапе перехода из атмосферы в водную среду: от везикул к протоклеткам.. РЭНСИТ, 2014, 6(2):221-231.

5. Льюин Б, Кассимерис Л, Лингаппа ВП, Плоппер Д. (ред.) Клетки. М., Бином, 2011, 951 с.

6. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М., Наука, 1987, 240 с.

Зарицкий Александр Романович

с.н.с.

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН 53, Ленинский пр., Москва 119991, Россия +7 499 132-6309, [email protected].

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Грачев Владимир Иванович

чл.-корр. РАЕН

Институт радиотехники и электроники им.

В.А.Котельникова РАН

11/7, ул. Моховая, Москва 125009, Россия

+7 495 629 3368, [email protected].

Воронцов Юрий Петрович

д.м.н, проф.

ДГК Больница №13 им. Н.Ф.Филатова Мосгорздрава 15, Садовая-Кудринская, Москва 103001 Россия [email protected].

Кириченко Марина Николаевна

к.ф.-м.н.

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН 53, Ленинский пр., Москва 119991, Россия +7 499 132-6309, [email protected]. Пронин Вячеслав Сергеевич

д.м.н, проф.

1МГМУ им. И.М.Сеченова Минздравсоц развития РФ 8/22, ул.Трубецкая, Москва 119991, Россия +7 499 248-3885, [email protected].

ANAEROBIC STAGE OF THE EVOLUTIONARY DEVELOPMENT OF ANIMAL CELLS

Zaritsky Alexander R., Kirichenko Marina N.

Lebedev Physics Institute, Russian Academy of Sciences, http://www.lebedev.ru

119991 Moscow, Russian Federation

[email protected]

Grachev Vladimir I.

Kotel'nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, http://www.cplire.ru

11/7, Mokhovaya str., 125009 Moscow, Russian Federation

[email protected]

Vorontsov Yuri P.

Filatov Hospital no. 13, Moscow Department of Healthcare, http://www.13dgkb.ru

103001 Moscow, Russian Federation

[email protected]

Pronin Vyacheslav S.

Sechenov First Moscow State Medical University, Ministry of Healthcare and Social Development of RF, http://wwwsmmm.ru

119991 Moscow, Russian Federation

[email protected]

An analysis of the likely evolution of living world in the period of formation of the first animal cells is presented. Conditions and possible way of transformation of lipid vesicles into nucleated cells of animals are shown. The main content of the evolutionary path at the considered stage is postulated to be formation of the molecular mechanisms of energy metabolism in two modes: mode of activity and division (mitosis) of the vesicles. We identify leading physical-chemical factors governing order of changes of processes and phenomena during cell division - acidity of the cytoplasm and concentration of the main macroerg - ATP. On the phase diagrams of the kinetics of energy metabolism of lipid vesicles and first cells cyclic processes of modes of activation and mitosis are illustrated under conditions of continuous synthesis and enzymatic breakdown of glycogen in the cytoplasm, regulatory inhibitors and activators of metabolic processes, the concentration of ATP and hydrogen ions, involved in running of homeostasis. Self-organizing nature of the kinetics of energy metabolism of lipid vesicles cytoplasm and formed first archaic cells are shown

Keywords: anaerobic stage of evolution, lipid vesicles, viruses, modes of energy metabolism, acidity, ATP, phase diagrams of metabolism.

PACS: 87.23.Kg

' — 6 references Received 28.04.2015

RENSIT, 2015, 7(l):87-99_DOI: 10.17725/RENSITe.2015.07.087