CC BY
2816. ЖивотовскийЛ.А. Популяционная биометрия. -М.: Наука, 1991. - 105 с.
17. NeiМ. Molecular Evolutionary Genetics. 1987. New York: Columbia University Press.
18. Федорова С.А., Бермишева М.А., Виллеме P., Максимова H.P., Хуснутдинова Э.К. Анализ линий митохондриальной ДНК в популяции якутов // Молекулярная биология. - 2003. - Т. 37. - С. 643-653.
19. Pakendorf B., Morar B., Tarskaia L.A., Kayser M., Soodyal H., Rodewald A., Stone king M. Y-chromosomal evidence for a strong reduction in male population size of Yakuts // Human genetics. 2002. - V. 110. - P. 198-200.
20. Sukhomyasova A.L., MaximovaN.R., Nikolaeva 1.A., Stepanova S.K., Fedorova S. A., NogovitsinaA.N. Myotonic dystrophy in Yakutia // European human genetics conference, Munich, Germany, 2004. - P. 124.
УДК 574.24:579.2.2
К вопросу о физико-химических механизмах формирования ответных адаптивных реакций одноклеточных организмов на действие стресс-факторов среды
Е.С. Хлебный, Б.М. Кершенголъц
В работе исследованы адаптивные изменения функционирования генома дрожжевых клеток штамма Cuf liver и вторичного биогенного излучения этих клеток при их адаптации к действию физических (у-радиация) и химических факторов (различные концентрации колхицина, этанола и нитрит-анионов) стресс-факторов. Установлено, что ответная реакция клеток на действие стресс-фактора нелинейная, при этом происходят конформационные перестройки водных и водно-этанольных кластеров, которые сопровождаются вторичным биогенным излучением. Была подтверждена рабочая гипотеза, согласно которой интенсивность вторичного биогенного излучения зависит от степени структурированности молекул биополимеров (прежде всего ДНК) и надмолекулярных структур (водные и водно-этанолъные кластеры), а также интенсивности их конформационных изменений.
In work adaptive changes offunctioning of a genome of yeast cells culture Cuf liver and secondary biogenic radiance of these cells have been investigated, at their acclimatization to action physical (г-radiation) and chemical factors (various concentrations of a colchicine, ethanol and nitrite - anion) stresses - factors. It is established, that response of cells to action of the stress - factor nonlinear, thus descend conformational rearrangements water and aqueous-alcoholic clusters which are accompanied by secondary biogenic radiance. The working hypothesis has been confirmed, according to which intensity of secondary biogenic radiance depends on a degree of structuredness of moleculas of biopolmers (first of all DNA) and supramolecular frames (water and aqueous-alcoholic clusters) and as their intensity conformational changes.
Введение
По определению создателя теории стресса, лауреата Нобелевской премии Г. Селье, «жизнь - это постоянный процесс адаптации к постоянно изменяющимся условиям внешней среды» [35]. Основой адаптаций является протекание совокупности регуляторных процессов в живой системе, обеспечивающих адекватность метаболических реакций новым условиям среды (сохранение гомеостаза) [8, 38].
Саморегуляция в термодинамически открытых и сильно неравновесных биологических системах достигается за счет нелинейного функционирования регуляторных систем на основе отрицательных
ХЛЕБНЫЙ Ефим Сергеевич, аспирант ЯГУ, ассистент кафедры биохимии ЯГУ; КЕРШЕНГОЛЬЦ Борис Моисеевич, профессор, академик АН РС(Я), зав. кафедрой биохимии ЯГУ и Межведомственной лабораторией экологической и медицинской биохимии ИБПК СО РАН и ЯГУ, главный учёный секретарь АН РС(Я), д.б.н.
и положительных обратных связей. Именно за счет этих регуляторных систем происходит адаптация организмов к изменяющимся условиям внешней среды, т.е. благодаря этим системам организм способен развиваться в столь быстро изменяющихся условиях внешней среды. Таким образом, онтогенез и эволюция организмов являются самоорганизующимися процессами. Суть их заключается в трансформациях диссипативных структур (и их суперпозиций — диссипативных состояний) организма через стадии «динамического хаоса» на основе синхронизации во времени переключений блоков генетической информации под управляющим влиянием факторов внешней среды и эндогенных межклеточных регуляторов химической и физической природы [9, 10, 20, 21, 29, 33, 39].
Следует подчеркнуть, что «управляющее влияние факторов внешней среды» заключается в изменениях диссипативных структур эндогенных сред организма: водных (т.к. клетка состоит на 80%
из воды) и липидных (как основной компонент мембран), которые, переструктурируясь под действием даже сверхслабых внешних факторов, выступают в качестве аттрактных физических структур среды, определяющих, по какому пути пойдет развитие биосистемы (организма, популяции и т.д.) в точках бифуркации [20, 21, 3 6].
Собственно регуляторные системы состоят из различных регуляторных реакций. Под регуляторными реакциями понимается, во-первых, изменение функциональной активности генетического аппарата в процессах, направленных на обеспечение наиболее адекватных действию внешних факторов среды скоростей следующих процессов:
- клеточного деления (репликации);
- синтеза определенных белков (изобелков), в том числе автокатализаторов (ферментов, изоферментов; транскрипция и трансляция), обеспечивающих формирование ответной реакции живой системы, включая отрицательные и положительные обратные связи непосредственно в метаболических процессах [32], атакже синтез химических межклеточных регуляторов в многоклеточных организмах (гормонов, нейрохимических медиаторов);
- функционирования защитных систем клетки, предохраняющих биологические системы от действия экзотоксикантов (эндотоксикантов), прони-
кающих в клетки (образующихся в клетках в качестве вторичных стресс-токсинов либо при избыточной активации метаболических процессов), например, систем репарации ДНК и/или антиок-сидантной защиты [18].
Во-вторых, формирование специфических биофото нных излучений, обеспечивающих специфичность процессов экспрессии (дерепрессии/репрессии) определенных оперонов в составе генома и синхронизующих изменения функциональной активности генома с временными характеристиками стресс-фактора, а также клеток между собой (в клеточной популяции, в многоклеточном организме) [3, 6, 9, 10, 12, 40, 43].
Ранее показано, что необходимым условием функционирования генетического, ферментативного, митохондриального, мембранного аппаратов и регуляции их активности являются конформационные перестройки соответствующих биополимерных и надмолекулярных комплексов, а также кластерных структур воды [2,4,15,16,19,45] и липидных мембранных комплексов [7]. Причём именно при этих конформационных перестройках и формируются, по-видимому, когерентные биофотонные [3,6,9,10, 12,43] и другие вторичные излучения [23,24], в том числе Кирлиановское излучение [22, 45] (рис. 1).
к'
/V -среды Ьу -энергия
\ /'
Я
геликаза
(АТФ)
-О
•у
..ш......
нагивная сгруктура ДНК иамвмииая {возбужденная)
рс-0) структура ДНК. !втаричныо
излучения
I
новая структура ДН К / репликативная вилка . (РС-1) I
(Н»0 дестру*турированая)п
Рис. 1. Модель формирования вторичных излучений при функционировании нуклеопротеида ДНК (на примере начальных стадий репликации) и трансформациях диссипативных структур воды (I - структурированной; II - деструктурированной) под действием внешних факторов
В свою очередь, биофизические воздействия, способные входить в резонанс с собственными био-фотонными излучениями клеток либо с вторичными излучениями, генерирующимися при конфор-мационных переходах (флуктуациях) биополимеров (например, нуклеопротеида ДНК) или надмолекулярных структур среды клетки, способны оказывать внешнее регуляторное влияние на экспрессию генома, траектории развития диссипативных биосистем в целом. Следовательно, эти воздействия способны влиять на все процессы регуляции метаболизма и формирования ответных адаптивных реакций биосистем на внешние раздражители [1, 5, 26-28, 46, 47].
В связи с вышеизложенным задача настоящего исследования заключалась в исследовании в рамках единого эксперимента адаптивных изменений функциональной активности генома дрожжевых клеток и вторичных излучений всего комплекса биополимерных и надмолекулярных структур в процессе адаптации к действию различных по при-
роде (химических либо физических) стресс-факторов. В качестве рабочей гипотезы было предположено, что интенсивность вторичного излучения зависит от степени структурированности и интенсивности конформационных перестроек биополимерных и надмолекулярных структур в процессе их функционирования (рис. 1).
Материал и методика. Биологическим объектом исследования являлись дрожжевые клетки штамма Си/Иуег, которые культивировали на сахарной среде с концентрацией сахарозы 1,4 г/л. В качестве модельных стресс-факторов среды были взяты:
- ингибитор клеточного деления колхицин в концентрациях 0,001 -ь 0,1% (табл. 1);
- нитрат-анион в диапазоне концентраций в среде культивирования дрожжевых клеток от 60 до 480 мМ (табл. 2);
- этанол в концентрациях в среде культивирования дрожжевых клеток 3,1 -г- 50 % (табл. 3);
- облучение у-квантами 243Аш в диапазоне суммарных доз от 100 до 350 мкР (табл. 4).
Таблица 1
Вычисленные значения k,к ,к , к , к , к к , R и биофизические характеристики клеток
оаз7 трансл7 репл7 реп7 оаг7 уст, прод7 1 11
дрожжей штамма Cuf livere после воздействия на них различных концентраций колхицина
(уел, ед,, нормированные к контролю)
Концентрация колхицина, % к ^•аоз к ^-трансл. L- •^репл к Ivpenap ^оаг к уст к 14 прод Интенсивность вторичного излучения, ІВИКК R
0 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 ] ,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04
0,001 0,67±0,03 2,13±0,08 0,64±0,03 1,32±0,05 1,36±0,05 0,82±0,03 1,39±0,06 0,95±0,04 1,70±0,06
0,01 0,75±0,03 0,92±0,04 0,58±0,02 1,31±0,05 0,94±0,03 1,07±0,04 0,75±0,03 0,81±0,03 0,70±0,02
0,1 1,51 ±0,06 0,93±0,04 0,51±0,02 1,40±0,06 0,95±0,03 1,49±0,07 0,72±0,03 0,74±0,03 0,48±0,02
Таблица 2
Вычисленные значения k,к ,к , к , к , к к ,Rh биофизические характеристики клеток
оаз трансл7 репл7 реп7 оаг7 уст, прод7 * * ж
дрожжей штамма Cuf livere после воздействия на них различных концентраций нитрита натрия
(уел. ед., нормированные к контролю)
Концен- трация нитрита, мМ ь лаоз ^трансл. ^■репл ^peiiap 1с ^■оаг \г л.уст ^■прод Интенсивность вторичного излучения, ^ВИКК R
0 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04
60 0,96±0,04 0,82±0,03 0,88±0,04 0,96±0,04 0,89±0,03 1,02±0,04 0,85±0,03 0,76±0,03 0,83±0,04
120 1,11 ±0,04 0,66±0,03 0,86±0,03 0,81±0,03 0,78±0,03 1,07±0,04 0,76±0,03 0,77±0,03 0,71±0,03
240 0,93±0,04 0,89±0,04 0,89±0,04 1,05±0,04 0,94±0,04 1,02±0,04 0,89±0,04 0,65±0,03 0,87±0,04
480 0,98±0,04 0,65±0,03 0,89±0,04 0,70±0,03 0,75±0,03 0,96±0,03 0,77±0,03 0,88±0,04 0,80±0,04
Таблица 3
Вычисленные значения к , к. к , к , кояг, к к , И и биофизические характеристики клеток дрожжей штамма Си/йуєгє после воздействия различных концентраций этанола (усл.ед., нормированные к контролю)
Концентрация этанола, % каоз 1л г'-трансл. If ь-ретгл k-penap if f'oar куст кпрод Интенсивность вторичного излучения, Івикк R
0 (контроль) 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04І 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04
3,1 1,01±0,04 0,65±0,03 0,90±0,04 0,74±0,03 0,76±0,03 0,99±0,03 0,78±0,03 1,00±0,04 0,79±0,04
6,2 0,92±0,04 1,08±0,04 0,90±0,04 1,23±0,05 1,07±0,04 1,03±0,04 0,99±0,04 1,19±0,05 0,96±0,04
12,5 1,01±0,04 0,97±0,04 0,72±0,03 1,22±0,05 0,97±0,04 1,13±0,04 0,85±0,03 0,97±0,04 0,75±0,03
25,0 0,92±0,04 0,85±0,03 0,62±0,02 1,23±0,05 0,90±0,03 1,14±0,04 0,74±0,03 0,83±0,03 0,65±0,03
50,0 0,91±0,04 0,98±0,04 0,45±0,02 1,42±0,06 0,95±0,03 1,20±0,04 0,72±0,03 0,86±0,03 | 0,60±0,03
Таблица 4
Вычисленные значения к , к , к , к , к , к к , R и биофизические характеристики клеток
^ ,. оаа’ трансл7 решг веп7 оаг7 уст»,, прал/ * _____\
дрожжей штамма Си/livere после воздействия r-оолучения (усл.ед., нормированные к контролю)
Суммарная доза 7-облучения, мкР каоз ктрансл. крепл крепар коаг куст кпрод Инггенсивность вторичного излучения, ІВИКК R 1
0 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04 1,00±0,04
100 0,92±0,04 1,25±0,04 0,85±0,03 1,42±0,06 1,17±0,05 1,07±0,04 1,05±0,04 1,17±0,05 0,98±0,04
250 1,00±0,04 0,78±0,03 0,88±0,04 0,94±0,04 0,87±0,03 1,04±0,04 0,83±0,03 1,40±0,06 0,80±0,03
350 1,01±0,04 1,23±0,05 0,84±0,03 1,39±0,06 1,15±0,04 1,11±0,05 1,04±0,04 1,22±0,05 0,94±0,04
Ответную реакцию популяции дрожжевых клеток изучали, определяя активности ДНК-реплици-рующих (крепл), ДНК-репарирующих (к епар) и бе-лок-синтезирующих (ктранс) систем с применением радиоиндикаторных [31] и цитологических методик на основе цитолого-биохимической модели, разработанной ранее в нашей лаборатории и многократно применённой при эколого-биохимичес-ких исследованиях [13, 14,41, 42].
В рамках этой модели вычисляли в относительных единицах (при нормировании к контролю):
- общую активность генома (коаг) как сумму скоростей процессов репликации, репарации ДНК и трансляции;
- продуктивность генома (кпрод) как сумму скоростей процессов репликации и трансляции.
В рамках использованной модели устойчивость генома зависит от активности антиоксидантных систем — «первого эшелона» защиты от действия свободных радикалов и перекисей, являющихся наиболее токсичными посредниками действия на геном химических и физических стресс-факторов, включая ионизирующую радиацию [11]. Вторым фактором, влияющим на устойчивость генома, является отношение крепар/коаг, так как системы репарации ДНК «устраняют» эндогенные (происходящие в процессе собственно репликации) и экзогенные (за счёт действия стресс-факторов) мута-
ции. При этом уязвимость генома по отношению к мутагенам обратно пропорциональна степени диспергированное™ его конформации, напрямую зависящей от общей активности генома (коаг) [2]. Поэтому устойчивость генома (куст) рассчитывали как сумму активности антиоксидантных систем (к ) и отношения к /к . Рассчитывали также
4 аоз7 репар оаг
интегральный показатель жизнеспособности клеточной популяции (Я), равный отношению продуктивности к устойчивости генома: к /к .
•' прод уст
Коэффициент антиоксидантной защиты клеток (каоз) рассчитывали как среднее арифметическое нормированных к контролю величин содержания низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) и активности ферментативных антиоксидантов (су-пероксиддисмутазы - СОД и пероксидазы). Активность пероксидазы и суммарное содержание НМАО определяли по методикам [34], СОД - по методу [44], в модификациях - [42].
Характеристики вторичного (Кирлиановского) излучения (площадь свечения) суспензии культуры дрожжевых клеток (предположительно пропорциональные степени структурированности и интенсивности конформационных перестроек наиболее крупных биополимеров (нуклеопротеида ДНК) и надмолекулярных кластерных структур воды [4,15-17] (см. рис. 1) определяли с помощью камеры газоразрядной визуализации «Коррекс» [19,22,45].
Эксперименты проводили в 4-х повторностях. Достоверность отличия средних значений определяли путем вычисления среднеквадратичных отклонений и доверительных интервалов при данном количественном значении выборки [25]. Статистическую обработку результатов биохимических измерений проводили исходя из 1 % ошибки метода.
Результаты и обсуждение. В табл. 1 приведены результаты исследования влияния колхицина на функциональную активность генома дрожжевых клеток штамма Си\f liver в процессах репликации, репарации ДНК, направленных на трансляцию и интенсивность вторичного излучения (I ), а также расчётные показатели (в уел. ед., нормированных по отношению к контролю) общей активности, продуктивности и устойчивости генома, жизнеспособности клеточной популяции (R).
Установлено, что зависимости характеристик функциональной активности и устойчивости генома, жизнеспособности клеточной популяции от концентрации колхицина нелинейны. Ключевые из них, обусловленные и связанные с конформацион-ными изменениями биополимеров клетки (ДНК, белков) - скорость синтеза белков (ктрансл), общая активность (koar) и продуктивность генома (кпрод), интегральный показатель жизнеспособности клеточной популяции (R) - достигают максимума при
0,001% концентрации колхицина в среде. В то время как параметры, характеризующие консервативность клеточной системы - уровень антиоксидантных реакций (каоз) и устойчивость генома (куст) -при этой концентрации колхицина минимальны. Так как колхицин является специфическим ингибитором клеточного деления и соответственно
мутагеном, то понятно, что скорость репликации снижалась монотонно даже при таких малых концентрациях колхицина, как 0,001%, а активность систем репарации ДНК (крепар), наоборот, увеличивалась вплоть до 0,1% концентрации колхицина.
Без экстремумов, хотя и нелинейно, уменьшаются, по мере роста концентрации колхицина, скорость репликации (крепл) и интенсивность вторичного излучения клеточной культуры (1викк)- Причём ни один из изученных и рассчитанных показателей активности и устойчивости генома в отдельности не коррелирует с 1викк. Так как, по-видимому, этот показатель является сложной интегральной величиной, отражающей вклад конформационных изменений не только ДНК, белков, но и диссипативных структур внутренних сред клеток и питательного раствора при жизнедеятельности организмов на фоне действия на эти системы внешних факторов. Поэтому мы представили 1викк как функцию скоростей процессов репликации, репарации ДНК, трансляции и конформационных трансформаций кластеров воды (к ), каждый из которых вносит свой вклад в общий процесс конформационных (надмолекулярных) перестроек структур, образованных слабыми взаимодействиями, приняв вклад процесса репликации за 1 (уравнение 1):
I = к +*к +ук +гк . (1)
викк репл трансл ^ репар воды 4 '
Результаты, приведенные в табл. 1, позволили, решая систему уравнений (1) для разных значений концентрации колхицина, рассчитать вклад каждого из этих процессов конформационных (надмолекулярных) перестроек (л, у, г) в формирование когерентного вторичного излучения системы дрожжевых клеток в водной среде (табл. 5).
Таблица 5
Рассчитанные коэффициенты вклада структурирования конформаций и надмолекулярных комплексов при протекании процессов репликации (принят за 1), трансляции, репарации ДНК, перестроек надмолекулярных структур воды культуры (х, у, г) клеток дрожжей штамма Си/Иуеге в формирование вторичного (Кирлиановского) излучения при воздействии на неё стресс-факторов (колхицина, этанола, нитрит-ионов,
у-радиации) в различных концентрациях/дозах
Стресс-фактор, концентрация (доза) Вклад репликации Вклад трансляции, X Вклад репарации ДНК, Г Вклад перестроек структур воды, Z
Колхицин, 0,001^-0,1 % 1,0 0,07+0,01 0,05+0,01 0,10±0,01
Нитрит-анионы, 60^480 мМ в среде 1,0 -0,20±0,01 -0,20+0,01 0,20±0,05
Этанол, 3,1-5-50% 1,0 0,35±0,03 0,08±0,01 -0,19±0,02 (при 50% конц. этанола -0,05)
у-радиация, 100+350 мкР 1,0 0,07±0,01 0,05±0,01 0,16 (при 100 мкР) 0,42 (при 250 мкР) 0,22 (при 350 мкР)
Полученные результаты указывают, во-первых, на наличие регуляторных обратных связей в данной клеточной системе, на её способность к адаптивной самоорганизации при действии внешних стресс-факторов. Во-вторых, на взаимосвязь адаптивных трансформаций активности функциональных систем клетки с перестройками их и водных пространственных диссипативных структур, сопровождающихся вторичными излучениями (см. рис.1).
В следующем эксперименте мы изучили влияние на жизнедеятельность дрожжевых клеток природы химического стресс-фактора среды на примере нитрит-анионов в диапазоне его концентраций в среде культивирования 60+480 мМ (табл. 2). Видно, что изменения значений к , к , к с рос-
аоз5 решг уст *
том концентрации нитрит-аниона в среде статис-тически не достоверны. Значения коэффициентов
ктра„сл> крспар’коаг’ к„род’ К ПРИ ДСЙСТВИИ НИТрИТ-ЭНИО-
на колеблются хаотически с тенденцией к снижению. Это позволяет заключить, что системы, функционирование которых описывается этими коэффициентами, находятся в состоянии «динамического хаоса», т.е. система не развивается по конкретной траектории. В таком же режиме изменяются и параметры вторичного излучения суспензии дрожжевых клеток, характеризующие конформа-ционные изменения биополимерных и надмолекулярных кластерных водных структур. Это можно объяснить тем, что нитрит-анион достаточно плохо проникает в живые клетки [37]. Вместе с тем мы считаем, что более близкой к действительности причиной подобного влияния нитрит-аниона на биохимические и биофизические характеристики биологической системы популяции дрожжевых клеток в водной среде является то, что, частично проникая в клетки (в основном оставаясь в среде), нитрит-анионы мешают нормальному протеканию процессов репарации и трансляции. Можно предположить что нитрит-анионы переводят диссипативные структуры как клеток, так и внешней водной среды в состояние «динамического хаоса», характеризующегося разрегуляцией большинства процессов. И они практически перестают вносить вклад в процесс формирования вторичного биогенного излучения. Свидетельством этого являются отрицательные коэффициенты вклада процессов трансляции и репарации ДНК (Хи У, табл.5) в формирование вторичного излучения системы (т.е. снижение степени структурированности биополимеров при протекании этих процессов на фоне
действия нитрит-анионов) и относительно большой разброс во вкладе степени структурированности воды в процесс формирования вторичного излучения культуры дрожжевых клеток в этой экспериментальной серии.
Адаптация клеток в этих условиях заключается в стремлении сохранения устойчивости генома, даже ценой снижения его продуктивности. Причём сохранение устойчивости генома достигается благодаря «дополнительности» изменений активности систем её обеспечения (антиоксидантных и ДНК-репарационных) - уменьшение каоз компенсируется ростом к и наоборот. А также сниже-
• * * репар г
ния степени уязвимости генома, пропорциональ-ной его общей активности (коаг).
Известно, что этанол хорошо встраивается в водные кластеры, превращая их в водно-этаноль-ные, это приводит к перестройкам диссипативных структур воды (т.е. изменяет характеристики вторичного излучения водных сред) [19]. Кроме того, этанол в концентрациях 5,3±1,0 об.% является эндогенным метаболитом дрожжевых клеток [30], образуя в них относительно устойчивые (хотя и менее структурированные, чем водные) дискретные водно-спиртовые кластерные структуры [19], которые являются физиологическими аттрактны-ми структурами среды [21] в процессах жизнедеятельности дрожжевых клеток и в этом смысле «управляют» их эволюцией.
Поэтому в следующем эксперименте мы исследовали влияние этанола в концентрациях 3,1+50 об.% в питательной среде на биохимические и биофизические характеристики популяции дрожжевых клеток. Из данных табл. 3 следует, что зависимости характеристик функциональной активности генома, обеспечивающих «качество жизни» дрожжевых клеток и биофизических характеристик системы от концентрации этанола нелинейны. Ключевые из них, связанные с конформационными изменениями биополимеров клетки (ДНК, белков) и надмолекулярных кластеров водных сред - скорость синтеза белков (ктрансл), общая активность (коаг) и продуктивность генома (кпрод), интегральный показатель жизнеспособности клеточной популяции (Я), интенсивности вторичного излучения
- достигают максимума в области эндогенных для дрожжевых клеток концентраций этанола - около 6,2 об.%. При более высоких концентрациях этанола, по-видимому, за счёт повышения концентрации токсичного интермедиата его окисления - аце-тальдегида, обладающего, в том числе и мутаген-
ными свойствами, более резко снижается скорость репликации и растёт активность систем репарации ДНК, так что устойчивость генома даже несколько повышается в режиме гиперкомпенсации. Соответственно показатель жизнеспособности клеточной популяции (Я= кпрод/куст) снижается при концентрациях этанола 25+50 об.% на 30+40%. Следует отметить большой вклад процессов трансляции в формирование общего вторичного излучения системы (Х=0,35; табл. 5). По-видимому, это связано с тем, что для дрожжевых клеток этанол является биоэнергетическим субстратом, окисление которого обеспечивает более высокий уровень белкового синтеза и на основе этого степень структурирования эндогенных систем клеток. Вместе с тем трансформация собственно водных кластерных структур в водно-спиртовые при этих концентрациях спирта приводит к снижению степени структурированности сред [19], что и отражается в отрицательном значении 2 (табл. 5). За счёт этого интенсивность вторичного излучения интегральной системы «дрожжевые клетки - водно-спиртовая среда» снижается на 14-17%. Эти результаты указывают на наличие регуляторных обратных связей не только в самих дрожжевых клетках, но и в системе «дрожжевые клетки - водно-спиртовые диссипативные структуры среды», т.е. на способность систем «клетки-среда» к адаптивной самоорганизации (сопровождающейся вторичными излучениями, см. рис. 1) при действии внешних стресс-факторов.
В четвёртой серии экспериментов по аналогичному алгоритму мы исследовали влияние на биохимические и биофизические характеристики популяции дрожжевых клеток в водной среде физического стресс-фактора на примере малых доз ионизирующей радиации (у-квантов; [7]) в диапазоне суммарных доз 100+350 мкР. Данные, приведенные в табл. 4, свидетельствуют, что и в случае использования в качестве слабоинтенсивного стресс-фактора ионизирующей радиации, зависимости характеристик функциональной активности и устойчивости генома (как и характеристик вторичного излучения) от дозы у-излучения нелинейны. Ключевые из них, связанные с конформа-ционными изменениями биополимеров клетки и надмолекулярных кластеров водных сред - скорость синтеза белков (ктрансл), общая активность (коаг) и продуктивность генома (кпрод), скорость процессов репарации ДНК (к ) и к . генома, ин-
1 г г 1 4 репару устоич 3
тегральный показатель жизнеспособности клеточ-
ной популяции (R) - достигают максимума при суммарной дозе у-излучения 100 мкР (интенсивность вторичного излучения - при 250 мкР), а некоторые из них показывают тенденцию к наличию второго максимума при дозах >350 мкР: ктрансл, кри]ар, коаг, кустойч и кпрод. Следует подчеркнуть, что при действии ионизирующей радиации на клеточную культуру ведущим в формировании вторичного когерентного излучения, кроме процессов репликации, являются трансформации диссипативных структур воды, особенно при дозах у-излучения 250 мкР (Z =0,42; табл. 5). По-видимому, при этой дозе достигается резонанс между параметрами данной формы ионизирующего излучения и собственными частотными характеристиками флуктуаций водных диссипативных структур, который и обеспечивает максимальное структурирование воды, аналогично тому, как увеличение напряженности геомагнитного поля, характерное для небольших возмущений вызывает увеличение степени структурированности воды в 2 раза [19].
Эти результаты ещё раз указывают на наличие регуляторных обратных связей не только в самих дрожжевых клетках, но и в системе «дрожжевые клетки - водные диссипативные структуры среды», т.е. на их способность к адаптивной самоорганизации (сопровождающейся вторичными излучениями, см. рис. 1) при действии стресс-факторов не только химической, но и физической природы.
Выводы
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Подтверждена рабочая гипотеза о природе вторичных излучений водных биосистем как следствии конформационных изменений макромолекул (прежде всего наиболее крупной из них - ДНК) в •процессах репликации, трансляции, репарации и надмолекулярных водных (водно-спиртовых) кластерных структур, образованных слабыми взаимодействиями в самоорганизующихся системах, которые и создают когерентность этих излучений. Оценён вклад каждого из этих процессов в формирование вторичных излучений системы «культуры клеток дрожжей штамма Сиf liver - водная (водно-спиртовая) среда» при действии на неё различных химических и физических стресс-факторов.
2. Показано, что изменения функциональной активности генетического аппарата как ответные адаптивные реакции популяции клеток дрожжей штамма См/ liver на действие различных по при-
роде стресс-факторов среды (колхицин, нитрит-анионы, этанол, у-радиация) в диапазоне малых концентраций (доз) имеют, как правило, нелинейный характер. Это указывает на наличие регуляторных обратных связей в данной клеточной системе, на её способность к адаптивной самоорганизации при действии внешних стресс-факторов.
3. Адаптивные трансформации активности функциональных систем клетки взаимосвязаны как с их собственными конформационными перестройками, так и с трансформациями водных (водноспиртовых) диссипативных структур клеточных и внешних сред, сопровождающихся вторичными излучениями.
Литература
1. Аванесян В.П. Патент РФ № 2177504 от 27.12.2001 «Устройство для изменения свойств вещества и состоящих из них объектов».
2. Алексеев В.Г. Устойчивость растений в условиях Севера: эколого-биохимические аспекты. - Новосибирск: ВО Наука, 1994. - 152 с.
3. БелоусовЛ.В., Бурлаков А.Б., Лучинская Н.Н. Статистические и частотно-амплитудные характеристики сверхслабых излучений яйцеклеток и зародышей вьюна в норме и при их оптических взаимодействиях. II. Изменение характеристик сверхслабых излучений при оптическом взаимодействии разновозрастных групп зародышей // Онтогенез. - 2003. - Т. 34. - №6. - С. 453-463.
4. Бульенков Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на различных уровнях их иерархии // Биофизика,- 1991.-Т. 36.-Вып. 2.-С. 181-243.
5. Бурлаков А.Б., Аверьянова О.В., Пащенко В.З., Ту-сов В.Б., Голиченков В.А. Лазерная коррекция эмбрионального развития вьюна // Вестн. Моск. ун-та. Серия 16: Биология, - 1997.-№1.-С. 19-24.
6. Бурлаков А.Б., Бурлакова О.В., Голиченков В.А. Волновая коммуникация при самоорганизации биосистем // Материалы П-ой Российской междисциплинарной научной конференции «Этика и наука будущего». (Москва, 15-16 февраля 2002). Ежегодник «Дельфис». 2002.-С. 196-202.
7. Бурлакова Е.Б., Конрадов А. А., Мальцева Е.Л. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсиных физических факторов // Химическая физика. - 2003. - Т. 22. - №2. - С. 21-40.
8. Гаркави Л.Х., Квакина Е.Б., Кузьменко Т.С. Анти-стрессорные реакции и активационная терапия (Реакция активации как путь к здоровью через процессы самоорганизации). - М.: ИМЕДИС, 1998. - 656 с.
9. Гаряев П.П. Волновой геном. - М., 1994. - 279 с
10. Гаряев П.П. Волновой генетический код. - М., 1997.- 108 с.
11. Гродзинский Д.М. Радиобиология растений. -Киев: Наук, думка, 1989. - 380 с.
12. Доронина Н.Ю., Бурлакова О.В., Бурлаков А.Б., Голиченков В.А. Темпы развития зародышей вьюна Misgurnas fossilis L. и проявление дистантных взаимовлияний в раннем онтогенезе // Докл. РАН. 2002. -Т. 384. -№1. -С. 136-138.
13.Журавская А.Н., ФилипповЭ.В., КершенголъцБ.М. Влияние физиолого-биохимических адаптаций ольхи кустарниковой к повышенному естественному радиационному фону на выживаемость проростков и радиочувствительность ее семян // Радиобиология. Радиоэкология. - 2000. - Т. 40. - №3. - С. 254-260.
14. Журавская А.Н. Адаптация к экстремальным условиям среды и радиочувствительности растений (радиобиологические исследование): Автореф. дис... д-ра биол. наук. - М., 2001. - 44 с
15. Зенин С.В., Тяглое Б.В. Гидрофобная модель структуры ассоциатов молекул воды // Журнал физической химии. - 1994. - Т. 68. — №4. - С. 636-641.
16. Зенин С.В. Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем: Автореф. дис... д-ра биол. наук. - М., 1999.-46 с.
17. Зенин С.В. Вода. - М.: Наука, 2000. - 38 с.
18. Кершенголъц Б.М. Неспецифические биохимические механизмы адаптации организмов к экстремальным условиям среды // Наука и образование. 1996. - №3. -С. 130-138.
19.КершенголъцБ.М., ЧернобровкинаТ.В.,НебратВ.В., Рабинович КВ., Хлебный Е.С., Шейн А.А., Кершенголъц Е.Б. Действие водно-спиртовых систем на диссипативные состояния человека. Гипотетическая модель биогенно-сти и наркогенности спиртсодержащих продуктов // Наркология. - 2004. - №8. - С. 64-76.
20. Князева КН., Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным //Вопросы философии. - М.: Наука, 1992. - С. 3-20.
21. Князева К.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики. Режимы с обострением, самоорганизация, тем-помиры. - СПб.: Алетейя, 2002.-414 с.
22. Коротков К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии.
- СПб.: Изд-во СПб. государственного Института точной механики и оптики - технического университета. -
2001.-360 с.
23. Кузин А.М. Вторичные биогенные излучения. -М.: Наука, 1997.-58 с.
24. Кузин А.М., Суркенова Г.Н. Вторичное биогенное излучение человеческого организма // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999. - Т. 39. - №1.
- С. 84-825.
25.ЛакинГ.Ф. Биометрия.-М.: Высшая школа, 1980. -293 с.
26. Небрат В.В. Фрактально полевой ориентационный эффект в модели биологических ритмов // Немедикаментозные методы лечения и реабилитации в невро-
логии: Сборник научных трудов. - Новокузнецк: ИПК,
2002. - С. 50-57.
27. Небрат В.В.,Рабинович Е.В. Информационная ЭМАТ-технология традиционной восточной медицины для европейского врача // Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» (22-25 апреля 2003). - Новосибирск, 2003. -Т.З.-С. 54-59.
28. Небрат В.В. Диссипативные структуры и состояния человека // X Российско-японский международный медицинский симпозиум (22-25 авг. 2003 г.): Тез. докл. -Якутск, 2003. - С. 677-678.
29. Николас Г., Пригожин И. Познание сложного (Синергетика - от прошлого к будущему). - М.: Едито-риал УРСС, 2003.-344 с.
30. Нужный В,П. Вино в жизни и жизнь в вине. — М.: СИНТЕГ, 2001. -396 с.
31. Остерман Л.А. Исследование биологических макромолекул электрофокусированием, иммуноэлектрофорезом и радиоизотопными методами. - М.: Наука, 1983.-304 с.
32. Пармон В.Н. Пребиотическая фаза зарождения жизни // Вестник РАН. - 2002. - Т. 72. - №11. - С. 976-983.
33. Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. - М.: Едиториал УРСС, 2003. — 288 с. (Серия «Синергетика: от прошлого к будущему»),
34. Рогожин В.В. Методы биохимических исследований: Учебное пособие. - Якутск, 1999. - 93 с.
35. Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. -М., 1960.-230 с.
36. Трубецков Д.И. Введение в синергетику. Хаос и структуры / Предисл. Г.Г. Малинецкого. Изд. 2-е испр. и дополн. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 240 с. (Серия «Синергетика: от прошлого к будущему»).
37. Фёдорова А.И. Роль антиоксидантных и ДНК-репарационных систем в формировании ответной реакции растительных клеток при действии стресс-факторов (радиация, температура, нитрат- и нитрит-анионы): Автореф. дис... канд. биол. наук. - Якутск, 2004. - 18 с.
ЪЪ.ХочачкаП., Семеро Дж. Биохимическая адаптация. - М.: Мир, 1988. - 568 с.
39. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. Динамическая теория информации. Изд. 2-е, испр. и доп.
- М.: Едиториал УРСС, 2004. - 288 с. (Серия «Синергетика: от прошлого к будущему»).
40. Чиркова Э.Н. Волновая природа регуляции генной активности. Живая клетка как фотонная вычислительная машина // Успехи современной биологии. -1994. -Т. 114.-№6.-С. 659-678.
41. Шаройко В.В., Нуреева Г.В., Журавская А.Н., Кершенголъц Б. М. Влияние катионов свинца (II) и некоторых комплексов БАВ растительного происхождения на активность и устойчивость генома растений // Сибирский экологический журнал. - 2002. - №2. — С. 127-135.
42. Шаройко В. В Антиоксидантные и ДНК-репара-ционные системы в защите клеток от экзо- и эндогенных токсикантов: катионов свинца, фенолов и активных форм кислорода: Автореф. дис... канд. биол. наук. -Якутск, 2003. — 20 с.
43. Beloussov L.V., Burlakov А.В. Biophotonic patterns of optical interactions between fish eggs and embryos // Indian J.of Experimental Biology. - V.41, 2003. - P.424-430.
44. Constantine N.G., Stanley K.R. Superoxide Dismutases in hanger plants // Plant Physiol. -1977. - V.59. P.565-569.
45. Kerchengolts B.M., Shein A.A., Hlebnyi E.S.. Interrelation secondary Kirlionocs luminescence of Water, its solutions and mixes with permolecular reorganizations of clusters //Material of VII International Congress on GDV В ioelectrography, Saint-Petersburg, July 6-8,2003. - P. 100-ЮЗ.
46. Nebrat V.V., Rabinovich E.V. Cure aspects of electronic device “EMAT - express 01” applying for the research of the oriental medicine PSC phenomenon. // 6th Conf. on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering APEIE-2002. Novosibirsk. - 2002. - V. 1. -P. 219-223.
47. Nebrat V.V., Rabinovich E.V. Information EMAT technology for research of the PSC phenomenon of oriental medicine // 7th Russian-Korean Intemat. Symp. on Science and Technology KORUS-2003. Ulsan. - 2003,- V. 4. -P. 46-50.
