CC BY
192
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
2.В. И. Воробьев «слагаемые здоровья » М. , Интел , 2002 3 .Л. А. Лещинский « Берегите здоровье» М. , ИНФРА- М , 2001
4.И. П. Березин, Ю. В. Дергачев « Школа здоровья » Издательство : М . : Московский рабочий с 221 1989 г.
5.Н. Б. Коростелев « От А до Я » - М. , Издательство « Физкультура и спорт » , 2002 .
© Алёшина Т.Е., Наумова А.А., Наумова Т.А., 2016
УДК. 573.2
Ю. Е. Синий
Преподаватель биологии Брянский государственный университет им. Академика И. Г. Петровского г. Брянск, Российская федерация
О ВЕРОЯТНОСТНЫХ ПРИНЦИПАХ РЕАЛИЗАЦИИ ГЕНОТИПА В ФЕНОТИПЕ И ПЕРЕРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В МОЗГЕ
Аннотация
В статье обсуждаются механизмы морфогенеза, указывается на некорректность описания этих механизмов в терминах динамических процессов. Предлагается вероятностное описание принципов работы мозга, исключающее применение таких понятий, как «нейроны - распознаватели лиц», «нейроны новизны», «нейроны постоянства», «нейроны места», «зеркальные нейроны» и всяких других, так называемых, «бабушкиных нейронов».
Ключевые слова
Медиатор, синапс, рецептор, синаптическая мембрана, химическая передача, нервный импульс, солитон, фурье-анализ, голографический принцип.
На возможности и «способности» нейрона существуют разные точки зрения. Одну из них отстаивает доктор биологических наук Е.А.Либерман [4], известный по своим работам в области биоэнергетики. Он рассматривает нейрон как клеточный, или молекулярный компьютер, который для своей работы использует интронные участки ДНК, составляющие значительную часть генома. Интронные, или вставочные участки ДНК не кодируют белка, и Е.А.Либерман предлагает довольно сложную схему участия этих структур в организации памяти и вычислительных процессов в нейроне. Точку зрения Е.А.Либермана поддерживает доктор биологических наук Р.Н.Глебов [2, с.25], известный по своим работам в области нейрохимии и биохимии синапсов. Он считает, что «...медиатор - это внешний регуляторный сигнал. Сигнал сообщает клетке, что, когда и сколько она должна делать, но не может сообщить, как это сделать. Как - «знает» сама клетка, когда - определяется временем секреции, сколько - количеством секретированного медиатора. Получается, что в нейроне как бы (а может быть без всякого «как бы») имеется собственная ЭВМ, машина памяти всего того, что было, что есть и что будет.»
Иной точки зрения придерживается Френсис Крик, один из величайших ученых современности, как раз и разгадавший структуру этой самой ДНК. Он говорит, что «следовало бы избегать еще одной общей ошибки. Ее можно было бы назвать «ошибкой премудрого нейрона». Представим себе нейрон, который посылает сигнал на некоторое расстояние по своему аксону. Что этот сигнал сообщает воспринимающему синапсу? Сигнал, разумеется, закодирован частотой нервных импульсов. Но что означает его сообщение? Легко усвоить привычку считать, что оно содержит в себе больше, чем это есть в действительности». И далее: «часто сложные природные явления основаны на простых процессах, но эволюция обычно украшает их всякими видоизменениями и добавлениями в стиле барокко. Разглядеть скрытую под ними простоту ... часто
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
бывает чрезвычайно трудно» [6, с. 266 - 267]. Об этом же говорит выдающийся физик Ричард Фейнман: «Вы не найдете в природе ничего простого, все в ней перепутано и слито. А наша любознательность требует найти в этом простоту, требует, чтобы мы ставили вопросы, пытались ухватить суть вещей и понять их многоликость как возможный итог действия сравнительно небольшого количества простейших процессов и сил, на все лады сочетающихся между собой».
«Природа устроена очень просто. - Пишет В.Н.Шумилов. - Иначе ничего бы не работало. Вот только простоты этой много. Отсюда и все сложности». «Наука должна быть веселой, увлекательной и простой, -говорил Петр Леонидович Капица, - такими должны быть и ученые». «Сложную конструкцию и дурак придумает». - Любил повторять выдающийся конструктор, автор многочисленных оригинальных разработок, один из создателей легендарного танка Т-34 и нескольких поколений послевоенных машин Александр Александрович Морозов. Известно и глубокое замечание Льва Толстого о том, что всякая новая идея, для того, чтобы оказаться верной должна быть простой. Смысл ее в том, что мир гармоничен во всей своей бесконечности, а значит - прост. Знаменитый художник-модельер Вячеслав Зайцев говорил, что в творчестве Кристиана Диора его всегда поражала простота. При современных возможностях у многих кутюрье возникает желание усложнить какие-то детали. У Диора же - все просто. Гениальность - в простоте, делает вывод В.Зайцев. «Сосредоточенность и простота - вот моя мантра. - Говорил Стив Джобс. - Тяжелее добиться простоты, чем усложненности. Нужно работать изо всех сил, чтобы начать мыслить ясно и сделать какую-нибудь простую вещь».
Мы ставим задачу показать, что принципы работы и нейрона и всего мозга (равно как и описание самого принципа) - просты. Реализация этих принципов может быть сколь угодно сложной, что мы и имеем в действительности. Но сам принцип, повторяем, должен быть прост, и таковой принцип мы предлагаем к обсуждению.
В 1877 г. Дюбуа Реймон предположил, что «Из известных естественных процессов, которые могли бы передавать возбуждение, стоит... говорить только о двух. Либо на границе сокращающейся ткани имеет место раздражающая секреция ... либо это явление имеет электрическую природу» [1,с.21]. В конце девятнадцатого и начале двадцатого веков физиологи строили свои исследования главным образом на основе второй гипотезы. Одним из первых физиологов, ясно высказавшимся о химической передаче, был Т.Р.Эллиотт. 21 мая 1904 г. в сообщении физиологическому обществу он писал: «адреналин может быть тем химическим стимулятором, который выделяется всякий раз, когда импульс достигает периферии». В 1906 г. Дж.Лэнгли сформулировал постулат о существовании «химического медиатора». (медиатор - синонимы: нейропередатчик, нейротрансмиттер - биологически активное вещество, находящееся в нейроне в связанной, депонированной форме в синаптических пузырьках) «. переход нервного импульса с нерва на мышцу происходит не с помощью электрического разряда, а с помощью секреции специфического вещества из нервного окончания». В 1921 г. австрийский фармаколог Отто Лёви (впоследствии вместе с сэром Генри Дэйлом - лауреат Нобелевской премии) в своем замечательном по простоте и красоте опыте с раздражением блуждающего нерва, иннервирующего сердце лягушки открыл первый медиатор - ацетилхолин.
При стимуляции указанного нерва электрическим током наблюдается значительное снижение амплитуды биений сердца. Собрав перфузирующий питательный раствор (омывающий работающее сердце) и подействовав им на контрольное нормально работающее сердце лягушки ( без стимуляции блуждающего нерва), О.Лёви получил тот же результат. Спустя год Лёви в аналогичной серии экспериментов при раздражении симпатического ( вагусного ) нерва лягушки открыл другой медиатор из группы катехоламинов - адреналин. Только в этом случае адреналин стимулировал работу сердца, учащая его биения [1]. Казалось бы, чего больше? Найден медиатор, стимулирующий клетку-мишень, и другой - тормозящий ее реакцию. Иных - не надо. Э.Кэндел вообще сформулировал вопрос следующим образом: «Почему имеются разные нейротрансмиттеры, если лишь одного достаточно для того, чтобы опосредовать передачу всех электрических сигналов?» Однако, исследователи начинают находить в нервной системе другие вещества, играющие роль медиаторов (норадреналин, дофамин, гистамин, серотонин...) Сразу пытаются найти этому оправдание. Решают, что такое «разнообразие» возникает в связи с тем, что разные структуры мозга имеют разную онтогенетическую природу, то есть в процессе индивидуального развития организма возникают из
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
разных неродственных тканей. Однако, к 70-м годам прошлого века насчитывают уже два десятка медиаторов. Кроме указанных ранее ацетилхолина и биогенных аминов (адреналин, норадреналин, дофамин, гистамин, серотонин) в качестве медиаторов открыты аминокислоты (гамма-аминомасляная кислота -ГАМК, глутаминовая кислота, глицин и другие ), аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и большой класс нейропептидов (вещество Р, вазопрессин, окситоцин, энкефалины и другие). К 80-м годам прошлого века известно уже около 30 разных веществ, относительно которых известно, что они играют роль медиаторов в головном мозге. Были исследованы эндорфины - группа мозговых пептидов, действие которых на клеточном и поведенческом уровне сходно с действием наркотика морфина. Эти исследования породили мысль о том, что и другие препараты, действие которых на мозг еще не получило объяснения, - например, транквилизаторы или противосудорожные средства, - тоже могут имитировать какие то пока не открытые эндогенные медиаторы. Простагландины - еще целый класс соединений, несущий функции медиаторов. С привлечением методов генной инженерии пытаются найти ответ на вопрос: сколько других редких молекул может синтезировать мозг? Согласно одной из приближенных оценок, предстоит обнаружить еще сотни новых эндогенных медиаторов. А если выяснится, что медиаторы могут синтезироваться по схеме синтеза антител иммунной системы, то число их вообще не ограничено. С нашей же точки зрения, большинство из тех десятков тысяч медицинских препаратов, используемых в медицине, как раз и имитируют эндогенные медиаторы. Более того, обнаруживаются так называемые спутники медиаторов. Так в адренергических синаптических пузырьках медиатор норадреналин депонируется совместно с другими компонентами - с АТФ, белками (хромогранин, дофамин-С-гидроксилаза), пептидами (энкефалины), часть из которых образует комплекс с медиатором. Для ацетилхолина спутниками являются АТФ и еще не идентифицированные белки. Предполагается, что эти спутники «оказывают влияние на клетки-мишени, корректируя эффекты медиаторов».
Возникает вопрос, а зачем, собственно, нужно такое количество медиаторов, да еще целая масса спутников к каждому из них? Ведь Эволюция удивительно рациональна. Ничего лишнего не допускается. И вообще, зачем Природе, Эволюции или Господу Богу (кому как удобно) понадобилась химическая передача нервного импульса?
На заре исследований по этому вопросу считали, что химическая передача нужна единственно для односторонней передачи этого самого импульса. Однако, такое устройство как диод, предназначенное для проведения электрического тока в одну сторону придумал даже Человек. Так что, для Эволюции «создать» механизм односторонней передачи нервного импульса, гораздо более рациональный, «не составило бы труда». Стало быть, химическая передача понадобилась для чего-то другого.
Сегодняшние версии сводятся к убеждению, что в синапсах (местах контакта двух нервных клеток) «происходит какая-то очень эффективная переработка информации». Р.Н.Глебов [2, с. 10] считает, что «В синапсах происходит перекодирование непрерывных потоков информации с «электрического языка» на «химический» без потери ее информационной значимости». И далее, «...нет сомнения в том, что уже в ближайшем будущем новые методы и новые идеи позволят получить сведения о сложной функции и разнообразии процессов, совершающихся в синапсах». Многие авторы, обсуждающие проблемы синаптической передачи говорят о некоем «изменении эффективности» или «регуляции эффективности синаптической передачи в процессе передачи информации», не поясняя зачастую, что они под этим понимают. Так Г.Линч и М.Бодри, рассматривая возможное увеличение количества медиаторных рецепторов в постсинаптической мембране при определенных условиях, говорят о возникновении состояния «повышенной проводимости синапса», не поясняя, что означает эта «повышенная проводимость» при импульсном способе передачи возбуждения? А.С.Батуев и В.П.Бабминдра обсуждая аксошипиковые контакты предполагают, что существует механизм изменения диаметра ножки шипика, что, в свою очередь, «меняет сопротивление и проведение электрического тока к дендритному стволу», не уточняя какой же параметр «электрического тока» меняется при импульсном способе передачи возбуждения? Наконец, появляются совсем экзотические гипотезы, которые вообще не рассматривают медиатор, как стимул, действующий на нейрон, а нейрон не рассматривается как передатчик электрических сигналов (Ю.И.Александров. Научение и память: системная перспектива). Вместо этого нейромедиаторы
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
рассматриваются как вещества, необходимые для метаболизма клетки, которые вносят вклад в удовлетворение ее «потребностей». Многообразие и сложность этих потребностей (по мнению Ю.И.Александрова) таково, что разнообразие медиаторов само по себе не кажется удивительным. Напомним, однако, что многие нейрохимики и биохимики, считают, что медиатор вовсе не проникает в постсинаптическую клетку. А если и проникает, то сразу разрушается до неактивного состояния. В подобных ситуациях истина, как правило, лежит где-то посерединке. Там мы ее в свое время и будем искать. Так что же происходит или, точнее, может происходить в синапсе? Чтобы это понять, необходимо подробно рассмотреть все этапы синаптической передачи.
В настоящем контексте нет необходимости подробно говорить о принципах передачи нервного импульса по аксону (до синапса). Отметим лишь некоторые важные положения, не достаточно подробно обсуждаемые в литературе. Распространение нервного импульса по аксону носит универсальный характер. То есть, у всех видов животных и во всех структурах, образующих их нервную систему, передача нервного импульса по аксону имеет одну природу и представляет собой последовательное изменение проницаемости смежных участков мембраны аксона для ионов калия, натрия, кальция и хлора. Это изменение проницаемости мембраны нервного волокна - аксона сопровождается изменением, так называемого, мембранного потенциала, или деполяризацией внутренней поверхности мембраны с -70 мВ до -20 мВ (милливольт) с последующей быстрой реполяризацией, то есть возвращением к прежнему потенциалу -70 мВ. (В случае тормозных синапсов имеет место гиперполяризация, то есть изменение внутренней поверхности мембраны с -70 мВ до -120 мВ). Это изменение потенциала, а вернее изменение проницаемости мембраны для разных ионов распространяется по аксону в виде одиночной волны. В физике такую волну называют солитоном. Если по земле растянуть веревку и, подняв один ее конец, резко опустить, по веревке пойдет одиночная волна - солитон. Другой вид солитона - разрушающая все на своем пути - волна цунами. [9]. Особенностью солитонов, отличающей их от обычного волнового процесса, является независимое распространение их друг от друга. А это чрезвычайно важно для реализации тех процессов, которые происходят в нервной системе, поскольку именно последовательностью солитонов, идущих один за другим через различные промежутки времени и представлен процесс передачи нервных импульсов по аксону. Каждый из пришедших в нервное окончание импульсов-солитонов инициирует целую цепь событий: Прежде всего, это открывание кальциевых каналов и проникание ионов кальция из внешней среды внутрь синаптического окончания. Ионы кальция заставляют синаптические пузырьки с депонированным в них медиатором сливаться с пресинаптической мембраной. После чего происходит выброс (экзоцитоз) медиатора нервными окончаниями в синаптическую щель. Следует указать на некоторые свойства медиаторов. Все они проявляют физиологическую активность в очень низкой концентрации (10-7 - 10-5 М) [1]; весьма реакционноспособны; характеризуются большой скоростью обмена (синтеза и распада); действуют кратковременно в ограниченном пространстве и на незначительном расстоянии. В связи с этим, чрезвычайно сложно с помощью сегодняшних технических и технологических возможностей выделять и идентифицировать новые медиаторы. Можно полагать, что экзоцитоз - регулируемый процесс. Во-первых, выброс медиатора происходит порциями, или квантами. Один квант медиаторов соответствует содержимому одного синаптического пузырька и его величина оценивается в 104 - 105 молекул передатчика. Таким образом, единовременно может быть секретировано определенное, кратное одному кванту, количество медиатора. Во-вторых, выяснено, что в составе пресинаптических мембран локализованы пресинаптические ауторецепторы, которые регулируют собственную секрецию медиатора. Показано существование как угнетающих собственную секрецию ауторецепторов, так и ускоряющих ее. Назовем эти позиции пресинаптическим уровнем регуляции передачи возбуждения.
Далее происходит диффузия секретируемого материала в синаптической щели к постсинаптической мембране и взаимодействие с рецептором. Рецепторы - это белково-липидные комплексы, локализованные на внешней поверхности постсинаптической мембраны. Каждый рецептор, как ключ к замку, настроен на «свой» медиатор. Реакция между медиатором и рецептором обратима. Спустя определенное время образованный комплекс медиатор-рецептор распадается на исходные составляющие. Медиатор, как указывалось выше, реагирует с рецептором в очень низких концентрациях (10-7 - 10-5 М). Образование
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
комплекса медиатор-рецептор происходит не за счет ковалентных связей, а путем межмолекулярных (электростатических) взаимодействий. В результате чего изменяется конформация, или пространственная конфигурация молекулы рецептора и близлежащих участков мембраны, что приводит к открыванию калиевых, натриевых, кальциевых каналов (каналы - это специализированные крупные трубчатые белки) в постсинаптической мембране. А это приводит к ее деполяризации и нервный импульс передается постсинаптическому нейрону. Вышеперечисленные факторы можно определить как постсинаптический уровень регуляции передачи возбуждения.
Следующий этап - инактивация отработанного медиатора в синаптической щели. Ряд исследователей считают, что медиатор не проникает в постсинаптический нейрон, или клетку-мишень, однако, как будет показано ниже без такого проникновения невозможно объяснить целый ряд процессов, происходящих в постсинаптическом нейроне).. Образовавшийся комплекс медиатор-рецептор распадается на составные части (за определенное время). Большая часть медиатора (около 80%) далее обратно захватывается из синаптической щели нервным окончанием (этот процесс назван пиноцитозом). Остальной медиатор дифундирует в межклеточное пространство и (или) пассивно захватывается различными клетками, в том числе и постсинаптическим нейроном, где разрушается под действием ферментов. (На эту операцию, разумеется, требуется какое-то время). Для осуществления пиноцитоза у каждого типа медиаторов существуют свои переносчики в пресинаптической мембране. Кроме того, для каждой системы активного захвата медиатора выявлены специфические блокаторы. Эти вещества широко используются в медицине, поскольку они, выключая систему захвата, удлиняют постсинаптическое действие того или иного медиатора (в клинической практике их применение снимает депрессивный синдром). Далее, в синаптической щели на внешней поверхности синаптических мембран локализуются ферменты, их называют эстеразами, которые разрушают медиатор, инактивируя его синаптическое действие. Понятно, что инактивация медиаторов эстеразами осуществляется за какое-то вполне определенное время. И это время зависит и от природы медиаторов, и от природы эстераз. Вышеприведенные факторы можно определить как синаптический уровень регуляции передачи возбуждения.
Далее наступает этап восстановительной работы в нервных окончаниях пресинаптических нейронов. В ходе реполяризации, помимо восстановления исходного градиента катионов происходит отделение большей части синаптических пузырьков (меньшая часть везикул гибнет) от пресинаптической мембраны. Опустошенные в результате экзоцитоза везикулы далее активно поглощают медиаторы, которые поступили в нервные окончания из синаптической щели вследствие пиноцитоза, а также вновь синтезированные и поступившие с аксотоком медиаторы. Это еще один уровень регуляции передачи возбуждения. И только после того, как последовательно пройдут все эти процессы, синапс снова готов к проведению очередного импульса-солитона.
Таким образом, на передачу каждого импульса от нейрона к нейрону может влиять бесконечное число факторов. Именно бесконечное, поскольку, кроме перечисленных выше очевидных факторов, присутствует масса других, менее очевидных. И, чтобы пояснить это, сделаем одно необходимое отступление, так как вышеприведенное утверждение имеет принципиальное значение. Дэвид Хьюбел в статье «Мозг» [5, с. 10] пишет: - «Проблема понимания работы мозга в чем-то сходна с проблемой понимания структуры и функции белков. Каждый организм содержит миллионы сложных изощренных молекулярных комбинаций, причем один человек совершенно отличен от другого. Для того, чтобы детально изучить структуру хотя бы одного белка, по-видимому, потребуются годы, не говоря уже о том, чтобы узнать точно, как он работает. Если понять белки - это значит узнать, как все они работают, то перспективы здесь, пожалуй, отнюдь не радужные. Точно так же мозг состоит из очень большого числа (хотя и не миллионов) функциональных подразделений, из которых каждое обладает своей особой архитектоникой и своей сетевой схемой; а дать описание одного из них вовсе не значит описать их все. Поэтому понимание пойдет медленно (хотя бы по практическим причинам - в зависимости от времени и числа, занятых этим людей), неуклонно (надо надеяться) и будет развиваться по асимптоте, безусловно, с прорывами, но вряд ли достигнет конечной точки». - Довольно пессимистическое высказывание.
В замечательной монографии Джеймса Уотсона «Молекулярная биология гена» (на русском языке она
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
издана в 1978 г.) есть одна удивительная, даже странная фраза. Дж.Уотсоном [8] она сформулирована так: «Важна ли в жизни эукариотических клеток регуляция на уровне трансляции, до сих пор не известно». Для непосвященных это звучит как «абракадабра». Попытаемся объяснить, что же это значит? В 1953 г. Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс разгадали структуру дезксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В 1962 г. они получили за это открытие Нобелевскую премию. Это открытие, наряду с открытием Чарльзом Дарвином происхождения видов путем естественного отбора стало главным достижением Цивилизации в этой области. ДНК оказалась полимерной молекулой, отвечающей за все индивидуальные признаки организма, являясь носителем своеобразного биологического кода. ДНК структурирована в хромосомы, которые передаются индивидууму от двух родителей. Попытаемся (весьма упрощенно) показать, что же «делает» дезоксирибонуклеиновая кислота (на самом деле, с точки зрения химии, это соль, а не кислота), так как в дальнейшем нам придется сталкиваться с рядом генетически детерминированных процессов в мозге.
ДНК «кодирует» исключительно полипептидную цепочку, или цепочку, состоящую из определенной последовательности аминокислот, то есть - первичную структуру белка. И ничего больше. Можно показать, что для того чтобы у вас оказался карий или голубой цвет глаз, равно как и проявился ваш скверный характер, этого вполне достаточно. И сейчас мы это покажем.
Для того, чтобы информация, «закодированная» в ДНК последовательностью нуклеотидов (генетическая информация) обеспечила появление (биосинтез) определенного (нужного) белка в определенном (нужном) месте, в определенное (нужное) время и в определенном (нужном) количестве должны произойти следующие события: Взаимодействие гормона или, в случае нервной ткани, медиатора с рецептором индуцирует через ряд стадий синтез циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) -циклического нуклеотида, являющегося элементом системы универсального внутриклеточного регулятора физиологической активности клетки. Появившийся в клетке цАМФ далее специфически реагирует исключительно с одним видом белков-ферментов - протеинкиназами (ПК), которые исходно существуют в малоактивной форме в виде комплекса из двух субъединиц, названных регуляторной (Р) и каталитической (К). цАМФ связывается с регуляторной субъединицей, при этом освобождается каталитическая субъединица и наступает самый ответственный момент - фосфорилирование субстрата: Каталитическая субъединица протеинкиназы переносит фосфатный остаток молекулы АТФ на гидроксильную (ОН) группу, как правило, серинового остатка молекулы какого либо белка. Это приводит к изменению конформации белка и открытию его активного центра. Лишь после этого синтезированный в клетке белок становится функционально активным и производит определенные операции. Двойную спираль ДНК как шубой покрывают, так называемые, гистоновые белки. Если при участии системы цАМФ эти белки профосфорилированы, то они белки меняют свою конформацию, и вдоль молекулы ДНК освобождается голый участок (локус), который может инициировать синтез белка по схеме ДНК - РНК - белок. Под действием фермента, а это тот же белок, только синтезированный в другое время и в другом месте и профосфорилированный системой цАМФ и специфичной для него протеинкиназой, двойная спираль ДНК на определенном участке разделяется на две нити по азотистым основаниям, то есть разрываются связи между аденином и тимином, гуанином и цитозином. При действии других ферментов (РНК-полимеразы) к каждому из нуклеотидов, уже одноцепочечной ДНК, так же по комплементарному принципу, присоединяются другие нуклеотиды, имеющиеся в клетке. Однако, в состав этих нуклеотидов входит моносахарид рибоза (вместо дезоксирибозы), а вместо азотистого основания тимина присутствует урацил. Таким образом, на структуре ДНК формируется молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты). Этот процесс назван транскрибцией, или транскрибированием.
Далее происходит следующее: От нити ДНК отделяется (при участии соответствующих ферментов) комплементарная ей нить РНК, которую назвали информационной РНК (и-РНК). Нить ДНК имеет так называемые интронные и эксонные (экзонные) участки. Интронные участки, как было сказано выше, не несут информации о структуре белка, но копируются на структуре и-РНК. (По мнению ряда исследователей, интронные участки составляют большую часть генома. Е.А.Либерман [4, с.19] пишет: - «... у человека хоть какое-то отношение к текстам белков имеет только 10% ДНК». Дж. Уотсон считает, что лишь 5 % генома участвуют в биосинтезе белка). Затем эти интронные участки, соответствующими ферментами
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
(рестриктазами) вырезаются из структуры и-РНК, а эксонные участки сшиваются между собой (соответствующими ферментами). Образуется, так называемая, матричная РНК (м-РНК, которую, порой отождествляют с и-РНК, что не совсем корректно). Матричная РНК включается в структуру органоидов клетки, названных рибосомами. В этих структурах на матричных РНК, как на матрице (отсюда и название) и происходит синтез полипептидной цепочки, или первичной структуры белка. Этот процесс - процесс считывания генетической информации с м-РНК и передачи ее на структуру белка - назван трансляцией.
Приведенное выше высказывание Дж.Уотсона означает, что регуляция биосинтеза белка на уровне транскрибции безусловно имеет место. А регуляция его на уровне трансляции - не очевидна. На самом деле, регуляция биосинтеза белка происходит и на уровне транскрибции, и на уровне трансляции, и на десятках и сотнях других уровней и подуровней. Это необходимо показать, поскольку иначе невозможно уяснить ни то, как реализуется генотип в фенотипе, ни то, как реализуется процесс переработки информации в мозге.
Все дело в том, что регуляцию биосинтеза белка, (а в дальнейшем будет показано, что и переработку информации в мозге) многие исследователи рассматривают как динамический процесс. На самом деле, всякий живой организм, равно как и любая его структура, в том числе мозг (если таковой имеется) являются статистическими системами, и адекватное описание их работы в терминах динамической системы невозможно принципиально.
В 1985 г. американцами, а вслед за ними и японцами была принята пятнадцатилетняя программа «картирования всех генов человека». К 2000 г. и те и другие заявили о ее реализации. Однако, в большинстве своем была определена лишь последовательность нуклеотидов в геноме человека. А гены, отвечающие, скажем, за чрезмерную длину носа или оттопыренность ушей найдены не были, и справедливости ради отметим, что таких генов нет, равно как и конкретных генов, ответственных за продолжительность жизни или старение, хотя их интенсивно ищут. Подробнее механизмы старения и продолжительности жизни и связи этих процессов с деятельностью мозга, мы будем обсуждать в последующих публикациях. И, предваряя дальнейшие рассуждения, заметим, что проблема понимания организации фенотипа (совокупность всех признаков организма) на основе известного генотипа (совокупность всех генов человека) принципиально не разрешима. А эволюция живых систем принципиально не предсказуема, хотя на эту тему существует множество спекуляций. (Кстати, то же касается и социальных систем).
Итак, что мы будем понимать под статистическим, или вероятностным принципом регуляции биосинтеза белка, а в дальнейшем под вероятностным принципом работы мозга? О вероятностном, или статистическом описании того или иного процесса (например, процесса биосинтеза белка) говорят тогда, когда к одному и тому же результату ведут множество путей. И чем таких путей больше, тем вероятнее наступление того или иного события. В каждой клетке синтезируются одновременно сотни и сотни белков, как структурных (строительных), так и ферментов (катализаторов). Но все белки, вернее полипептиды, состоят из 20 видов аминокислот. Весь этот набор постоянно присутствует в цитоплазме клетки. И клетка «должна решать вопрос», каким образом из одних компонентов организовать различные (необходимые) структуры, в различных (нужных) количествах. Например, белков-ферментов, которые обеспечивают синтез пигмента, ответственного за карий цвет ваших глаз требуется гораздо меньше, чем белков-ферментов, ответственных за метаболизм клетки, например дыхание. Для того, чтобы обеспечить синтез определенного белка в больших количествах, в ДНК имеются многочисленные повторения одного и того же гена. Иногда таких копий насчитываются десятки и сотни. Это только один из множества факторов, обеспечивающих большую вероятность биосинтеза конкретного белка на уровне транскрибции. Более того, тот или иной участок ДНК может содержать разное число интронных участков. При большем их количестве время на синтез м-РНК (матричной РНК) увеличивается и вероятность биосинтеза соответствующего белка уменьшается. Регуляция биосинтеза на уровне трансляции, в которой сомневается Дж.Уотсон, обеспечивается, во-первых, так называемой, вырожденностью биологического кода. То есть, одну аминокислоту могут кодировать как одна, так и несколько троек нуклеотидов, или одна аминокислота транспортируется разными т-РНК. Как этот факт влияет на регуляцию биосинтеза? Если в структуру какого-то белка входят аминокислоты, которые кодируются несколькими нуклеотидными последовательностями (несколькими триплетами), и, соответственно, транспортируются несколькими т-РНК, то уменьшается время
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
включения такой аминокислоты в полипептидную цепь и, соответственно, время синтеза этих белков. А значит, увеличивается вероятность пребывания такого белка в определенном месте и вероятность протекания процесса, контролируемого этим белком. Регуляция биосинтеза может осуществляться и на уровне самих транспортных РНК. т-РНК представляет собой некую глобулу с двумя активными центрами - для связи с м-РНК (триплет) и с аминокислотой. Остальная часть - это частично спирализованная цепь РНК с некоторым числом двуспиральных фрагментов и по форме напоминающая кленовый лист. Замена нескольких или даже одного нуклеотида может привести к изменению устойчивости такой т-РНК, ослаблению ее связи с рибосомами, изменению «продолжительности жизни» и, в конечном счете, изменить вероятность синтеза того или иного белка. Те же рассуждения можно отнести к участию в регуляции биосинтеза рибосомальной РНК. Наиболее тонкая регуляция биосинтеза осуществляется на уровне самих белков-ферментов. Прежде всего, синтезированная полипептидная цепочка почти никогда не остается той длины, которую ей обеспечивает м-РНК, но делится на фрагменты (специфическими ферментами). На это необходимо определенное для каждого белка и «свое» для каждого индивидуума время. Затем полученная полипептидная цепь, или первичная структура белка сворачивается в глобулу без дополнительных энергетических затрат посредством электростатического взаимодействия - вторичную структуру белка. Далее несколько таких глобул могут объединиться между собой водородными связями в третичную структуру, включить в себя «посторонние образования», например, ионы металлов (гем в молекуле гемоглобина) - четвертичная структура белка. В каждом акте этих преобразований участвуют ферменты, и каждый акт протекает за вполне определенное время (милли-, микро-, нано-, пикосекунды), свое для каждого индивидуума. И если активные центры сформированного ферментного белка, то есть место для взаимодействия этого белка с протеинкиназой для его фосфорилирования и место для его взаимодействия с субстратом имеют одинаковую структуру, то есть одинаковую аминокислотную последовательность, как у бактерий так и у человека, то остальная часть глобулы может сильно варьировать как у разных видов, так и у представителей одного вида. Мутация на участке ДНК, ответственном за синтез какого-то белка (а это, как правило, замена одного азотистого основания на любое другое, что может заменить одну аминокислоту в белковой молекуле) может привести (но может и не привести, а в дальнейшем ссумироваться с другой подобной мутацией) к небольшому изменению конформации белковой молекулы и к изменению устойчивости ее к протеазам -ферментам, разрушающим белок (в 2006 г. за открытие генетически детерминированного распада белка в клетке группе ученых была присуждена Нобелевская премия). Это, в свою очередь, приведет к уменьшению времени его контакта с субстратом, к уменьшению «времени жизни» этого белка и изменению вероятности протекания процесса, регулируемого этим белком. Так, например, подобное вышеприведенному, небольшое изменение в структуре фермента, ответственного за синтез гормона кортизола, отвечающего за целый ряд физиологических реакций, сопутствующих состоянию агрессии, заставит вас броситься на обидчика с кулаками, а вашего приятеля - наутек. (А вот кто из вас двоих имеет большую вероятность дожить до половозрелого возраста и дать потомство, - храброе или трусливое, - это вопрос). Такое же изменение в структуре хотя бы одного из ферментов, ответственных за синтез пигмента меланина делает вас немного светлее вашей смуглой подружки. Можно возразить, что любое изменение в аминокислотном составе белка обусловлено, все же, изменением в нуклеотидном составе ДНК. И, стало быть, статистические закономерности сводимы к динамическим. Ну что же, это - извечный спор физиков, представляющий исключительно академический интерес.
Все сказанное выше призвано показать, что «в условиях сравнительно ограниченного числа изначально используемых клеткой соединений, и необходимости получения огромного числа промежуточных и конечных продуктов метаболизма имеет место своеобразная конкуренция различных клеточных структур за необходимый субстрат. Создается ситуация, при которой любое изменение вероятности протекания одного процесса изменяет вероятности протекания всех других процессов. Другими словами, без большой натяжки можно принять, что, с одной стороны, любой ген ответственен за все признаки организма, а с другой - за каждый из этих признаков ответственен весь геном в целом. Эта позиция, кстати, говорит о том, что выращивание функциональных органов «в пробирке», то есть вне организма невозможно принципиально (спекуляции на эту тему, связанные с возможностью сегодня
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
выращивать эпителиальные ткани, ткани сосудов или желез, появляются постоянно, особенно в связи с разработкой 3Б-биопринтеров). То есть, для того, чтобы из мало дифференцированных тканей получить функциональный орган необходим организм.
Таким образом, закодировав в одном гене одну полипептидную цепь, или первичную структуру белка, и запрограммировав во всей структуре генома вероятность (в том числе и нулевую) протекания процесса биосинтеза этого белка, Эволюция и обеспечила бесконечное морфологическое разнообразие живых систем. В 2015 году появилась информация, что американские генетики включили человеческий ген в геном свиней. Это позволило улучшить качество мяса, сделав его постным. Но внешний вид этих животных шокировал самих исследователей. То есть, один единственный ген способен изменить направление морфогенеза» [ 7, с.30 ].
Выше были рассмотрены этапы синаптической передачи нервного импульса. Показано, что на каждый акт этой передачи затрачивается какое-то время. И время это зависит от бесконечного числа факторов. Прежде всего, от структуры медиатора и структуры воспринимающих этот медиатор рецепторов, от структуры белков, транспортирующих медиатор и от структуры спутников медиатора, от природы эстераз, дезактивирующих медиатор и от природы ферментов, разрушающих эстеразы, от структуры белков, образующих синаптические каналы и от структуры белков, образующих внутри синаптические нити, от структуры ферментов, фосфорилирующих белок и от структуры ферментов, дефосфорилирующих его в постсинаптической клетке. и так далее. Было показано, что структура, отвечающего за одни и те же процессы, или несущего одни и те же функции белка, может быть различной не только у разных видов, но и у различных особей одного вида. Эти факты, в случае синаптической передачи, означают, что малейшее изменение в структуре даже одного из множества белков, участвующих в процессе передачи нервного импульса, приводит к изменению рефрактерной фазы, то есть времени восстановления у синапса способности к проведению следующего импульса.
«Все это бесконечное число уровней регуляции синаптического процесса призвано обеспечить уникальность синапсов каждого нейрона. Уникальность эта состоит в том, что время полного восстановления синапса для возможности передачи следующего нервного импульса индивидуально для каждого нейрона или группы нейронов и строго определено. Другими словами, какой бы характер не имела последовательность импульсов-солитонов проходящая (передаваемая) по аксону, синапс того же нейрона пропустит импульсы только строго определенной частоты, не выше той, которая обусловлена природой этого синапса, или величиной его рефрактерного периода. Таким образом, химическая передача призвана обеспечить индивидуальную для синапсов каждого нейрона частоту передачи нервного импульса. То есть, посредством химической передачи происходит фурье-разложение сигнала. А способность мозга к фурье-анализу говорит о голографическом принципе его работы.
Далее необходимо сделать небольшое отступление, связанное с технической стороной вопроса. Исследования характера импульсаций нейрона связано, естественно, с техническими устройствами. Необходимо в общих чертах описать эти устройства, и, прежде всего, устройство микроэлектрода (МЭ). Для изготовления МЭ используют стеклянные капилляры диаметром от 1 до 2 мм. Капилляр - это стеклянная трубочка, которая обладает интересным свойством: При локальном нагреве и вытягивании ее, она может истончаться до долей микрона (приблизительно до 0,1 мкм). Кончик МЭ с диаметром около 0,1 мкм не виден в световой микроскоп (это - за пределами его разрешающей способности), но, при этом, канал внутри нити сохраняется. Затем этот канал заполняют электролитом. Как правило, это - 0,1 - 2,5 молярный раствор КС1. Электрическое сопротивление такого МЭ при заполнении 2,5 М раствором КС1 составляет порядка от 5*108 до 10* 108 Ом. Соответственно высока и их инертность, что не позволяет следить за быстро протекающими процессами. [5]. Частота сигнала (f), которую возможно зарегистрировать зависит от постоянной времени
прибора (X). f = 1 /X Постоянная времени прибора (X) определяется произведением электрического сопротивления МЭ (R) и входной емкости прибора (C), которая составляет порядка от 50* 10-12 до 20* 10-12 Ф
(Фарад), То есть X=RC, а f = 1 / X = 1 / RC. Максимальная частота сигнала, которая регистрируется этим прибором, при таких характеристиках микроэлектрода составит: f=1/ (5* 108 * 20* 10-12) = 1/ 1*10-2=100 Гц. И если мы заменим стеклянный микроэлектрод на золотую проволочку того же диаметра, результат будет
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
приблизительно таким же. Из приведенных расчетов видно, что на сегодняшний день определить характер импульсаций нейронов, частота которых оценивается в 1000 Гц и более, технически не представляется возможным. И тем более определить характер импульсаций, проходящих через синапс» [7, с.30]. (Размер самого синапса составляет порядка 1мкм, ширина синаптической щели 20 - 40 нм (1 нм - нанометр = 10-9 м). Изучение импульсаций нейрона на сегодняшний день заключается в том, что потенциал отводится от микроэлектрода, введенного в тело нейрона. Измерять характер импульсаций таким образом - это, образно говоря, то же, что измерять среднюю температуру по больнице. В лучшем случае, микроэлектрод вводится непосредственно в аксон нервной клетки, однако это не решает технических проблем. Характер импульсаций нейрона можно оценить лишь качественно. Например, некоторые насекомые (голица, комар-мокрец) совершают до 1000 взмахов крыльями в секунду. Понятно, что импульсы от нейронов ганглий должны идти с гораздо большей частотой, поскольку помимо подъемной силы крыльями обеспечивается и очень высокая маневренность насекомых. Правда, некоторые авторы [3] считают, что «летательные мышцы, так называемые асинхронные, работают слишком быстро для того, чтобы каждое сокращение могло быть ответом на отдельный нервный импульс,.. .и к ним поступает один нервный импульс приблизительно на 40 взмахов крыла. Асинхронная мышца способна автоматически сокращаться в ответ на растяжение (так называемый рефлекс на растяжение), не дожидаясь очередного нервного импульса». Однако, само утверждение, будто мышцы работают так быстро, что нервные импульсы за ними не поспевают, звучит абсурдно.
Выше мы задавались вопросом: зачем Эволюции понадобилась химическая передача нервного импульса? Зачем потребовалось аналоговый сигнал превращать в импульсную форму? Зачем мозг осуществляет фурье - преобразование сигналов от рецепторов? На сегодняшний день представляется очевидной следующая схема работы мозга: периферические нейроны, или рецепторы принимают из внешней и внутренней среды механические, термические, химические, электромагнитные воздействия. Преобразуют эти воздействия в последовательность импульсов и передают в определенные структуры мозга. На этих структурах происходит взаимодействие поступившей в таком виде информации с периферии и поступающей в таком же виде информации из памяти. На наш взгляд, схема, при которой происходит взаимодействие восходящих потоков информации с нисходящими, делает ненужным предполагаемый механизм, так называемой, реверберации нервных импульсов по локальным замкнутым нейронным сетям, принятый многими исследователями. Итак, на определенном этапе событие, зарегистрированное рецепторными системами, преобразуется в последовательность нервных импульсов. Хаотично и непрерывно изменяющийся аналоговый сигнал от рецепторов превращается в хаотичную же последовательность импульсов. Эти импульсы, по мнению ряда исследователей, могут алгебраически суммироваться (то есть, учитывается знак импульса). Иначе, возбуждающий и тормозной импульсы взаимно вычитаются на специализированных нейронах. Далее происходит разложение этого хаотичного набора импульсов на гармонические частоты - Фурье-разложение. Это происходит, как было показано выше, посредством химической передачи нервного импульса. Поступившие в такой форме импульсы от рецепторов взаимодействуют с импульсами, поступающими из «памяти». Именно для такового взаимодействия Эволюция и обеспечила фурье-разложение сигнала, предварительно преобразовав аналоговый сигнал в импульсную форму. Именно для такового взаимодействия и понадобилась химическая передача нервного импульса. Остается выяснить, что собой представляет это взаимодействие, и на каких структурах оно происходит.
Список использованной литературы
1. Бак З. Химическая передача нервного импульса. М., «Мир», 1977 г.
2. Глебов Р.Н. Мозг синапсы и передача информации. М., «Знание», 1984 г.
3. Грин Н., Стаутт У., Тейлор Д. Биология. М., «Мир», 1990 г.
4. Либерман Е.А. Как работает живая клетка. М., «Знание», 1990 г.
5. «Методы изучения мембран растительных клеток». СПб., ЛГУ, 1986 г.
6. «Мозг». Сб., М. «Мир», 1982 г.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-3/2016 ISSN 2410-6070
7. Синий Ю.Е., Сидоров А.А. О некоторых частных феноменах мозга и их механизмах. Сб., Инновационная наука. №8, ч.3. Уфа, «Аэтерна», 2016 г.
8. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., «Мир», 1978 г.
9. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. М., «Наука» 1986 г.
© Синий Ю. Е., 2016
