Волновой генетический код

Особого внимания заслуживает в ГБВ-модели обоснование единства фрактальной (повторяющей самою себя в разных масштабах) структуры последовательностей ДНК и человеческой речи. То, что четыре буквы генетического алфавита (Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин) в ДНК-текстах образуют геометрические фрактальные структуры, констатировано Джефри в 1990г. в рамках так называемого “хаотически-игрового” математического представления последовательностей нуклеотидов. Это не вызвало особой реакции научной общественности. Однако, обнаружение нами геноподобных фрактальных (в геометрическом аспекте) структур в человеческой речи, и не только в буквенных рядах русских и английских текстов, но и в последовательностях слов этих текстов методически нетривиально. Хотя сама идея фрактальности естественных текстов не нова, но это идея смысловой фрактальности. В целом, такой ход мысли созвучен направлению в семиотике, называемому “лингвистическая генетика”, направлению, которое пытается объяснить некоторые, похоже, общие закономерности создания гибридов биосистем и “гибридов” слов. Становится понятнее принятое, и уже привычное, опережающее сравнение ДНК с естественными текстами, имевшее преимущественно метафорический характер. Мы разработали модель фрактального представления естественных (человеческих) и генетических языков [14], которая позволяет предположительно считать, что “квазиречь” ДНК обладает потенциальным неисчерпаемым запасом “слов”. В этом пункте мы существенно расходимся с известными представлениями об исключительно трехбуквенном шифровании молекулой ДНК и только последовательностей аминокислот в белках. Предлагаемая фрактальная модель может стать полезной для тонкого количественного и смыслового сравнения знаковой структуры любых текстов, в том числе генетических. Можно попытаться подойти к дешифровке семантических построений ДНК и, соответственно, к составлению алгоритмов речевого или квазиречевого обращения к геному любой биосистемы через аппаратуру, моделирующую знаково-волновые функции генетического аппарата. Первичная практическая проверка ГБВ-модели в области “речевых” характеристик ДНК дала положительные результаты. Так же, как и в экспериментах Дзян Каньджэна, был получен эффект прямой трансляции и введения геноволновой информации от донора к акцептору. Затем мы создали устройства - генераторы солитонных полей Ферми-Паста-Улама (ФПУ), в которые можно было вводить речевые алгоритмы, к примеру, на русском и английском языках. Такие вербальные структуры превращались в особые электромагнитные (солитонные) модулированные поля - аналоги тех, которыми оперируют клетки в процессе волновых коммуникаций. Организм и его генетический аппарат в определенных, не совсем понятных, условиях “узнает” такие “волновые фразы” как свои собственные и в ряде случаев поступает в соответствии с введенными человеком извне речевыми управляющими воздействиями. Не исключен также фактор экзобиологического контроля за работой геноструктур через аналогичные коммуникативные каналы. А если быть точным, то этот контроль есть Божественное Начало. Видимо, геном не самодостаточен для управления организацией биосистемы.

Нам удалось получить предварительные результаты по влиянию кодовых вербальных структур, транслируемых через аппаратуру, на геном растений-акцепторов.

Зафиксирован факт распознавания геномами растений человеческой речи, что коррелирует с идеей лингвистической генетики о глубинном сходстве механизмов словообразования и синтеза речи для хромосом и человеческих языков [48], соответствует гипотезе существования праязыка людей [44] и перекликается с постулатом структурной лингвистики, по которому все естественные языки имеют глубинную врожденную универсальную грамматику, инвариантную для всех языков [51]. И, вероятно, для языка генома как одного из них. Об этом же говорят широко известные данные о генетическом дефиците хромосом, не позволяющем полностью реализовать программы развития организма в условиях внешней искусственной полевой информационной изоляции. Фильтрация или искажение некоторых (генознаковых) внешних естественных физических полей вызывает уродства и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетических субстратов с экзогенными волновыми знаковыми структурами, безусловно, необходимы для гармоничного развития организма. Внешние Божественные (или искусственные) волновые сигналы несут дополнительную, а может быть и главную, информацию в геноконтинуум Земли. Такая идея в какой-то мере подтверждается нашими прямыми экспериментами, которые показали, что ДНК в состоянии жидкого кристалла может являться неким подобием антенны для приема сигналов явно искусственного характера, резко отличного от штатных акустических излучений ДНК. Этот факт, возможно фундаментального характера, проявляется в том, что молекулы ДНК в режиме “приема”, длящегося не один час, начинают вести себя аномальным образом, имитируя квазиразумное поведение на уровне нелинейной динамики полимера, что регистрируется методом корреляционной лазерной спектроскопии и прямым наблюдением за броуновским движением молекул [10,15,25]. Не исключено, что в этом выявляются высшие регуляторные волновые супергеносигналы, предназначенные для стратегического управления организмами Земли.

Рассмотрение генетических структур как космических волновых антенн хорошо согласуется с идеями Хозе Аргуэльеса относительно генетического кода. Он считает, что последний описывает лишь часть общей картины жизни, и дополнением к нему является свет - лучистая энергия. Это резонансная лучистая инфраструктура - световое тело - входит в диапазон излучения, который управляется кодом Цолькина, гармонического модуля майя. Отслеживая “источник” лучистой энергии, Аргуэльес приходит к мнению, что он является ядром нашей Галактики. Излучаемые им спиральные потоки пульсаций вращаются в прямом и обратном направлениях и представляют собой код, контролирующий самопередающее и самопреобразующее свойства лучистой энергии. Описываемый гармоническим модулем майя галактический код является первоисточником, пропитывающим и наполняющим жизнью код ДНК.

Совсем недавно нам удалось получить еще одно свидетельство в пользу существования волновых генов. Был открыт феномен генерации широкополосного спектра радиополей в диапазоне от килогерц до одного мегагерца молекулами ДНК in vitro в особых условиях. [42].Препараты ДНК возбуждались в специальной резонансной системе He-Ne лазера со специфической модуляцией светового пучка (длина волны - 632,8 нм). Есть основания полагать, что такая система превращения видимой области спектра электромагнитного излучения в радиодиапазон свойственна биосистемам и они используют эти сверхслабые радиоизлучения в качестве носителя волновой (квазиречевой) генетической информации. Феномен генерации радиоволн из красного света оказался универсальным, свойственным и неорганическим веществам, и сейчас он многократно перепроверяется. Однако, уже сейчас зафиксирован особый спектральный состав радиоволн, генерируемых с участием генетических структур. Надо полагать, что обнаружен один из волновых “языков” генома, где субъектами “чтения” и “озвучивания” генотекстов выступают солитонные волны (бризеры) в ДНК [25,40,42].

Еще одно подтверждение нашей трактовки кодовых функций генома получено в 1994г. американскими исследователями [12]. Работая с “кодирующими” и “некодирующими” последовательностями ДНК эукариот (в рамках старых представлений о генах), эта научная группа из Бостона пришла к выводу, противоречащему догме о том, что знаковые функции сосредоточены только в белок-шифрующих участках ДНК. Они применили метод статистического анализа естественных и музыкальных текстов, известный как закон Ципфа-Мандельброта, и принцип избыточности текстовой информации Шеннона, рассчитываемый как энтропия текстов (относительно энтропии текстов и статистики распределения слов в текстах см., например, [17]). В результате они получили, что “некодирующие” районы ДНК более схожи с естественными языками, чем “кодирующие”, и что, возможно, “некодирующие” последователь-ности генетических молекул являются основой для одного (или более) биологических языков. Кроме того, авторами был разработан статистический алгоритм поиска кодирующих последовательностей ДНК, который выявил, что белок-кодирующие участки обладают существенно меньшими дальнодействующими корреляциями по сравнению с зонами, разделяющими эти участки. Распределение ДНК-последовательностей оказалось настолько сложным, что использованные методы переставали удовлетворительно работать уже на длинах, превышающих 10³ - 10² пар оснований. Распределение Ципфа-Мандельброта для частот встреча-емости “слов” с числом нуклеотидов от 3 до 8 показало большее соответствие естественному языку некодирующих последовательностей по сравнению с кодирующими. Еще раз подчеркнем, что кодирование авторы понимают как запись информации об аминокислотной последовательности, и только. И в этом парадокс, заставивший их заявить, что некодирующие регионы ДНК - это не просто “junk” (в переводе с английского - “мусор”), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением. Дальнодействующие корреляции в этих структурах авторам также непонятны, хотя и обнаружена нарастающая сложность некодирующих последовательностей в эволюции биосистем, что продемонстрировано на примере семейства генов тяжелой цепи миозина при переходе от эволюционно низких таксонов к высоким. Эти данные полностью соответствует нашим идеям о том, что именно “некодирующие” последовательности ДНК, т.е. около 95 - 98 % генома, и являются стратегическим информационным содержанием хромосом. Оно имеет материально-волновую природу и поэтому многомерно и, по своей сути, выступает как ассоциативно-образная лингвистиковолновая программа эмбриологического начала, смыслового продолжения и логического конца любой биосистемы. Поняв это, авторы с ностальгической грустью прощаются со старой и хорошо послужившей моделью генетического кода, не предлагая, правда, ничего взамен.

Еще одна фундаментальная особенность голографии, экстраполированная на биосистему, дает большую ясность в понимании волновых механизмов “самоанализа” биосистемы. Так, открытый Денисюком “принцип относительности в голографии” (доплеровская голография) выявил способность интерферограмм, записывающих движущиеся в трехмерном пространстве объекты, как бы предсказывать их пространственное положение в будущем. Если доплеровская голограмма формируется волной, отраженной от движущегося объекта, то обращенная такой голограммой волна, идя обратным ходом, фокусируется не на сам объект, а несколько впереди его. При этом существенно, что точка фокусировки обращенной волны является в этом случае именно той точкой, в которую переместится объект за время, пока обращенная волна распространится от голограммы до этого объекта. Нет оснований считать, что принцип относительности в голографии не применим к биосистеме, если сама голография уже используется организмом в мозговой памяти. Этот принцип может являться элементом оценки динамики метаболических процессов и “слежения” за движущимися внутриклеточными структурами и за крупномасштабной динамикой морфогенетических тканевых перестроек. Доплеровская система эндогенного биоконтроля дает способ элементарной прекогниции метаболических событий.

С этим перекликается другое, близкое описываемым, свойство голограмм.

Доказано, что с голограмм возможно считывание сигнальных импульсов с обращенной временной и пространственной структурой и продемонстрировано, что порфириновые компоненты таких важнейших биомолекул как гемоглобин и хлорофилл в полистирольной матрице могут голографически записывать разнесенные во времени лазерные импульсы. При считывании воспроизводится как относительная задержка, так и временная форма записанного сигнала. Таким образом, в принципиальном плане можно представить уже не только внутреннее динамическое пространственное “самоотслеживание” биосистемой самой себя, но и аналогичный контроль за структурой собственного времени с анализом коротких временных отрезков, направленных как в прошлое, так и в будущее.

Работы по обращению временного сигнала голограммой важны и как пример, что средой памяти такого рода могут служить ключевые биомолекулы живых систем. И это не случайно. Фотосинтез (хлорофилл) и дыхание (гемоглобин) - первоистоки жизни на Земле, а структура времени для биосистем также важна для них как структура собственного пространства, и контроль за ними может осуществлять фундаментальный волновой принцип интерференции и дифракции.

Порфирины - не единственный бионоситель голографической памяти. Аналогично работает сложный фоточувствительный белок микробных клеток бактериородопсин. Следующим важнейшим бионосителем голографической информации является производное коллагена - желатина. Этот субстрат с 1968 года стал классическим объектом для изучения механизмов формирования амплитудных и амплитудно-фазовых голографических решеток в различных диапазонах электромагнитных полей. Использование производных коллагена подтверждает обсуждавшуюся выше мысль о том, что система внеклеточных матриксов, структурно-функциональной основой которых является коллаген, работает с использованием собственной памяти на интерферирующие поля и (или) способна к синтезу эпигенознаковых дифракционных решеток типа псевдоголограмм без участия интерферирующих полей.

Не исключено, что в клетках и тканях используется тепловой диапазон эндогенных полей для автосканирования и записи. Известно, что для записи на желатине используется ИК-СО лазер (длина волны 10,6 мкм), который вызывает в ней локальные необратимые конформационные переходы типа спираль-клубок, связанные со структурными состояниями гидратационной воды. Существенным свидетельством правильности голографической парадигмы, кроме наших исследований, служат работы Будаговского и Евсеевой, показавших в прямых экспериментах возможность дистантной трансляции биологически активного морфогенетического голографического сигнала с растения-донора на каллусную ткань растения-акцептора близкого вида.

Возможно, неким приближением к тому, что происходит в биосистеме и коррелирует с упоминавшимися работами, служат также исследования, в которых обнаружено, что гели коллагена обладают способностью каномально долгому затуханию собственных макроконформационных колебаний, давая при этом повторяющиеся, но разноплановые фурье-спектры, что нами подтверждено и развито в теоретическом и экспериментальном планах не только для коллагена, но и для ДНК и рибосом. Этот феномен, возможно, связан с солитонообразованием на информационных биополимерах в форме явления возврата Ферми-Паста-Улама. Свойство аномально малой затухаемости колебаний коллагена находит довольно неожиданное подтверждение в электроакустике костей. Обнаружена спонтанная генерация переменных электрических волн костной тканью даже тогда, когда она взята у мертвых животных, спустя многие часы после их смерти. Заманчиво объяснить это явление колебаниями коллагеновых фибрилл в составе костной ткани и генерацией ими полей за счет своих электретных свойств, известных для коллагена. Если это правильно, получает объяснение еще один необычный факт: пленки-подложки из коллагена, используемые как искусственный внеклеточный матрикс при выращивании на них культуры фибробластов, при укалывании иглой начинают организовывать упорядоченные движения фибробластов. Последние собираются в четкие ритмические паттерны, причины возникновения которых не ясны. И здесь можно проследить явление того же порядка, что и в случае генерирующей поля изолированной костной ткани. В обоих случаях имеют место квазиспонтанные колебания гелей коллагена, порождающие акустические и электрические поля, которые дополнительно возбуждаются уколом во втором случае. Система коллаген-фибробласты in vitro будет в таком случае элементарной моделью матрично-клеточных морфогенетических отношений, когда запускаются механизмы клеточно-тканевых движений по программам волновых фронтов акустико-электромагнитных голограмм динамичной системы “клетки U внеклеточный матрикс” с жидкокристаллическими компонентами, способными помнить интерферирующие поля.

Теоретически информационная емкость голографических решеток даже в двумерном варианте при записи электромагнитных колебаний огромна, так как они несут восьмимерную информацию. Объем голографической памяти в биосистеме (помимо мозга) может быть еще большим за счет записи в трехмерной жидкокристаллической среде, так называемых мультиплексных голограмм, когда меняются отношения интенсивности опорного и объектного пучков и меняются углы между ними, что логично предположить в мобильной тканевой среде организма.

Расшифровка механизмов быстрой и безинерционной передачи больших массивов волновой информации в организме позволяет по иному взглянуть на проблемы онкологии. Действительно, трудно иначе объяснить известные эксперименты по индукции опухолей имплантированными в ткань шлифованными (отражающими волны) инородными материалами. Шероховатые инородные предметы вызывают опухоли в 12% случаев по сравнению с 49% зеркальных того же состава. В этом случае переродившиеся клетки, дающие клоны опухолевых, возникают в соединительно-тканной капсуле, окружающей инородное тело, или редко за пределами капсулы, но они никогда не обнаруживаются в монослое клеток, лежащих непосредственно на инородном теле. Для естественных эндогенных электромагнитных и акустических полей организма, отражающие их инородные тела являются шумовыми помехами в передаче волновой информации по голографическим и солитонным механизмам.

Как один из путей нового понимания генома нами было начато изучение некоторых трудно интерпретируемых феноменов жизненных форм. К числу таких необычных и непонятных (“аномальных”) явлений относятся эффекты следовой памяти генетического материала, обнаруженные нами и независимо группой Роберта Пекоры (США). Сюда же относится феномен так называемого фантомного листового эффекта, подтвержденного во многих лабораториях, в том числе и нами. Такую память генома можно рассматривать как один из видов генетической полевой памяти биосистем на молекулярно-ткане-органном уровне. Она реализуется одновременно как ассоциативно-голографическая и как память последействия ДНК и дает иные версии работы хромосом, дополняющие уже известные механизмы и переводящие проблему биологического морфогенеза в иные гносеологические планы. Эта проблема нами исследована одновременно в теоретико-биологическом, физико-математическом и экспериментальном планах [8,25,27,37]. В связи с этим представляется, что существует геносемиотический сектор работы хромосомного континуума, в котором происходит дуалистическое расщепление смысловых рядов ДНК на уровни вещества (реплики РНК и белков, знаковые топологии хромосом) и поля (знаковые акустика и электромагнитные излучения генома). Исходя из этого, кодирующую иерархию хромосомного аппарата эукариот можно представить следующим образом.

Вещество: хромосомная ДНК как кодирующая структура, в которой триплетный генетический код выполняет первичные простейшие генознаковые функции синтеза иРНК и белков (1-й уровень). Хромосомная ДНК, включающая спейсерные и интронные зоны как многомерная структура знаковых фрактальных топологических форм жидкого кристалла, частным случаем которых выступают голографические решетки полиядерного когерентного континуума генома (2-й уровень). Квазиречевые фракталы полинуклеотидных ДНК-РНК-последовательностей, более длинных чем триплеты кодонов и белковых генов и кодирующих на “словесно”-образном уровне (3-й, 4-й... n-й уровни).

Поле: отчужденные от генома в форме волновых знаковых построений “идеальные” или “смысловые” (образные) ряды, субъектом генерации и “понимания” которых выступает геном как солитонноголо-графический биокомпьютер с квазиречевыми атрибутами, и соответственно, квазисознанием. Назначение волновых и “речевых” команд заключается в логической квази-сознательной разметке потенциальной биосистемы, т. е. в синтезе ее полевого относительно устойчивого и вместе с тем динамичного “автопортрета” - волновой физической матрицы для правильного распределения вещества организма в его собственном пространствевремени. В этом плане логично рассмотреть:

а) информационные отношения между системой внеклеточных матриксов, цитоскелетом, белок-синтезирующим аппаратом и хромосомами с новых позиций, учитывающих собственные экспериментальные данные об изоморфных волновых состояниях этих биоструктур;

б) вклад эндогенных физических полей в биоморфогенез;

в) роль эндогенных физических полей в эмбриогенезе биосистем с точки зрения солитоники и голографии; высказана идея изоморфно-гомоморфных отображений на уровне полевых функций генома с его способностью к солитонным возбуждениям и транспорту их по “водному” клеточно-межклеточному континууму.

В рамках проведенных математических экспериментов обнаружилась способность компьютерных математических моделей солитонов Инглендера-Салерно-Маслова на ДНК запоминать последовательности нуклеотидов, отображая их в динамике собственного поведения во времени. При этом обозначилась и очевидная обратная задача - если солитоны осуществляют “запоминание” структур ДНК в своих амплитудно-траекторных модуляциях, то естественно считать практически возможной генерацию этой информации за пределы ДНК, что коррелирует с нашими экспериментами и теорией по дистантной передаче волновых морфогенетических сигналов [25]. В физическом и семиотическом планах это может и должно найти отображение в форме ретрансляции солитонами последовательностей нуклеотидов (на уровне крупных блоков) в адекватной читаемой, в том числе и человеком, форме.

Математическое моделирование солитонов на ДНК

Марио Салерно первым начал компьютерное экспериментирование с солитонами на ДНК не только как с формальными математическими структурами, он попытался связать их поведение в одномерном пространстве полинуклеотидов с их биогенетическими, а точнее, с эпигенетическими функциями. При этом он развил первую модель солитонов на ДНК, предложенную Инглендером и соавторами. Эта модель и в последующем ее более детальные формы, включая нашу (см. ниже), представлена в понятиях механических систем как цепочка осцилляторов (оснований ДНК), связанных упругими нелинейными сахаро-фосфатными связями. Вслед за Салерно основное внимание мы уделили реально существующим известным последовательностям ДНК и влиянию их на характер поведения солитонов. На первом этапе мы повторили его эксперименты, но на существенно более длинных отрезках ДНК. Действительно, солитонные возбуждения типа кинков чувствительны к месту своей инициации, и продвижение их вдоль одной из цепочек ДНК, когда они раскрыты вследствие тепловых флуктуаций, сопровождается специфической модуляцией траектории кинков во времени. Такие солитоны являются структурами, излучающими электромагнитное и акустическое поле, их внутренняя колебательная структура способна отобразить и ретранслировать тексты и иные знаковые структуры ДНК во внутри- и внеклеточное пространство, по крайней мере на уровне крупных блоков последовательностей. В качестве примера можно привести поведение кинка на фрагменте ДНК длиной 1020 пар оснований из вируса саркомы птиц.

C-район ДНК (1 1020 нуклеотид) на 3'-конце вируса саркомы птиц. Содержит несколько “семантически” определенных участков, таких, как полипептид-кодирующий участок (между 558 и 675 нуклеотидами); PolA (936) - 3-конец вирусной РНК, сайт поли-аденилирования; 916 нуклеотид - 5 -конец вирусной РНК (“capping site”); Red-участок (917 - 936) - короткий концевой повтор вирусного генома; Pro - вероятный компонент промотора транскрипции (между 870 и 900); палиндром-”шпилька” (870 - 912).

На рис.1 и рис. 2 кинки имеют форму пиков “горных гряд”, а не ступенек, поскольку взята производная от функции уравнения синус-Гордона. Здесь горизонтальная ось - последовательность ДНК, вертикальная - амплитуда солитона. Ось на зрителя - время. Видно, как при изменении места инициации солитона на определенных последовательностях полинуклеотида заметно меняется динамика этой уединенной волны в форме ее колебательных движений вдоль цепочки ДНК.

Исследуемый район молекулы богат функционально (и семантически) биологически значимыми участками, и мы вправе ожидать, что они, эти участки, будут изменять, модулировать, то есть вводить ДНК “текстовую” информацию в солитонную волну как в переносчик генетических сообщений. Такая модуляция колебательной структуры солитонов отчетливо наблюдается на приведенных графиках. Можно полагать, что спектральный состав частот колебаний солитонов является одним из механизмов преобразования текстовых структур ДНК и РНК в волновую форму и средством передачи генетических и иных сообщений в одномерном пространстве вдоль цепочек полинуклеотидов и (или) в трехмерном измерении генома как отдельной клетки, так и тканевого континуума биосистемы.

Так работает компьютерная модель динамики солитонов, в определенной мере развитая Салерно после ее выдвижения Инглендером. Салерно дал формализм, описывающий вращательные колебания нуклеотидов молекулы ДНК, для того чтобы объяснить экспериментальные данные по водородно-тритиевому обмену в ДНК. Согласно этой модели по Инглендеру, в цепи ДНК могут возникать (под воздействием теплового шума) и распространяться открытые состояния (“плавление” двойной спирали ДНК на коротких участках, обогащенных АТ-парами) в виде локализованных дислокаций (уединенных волн). Марио Салерно, продолжая работу Инглендера, в упрощенном варианте выявил влияние последовательности нуклеотидов на нелинейную динамику вращательных колебаний нуклеотидов на однотяжных участках ДНК, образующих такие открытые ("open state") области. Позднее Якушевич, Федянин, Хомма и др. рассмотрели различные обобщения модели Инглендера, с оценкой особенностей строения ДНК, учитывая обрыв водородной связи при открытии оснований, парность цепи ДНК и другие степени свободы, отличные от вращательных. Однако, в указанных работах недостаточно сказано о причинах возникновения дислокаций в ДНК. Мы предлагаем возможный механизм этого процесса в ДНК, альтернативный гипотезе Инглендера о воздействии теплового шума как причины раскрытия пар оснований. Мы считаем, что дислокации на ДНК могут возникать при изменении периода спирали ДНК (основная часть идеи принадлежит М.Ю. Маслову).

В нашей модели нуклеотиды ДНК рассматриваются как осцилляторы, подвешенные на невесомом нерастяжимом стержне; сахаро-фосфатная связь между соседними нуклеотидами в цепи моделируется линейными пружинами; спирализация вдоль цепи не учитывается; водородные связи между комплементарными основаниями моделируется “гравитационным” потенциалом. Гамильтониан по М. Салерно выглядит следующим образом:

Основным предположением моделей Инглендера-Салерно является то, что взаимодействие между комплементарными основаниями описывается потенциалом (4), в котором не учитывается обрыв водородной связи.

В нашей работе рассматривается следующий потенциал:

Кроме того, учитывается вязкость водной среды (в воде вязкость ~ 1).

Рассматриваются также факторы, приводящие к спирализации ДНК, при этом они считаются внешними силами, задаваемыми потенциалом

Известно, что период спирали ДНК меняется в зависимости от влажности. В частности, для кристаллической ДНК, а в водной среде - в пределах от 10. 3 до 10. 6. Именно этим фактором обусловлено явление суперспирализации. При изменении шага спирали в цепи ДНК (с фиксированными или замкнутыми концами) возникает напряжение, связанное с недостатком (избытком) количества витков спирали до релаксированного состояния. Если, то при переходе из сухого в увлажненное состояние для цепи длиной в 300 пар оснований возникнет избыток в витка.

В нашей работе на основе результатов численного моделирования, представленных ниже, выдвигается следующая гипотеза: изменение шага спирали может привести не только к суперспирализации, но и к локальному распариванию цепи ДНК. Кроме того, при суперспирализации напряжение в цепи снимается не полностью, поэтому локальное распаривание, вероятно, может происходить и одновременно с суперспирализацией.

Система (5) численно интегрировалась в интервале с шагом. Начальные условия следующие:

Период спирали в системе (5) длина poly(A)-цепи - 300 пар оснований. То есть параметры периода спирали в начальных условиях и в системе (5) различны. Таким образом, смоделирован перенос ДНК из кристаллического состояния в увлажненное.

Граничные условия следующие (назовем их “квазициклическими”):

Особенностью данной модели является то, что при переходе из состояния с периодом в 10 пар в состояние с периодом в 10, 5 пар почти вся цепь оказывается денатурированной (“расплавленной”). Приведенные ниже результаты описывают процесс ренатурации такой цепи с возникновением дислокаций.

В этих экспериментах варьировались параметры: 1) диссипация 2) отношение параметров упругости 3) угол обрыва водородных связей.

Можно сделать следующие выводы:

1) Способность к образованию дислокации в этой модели сильно зависит от. При дислокация возникла во всех рассмотренных случаях.

2) Способность к образованию дислокации также сильно зависит от параметра. Во всех случаях, когда параметр велик

Как показывают дополнительные расчеты, влияние на эффект проявляется в меньшей степени. Дислокация образуется или не образуется вне зависимости от значения.

При больших значениях дислокация образуется медленнее, чем при меньших.

Ширина дислокации зависит от параметров (чем больше, тем меньше ширина дислокации) и (чем больше, тем меньше ширина дислокации).

Развивая дальше модели солитонных возбуждений в ДНК (совместно с М.Ю. Масловым и др.) мы использовали условия, при которых цепочки ДНК моделируются набором ровибронных осцилляторов, подвешенных на невесомом нерастяжимом стержне; для простоты спирализация цепи не учитывается, а ровибронные степени свободы одной из цепочек считаются “замороженными”.

В этом случае гамильтониан для “активной” цепочки записывается в следующем виде:

H=H₀+H₁+H₂(1)

где: - число пар оснований в цепи; - гамильтониан, описывающий собственные осцилляции мономеров (углы вращения нуклеотидов в цепочке, - момент инерции оснований); - гамильтониан, характеризующий нелинейно-периодическую связь между осцилляторами (константа упругости цепочки), - гамильтониан,

а)x0=200 б)x0=250

в) x0=300 г) x0=350

описывающий нелинейную связь между “активной” и “замороженной” цепочками ДНК (- константа упругости водородных связей между комплементарными основаниями, коэффициенты в уравнении (1) определяются в соответствии с правилом: в случае АТ и ТА пар, в случае ГЦ и ЦГ пар; - параметр, полученный ранее (см. выше) и определяемый на основе модели синус-Гордона).

При малых гамильтониан, что совпадает с соответствующей частью общего гамильтониана, использованного ранее (см. выше). В этом случае уравнения движения для, полученные из (1),

В случае в системе (2) можно перейти к безразмерному дифференциальному уравнению синус-Гордона:

”непрерывный аналог” системы (2). Это уравнение имеет солитонные решения, в частности, односолитонное решение, или кинк, характеризующий динамику распространения дислокации в цепи.

В соответствии с (1) система нелинейных уравнений движения записывается следующим образом:

Как видим, системы (2) и (4) существенно различаются. Отметим, однако, что проведенное нами численное моделирование динамики систем (2) и (4) показало следующее: если в качестве начальных условий для численного интегрирования (2) выбрать односолитонное решение его “непрерывного аналога” (3) - кинк (см. выше), то обнаруживается принципиальное сходство в характере решений.

Численное интегрирование системы (2) показало, что образуются две уединенных волны, движущихся справа налево по цепи с постоянной скоростью. Первая волна имеет форму квазикинка, а вторая волна имеет форму квазибризера, причем скорость первой волны превосходит таковую для второй. Обе волны за счет “квазициклических” граничных условий, доходя до левого конца, появляются на правом конце без изменения своей формы. Квазикинк, проходя по цепи маятников, изменяет координату каждого маятника на угол (маятник делает полный оборот). Поэтому, проходя по замкнутой цепи маятников К раз, он изменяет координату каждого маятника на угол

Из рисунка видно, что образуются те же две уединенных волны - квазикинк и квазибризер. Но принципиальное отличие от рассмотренного случая состоит в том, что квазикинк в самом начале движется с отрицательным ускорением, так что в результате его скорость оказывается меньше скорости квазибризера. Заметим, что исследования проводились на однородной поли-A-последовательности; так что изменение скорости квазикинка нельзя объяснить влиянием неоднородности цепочки. Этот эффект объясняется нелинейным взаимодействием между ее мономерами.

В данном случае реализуется только квазикинк и его отрицательное ускорение в начале движения таково, что в результате он движется в направлении, противоположном первоначальному. При интегрировании системы (2) в аналогичных условиях также образуется только квазикинк

Существенно, что при соответствующих условиях в системе типа ДНК или РНК могут возникнуть перевзбужденные ровибронные состояния. На квантовом языке это было бы адекватно перезаселению высоко лежащих квантовых уровней по сравнению с основным (реализации инверсной заселенности). В этом случае возникает заманчивая мысль, связанная с принципиальной возможностью создания биосолитонного лазера (БСЛ) на молекулах ДНК.

Однако, в теории динамики биополимеров хорошо известно, что конформационные движения реализуются по механизму ограниченной диффузии ввиду сильного влияния диссипативных сил со стороны микроокружения. По этой причине решение проблемы создания БСЛ на ДНК представляется весьма проблематичным, по крайней мере, для подтверждения идеи необходимо выполнение условий: где и - ширина и скорость солитона соответственно, - время диссипации. Положив 5 A и (скорость звука), имеем оценку. Отметим, что характерное время диссипации за счёт водных гидродинамических сил а время затухания, обусловливаемое процессами внутри самой молекулы (см., напр., Шайтан К.В. Биофизика. М.,1994. Т.39. С.949.; Чернавский и др. 1986. № 287. С. 21.).

Существует также и другая сложность в отношении самосогласования биосолитонов и волны электромагнитного переизлучения. Напомним, что математическое моделирование в данном случае проводилось на монотонной поли-A ДНК и поэтому оставалось неясным влияет ли гетерогенная естественная последовательность ДНК на динамику солитонного возбуждения в молекуле. Чтобы проверить это, как и ранее, был взят С-район ДНК на 3-конце вируса саркомы птиц в качестве полигона для запуска солитонов на разных участках полимера. На этот раз вычисляли производную от функции с тем, чтобы нагляднее показать движения солитонов.

Хорошо видно, как при сдвиге области возбуждения солитонной волны от правой нижней части графика налево траектория волны претерпевает существенные изменения, т.е. “словесно-речевое” наполнение ДНК отображается в поведении солитона. Но главное здесь не только и не столько в этом. На этот раз характерно не качание волны около некоторого положения равновесия, а движение ее в левую часть цепочки после определенного временного интервала. В этом видится определенный биологический смысл. Солитон как потенциальный “субъект чтения” ДНК должен “просматривать” протяженные контекстные зоны, а не застревать на одних и тех же “словах”.

Экспериментальные доказательства солитонообразования на информационных биополимерах “IN VITRO”

Способны ли молекулы ДНК и белков к солитонным возбуждениям, предсказанным в многочисленных теоретических моделях? Нами предприняты попытки фиксации нелинейных волн такого рода in vitro методом спектроскопии корреляции фотонов. Выявлены устойчивые эффекты, которые по ряду признаков соответствуют, в частности, процессу спонтанного солитонообразования в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. [8,19,25,31,32]. Обнаружилось, что при переходе от разбавленного раствора ДНК к полуразбавленному можно зарегистрировать аномально долго затухающие акустические колебания гелевого континуума ДНК. Слабо затухающие колебания исчезают по мере перехода от полуразбавленного к разбавленному раствору и в результате уменьшения длины фрагментов ДНК. Эти данные подтверждают ранние работы для агарозы и коллагена, где впервые обнаружен феномен аномально слабой затухаемости плотностных колебаний биогелей. Аномальное поведение ДНК зарегистрировали после наших наблюдений и японские авторы методом прямой регистрации броуновской динамики флуоресцентно-меченой ДНК. Причем, в работе японцев выявились и другие необычные особенности нелинейной динамики ДНК, которые не укладываются в хорошо разработанные теоретические модели Цимма и Роуза, но которые хорошо соответствуют нашим наблюдениям и трактовке молекул ДНК как структур, резонирующих на особые внешние волновые регуляторные сигналы [25,6,7,15,16,29] (также см. ниже). Такая самоорганизация волновых процессов в ДНК может происходить и при таких физических условиях, когда существенную роль играют кооперативные процессы на уровне макромолекулярного континуума молекул ДНК, приближающегося к структуре хромосом. Чем более структура растворов ДНК отличается от архитектоники ДНК в хромосомах (в приводимых нами экспериментах это относительно короткие фрагменты полимера), тем менее существенны коллективные дальние (в масштабах макромолекулярных протяженностей полинуклеотида) взаимодействия между цепями ДНК, столь важные для эпигенетических функций генома. Ключевым звеном в данных экспериментах является четкая регистрация поведения ДНК in vitro, которое ранее зафиксировано Бреннером и Носсалом для агарозы и коллагена в аналогичных условиях. Это позволяет рассматривать нелинейную динамику такого рода для ДНК и других информационных биополимеров как проявление солитонных свойств в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ). Нелинейная динамика ДНК, ее гидродинамическое поведение и акустика чрезвычайно чувствительны к внешним физическим воздействиям in vitro - энзиматической рестрикции, разбавлению-концентрированию, нагреву-охлаждению, ультразвуковой обработке, слабым механическим воздействиям, облучению ИК-лазерным полем, излучением ФПУ-генератора с широкополосным электромагнитным спектром. Эти и аналогичные воздействия могут и должны в той или иной мере оказывать влияние на генетический аппарат в условиях in vivo, искажающее нормальные эпигенознаковые функции хромосом, что также подтверждается в наших экспериментах. Нелинейная динамика ДНК обнаруживает и другие “аномальные” свойства. Мы зафиксировали резкое различие коэффициентов диффузии для кольцевых и линеаризованных плазмидных ДНК [33], которое также не укладывается в циммовскую теорию поведения полимеров в водных растворах и в этом плане находит подтверждение в работах группы Роберта Пекоры (США) и упоминавшемся исследовании Матсумото с соавторами. Эти необычные свойства ДНК, вероятно, играют важную роль, например, для понимания механизмов управляемого “пилотирования” и точной “посадки” транспозонов ДНК (аналогов плазмид) в пределах жидкокристаллического сверхвязкого и сверхплотного континуума хромосом. Эта задача находится в области общей и нерешенной проблемы молекулярной биологии - проблемы самоорганизации внутриклеточных, межклеточных и межтканевых структур, их “взаимоузнаваний”. Ясно, что, зная волновые, гидродинамические и иные механизмы точного пилотирования таких немаловажных для человека транспозонов, как онкогены и обратнотранскриптазный геном вируса иммунодефицита человека, мы будем иметь возможность корректировать их в необходимом направлении, исключающем патогенез. Не менее существенным представляется факт обнаружения нелинейной динамики ДНК с признаками поведения солитонов по типу явления возврата ФПУ. Это также дает вклад в осознание принципов макромолекулярных и надмолекулярных взаимоузнаваний в организме по линии солитонно-резонансных дальних взаимодействий и делает более реалистичной попытку дать новую версию работы генома эукариот, обсуждавшуюся выше. Мы обнаружили и другие необычные проявления физических свойств ДНК - ее последействие или следовую память [25]. Этот феномен ставит проблему новых типов геномных функций. Возможно, это явление тесно связано с особой памятью генома высших биосистем, а также, вероятно, и с памятью коры головного мозга. Но если для ассоциативной корковой памяти и памяти генома растений нами и другими даны физико-математические модели в терминах и понятиях голографических и солитонных процессов, то память последействия ДНК - явление далеко не ясное и нуждающееся в более глубоком исследовании и осторожной трактовке. Этот эффект зарегистрирован нами при динамическом лазерном светорассеянии на препаратах высокоочищенных ядер из эритроцитов кур и на высокополимерной чистой ДНК из зобной железы теленка [25].По сути, аналогичное явление наблюдала группа Р. Пекоры (США) и назвала его “MED-effect” (Mimicing Effect of Dust), т. е. эффект, имитирующий пыль. Так же как и в наших работах, этот феномен обнаружен методом корреляционной лазерной спектроскопии на рестриктных фрагментах ДНК строго определенной длины. И в этом случае ДНК вела себя “аномальным” образом: зондирующие фотоны дифрагировали не только на полинуклеотидных цепях, но и на “посторонних частицах”, которых в препарате заведомо не было, что обеспечивалось специальным обеспыливанием. Этот никак не прокомментированный группой Р. Пекоры эффект сильно затруднил ей попытки объяснить поведение ДНК с позиций казалось бы хорошо разработанной теории Цимма и Роуза для динамики полимеров в водных растворах. И это еще раз было подтверждено в Японии Матсумото и др. прямым наблюдением “аномально” броунирующей флуоресцентно-меченой ДНК. Представляется, что в работе группы Пекоры cветорассеяние происходило не только на реальных фрагментах ДНК, но и на волновых следовых структурах ДНК, оставляемых броунирующими молекулами этого суперинформационного биополимера в духе теории физического вакуума, где постулируется идея генерации фантомных торсионных аксионно-кластерных эквивалентов физических тел.

Что касается “аномалий” ДНК, обнаруженных в работе японцев, то здесь может иметь место также и вклад внешних физических полей, корригирующих квазиспонтанную динамику ДНК, вклад, который никак не принимался в расчет цитируемыми авторами.

Запись ИК-лазерного сигнала на уровне нелинейной динамики ДНК

Общая посылка данной части работы заключается в том, что хромосомный аппарат и его главная часть ДНК генерируют знаковые волновые структуры. Вместе с тем, геном способен на основе такого рода волновой памяти распознавать и корректировать пространственно-временную структуру биосистемы. Необходим простой и однозначный экспериментальный результат, который показал бы, что молекулы ДНК в принципе способны к памяти на внешнее электромагнитное поле. В качестве такового был выбран ИК-лазерный сигнал с учетом того, что ДНК in vivo оперирует таким излучением. Мы поставили несколько серий экспериментов для того, чтобы ввести in vitro такой искусственный лазерный сигнал в гель молекул ДНК с последующим анализом их нелинейной динамики как системы отображения ИК-лазерного воздействия на уровне явления возврата Ферми-Паста-Улама (ФПУ) [25]. Для введения такого рода сигнала в нелинейно-динамический континуум геля ДНК мы использовали импульсный режим работы ИК-лазера Ga-As с длиной волны 890 нм, частотой повторения импульсов 600 Гц со средней мощностью (минимум 0,8; максимум 3,1) Вт с временем однократной экспозиции 4 сек. Регистрацию воздействий лазера и подготовку образцов ДНК из эритроцитов кур вели в соответствии с [25], в частности, с использованием метода корреляционной лазерной спектроскопии. Анализ поведения временных автокорреляционных функций (АКФ) светорассеяния ДНК показал, что сигнал ИК-лазера запоминается биополимером в форме периодической стохастизации АКФ и носит долговременный и устойчивый характер. Периодические повторы стохастических АКФ допустимо трактовать как одну из форм явления возврата Ферми-Паста-Улама, сочетанного со свойственной этому явлению памятью. Замораживание ДНК геля в течение недели не влияет на приобретенную память на ИК-лазерный сигнал. После размораживания периодическая стохастизация АКФ данного препарата сохраняется, если поддерживать препарат в высокополимерной форме. Таким образом, удалось впервые осуществить запись внешнего искусственного импульсного ИК-лазерного воздействия на уровне нелинейной динамики ДНК, что может служить простейшей реалистической моделью эпигеноволновых процессов in vivo.

О возможности создания лазера на информационных биомакромолекулах

Прошло несколько десятилетий после того, как лауреаты Нобелевской премии академики РАН А.Н. Прохоров, Н.Г. Басов (Россия) и Чарльз Таунс (США), высказали идею, а затем реализовали ее, о возможности создания квантовых генераторов. Сейчас трудно сказать, в какой области науки и техники они не применяются (от биологии и медицины до лазерного термоядерного синтеза). Последующие исследователи внесли свой крупный вклад в развитие этой проблемы.

В данной части работы ставится вопрос: можно ли in vitro создать лазер на информационных биомакромолекулах, прежде всего на ДНК, РНК и хромосомах? Вряд ли может идти речь о создании энергетически мощных лазеров на этих структурах. Вопрос звучит по-иному: какие новые знания мы можем получить о ДНК, РНК и хромосомах, создав такой лазер и исследуя характер его излучения? Можно думать, что это будут принципиально новые данные. Например, об их нелинейной динамике, в том числе солитонного типа, о ровибронных колебаниях, о модуляциях дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, переносе энергии в другие, ранее недоступные (в таком варианте методологии) слои информации. При этом динамические модификации лазерного пучка могут иметь cемантико-генобиознаковый характер и поэтому будут обладать мощной биологической активностью.

Первые соображения по этому поводу были предложены нами ранее [25,30]. В том числе обсуждалась идея о создании лазерной системы на Фрёлиховских модах [3]. Сложность доказательства правильности всех этих мыслей состоит в том, что большинство генетических структур, содержащих в своем составе ароматические и гетероциклические кольца, “прозрачны” для характерного спектрального диапазона l 350-400нм. Трудность также и в том, что если использовать мощную оптическую накачку, то это, учитывая “хрупкость” биоструктур, неизбежно приведёт к их разрушению.

В настоящей главе для реализации некоторых из обсуждавшихся положений проведено исследование in vitro спектров двухфотонно-возбуждаемой люминесценции (ДВЛ) геле-жидкокристаллических препаратов нуклеогистона, являющегося суммарной фракцией хромосом, в которой преобладают гистоновые белки, и ДНК (стандартные высокополимерные препараты фирмы “Sigma”). Для существенного увеличечения интенсивности ДВЛ генетических структур нами предложен способ активации люминесценции за счет введения в состав исследуемых образцов активаторов (доноров) ДВЛ-определенных (близких по спектру оптического поглощения ДНК и нуклеогистону) органических молекул. Такие молекулы характеризуются большой интенсивностью спектров излучения, которые располагаются в области собственного оптического поглощения ДНК и нуклеогистона. В качестве активатора мы использовали кристаллический препарат димедрола, структура которого включает пару бензольных колец. Для димедрола это обеспечивает интенсивный спектр ДВЛ, имеющий вид широкой асимметричной полосы в диапазне 280 - 350нм.

Для фотонной накачки исследуемых препаратов мы применяли лазер на парах меди. Этот лазер работает в стандартном импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 10кГц, со средней мощностью Вт, пиковой мощностью 10Вт, длинами волн генерации l = 510,8нм и 578,2нм (зеленая и желтая линии), длительностью импульсов нс. Лазерное излучение направляли на исследуемый образец в виде сфокусированного пятна размером мм. Применение такого лазера как инициатора ДВЛ оказалось весьма эффективным при изучении электронно-колебательных спектров белков, ДНК, нуклеогистона и их компонентов (пурины, пиримидины, аминокислоты [19,30]). Регистрирующая аппаратура включала: фильтр для выделения лазерных линий с l =510,8 и 578,2 нм, фильтр для выделения излучений люминесценции в УФ и фиолетовом диапазонах (с подавлением лазерного излучения), монохроматор (тип МДР-2) для сканирования спектра в широком интервале (от УФ до видимой области), двухкоординатный самописец для регистрации спектров, измеритель для контроля опорного сигнала и определения эффективности наблюдаемого сигнала. Для подавления тепловых шумов применяли строб-импульс длительностью 25-30нс, синхронизированный с импульсом возбуждения. Регистрацию вторичного импульса излучения проводили с ФЭУ-130. Исследования спектров ДВЛ геле-жидкокристаллического препарата ДНК в смеси с димедролом (ДНК-ДЛ) и нуклеогистона с димедролом (НГ-ДЛ) показали, что амплитуда ДВЛ спектра ДНК-ДЛ лишь на порядок меньше таковой спектра ДВЛ чистого димедрола. Это обеспечивает существенное увеличение интенсивности ДВЛ смеси ДНК-ДЛ по сравнению с чистым препаратом ДНК в форме жесткого геля [19]. На этом же спектре обнаруживается ряд дополнительных особенностей изучаемых смесей. Оказалось, что квантовый выход ДВЛ для смеси НГ-ДЛ ниже, чем для смеси ДНК-ДЛ. Другая характерная черта - разгорание или тушение ДВЛ во времени. Для НГ-ДЛ наблюдается нарастание ДВЛ во времени. Обратный эффект наблюдается в случае ДНК-ДЛ. Представляет интерес присутствие вибронной структуры в спектрах ДВЛ в виде отдельных перекрывающихся полос в области 310-370 нм, особенно для ДНК-ДЛ. Такая структура близка к ранее наблюдавшимся спектрам ДВЛ для нуклеозид-трифосфатов [19].

Механизм резкого увеличения квантового выхода ДВЛ нуклеогистона и ДНК при наличии донор-активатора (димедрола) может быть объяснен быстрой квазирезонансной передачей энергии от возбужденных молекул димедрола к исследуемым геноструктурам. Наблюдаемая при этом тонкая многополосчатая структура ДВЛ спектров коррелирует с характером вибронных полос для ряда ароматических и гетероциклических соединений, включая чистые нуклеозид-трифосфаты и ДНК [19]. Возникновение такого рода дискретизации спектров можно трактовать переходом электронов биомакромолекул с электронного терма S₁ на возбужденные колебательные уровни основного состояния S₀. В связи с этим может быть реализована инверсная заселенность на переходах при достаточном заселении терма.