Институт Проблем Управления РАН

© Гаряев П.П., 1997.

СОДЕРЖАНИЕ

Актуальность темы

Пересмотр модели генетического кода

Расширение модели волнового генетического кодирования

Экспериментальные подтверждения существования волновых генов

Теоретические модели волновых генов

Математическое моделирование солитонов на ДНК

Экспериментальные доказательства солитонообразования на информационных биополимерах “in vitro”

Запись ИК-лазерного сигнала на уровне нелинейной динамики ДНК

О возможности создания лазера на информационных биомакромолекулах

Теоретическое исследование возможности создания лазера на Фрелиховских модах

Антенная модель, физико-математический формализм

Конверсия эпигеносигналов в электромагнитных солитонных структурах, их транспозиция в геном биосистем-акцепторов

Генератор пакетов уединенных волн (солитонов) в форме возврата Ферми-Паста-Улама

Единство фрактальной структуры ДНК-“текстов” и текстов на естественных языках

О возможности создания биокомпьютера на генетических структурах

Явление перехода света в радиоволны применительно к биосистемам и биокомпьютерам

Основные результаты

Литература

Автор благодарит Марка Гарбера за помощь в издании этой книги.

Автор глубоко признателен блестящим ученым оптического отдела Физического института РАН им. П.Н.Лебедев, где он провел основные научные исследования.

Автор также благодарен всем, кто принимал участие в издании книги.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В последние десятилетия начали постепенно выявляться некоторые кризисные явления в молекулярной биологии и биологии развития. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни - механизмы ее воспроизведения - осталась в своей сути не раскрытой. Отсюда ограниченность арсенала технических и биотехнических средств управления ростом и развитием биосистем. Наметился явный разрыв между микроструктурой генетического кода и макроструктурой биосистем. Даже открытие гомеобоксов ДНК, кардинально влияющих на формообразовательные акты эмбриогенеза, лишь более ярко высветили то, о чем в свое время предупреждал А. Г. Гурвич, считая, что нагрузка на гены слишком высока, и поэтому необходимо ввести понятие биологического поля, как пространственно-временной разметочной структуры, биологического поля, “... свойства которого... формально заимствованы... из физических представлений”[1]. Таким элементарным полем, по Гурвичу, будет являться “... поле эквивалента хромосомы...”. И далее: “... хроматин сохраняет свою “активность”, т. е. является носителем активного поля, только в неравновесном состоянии”[2]. Здесь видно предвидение лазерной накачки хромосом как типично неравновесного состояния, полученного нами in vitro спустя 50 лет для ДНК и нуклеогистона [18].

Близкие идеи мы видим и у А. А. Любищева в его работе 1925 г. “О природе наследственных факторов” . Он пишет: “Гены не являются ни живыми существами, ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой, ни силой, вызываемой материальным носителем; мы должны признать ген как нематериальную субстанцию (выделено П.Г.), подобную эмбриональному полю Гурвича, но потенциальную” (выделено П.Г.)[3]. И далее: “... взаимодействие наследственности и хромосом подобно отношению материи и памяти по Бергсону... Гены в генотипе образуют не мозаику, а гармоническое единство, подобное хору” (выделено П.Г.).[4] Через 3 года другой наш русский научный предшественник  В. Н. Беклемишев приходит к тем же идеям в своей работе, выполненной также в Перми, “Методология систематики”. Чтобы приблизиться к реальному морфопроцессу (эмбриогенезу),  необходимо принять идеюмузыки и речи как неких моделей векторов генетических актов. И в музыке, и в речи “... существуют “анатомические” свойства (возможны признаки стадий)  высота, интенсивность звука, обертоны и пр., а следовательно, возможно и описание отдельных стадий, и формальное описание процесса в его целостности... Музыкальная вещь аналогична морфопроцессу гораздо глубже, чем с первого взгляда кажется. Между обоими процессами бросается в глаза различие: изменения в развивающемся теле накапливаются, изменения в потоке музыки сменяются бесследно. Но истинным субъектом развития в музыке является эстетическое впечатление; оно растет и развивается под влиянием процесса звучания. Это морфопроцесс сложного духовного организма... Что является аналогом этого последнего в животных и растительных организмах? Не поток ли формативных раздражений, регулируемый индивидуальностью целого и направляющий морфогенез частей?”[5]. Идеи русских биологов Гурвича, Любищева и Бекле-мишева  гигантское интеллектуальное достижение, намного опередившее свое время. Суть их мыслей в триаде:

1. Гены дуалистичны  они вещество и поле одновременно.

2. Полевые эквиваленты хромосом размечают пространство-время организма и тем самым управляют развитием биосистем.

3. Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

Современные молекулярная биология, генетика и эмбриология, проделав большой путь развития, завершили определенный виток в понимании сущности жизни. Оно было сугубо материалистичным, точнее, вещественным. Гены в этом смысле только вещество. И когда это вещество  ДНК  детально изучили, открыв так называемый генетический код, то оказалось, что этого явно мало. Ключевая проблема биологии  преемственность поколений, наследственность, эмбриогенез не раскрыта, более того, в тупике, правда более высокого ранга. Ситуация сейчас напоминает положение в классической физике начала xx века, когда с открытием элементарных частиц материи вещество вроде бы исчезло, осталось нечто, которое назвали неопределенным термином “энергия”. Вот и в биологии, чем точнее понимание ДНК по части повсеместно принятой центральной догмы ДНК-РНК-Белок, тем дальше мы уходим от стратегии генома в построении биосистемы. Но если физика с достоинством приняла как реальность парадоксы: “здесь и там одновременно”, “волна и частица совмещены”, “электрон резонирует со всей Вселенной”, “вакуум  ничто, но он порождает все” и т. д., то биологии только предстоит пройти сходный путь (Дао Биологии), и он будет гораздо тяжелее. Фактически мы уже вышли на него, вовремя вспомнив мысли Гурвича, Любищева и Беклемишева.

Наша задача состояла и состоит в том, чтобы развить их концептуальную триаду в контексте современных знаний и полученных нами результатов по теории и практике разработки и использования механизмов и технических средств волновой коррекции биосистем.

Цель работы: показать возможность дуалистической трактовки работы генома эукариот на уровнях вещества и поля в рамках физико-математических моделей, соединяющих формализм явления солито-нообразования в ДНК на примере явления возврата Ферми-Паста-Улама, а также голографической и иной памяти хромосомного континуума как биокомпьютера, связанного с волей Творца.

Показать возможность обычных и “аномальных” режимов работы генома эукариот с использованием волновых образно-знаковых матриц, а также эндогенной и экзогенной (зависящей от Творца) семиотико-лингвистической компоненты.

Найти экспериментальные доказательства правильности пред-лагаемой теории волновых образных и образно-лингвистических матриц генома как структур стратегического управления метаболизмом высших биосистем.

Практическая направленность настоящего исследования:

в теоретико-экспериментальном обосновании феномена свертки, транспозиции и резонансного введения супергенетической информации от биодонора к биоакцептору; при этом передаваемые эпигеносигналы могут существовать как акусто-электромагнитные солитоны в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама и входить в семантические знаковые ряды генетических структур, также реализующиеся в форме солитонных возбуждений;

в теоретико-экспериментальном обосновании единства фрактальной структуры человеческой речи и текстовых структур генетических молекул ДНК и РНК; это положение заложило основу для разработки начальных основ методологии введения регуляторных квази-вербальных структур в виде модулированных электромагнитных солитонов непосредственно в геном растений;

в теоретико-экспериментальном обосновании возможности создания искусственных ДНК-логических устройств (биокомпьютеров) с исполь-зованием волновых (голографических и иных) принципов памяти, сравнимой по механизмам и возможностям с генетической;

в создании технических средств мягкого регуляторного вхождения в неизвестные ранее семиотические ареалы генома высших биосистем с целью лечения, создания гибридов, продления жизни людей, форми-рования организма человека как гармоничной и устойчивой к неблагоприятным факторам структуры.

Ранее нами предложена гипотеза эпигенетической кодовой иерархии уровней организации хромосомной ДНК, рибосом и внеклеточных матриксов высших биосистем и участия их в синтезе волновых образных фрактальных построений, используемых высшими биосистемами для собственной самоорганизации [25]. Нелинейная динамика (акустика) и связанные с ней электромагнитные излучения указанных биоструктур in vivo не случайны, взаимно коррелированы, носят биознаковый (в частности, речеподобный) характер, изоморфно отображают структурно-функциональные состояния каждой из обменивающихся волновыми сигналами организменных клеточно-тканевых подсистем. В пространстве-времени организмов в эпигенетическом режиме происходит обмен информацией по физическим каналам нелинейных акустическими электромагнитных колебаний. при этом стратегической компонентой рассматриваемых волновых знаковых рядов является акустическое и электромагнитное излучение совокупного генетического материала (генома) биосистем. В настоящей работе выдвинутые положения развиваются как трактовка волновых состояний (собственных физических полей) организма и попытка понимания биологического смысла явления генерации внутри и межклеточных полевых сигналов в качестве основы волновой и, вслед за этим, вещественной самоорганизации живых систем.

ПЕРЕСМОТР МОДЕЛИ

ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА

В настоящее время создалась парадоксальная ситуация с моделью генетического кода  вершиной достижений молекулярной биологии 60-х годов. Точность кодирования последовательностей аминокислот белков в этой модели странным образом уживается с двойной вырожденностью предлагаемого “кода” по линиям избытка транспортных РНК (тРНК) по сравнению с числом аминокислот и неоднозначного соответствия кодонантикодон, когда только двум (а не трем) нуклеотидам триплетов иРНК необходимо точное спаривание c антикодоновой парой нуклеотидов тРНК, а по третьему нуклеотиду природой допускается неверное спаривание, так называемое “воблирование” (от англ. слова “wobble” качание) по гипотезе Ф.Крика [4]. Это означает, что некоторые антикодоны могут “узнавать” более одного кодона в зависимости от того, какое основание находится в 1-м положении антикодона, соответствующем 3-му положению нуклеотида с учетом их антипараллельного комплементарного взаимодействия. “Узнавание” такого рода “неправильное”, если следовать парадигме генетического кода, поскольку возникают неканонические пары оснований “Аденин-Гуанин”, “Урацил-Цитозин” и другие с энергетически невыгодными водородными связями. “Код”, особенно митохондриальный, становится настолько вырожденным, и логически следующий отсюда произвол включения аминокислот в пептидную цепь столь велик, что как бы исчезает само понятие генетического кодирования.

Процитируем высказывание из книги Альбертса, Уотсона и др. “Молекулярная биология клетки” [20] (глава с характерным названием “Геном митохондрий имеет ряд поразительных особенностей”): “...в митохондриях обычные правила спаривания кодонов с антикодонами соблюдаются менее строго, и многие молекулы тРНК способны узнавать любой из четырех нуклеотидов в третьей (неоднозначной) позиции”[6]. Вот эта “меньшая строгость”, как будто бы несовместимая с реально существующим метаболическим контролем порядка чередования амино-кислот в белках, заслуживает пристального внимания. “Меньшая строгость” не случайна, более того, она для чего-то нужна биосистемам.

Точность белкового синтеза эволюционно консервативна и высока, но может ли она достигаться такого рода “тайнописью”, когда “знак” (кодон) и “обозначаемое” (аминокислота) не всегда изоморфны, не однозначны? Если придерживаться старой догмы генетического кода, логично думать, что две разные аминокислоты, шифруемые двумя одинаковыми (третий не важен) нуклеотидами кодонов иРНК, будут с равной вероятностью включаться в пептидную цепь, т.е. случайно. И таких парных неоднозначностей даже в немитохондриальном коде насчитывается шесть, если не считать еще две по стоповым кодонам (они же “нонсенс” или бессмысленные). Так что же, существует “индульгенция разрешения” частых и случайных замен аминокислот при синтезе белков? Однако, известно, что такие случайные замены в большинстве случаев имеют самые отрицательные последствия для организма (серповидная анемия, талассемии и т.д.). Налицо явное противоречие: нужна точность (однозначность) отношений “знак-обозначаемое” (кодон-аминокислота), а придуманный людьми код ее не обеспечивает.

Поэтому существующее и общепринятое представление о ключевых (знаковых) механизмах синтеза белков нуждается в дополнительном анализе. В связи с этим более подробно рассмотрим предложенные в 60-х годах принципы генетического кодирования. Как оценили перечисленные и очевидные странности ведущие авторы теории и экспериментов в этой области  Ф.Крик, М.Ниренберг и их последователи? Основной узел противоречий  неоднозначные соответствия (кодон-аминокислота) приведены в таблице:

НЕОДНОЗНАЧНЫЕ СООТВЕТСТВИЯ

И СИНОНИМО-ОМОНИМИЧЕСКАЯ