Текст книги "Временнáя структура биосистем и биологическое время"

Для симметричных временных процессов характерна повторяемость и в этом смысле тождественность самому себе определенного цикла или ритма. При этом они накладываются на асимметричный временной процесс стрелы времени онтогенеза. Это определяет соответствующую изменчивость их параметров в разные периоды жизни и, тем самым, относительный характер тождественности/симметрии этих временных процессов.

А. Циклы

Циклы представляют собой комплексы последовательно генерируемых временных процессов, продукты каждого предыдущего запускают последующий, а продукты и эффекты последнего дают начало первому временному процессу следующего цикла. Циклы имеют фазную фиксированную временную структуру: темпоральные параметры фаз, например, цикла GDP/GTP-связывающих белков или сердечного цикла, имеют определенные длительность, скорость, как и самого цикла в целом.

На клеточном уровне классическим примером является цикл деления клетки, в котором, как известно, стадии интерфазы в связи с интенсивными процессами синтеза белков (G1, G2), редупликации ДНК и формированием нуклеосом (S) отличает бóльшая продолжительность. Они подготавливают клетку к быстрому прохождению фазы М (митоза), заканчивающейся карио– и цитокинезом. Образовавшиеся дочерние клетки вновь начинают прохождение стадий интерфазы. Наибольшей вариабельностью длительности обладает стадия G1, тогда как стадию S и фазу М отличает стабильность темпоральных параметров. Прямое измерение продолжительности клеточного цикла с помощью цейтраферной видеосъемки показало, что у клеток линии L-929 она в целом составляет около 14 часов (Петров и др., 2012). У разных типов клеток длительность цикла может различаться, как и число делений. Считается, что у большинства соматических клеток человека число клеточных циклов в течение онтогенеза примерно равно 52 (лимит Хейфлика), что объясняется геномными (Оловников, 2003, и др.) и эпигенетическими факторами (Галицкий, 2009). Неделящаяся клетка переходит в стадию G0 или подвергается апоптозу, который могут ускорять про-апоптотические факторы (например, белок р75). Следовательно, число клеточных циклов фактически определяет продолжительность «стрелы времени» для исходной клетки.

Число циклов может определять и длительность монофазных процессов. Hапример, число циклов ретроэндоцитоза, которому подвергается инсулиноподобный фактор-1 (IGF-1) после связывания с рецептором, определяет длительность его эффектов в субмембранной зоне цитозоля.

Заметим, что число эстральных циклов у самок млекопитающих, накладывающихся на репродуктивный период «стрелы времени», также определяет его длительность, что имеет видовую специфику (McCraken et al., 1999). Как и клеточный, эстральный цикл отличают полифазность и сложная временная структура, обусловленная регулирующим влиянием многих циклически секретируемых гормонов, нейромедиаторов и цитокинов на периферии и в центральной нервной системе. Вместе с тем, в рамках каждого цикла можно отметить элементы асимметрии, выраженные через параметры временного процесса: разную длительность фаз митоза, или же изменение временных характеристик фаз 1-4-го циклов сна от вечера к утру (Ковальзон, 2012).

Повторяемость и относительная устойчивость временной структуры цикла, а также его суммарной длительности определяют цикл как временной стереотип с меньшими затратами энергии и минимумом роста обобщенной энтропии по сравнению с асимметричными временными процессами.

Б. Ритмы

Начиная с Гераклита и до нашего времени, многие исследователи обращали внимание на ритмы природных явлений и взаимосвязь с ними жизнедеятельности живых организмов. Временна́я организация ритмов более проста по сравнению с циклами: для нее характерно синусоидальное изменение определенного параметра, среднее значение которого называется мезором, наибольшее и наименьшее значения – соответственно акрофазой и батифазой, а за период ритма принимается длительность паузы между возникновением двух сходных значений параметра, которые он принимает на двух соседних акро– или батифазах. Возникновение ритмов с разной длительностью периода обусловлено воздействием на биосистемы разных комплексов факторов (Романов, 2000; Wilcockson et al., 2008, и др.).

Синусоидальный характер биоритмов указывает на вероятность волновой природы времени как явления, сопряженного с энергией. Распространенность ритмов как временных процессов жизнедеятельности обусловлена тем, что ритмы способствуют структуризации экзо– и эндогенной информации и потоков энергии, уменьшают разброс значений определенных гомеостатических констант (температуры тела, активности ферментов, содержания Са+2 в крови, двигательной активности и т. д.). Тем самым ритмы уменьшают проявления хаоса, увеличивают коэффициент порядка h и, следовательно, максимально противодействуют росту обобщенной энтропии (Чернышева, Ноздрачев, 2006). Это соответствует представлению о циркадианных и сезонных ритмах как о механизме опережающей гомеостатической регуляции, направленном на реализацию адаптивной стратегии обмена веществ и снижения энергетических потерь (Алпатов, 2000, и др.). Следовательно, можно предположить, что необходимость в подстройке к экзогенному ритму (например, к циркадианному ритму освещенности) у организма возникает в случае энергетического дисбаланса и недостаточности эндогенных механизмов, генерирующих энергию (при гиподинамии и гипометаболизме) и/или снижающих уровень обобщенной энтропии. Тогда внешние «задатчики» ритма могут выступить в роли энергетического донора и протектора (через генез/поддержание эндогенных ритмов) роста обобщенной энтропии. В роли таких внешних «задатчиков» ритмов, с которыми могут синхронизироваться эндогенные процессы, выступают ближайшие (но, по-видимому, не единственные) космические тела, Солнце и Луна, усиливающие слабые воздействия потока субстанционального времени и «транслирующие» их на биосистемы Земли на своем энергетическом «языке»: энергии света, электромагнитного и гравитационного полей. Такая синхронизация обусловливает соответствующие временные параметры ритмов, среди которых различают определяемые: около-суточным (циркадианным) ритмом освещенности, 20–28 часа; лунными сутками (циркалунарным ритмом), 24 ч 50 мин, в течение которых 2 прилива и 2 отлива определяют циркатидальный (около-приливный) ритм, длительность периода которого равна 12,4 часа, а фазы смещаются ежедневно примерно на 50 мин. Семилунарный ритм связан с минимальными приливами (neap tides), его период составляет 15 дней. Максимальной величины (так называемые сизигийные приливы) они достигают дважды в течение синодического, или лунного, месяца (29,5 солнечных суток): в новолуние и полнолуние. Фазы Луны обусловливают цирка-септальный (околонедельный) ритм с длительностью периода 7,0 дня. Смена времен года определяет цирканнуальные (окологодовые) ритмы с периодом 365 дней. Цикл активности Солнца определяет 11-ти летние ритмы. Есть и другие многолетние ритмы с бóльшим периодом.

Исследования взаимодействия разных типов ритмов, например, околосуточных ритмов освещенности и приливных ритмов на поведение ракообразных прибрежной зоны, или околосуточных и циркалунарных ритмов показали возможность разных источников их генеза на уровне организма при высокой степени корреляции.

В отсутствие внешних источников энергии, задающих ритм, период эндогенного ритма слегка отличается по параметрам от нормы в естественной среде. Период такого свободно бегущего (free-run) ритма называется tau.

Благодаря своим свойствам ритмы поддерживают (возможно, в большей степени, чем другие временные процессы), значения гомеостатических констант организма (температуру тела, объем памяти и воспринимаемой информации, содержание сахара в крови, и т. п.). в рамках оптимума, задаваемого гено– и фенотипом.

Согласно представлениям В. И. Вернадского, синхронизация ритмов геологического времени, приводит к накоплению энергии. То же, по-видимому, характерно и для биоритмов как симметричных временных процессов. На это указывает синхрония ритмов активности сердца и дыхательной системы, описываемая при мышечных нагрузках в условиях нарастания кислородного долга мышц (Покровский и др., 2002) Она направлена на компенсацию гипоксии через усиление тканевого дыхания, т. е. на рост энергетического потенциала организма. Известно, что в гипоталамусе и неокортексе синхронизация ритмов соответственно импульсной активности нейронов и электроэнцефалограммы используется как механизм усиления и выделения из шума сигнала и/или ответа на воздействие. Синхронизация и увеличение амплитуды висцеральных ритмов при активации симпато-адреналовой системы и процессов гликолиза и липолиза в ходе запуска стресс-ответа также служат увеличению уровня энергетического потенциала организма, что необходимо для выбора или создания адекватной программы поведения и ее реализации. Большинство циклов и ритмов можно рассматривать как временные стереотипы, которые поддерживают и гомеостатируют энергетический потенциал организма в силу наложения на стрелу времени онтогенеза. Поскольку состояние гомеостазиса соответствует «норме хаотичности» открытой неустойчивой термодинамической биосистемы, характеризуемой минимальным ростом уровня энтропии и возможностью обратимых процессов (Климонтович, 1996), то можно допустить относительную обратимость именно симметричных временных процессов при гомеостазисе в рамках оптимума нормы реакции фенотипа организма.

Глава III
Временная структура организма. Клеточные генераторы эндогенного времени

Согласно принятой нами модели временной структуры организма генераторы временных процессов являются одним из ее важнейших компонентов, обеспечивая относительную стабильность временной структуры и биологического времени. На разных структурных уровнях к ним относятся: клеточные осцилляторы, тканевые водители ритма и объединяющие их таймеры соответствующих физиологических систем. Совокупность таймеров определяет темпоральные характеристики хронотопа целостного организма. (Чернышева, 2005). К настоящему времени наиболее разработаны представления о генераторах ультрадианных и циркадианных ритмов, которые на клеточно-молекулярном уровне представлены осцилляторами.

По определению (Алпатов, 2000), осциллятор как генератор одного из типов временных процессов, ритма, представляет собой «колебательную систему, самостоятельно поддерживающую эндогенный ритм благодаря замкнутой внутренней короткой петле обратной связи». В многочисленных исследованиях, посвященных клеточно-молекулярным циркадианным осцилляторам у представителей всех царств про– и эукариот, была показана важность временной задержки в реализации обратной связи генератора ритма для сохранения точности последнего и возможности его адаптации к изменившимся условиям окружающей среды. У прокариот возникают генераторы околосуточных ритмов, которые используют энергию окислительно-восстановительных процессов или реакций дефосфорилирования / фосфорилирования. Эукариоты, наряду с ними, используют транскрипционно-трансляционные петли обратных связей, вовлекая ядерные процессы в формирование циркадианных ритмов.

Сегодня наши знания о строении и функциях клетки позволяют говорить о значительном разнообразии типов временных процессов, их клеточных генераторов и чрезвычайной сложности временной структуры клетки в целом. Рассмотрим в этом аспекте некоторые свойства генераторов клеточных мембран, цитоплазмы и ядра.

3.1. Мембранные генераторы временных процессов

Все известные функциональные молекулярные модули клеточных мембран, осуществляющих взаимодействие клетки с окружающей средой (в плазмалемме) или цитоплазмы с органеллами (в мембранах вакуолей, эндоплазматического ретикулума и т. д.), можно условно разделить на две группы.

К первой отнесем постоянно работающие в ультрадианном ритме АТФазы и пейсмекерные ионные калиевые каналы, активируемые цАМФ и гиперполяризацией мембраны (Hyperpolarization-activated Сyclic Nucleotide-gated channel, HCN). Ко второй – генераторы монофазных временных процессов, которые представлены ионными каналами, рецепторами, транспортерами, системами симпорта и антипорта клеточных мембран, в совокупности определяющих уровень активности клетки и/или ее компартментов. Охарактеризуем вклад этих групп молекулярных комплексов мембран в поддержание и модуляцию временной структуры клетки.

Известно, что Na+,K+-АТФаза плазмалеммы клеток возбудимых тканей как осциллятор в покое поддерживает асимметрию ионов по обе стороны мембраны в постоянном временном режиме. Однако при генерации потенциала действия в связи с увеличением концентрации Na+ в клетке, а К+ вне ее помпа переходит на ускоренный перенос ионов, способствуя скорейшему восстановлению исходной асимметрии Na+ и K+ по обе стороны мембраны. С помпой в мембране сопряжены Na+/Ca2+ обменники, регулирующие выход ионов кальция из клетки (Sibarov et al., 2012), а также транспортеры аминокислот, которые усиливают их трансмембранный перенос, что дополняет увеличение входа аминокислот, глюкозы и кислорода через пору помпы при ее активации. Это обеспечивает усиление метаболизма, синтеза АТФ и белков. Известная вариабельность изоформ α2 субъединицы Na+-K+-АТФазы и широкий круг ее функций (Кривой, 2012) обусловливает значение помпы для запуска многих внутриклеточных временных процессов, сохранения временной структуры клетки как биосистемы и обмена с внеклеточным пространством веществом, энергией, информацией и временем. Cопряженно с импульсной активностью нейронов СХЯ, получающих синаптические входы от сетчатки, активность Na+-K+-АТФазы их мембран усиливается днем и существенно снижается ночью (Wang et al., 2004). Cледовательно, активность помпы по сути отражает один из механизмов взаимосвязи импульсного информационно-временного кода на уровне мембраны с внутриклеточными процессами обмена веществ и энергии. Это функциональное сопряжение подтверждает, в частности, регуляция активности АТФ-чувствительных калиевых каналов в плазмалемме клеток поперечно-полосатых и гладких мышц, а также кардиомиоцитов (Flagg et al., 2010).

Обладающие разной чувствительностью к концентрации внутриклеточной цАМФ и изменениям мембранного потенциала в сторону гипер– или деполяризации HCN 1–4 типов широко представлены в мембранах клеток тканевых мышечных водителей ритма синоатриального узла сердца и клетках Кахаля в стенке пищеварительного тракта (Biel et al., 2009; Larsson et al., 2010; Liao et al., 2010), тропоцитах аденогипофиза млекопитающих (Kretchmannova et al., 2012) и пинеалоцитах эпифиза, а также в ГАМК-эргических нейронах бледного шара (Globus Pallidus) головного мозга, связанных с регуляцией двигательной активности (Chen et al., 2004). Регуляторами некоторых подтипов HCN каналов, помимо гиперполяризации мембраны и цАМФ, являются изменения трансмембранного градиента рН (показателя свободной энергии Гиббса) (Zong et al., 2001; и др.). Показано, что в нейронах-осмодетекторах супраоптического ядра гипоталамуса в мембране присутствуют HCN2, чувствительные к увеличению их объема и растяжению плазмалеммы в гипоосмотической среде (Calloe, et al., 2005; Liu, et al., 2005). Иными словами, HCN2 чувствительны к изменениям такого интегрального показателя метаболизма как осмотическое давление жидкостных сред. Описаны воздействия на активность HCN локальной температуры, отражающей уровень энергии, диссипатирующей в тепловую при процессинге информации и метаболизме. Заметим, что выключение воспринимаемой транссинаптически информации от тепловых рецепторов кожи или термочувствительных нейронов спинного мозга делает недостаточным влияние гиперполяризации и цАМФ на активацию НСN-осцилляторов в нейронах таламуса (Wechselberger et al., 2006), что свидетельствует в пользу гипотезы об информационно-энергетической природе эндогенного времени (Чернышева, Ноздрачев, 2006). В своей осцилляторной активности HCN может взаимодействовать с быстрыми кальциевыми каналами (Т-типа) клеточной мембраны, определяя частоту, скорость, паттерн разряда нейронов (Engbers et al., 2011).

Свойства HCN каналов позволяют нейрону оценивать длительность интервала между первым и «спонтанным» спайками (как двумя последовательными «событиями» на мембране). Темпоральные параметры интервала в значительной степени зависят от регулируемых характеристик: длительности гиперполяризационной фазы предыдущего спайка, скорости нарастания гиперполяризации до величины мембранного потенциала, пороговой для открывания поры HCN канала, а также от времени достижения (благодаря активности HCN) потенциалом мембраны критического уровня деполяризации, пороговой для потенциал-зависимых быстрых ионных каналов, обусловливающих генез второго спонтанного спайка. В совокупности эти процессы определяют и его латентный период, рассматриваемый как параметр, сопряженный со временем поступления информации о воздействии (Foffani et al., 2008) или ее анализа (Радченко, 2002). Вместе с тем, собственно темпоральные параметры изменения мембранного потенциала в связи с активностью НCN имеют информативный смысл. Способность осцилляторного HCN канала к генерации разрядов «спонтанных» потенциалов действия обусловливает их существенную роль в обеспечении ряда базисных функций нервной системы. Известно, что HCN играют ключевую роль в поддержании (гомеостатировании) потенциала покоя клеточной мембраны (Azene et al., 2003). Например, в нейронах ядер мозжечка возникающий после глубокой следовой гиперполяризации высокочастотный разряд спайков на волне деполяризации обеспечивается аддитивно током быстрых кальциевых Т-каналов (IT) и выпрямляющим более медленным током IH через калиевые HCN. При этом временные параметры IH определяют скорость закрывания кальциевого Т-канала и возврата к потенциалу покоя мембраны (Engbers et al., 2011). Подобные периодически повторяющиеся высокочастотные разряды, генерируемые в так называемых «командных» нейронах и нейронах, секретирующих нейропептиды, важны не только для аксонального транспорта и выделения нейропептида (медиатора и/или гормона), но и для поддержания определенного, относительно постоянного, уровня возбудимости нейрона и нервного центра, на фоне которого облегчается выделение информативно значимого сигнала (Foffani et al., 2009). Возможно, этот же тип каналов характерен для «клеток времени», описанных в поле СА1 гиппокампа (MacDonald et al., 2013; Kraus et al., 2013), на что указывает распространенность НСN в дендритах и аксонах пирамидных нейронов и ГАМК-эргических интернейронов гиппокампа, а также участие HCN в регуляции длительности ВПСП и ТПСП и в поддержании θ-ритма (Gastrein et al., 2011).

Показано, что HCN2, HCN3 и HCN4, локализованные в перехватах Ранвье миелинизированных сенсорных и моторных нервных волокон, различаются по чувствительности к уровню гиперполяризации и цАМФ, обусловливая более низкий порог генерации спайка в сенсорных (Howells et al., 2012) и, в итоге, способствуя различению информации сенсорной, поступающей от рецепторов, и эффекторной. Вместе с тем, способность HCN к генерации периодических разрядов спайков можно расценить как один из факторов формирования и поддержания реперной или уставной точки (set point) эндогенного времени (Чернышева, 2008б) (см главу IV).

Описанные свойства осцилляторных ионых каналов клеточных мембран позволяют предположить, что HCN могут выполнять функцию сенсора времени. Действительно, следуя парадигме информаци-ионно-энергетической природы времени, представленной в главе 1, предполагаемый сенсор должен обладать: 1. прямой или опосредованной чувствительностью к уровню метаболизма (концентрации определенных метаболитов, осмотическому давлению), а также к уровню свободной энергии. Последний характеризуют, в частности, потенциал клеточной мембраны, значения рН и температуры, концентрации цАМФ, и т. д.; 2. способностью генерировать временные процессы, совокупность которых формирует эндогенное время. Перечисленные свойства присущи HCN.

Из приведенных особенностей функционирования Na,K-АТФазы и HCN как мембранных генераторов временных процессов к их общим свойствам можно отнести: зависимость активности от потенциала мембраны и поддержание асимметрии ионов/потенциала покоя; зависимость от уровня энергоносителей (АТФ или цАМФ, трансмембранного градиента Na+ и H+); взаимосвязь с информацией и метаболизмом; способность к запуску временных процессов в цитоплазме, прямому и/или опосредованному через мембранные генераторы монофазных процессов. Постоянная активность Na,K-АТФазы и длительная работа HCN после активации, а также, возможно, функция сенсора времени, реализуемая HCN, предполагает их ведущую роль в поддержании базовой временной структуры клетки.

Активность другой группы мембранных генераторов способствует запуску преимущественно монофазных временных процессов, связанных с концентрационно– и осмозависимым переносом веществ обменниками, транспортерами или с пассивной диффузией ионов через открывающиеся ионные каналы. В особую группу можно отнести функционально-обусловленный синтез и встраивание в мембрану клетки тканеспецифичных белков межклеточных контактов (Markov et al., 2012). Динамика их функций при парацеллюлярном транспорте в эпителиальных тканях пока не изучена. Кроме того, лиганды (медиаторы, гормоны или метаболиты) при связывании с рецепторами, сопряженными с GDP/GTP-связывающими белками, (GPCRs, GP-coupled receptors), активируют цикл собственной активности G-белков и запуск внутриклеточных процессов (путей сигналинга), обусловливая в соответствии с типом G-белка изменения в клетке цАМФ или Са2+ и т. д. Если концентрация лиганда изменяется в соответствии с определенным временным процессом (например, циркадианным ритмом, эстральным циклом или сменой периода онтогенеза), то аритмичным генераторам временных процессов может быть навязан определенный временной режим активности с изменением исходных темпоральных параметров или амплитуды. Заметим, что связывание лиганда с рецептором – один из путей передачи информации клетке. Известно, что внутриклеточные осцилляции Са2+ могут играть роль не только внутриклеточного информационного кода (Bhala, Uenagar, 1999) и регулятора ацидоза (Lasorsa et al., 2008, и др.), но и филогенетически консервативного генератора множества ультрадианных ритмов и временных процессов других типов в широком временном диапазоне в связи с полифункциональностью многочисленных Са-связывающих белков.

Эти хорошо изученные процессы демонстрируют возможность на уровне мембраны клетки последовательного или параллельного, но взаимосвязанного, запуска временных процессов разного типа. Одни из них в осцилляторном режиме поддерживают стабильность временной структуры клетки, другие, в большей степени, отражают процессы ее гомеостатической регуляции и адаптации к возмущающим воздействиям внеклеточной среды в текущем настоящем времени.