Временная организация и устойчивость биосистем

Наиболее быстрые  колебания микроструктуры в живой  клетке (участки

плазматической  мембраны и хроматина в интерфазном  ядре) имели период

около 100 мкс. Для регистрации этих биоритмов использовали скоростную

микрокиносъемку с лазерным усилением яркости  изображения (Загускин и

др., 1984). Более медленные колебания золь-гель структур (10 мс, 100 мс, 1 с,

3 с, 10 с, 30 с, 4-8 мин.) регистрировали в живой клетке методами

интеференционной  микроскопии с обычной кино- и фотосъемкой и

последующей денситографией негативов. Ритмы золь-гель переходов,

отражающих  агрегацию-дезагрегацию митохондрий  и ретикулюма,

регистрировали  фотоэлектрическим методом (рис. 3) и методом

микрокиноденситографии  (рис. 4).

Рис.3. Фотоэлектрический метод компьютерной регистрации и анализа ритмов

золь-гель переходов  в живой клетке при дифференциальной интерференционной

микроскопии 
 

 

Рис. 4. Метод микрокиноденситографической регистрации ритмов агрегации

митохондрий. Вверху – устройство для совмещения участков последовательных кадров

кинонегативов клетки на столике микроденситометра  ИФО-451, записи колебаний

оптической  плотности в площади зонда  при агрегации и дезагрегации митохондрий,

денситограммы ритмов агрегации митохондрий при  действии сукцината натрия.

а – агрегаты митохондрий при окраске на ЦО (Об.40Х, Ок 10Х), б – тоже Об.70Х, Ок.10Х,

в – электронная микроскопия. Увеличение 28 тыс. раз. Видны агрегаты митохондрий

Ритмы энергетики клетки имели широкий спектр периодов: 1 с, 3-5 с,

12-18 с, 30-40 с, 1-3 мин. (агрегации митохондрий), 10-30 с, 30-50 мин.

(напряжение  кислорода над поверхностью клетки  при регистрации методом

дифференциальной  осциллографической микрополярографии), суточный и

сезонный периоды  (активность и распределение цитохромоксидазы, АТФ-

азы). Ритмы содержания, концентрации, биосинтеза и гетерогенности

распределения белка и РНП, исследовавшиеся методами однородной

дифференциальной  интерферометрии, интерферометрии с полным

раздвоением изображения  в фотоэлектрическом и фотографическом

вариантах, методом ультрафиолетовой цитоспектрофотометрии, имели

околочасовой  период 20-50 мин. (Загускин и др., 1980). Ритмы

функциональной  активности (изменения частоты нервных импульсов) имели

периоды 30 мс, 100 мс, 300 мс, 1 с, 5-10 с, а изменения формы и размеров

тела нейрона  – 30 с, 5 мин., 40-50 мин., сутки, год. При действии

ритмических раздражений  периоды модуляции имели в  3, 10, 30 и более раз

больший период (Загускин, Каминский, 1978).

Энергетическая  параметрическая зависимость функциональной

индукции пластических процессов (Загускин, 1986) определяет величину и

знак ответной реакции биосистемы на внешнее воздействие. Распределение

по скорости и по плотности потоков энергии  биосистемы на функциональные

(U, V, W) и структурные (K, L, M) процессы ее подсистем и элементов

происходит  по переменно-приоритетному принципу в соответствии с их

лабильностью  и энергоемкостью. В неживых объектах длительности

структурных и  функциональных процессов на одном  и том же уровне

организации равны. В биосистемах большая инерционность структуры

относительно  функции на том же уровне позволяет  им избегать фиксации в

структуре случайных  воздействий и закрепить избирательную

чувствительность  к повторяющимся биологически значимым

информационным  сигналам.

Периоды биоритмов  функциональных (X, Y, Z) и структурных (P, R, S)

процессов одного и того же уровня интеграции (рис. 1) отличаются примерно

в 3 тыс. раз (рис. 2). Реликтовые биоритмы, сохранившиеся от

прокариотической  биосферы, имеют периоды примерно в 3 раза меньшие,

чем основные, а основные биоритмы – в 3 раза меньшие периоды, чем

координационные биоритмы тех же уровней интеграции (рис. 2). Это

исключает параметрический  резонанс и обеспечивает относительную

автономность  смежных уровней. Периоды биоритмов смежных уровней

интеграции биосистем отличаются примерно в 10 или в 30 раз, что исключает

захват периода  как от нижнего, так и от верхнего уровней. Удачной

аппроксимацией  этих соотношений являются соответственно значения π, π2,

π3, имеющие биологическое обоснование (Численко, 1981).

Каждому новому уровню биологической интеграции соответствуют

более медленные  интегральные ритмы. Функциональные процессы одного

уровня могут  рассматриваться как структурные  с тем же периодом ритма

определенного нижележащего уровня. Большая (в π7 раз) инерционность

структуры относительно изменений функции на том же уровне позволяет

биосистемам избежать фиксации в структуре случайных  шумовых воздей-

ствий и закрепить  избирательную чувствительность к  повторяющимся

биологически  значимым информационным сигналам.

Уже на предбиологическом  этапе эволюции можно выделить

канализирующие  факторы временной организации, которые определили в

качестве исходного  материала биологической эволюции экспериментально

установленные биоритмы мембраны, с периодами колебаний 100 мкс и 1 мс

(Загускин и  др., 1984). Ритмы с периодом 300 мкс и 1 мс, вероятно, возникли

в результате симбиотического  координированного взаимодействия двух

параллельно развивающихся  систем – белков и нуклеиновых кислот.

Появление *c2ассоциаций золь-гель структур, соответствующих нынешним

генам (вирусам), впервые разделило времена функциональных и

структурных процессов. В этом принципиальное отличие живых систем от

неживых. Энергетическая параметрическая регуляция со стороны

биосинтетических  саморедуплицирующих циклов (БСРЦ) W0 выступила как

обратная связь  с периодом r0, равным ритму элонгации (присоединения

аминокислот при  синтезе белка на рибосоме) (рис. 1, 2). Тем самым эти

уникальные  структуры лишились прямых функциональных изменений

(регуляции  со стороны нижележащих). Отсюда возник однонаправленный

перенос информации от нуклеиновых кислот к белку  и лишь

параметрическая энергетическая регуляция дерепрессии  и редупликации

генов (и отсутствия прямого наследования приобретенных признаков).

Все взаимодействия в биологических системах являются

энергоинформационными (Сетров, 1975). Для живых систем пороговые

значения определяются не только плотностью, но и скоростью потока

энергообеспечения. Импульсные воздействия имеют меньший порог и

большую эффективность  по сравнению с непрерывными только при условии

физиологической (экологической) адекватности адресуемому уровню по

своим временным  параметрам. Соотношение периодов биоритмов,

постоянных  времени обратных связей и длительностей  переходных

процессов между  смежными иерархическими уровнями биосистем является

инвариантным. Реликтовые, основные и координационные ритмы

отличаются  на одном уровне в p раз, структурные и функциональные – в p7

раз. Шаг дискретности относится к стационарным состояниям, но изменяется

без потери устойчивости биосистемы (необратимых структурных нарушений

соответствующего  уровня) в пределах гомеостатического коридора

допустимых  изменений параметров от числа элементов  в системе, степени их

синхронизации и энергетического обеспечения.

Исходя из оценки плотности потока энергии на плазматической

мембране клетки, порога критической деполяризации (около 20 мВ) и тока

возбуждения клетки (10-7 А) при толщине мембраны 25 мкм, все сигналы с

плотностью  мощности меньше порядка 1 мВт/см2 могут восприниматься

только специализированными  рецепторами либо путем биорезонанса.

Специализированные  рецепторы, например палочки сетчатки глаза,

способные благодаря  родопсину запускать от одного фотона систему

вторичных внутриклеточных  посредников – кальция и циклических

нуклеотидов, – можно рассматривать как видовую (биоценотическую) память

биосистем. Эта память одинакова на уровне клетки и организма для

привычных и  впервые действующих раздражителей. Поэтому и дальнейшее

снижение порога энергии для сигналов сенсорных  систем невозможно без

индивидуального на уровне клетки и организма обучения. Память клетки и

организма позволяет  подстроить собственные биоритмы к  характерному

спектру частот биологически значимых сигналов внешней  среды или других

биосистем. Для этого нет необходимости в специализированных клетках-

рецепторах  или белковых рецепторов мембран  клетки. Чрезвычайной

чувствительностью к привычным спектрам внешних  колебаний могут

обладать золь-гель переходы цитоплазмы практически любых  клеток,

которые сопровождаются колебаниями агрегатов митохондрий, ретикулюма

и кластеров  воды (Загускин, 2004). Условием такой высокой

чувствительности  (порядка kT) может быть только биорезонанс и

сигнатурные реакции  на основе «опережающего отражения» (Анохин, 1968).

Одночастотные резонансы не эффективны, биосистемы активно

ускользают  от них благодаря постоянной флуктуации периодов биоритмов,

их фрактальности  и интегральной целостности биосистем, посредством

которой выше- и нижележащие уровни биосистем активно демпфируют

воздействие на адресуемом уровне. Раскачать биосистему можно только