аться с другим веществом -  "эффектором"  и
уже этот комплекс подавляет транскрипцию. Когда белок-репрессор сам  яв-
ляется активным по отношению к оперону, его инактивирует эффектор.
   Активация работы гена регулятора может происходить либо за счет  воз-
действия конечного продукта работы всего гена, либо через продукты мета-
болизма этого белка.


   Рис.7. Схема регуляции активности гена [3].

   Итак, у нас есть все предпосылки для того, чтобы вышеуказанную схему,
не изменяя сущности материальных процессов, видоизменить в схему  инфор-
мационных потоков и их взаимодействий на принципах гомеостатического ре-
гулирования. Информационные потоки функционально можно  представить  как
два встречно направленных потока. Первый - из внешней среды  внутрь  об-
ласти гена. Внешняя среда воздействует на оперон гена-регулятора и  опе-
рон структурного гена, включая или выключая его активность. Второй поток
это воздействие информации  продуцируемой  внутри  гена  на  собственные
внутренние структуры; опять же на опероны гена регулятора и структурного
гена. Эффектор может оказаться веществом, которое синтезируется  другими
генами или собственной продукцией. Вся продуцируемая информация поступа-
ет в окружающую среду и взаимодействует с рецепторами входов на конкурс-
ной основе, т.о. при передаче информации необходимо  учитывать  скорость
диффузии и концентрацию вещества переносчика.
   I(t) = F(d,k)
   Накладывая обе функциональные схемы друг на друга мы получим уже  из-
вестную нам модель гомеостата (рис.8).


   Рис.8. Модель гомеостатической схемы работы гена.
   Обозначения: О - оперон, Б - белковая молекула, R - рибосома
   В этой схеме интересно отметить тот момент, что даже внутри гомеоста-
та происходит неоднократная перекодировка информационных потоков с одно-
го вида носителя на другой. Продуктом гена-регулятора и структурного ге-
на является иРНК, чтобы информация, записанная на ней,  достигла  своего
адресата должна произойти трансляция через рибосому и образоваться  бел-
ковая форма.

   Гомеостатическая модель механизма транскрипции

   Транскрипция информационной РНК происходит на одной из нитей  двойной
ДНК. Для этого нити ДНК в этом месте должны быть расплетены. Синтез иРНК
на матрице ДНК осуществляется РНК-полимеразой. Одновременно с одной еди-
ницы транскрипции ведут синтез многие молекулы РНК-полимеразы. В узнава-
нии знака начала и конца синтеза иРНК участвуют специальные белки. Место
начала транскрипции называют промотором.  Место  окончания  транскрипции
терминатором. Максимально возможная длина участка, на котором происходит
синтез иРНК называют скриптоном. По мере  развития  организма  от  одной
клетки к эмбриону и далее к взрослому организму спектр иРНК  меняется  в
зависимости от зрелости и специализации клеток.  Таким  образом  имеется
надклеточная регуляция, с одной стороны, включения  одних  и  выключения
других скриптонов, с другой - размерами синтезированной  иРНК,  что  ес-
тественно приводит к изменению величины и свойств транслируемых белков.

   Рис.9. Схема модели гомеостата транскрипции иРНК на ДНК.

   О гомеостатической модели репликации генетической информации

   Репликация гена происходит почти по аналогичной схеме,  но  в  едином
механизме удвоения всей хромосомы. Начало удвоения ДНК происходит всегда
с одного и того же места и идет полярно в обе стороны, пока удвоение ДНК
не достигает конечной или исходной точки, если ДНК кольцевая, как у бак-
терий. Участок, с которого начинается репликация, называется  репликато-
ром. Фермент, обеспечивающий процесс репликации - ДНК-полимераза. Инфор-
мация о строении вещества инициатора репликатора записана на ДНК  в  его
структурном гене. Структурный ген инициатора  вместе  с  локусом  начала
репликации генетики называют "репликоном". У  эукариотов  имеется  много
независимых единиц репликации (репликонов) на хромосоме. Белок-инициатор
вызывает репликацию только своего репликона и  не  действует  на  другие
хромосомы. Скорость синтеза ДНК регулируется наличием и  скоростью  пос-
тупления соответствующих дезоксинуклеотидов. Специфика синтезируемой ДНК
определяется самой копируемой матрицей, на которой идет синтез.  Фермент
ДНК-полимераза неспецифичен для хромосом и является одним и тем  же  для
любых матриц ДНК [131,132].

   Рис. 10. Схема синтеза ДНК при репликации хромосомы.

   О структурно-функциональной организации хромосомы эукариот  пока  нет
достаточных знаний, чтобы можно было смоделировать схему  гомеостатичес-
кого управления активности как единого гомеостата. Общее представления о
хромосоме даст следующая фраза:
   "Хромосома - комплексное, динамическое  надмолекулярное  образование,
выполняющее такие генетические, биохимические  и  механические  функции,
как репликация, транскрипция, в определенной  степени  регуляция  генной
активности и сегрегация, осуществляемая с помощью митоза и мейоза.  Реа-
лизация этих функций связана со значительными  конформационными  перест-
ройками молекулярных составляющих хромосом путем обратимых межмолекуляр-
ных взаимодействий. Хромосома способна при клеточной дифференцировке ли-
бо на разных стадиях клеточного цикла утрачивать (ослаблять) или  усили-
вать (приобретать) какое-либо из перечисленных структурно-функциональных
свойств." [131, с.193].


   Гомеостатическая модель трансляции

   Трансляция обеспечивает перевод информации, записанной в форме линей-
ной последовательности сочетаний четырех нуклеотидов по три на  иРНК,  в
пептидную последовательность аминокислотных остатков, образующих белок.
   Белки клетки, имеющие различную структуру и различные "обязанности" в
клетке, синтезируются в едином аппарате  трансляции.  Основные  принципы
организации этого аппарата одинаковы для всех типов клеток, хотя сущест-
вуют некоторые отличия между эукариотами и прокариотами.
   Трансляция осуществляется следующими компонентами  клетки:  рибосома,
состоящая из 50S и 30S субъединиц, информационная РНК, транспортные  РНК
и ряд белковых факторов трансляции.
   Информационная РНК несет на себе кодон начала считывания  "генетичес-
кой фразы" и кодон-терминатор, обозначающий конец трансляции (конец счи-
тывания информации о белке). Начало и конец  "фразы"  опознается  специ-
альными белками во взаимодействии с рибосомой. Рибосома является главным
организующим центром процесса трансляции и обеспечивает инициацию транс-
ляции,  полимеризацию  аминокислотных  остатков,  транслокацию  рибосомы
вдоль матрицы иРНК, терминацию и т.д. Транспортные РНК (тРНК)  обеспечи-
вают опознавание отдельных аминокислот и узнают соответствующие им кодо-
ны иРНК на рибосомах, благодаря чему выстраивают аминокислотные  остатки
в соответствии с чередованием кодонов иРНК.


   Рис.11. Модель гомеостата трансляции.
   О КЛЕТОЧНОМ СИММЕТРИЧНОМ ГОМЕОСТАТЕ

   Все описанные в предыдущей главе  механизмы  гомеостатической  работы
генетического аппарата не являются самодостаточными, так как принадлежат
к звеньям работы сложного биохимического гомеостата целой клетки и  поэ-
тому сильно взаимозависимы друг от друга и переносчика веществ - клеточ-
ной протоплазмы. Несимметричность этих гомеостатов  заключается  либо  в
превышении входов (воздействующих веществ на инициацию активности), либо
в превышении выходов над входами (потребность синтезируемых веществ мно-
гими другими гомеостатами).
   Одноклеточное животное, растение (бактерия) имеют большую свободу во-
ли и некоторым образом может пассивно или активно управлять потоками ин-
формации из внешней среды (менять  проницаемость  мембраны  или  переме-
щаться в более благоприятное место). Клеточное строение организмов расп-
ространено настолько широко, а свойства клеток имеют столь важное значе-
ние для поведения организма и всей экосистемы в целом,  что  их  принято
рассматривать  как  "третий  основной  уровень  биологической  организа-
ции"[37].

   Состав основных структурно-функциональных единиц клетки

   Уникальность свойств клетки определяется организацией ее  внутреннего
строения. В настоящей главе мы будем рассматривать клетку на  уровне  ее
функциональных структур, называемых клеточными органеллами. Клетка отде-
лена от окружающей среды клеточной мембраной, которая может снаружи фор-
мировать (например, у растений) клеточную стенку. В цитоплазме  распола-
гаются клеточные органеллы, которые погружены в цитоплазматический рети-
кулюм. Самой большой органеллой является ядро, окруженное  у  эукариотов
ядерной мембраной и содержащее внутри основную программу своего развития
и размножения хромосомы и ядрышко. К другим органеллам  относятся  мито-
хондрии, цитоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, центриоли,
пластиды (у растений), базальные тельца, вакуоли.
   Клеточная мембрана  обеспечивает  селективную  проницаемость  веществ
внутрь и наружу клетки, механическую и химическую  защиту,  обеспечивает
некоторые формы двигательной активности, способы контакта  с  окружающей
средой и другими клетками.
   Цитоплазматический ретикулюм состоит из цитоплазмы (10% раствор  бел-
ка), микронитей и микротрубочек, создающих своеобразный цитоплазматичес-
кий скелет клетки и органы ее передвижения. Цитоплазма обеспечивает  со-
держание всех необходимых клетке веществ, регулирует скорость их перено-
са. Цитоплазматическая сеть и  комплекс  Гольджи  организуют  внутреннее
пространство, потоки массопереноса и оптимальное пространственное распо-
ложение биохимических центров активности синтеза и катализа веществ.
   Митохондрии являются специализированными органеллами, вырабатывающими
в больших количествах вещества-энергоносители. Их число и  месторасполо-
жение зависят от мощности метаболических процессов той  или  иной  части
клетки. В матриксе митохондрий находятся ферменты цикла  Кребса.  Каждая
митохондрия ограничена двойной мембраной; наружный слой образует гладкую
поверхность, а от внутреннего слоя отходят многочисленные складки в виде
параллельных, направленных к центру митохондрии выступов, которые  могут
встречаться, а иногда и сливаться со складками, отходящими с  противопо-
ложной стороны. На внутренней поверхности митохондрий располагаются фер-
менты цикла Кребса.
   Пластиды, органеллы клеток растений в которых происходит синтез и на-
копление органических веществ. Имеется три типа пластид: лейко- и хлоро-
и хромопласты. Наиболее важными являются хлоропласты. Они содержат  хло-
рофилл, который придает растениям зеленый цвет и играет  важную  роль  в
фотосинтезе. Лейкопласты служат для накопления  крахмала  и  других  ве-
ществ.
   Лизосомы - группа внутриклеточных органелл, встречающихся в  животных
клетках, представляют собой ограниченные мембраной тельца,  которые  со-
держат разнообразные ферменты каталитического ряда. Активизация их  про-
исходит при изменении состояния мембраны, что может приводить к  полному
перевариванию клеточного содержимого.
   Вакуоли - полости, ограниченные мембраной  и  заполненные  водянистой
жидкостью; чаще находятся в клетках растительного происхождения и однок-
леточных животных. У простейших  животных  различают  пищеварительные  и
сократительные вакуоли.
   Центриоль,  базальные  тельца  ресничек  и  жгутиков.  Эти  органеллы
объединены здесь как по сходству строения, так и по функции -  обеспече-
ние внутриклеточного, клеточного движения и  перемещения  среды  относи-
тельно клетки. Они имеют вид полого цилиндра длиной 300-500 нм и диамет-
ром 150 нм. Стенка этого цилиндра образована девятью  группами  фибрилл,
равномерно расположенных по окружности; их оси параллельны  длинной  оси
центриоли. Каждая фибрилла образована тремя микротрубочками, заключенны-
ми в аморфный матрикс. Базальное тельце имеет почти такое  же  строение;
здесь микротрубочки соединены фибриллярными структурами, отходящими  под
прямым углом, а в дистальном направлении базальное  тельце  оканчивается
базальной пластинкой, от которой отходит основание реснички или жгутика.
Если реснички и жгутики обеспечивают относительное движение  клетки,  то
центриоль организует движение хромосом к разным полюсам делящейся  клет-
ки.

   Подходы к построению гомеостатической модели клетки

   Такие органеллы, как митохондрии, центриоль, базальные тельца и плас-
тиды, имеют собственный механизм наследования и размножения внутри  кле-
ток, который находится в тесной связи с активностью метаболизма и  деле-
нием клеток. Носителей нехромосомной наследственности  в  плазме  клеток
называют плазмонами [41]. К настоящему времени большинство  исследовате-
лей считает, что в процессе эволюции клеточных организмов  все  вышеука-
занные органеллы были вначале свободноживущими одноклеточными. Затем пе-
решли на внутриклеточное паразитирование, которое в дальнейшей  эволюции
облигатного паразита и хозяина перешло в партнерские  отношения.  Посте-
пенная специализация привела к разделению функций, повышению  их  эффек-
тивности и утрате других, ставших ненужными во внутренней  среде  клетки
признаков. Клетки, эволюционировавшие по  этому  пути,  получили  значи-
тельные преимущества в выживании и практически вытеснили  другие,  менее
жизнеспособные формы клеток.
   Этот исторически пройденный путь эволюции одноклеточных  иллюстрирует
взаимодействие вначале независимых целостных гомеостатов и их склеивание
на начальном этапе с большим противоречием в целях  существования,  а  в
последующем снижение этого противоречия за счет потери целостности (сим-
метричности) составляющих гомеостатов, но при этом  образования  единого
симметричного гомеостата иерархически более высокого  уровня  с  большей
свободой воли. Практически этот способ Природа использует при  объедине-
нии одноклеточных в многоклеточные организмы с постепенной специализаци-
ей клеток для более эффективного функционирования целого.
   Гомеостат клетки, как целого, значительно повышает  свободу  воли  по
отношению к бывшим составляющим самостоятельным организмам, ставшим час-
тями единого организма. Это выражается в меньшей  зависимости  от  среды
обитания, большей скорости  и  эффективности  переработки  информации  и
пластических веществ среды, большей пластичности самих внутренних струк-
тур к изменившимся условиям обитания, а следовательно, к потокам  инфор-
мации из внешней среды. Последнее означает изменчивость и прогресс орга-
низационных форм живой материи. Обсуждать здесь пути и способы  изменчи-
вости мы не будем, так как материальные основы этого феномена достаточно
хорошо изложены в генетике и эволюционной биологии.
   Причиной специализации клеток может служить экологическое загрязнение
среды обитания продуктами выделения самих клеток. При повышении концент-
рации продуктов выделения в среде, среда по отношению к  клеткам  стано-
вится агрессивной до такой степени,  что  клеточная  популяция  начинает
уменьшаться в размерах. Уменьшение (гибель, задержка  размножения)  идет
до тех пор, пока скорость поступления токсичных аутопродуктов не уравно-
весится их диффузией из зоны обитания клеток на приемлемом  уровне  кон-
центрации этих веществ. Второй параллельный процесс, который и  является
собственно двигателем эволюции клеточной популяции,- это повышение мута-
генеза под действием высоких доз аутотоксинов с образованием таких  био-
химических процессов, где аутотоксин становится необходимым продуктом  в
дальнейшей цепи преобразований веществ внутри клетки. Такие клетки полу-
чают преимущество в выживании внутри самоотравленной популяции. При этом
происходит качественное структурное изменение самой популяции: 1 - попу-
ляция приобретает возможность увеличить плотность особей в одном  и  том
же объеме обитания; 2 - в популяции появляется два  подвида  родственных
клеток; 3 - возникает взаимозависимость одной популяции от другой - сим-
биоз. Этот процесс может быть одним из механизмов возникновения  многок-
леточных организмов, построенных из различно дифференцированных  клеток.
Другой причиной первоначального объединения однотипных клеток в  колонии
может служить процесс половой  дифференциации  у  первично  вегетативных
клеток, как например, у  колониальной  одноклеточной  зеленой  водоросли
Volvox.
   Интегрально гомеостатическая модель работы  одной  клетки  аналогична
выше представленным моделям гомеостатов ее составляющих.  Тем  не  менее
описание всех первичных (несимметричных) гомеостатов, составляющих клет-
ку как единый организм, на данном уровне знаний не  представляется  воз-
можным. По приблизительным оценкам в клетке ежесекундно протекает  более
104 биохимических реакций; механизм каждой из них может быть представлен
как отдельный гомеостат. Кроме рассмотренных в клетке процессов реплика-
ции, транскрипции и трансляции, существуют явления рекомбинации, репара-
ции, мутагенез, составляющие материальную основу эволюции живого.  Таким
образом, такой сложный, динамичный биохимический гомеостат, организован-
ный во времени и в пространстве, представляет из себя большую исследова-
тельскую проблему.


   ГОМЕОСТАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТКАНИ

   В ходе онтогенеза  происходит  изменение  морфогенетических  потенций
клеток. Этому посвящено огромное количество работ, где для многих  орга-
низмов детально описаны последовательные стадии изменений клеток в  эмб-
риогенезе. Тем не менее механизм возникновения этих изменений, связанных
с детерминацией клеток, во многом не ясен. В ходе эмбриогенеза  потенции
клетки непрерывно сужаются и, в конце концов,  образуются  клетки,  пол-
ностью детерминированные в четко узнаваемые специализированные  тканевые
клетки. Эти изменения называются эпигенетическими. В отличие от  мутаций
эпигенетические изменения представляют собой строго определенные измене-
ния потенций клеток. Изменение потенции клетки может происходить от раз-
личного числа факторов, вызывающих индукцию. Чаще всего индуктором изме-
нения являются возникающие на определенных стадиях развития  биохимичес-
кие вещества (в основном белки), вырабатываемые самими клетками. Еще од-
ной особенностью эпигенетической детерминации является то,  что  направ-
ленные изменения происходят одновременно в большом числе клеток и приоб-
ретенные новые потенции далее передаются следующим генерациям. По  окон-
чании эмбриогенеза некоторые ткани сохраняют способность к взаимопревра-
щениям клеток, что называется внутритканевой трансдетерминацией  клеточ-
ных элементов. Эпигенетические изменения определяют изменение  выходного
параметра гомеостата клетки и избирательность к определенной  информации
внешней среды.
   Гомеостатическая система регуляции роста и развития тканей  сформиро-
валась в эволюции при возникновении многоклеточных организмов.  Объектом
регуляции этой гомеостатической сети является ткань -  сложное  ячеистое
образование, состоящее из множества клеток и бесклеточных структур. Яче-
истое строение объекта регуляции обеспечивает высокую надежность и высо-
кую функциональную подвижность тканей. Такое строение позволяет в  широ-
ких пределах изменять работоспособность объекта за счет  перераспределе-
ния функции по ячеистым структурам, а в биологических системах обеспечи-
вает выполнение специфических функций одновременно с регенерацией [121].
   Исследования последнего времени выявили единые  черты  пространствен-
но-временной организации морфофункциональных комплексов различных эпите-
лиальных органов, несмотря на значительные функциональные различия. Поя-
вилась возможность создания численной имитационной модели  самоорганиза-
ции и самообновления морфофункционального комплекса и  формализации  тех
параметров жизни клеточной популяции, которые до сих пор  были  экспери-
ментально недосягаемы [101]: среднее время обращения, среднее число  де-
лений, проделанных клеткой, относительные размеры пролиферативного  пула
и др. К настоящему времени  известны  следующие  свойства  морфофункцио-
нального комплекса ткани, как