Geum.ru

Ирпенская буквица

Вид материалаКнига

Содержание


3. Механизм реакций
Подобный материал:
1   2   3   4   5
2. Социобиологические аспекты кворум-свнсинга

Наблюдения над автоколебательными процессами в реакциях Белоусова-Жаботинского заставили И. Пригожина и И. Стенгерс в книге "Порядок из хаоса" высказаться так: "Столь высокая упорядоченность, основанная на согласованном поведении миллиардов молекул, кажется неправдоподобной, и если бы "химические часы" нельзя было наблюдать "во плоти", вряд ли кто-нибудь поверил, что такой процесс возможен. Для того, чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны "каким-то образом" поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как "единое целое". Понятие "связь", ныне замененное более современным "коммуникация", авторы этого научного бестселлера считают ключевым словом для всех проявлений жизни - до нейрофизиологии и как ее следствия человеческой деятельности.

Объясняя механизм контроля введенного в человеческий организм гена с помощью биолюминисцентных маркеров, выделенных из медузы или красного коралла, академик АМН Украины, член-корреспондент НАН Украины, заведующий отделом Института молекулярной биологии и генетики профессор В. Кордюм в одном из своих интервью [238] сказал: "Фактически клетка - это молекулярная машина. А наш организм - это огромное количество клеток. Следовательно, если мы научимся влиять на отдельный элемент, из которого состоит клетка, то фактически все клетки, где существует восприятие этого элемента, начнут на него реагировать". Объяснение звучит слишком популярно, а, следовательно, и упрощенно, но, как свидетельствует практика, в целом принцип верный.

Следующий после клетки уровень организации жизни на лестнице усложнения ее форм- колониальные организмы. Классическим здесь является пример с коммуникацией кишечнополостных и мшанок: раздражение одной особи вызывает почти мгновенную реакцию всех остальных. Впервые смерть как неизбежность возникает в случае с вольвоксом -колониальной водорослью, образующей шары до 3 мм в диаметре, на периферии которых в один слой расположено от 200 до 300 тысяч клеток, соединенных между собой прото-плазматическими нитями. Действует как единое целое: все клетки начинают одновременно работать жгутиками именно тогда, когда их набирается достаточное количество.

Общеизвестный "домовый гриб" обитает практически во всех деревянных конструкциях, но все усилия современной химии напрасны, когда разрастается его мицелий с неисчислимым количеством гетерокарионов: строение приходится уничтожать.

Одиночная саранча и морфологически, и поведением настолько отличается от стадной, что их многие годы считали насекомыми разных видов. Когда количество мирных зеленых "кузнечиков" переходит определенный рубеж, они начинают чернеть, беспокойно суетиться и сбиваться в стаю, становясь "карой египетской". Причина: включается молчащий ранее ген. Несомненно, такие изменения в поведении насекомых контролируются каким-то фактором внешней среды, но это - особенность любой кворумзависимой системы.

Такую систему представляют собой и кормящиеся в разных местностях перелетные птицы, по какому-то общему для всех сигналу сбивающиеся в стаи, чтобы возвратиться [239] на родину. Какой фактор окружающей среды дает этот сигнал - тема давних научных споров (Н. Околитенко "Биологические часы"). Для нас же важно, что сигнал, воспринимаемый "птичьим кворумом", существует.

Экологи знают, что высшие животные, численность которых упала ниже определенного уровня, сохранить невозможно. Это объясняется недостаточностью генетической программы, а, следовательно, и ограниченностью реакции. Но важно и поведение, характер которого носит опять-таки кворум-зависимый характер.

Колония сусликов, стадо оленей начинают действовать как единый организм, когда достигают определенной численности. Сообщение об "эффекте сотой обезьяны" (если сто обезьян научить какой-то операции, то их дикие сородичи проявляют к этому способности) в науке воспринято скептически, но в свете того, что мы теперь знаем о коммуникациях в микромире, стоит отнестись к нему внимательней.

Нетрудно предвидеть, что изучение коммуникации в мире бактерий стимулирует развитие социологии и связанных с нею наук. Ведь очевидно, что кворум-сенсинг сполна относится к формированию человеческого социума, который, состоя из отдельных, ни в чем не похожих друг на друга личностей, развивается по каким-то своим законам, стоящим над отдельными судьбами. И правовые институты лишь слабо отражают какую-то высшую цель, которой следует каждый сформировавшийся в нацию этнос, осуществляя свой вклад в сокровищницу общечеловеческого опыта, - либо исчезает, если ему не удается осуществить эту программу. В свете открытия "ощущения кворума" можно объяснить парадокс древнего племени выходцев из Индии - цыган, упрямо не поддающихся влиянию цивилизации, ибо не теряется нечто, заложенное на уровне коллективного подсознания, стоящее над повседневными интересами каждого человека. Исторический опыт свидетельствует, что социальные идеи "витают в воздухе", осуществляясь одновременно на территориях различных государств (идея христианского государства, "призрак коммунизма", некогда бродивший по Европе, фашизм, нынешние "цвет[240]ные революции" с их неоднозначностью). То же и с великими открытиями: их делают несколько личностей сразу, хотя не все они становятся известными. Законы природы - от органической молекулы до нации освещены в книге Н. Околитенко "Основы системной биологии".

Нобелевский лауреат в области экономики австрийский ученый Рихард фон Хайек сформулировал правило, суть которого в том, что ни одно социальное явление- будь то уличная торговля, институт семьи, наука, парламентская деятельность- нельзя рассматривать в отрыве от среднего уровня коллективного сознания социума. В свете исследований, связанных с "ощущением кворума", становится понятно, как случилось, что ранний буддизм - религия без бога, опирающийся на заложенный в человеческое подсознание внутренний закон, проявлением которого является совесть, породил тантрический шаманизм, а Христов запрет на оружие не удержал Европу от безумия крестовых походов.

Лев Гумилев считал, что тайну "броуновского движения" исторических фактов следует искать в развитии естествознания. Можно не сомневаться, что эксперименты с поведением микробов в их природной среде (а in vitro бактерии ведут себя совершенно иначе) дадут огромный материал для изучения некоего фундаментального явления природы - коллективного информационного поля и материального субстрата, к которому оно привязано. И здесь структуризация земного населения, разделенного на нации, народы, племена, - естественное отражение структуризации уровней существующих на нашей планете форм жизни. Возможно, в ближайшее время науке удастся понять, что представляет собой таинственный эгрегор, определяющий исторические пути народов. Ведь и смелые философские изыскания нуждаются в экспериментальном критерии истины, и тут, повторяем, изучение коммуникативных сигналов бактерий должно влить новые силы в исследование закономерностей становления государств, поиск идей справедливого устройства общественной жизни, которые так тяжело даются человечеству. [241]

Фактически эти знания породили новые науки - социобиологию и биосемантику (поиском других "кодов жизни", кроме генетического, занимался Б. Медников). Биосемантические представления позволяют проводить смелую параллель между поведением раковых клеток и тех харизма-тичных личностей, которые на основании своих идей, противоречащих природе, формируют аномальные общества: твердая опухоль напоминает тоталитарное государство, а диффузная с ее патогенными каналами и кровеносными сосудами - латиноамериканский вариант развития государства с мафиозными сетями; губительное однообразие клеток- аналог нетерпимости к инакомыслию, требование "единомыслия", столь же пагубные для общества, и т.п. Образование вокруг опухоли защитной оболочки, не пропускающей нормальные продукты обмена веществ, — чем не "железный занавес" с последующим воспитанием ксенофобии, а истребление здоровых клеток - как борьба с диссидентством и вытеснение в эмиграцию нестандартно мыслящих людей, просто необходимых для нормального развития общества. Ведь такие понятия как "память", "узнавание", "социальный контроль", "коммуникационные сети", "интеграция противоположностей" - действительно заложены в природу вещей нашего мира, и здесь глубинное сходство оказывается куда важнее внешних отличий.

3. Механизм реакций кворум-сенсинга

На сегодняшний день это явление достаточно изучено на грамположительных и грамотрицательных бактериях. У первых состояние кворума наступает, когда колония переходит в стационарную фазу роста и включается духкомпо-нентный механизм фосфорилирования. При этом для передачи сигналов продуцируются олигопептидные молекулы. Упрощенная схема такова: предшественник олигопептида —> зрелый олигопептид —> накопление зрелого олигопептида в межклеточном пространстве в меру нарастания плот[242]ности бактериальных клеток —> формирование химического сигнала достаточной мощности -> распознавание этого сигнала двухкомпонентной сенсорной киназой, пронизывающей мембрану, и его передача в клетку в процессе каскадного фосфорилирования —» взаимодействие олигопеп-тидной молекулы с геном-мишенью (целевым геном) —> образование продукта этого гена, дающего "эффект кворума". Олигопептидные сигналы интенсивно синтезирует клетка, не имеющая плазмиды с нужными для выживания свойствами (например, генов, кодирующих белок сопротивления стрептомицину), зато у клеток, способных стать донорами, такой сигнал подается, ибо плазмида кодирует соответствующий ингибитор.

Нам не встречались данные о том, что процесс конъюгации среди бактерий с передачей плазмиды ускорился: для этого нужны наблюдения не одного года, но предположение, что так должно быть, имеет право на существование в связи с влиянием человека на происходящие в микромире эволюционные процессы. Ведь это конкретный механизм горизонтального разноса генов, о котором речь пойдет дальше. Факт существования кворум-зависимой пептидной системы, обеспечивающей обмен плазмидами в процессе конъюгации, установлен на примере бактерии Enterococcus и генетически близких ей видов.

Крайне интересно, что регулирующая конъюгационные процессы система в то же время стимулирует распространение в микробной популяции признаков, важных для гармонического взаимодействия микроорганизма и клетки-хозяина, и этот факт предполагает совершенно новый взгляд на отношения между возбудителем болезни и жертвой. Какой? На этом остановимся подробнее.

Вопрос, что происходит с возбудителями эпидемий после того, как они "собрали урожай своих жертв", в науке, по сути, остается открытым. Понятно, что во время чумы или холеры выжили, прежде всего, те, у кого на поверхности клеток не было ганглиозидов, способных стать "отмычками" при реакции с группой атомов на поверхности клетки нападающего микроба, а, следовательно, и обеспечить его [243] проникновение в организм. Как написано в летописях, болезнь "падала пятнами", забирая группу людей со сходной в чем-то генетической структурой: бывало, вымирали села, в то время как город, к которому они примыкали, пребывал в относительном благополучии. Но что произошло с самим микроорганизмом и в каком состоянии он пребывает на данном этапе эволюционного развития? Холерный вибрион, например, и теперь "узнаваем".

Оказывается, генетически запрограммированным вариантом переживания неблагоприятных условий является переход в состояние пониженной метаболической активности VBNC (жизнеспособное, но некультивируемое), и при этом бактерии теряют способность образовывать положенную культуру, регулируемую кворум-сенсинговым механизмом. Из этого следует, что такие микроорганизмы остаются за пределами бытовавшей научной методики: ведь высевы на питательную среду объективной картины не дают. Могут ли такие бактерии превращаться в нормально культивируемые клетки? Теоретически - да, но практически науке известны лишь несколько подобных случаев, и при этом неясно, насколько такие организмы "древние" и не пребывают ли они на стадии движущегося отбора, когда генетические процессы сохраняют какой-то резерв обратимости.

Страшные эпидемии прошлых столетий представляли собой "штурм крепости" - клеток человеческого организма, где можно было укрыться, возможно, новым мутациям микроорганизмов, утверждающим свое право на существование. Интересно, что в летописях есть упоминания о том, что болезнь поражала весь живой мир - гибли птицы и животные, погибали растения. Из этого следует, что остро патогенные когда-то возбудители должны пребывать в многоклеточных организмах. Да, есть указания на то, что их там находят, но по своим морфологическим и биохимическим характеристикам они уже отличаются от предшественников. Способны ли они спонтанно активироваться, обретая "чувство кворума"? Это зависит от того, выработались ли молекулярные механизмы, переводящие паразитизм во взаимно выгодный симбиоз. Так или иначе, но нет оснований [244] отрицать, что покоящиеся формы возбудителей когда-то острых болезней не могут быть активированы неким фактором, в частности, и лекарственными препаратами, применяемыми против возбудителей других болезней. Не в этом ли одна из причин, когда борьба с одной болезнью приводит к развитию других, казалось бы, совершенно неожиданных? Не отсюда ли констатируемая многими врачами-практиками странная размытость симптомов заболеваний и попытки гриппом объяснять непонятные боли в желудке, в подмышках или распухание шеи? Установлено, что туберкулезная палочка внутри моноцитов стимулируется трансформирующим ростовым фактором ТG-1, в последней медицинской литературе можно найти и другие примеры. Из этого опять-таки вытекает вывод о недопустимости бесконтрольного массового применения рекламируемых препаратов.

В коммуникациях грамотрицательных бактерий участвуют другие вещества, но экспрессия генов зависит от степени плотности клеток микроорганизмов. В целом наблюдается та же тенденция.

Микробные клетки вступают во взаимодействие с макроорганизмами, когда концентрация феромона свидетельствует о достаточной плотности микробной популяции: в этом же случае через несущие плазмиду клетки усиливается конъюгативный процесс с распространением Тьплазмиды.

Систем межклеточного взаимодействия у разных организмов обнаружено три, что еще раз свидетельствует о многовариантности путей, по которым природа достигает своих целей.

В процессе взаимодействия микробиоты с будущим хозяином могут вырабатываться вещества, имеющие межвидовой характер, факторы межклеточной коммуникации даже участвуют в иммунной защите человека. Более того, сами эукариоты способны вырабатывать кворум-зависимые вещества, свойственные конкурентам или антагонистам прокариотов, создавая "информационные помехи".

Подобные данные опять-таки приводят к мнению, что медицина будущего - это не уничтожение микрофлоры, все более бесперспективное, а разрегулирование кворум -зави[245] симых механизмов, превращающих колонию бактерий в отлично отлаженный сверхорганизм. Здесь мы сталкиваемся с тенденцией настолько интересной, что считаем нужным процитировать отрывок из статьи "Колониальная организация и межклеточная коммуникация микроорганизмов" А. Олескина, И. Ботвинко, Е. Цавкелова, представляющих биологический университет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова:

"В литературе накапливаются данные о взаимовлиянии микробных колоний в ситуации, когда невозможен обмен химическими сигналами. Так, гибнущая под воздействием хло-рамфеникола культура Vibrio costicola посылает сигнал, стимулирующий рост другой культуры, отделенной от нее слоем стекла. В ряде случаев предполагается синергидное действие различных каналов межклеточной коммуникации, а именно, химических сигналов и физических полей; это вытекает из опытов по влиянию одной бактериальной колонии на адгезивные действия другой (Ю. А. Николаев, неопубликованные данные). Клетки Bacillus carbonijillus повышают свою резистентность к антибиотикам и их рост стимулируется в ответ на сигналы, посылаемые другой микробной культурой (того же или иного вида бактерий): опыты ставили так, что донор и реципиент сигналов культивировали на двух половинках одной чашки Петри, разделенной сплошной стеклянной перегородкой. В качестве конкретных физических факторов гипотетически предлагаются: 1. Электромагнитные волны (по аналогии с эукариотическими клетками, где эффекты ультрафиолетовых лучей установлены - это митогенетический эффект А. Гурвича). 2. Ультразвук.

Необходимо признать, что физические факторы дистантной коммуникации микробных клеток и их роль в плотно-стно-зависимых процессах пока еще находится в стадии "первоначального накопления" эмпирических данных. Дальнейшие исследования в этой области могут дать результаты, выходящие за рамки чисто биологических исследований, так как уже имеются аналогичные данные по культивируемым клеткам (в том числе и человека). Данные о физических (в частности, электромагнитных) факторах межклеточных и - беря шире - межорганизменных взаимо[246]действий могут послужить толчком к изменению современной парадигмы биологии в пользу более континуального, резонансного, полевого видения биологических объектов. Сам одно- или даже многоклеточный организм при этом представляется как своего рода сгусток физических полей... также сгусток химических градиентов сигнальных агентов, без резких границ переходящих в обволакивающее этот объект поле".

Авторы остро почувствовали, что исследованиям на уровне "языка молекул" все время чего-то недостает, и без лишнего консерватизма откликнулись на это признанием в свое время смелой гипотезы Гурвича, подтвержденной опытами Казначеева и ряда других ученых.

Мы же с полной ответственностью заявляем, что у нас за годы борьбы за человеческое здоровье накоплено достаточно эмпирических данных, свидетельствующих об эффективности применения генератора ультраслабых электромагнитных полей, действие которых проявляется именно в разрегулировании кворум-зависимых процессов и одновременной стимуляции иммунной системы - возможно, через образование веществ, которыми клетка отвечает на воздействие бактерии. Это может быть "сигнал неприятия" паразитизма, либо "сигнал дружбы", когда есть возможность осуществить природный идеал- симбиотические отношения, необходимые обеим сторонам. За принесенную информацию, необходимую, чтобы функционировать дальше, многоклеточный организм предоставляет убежище для прокариота, и система микроб-клетка-хозяин интегрируется в нечто, способное продолжать эволюционный путь, присущий всему живому. Как пишут авторы статьи "...Адекватно понять колониальную организацию и межклеточную коммуникацию микроорганизмов возможно лишь в том случае, если учесть всю гамму не только внутривидовых, но и межвидовых экологических отношений. Иначе говоря, биосоциальные микробные системы непременно "впаяны" в более сложные экологические системы, во многих случаях включающие как микро-так и макроорганизмы. Поэтому и агенты микробной коммуникации в плотностно-зависимых системах часто функционируют именно в связи с процессами, важными для налажи[247] вания отношений между микро- и макроорганизмами. Если макроорганизм-хозяин-человек, то его симбиотическая/ паразитическая микробиота представляет своеобразный "камертон", чутко реагирующий на соматическое состояние, уровень стресса, даже настроение этого человека. Поскольку состояние отдельного человека находится под влиянием его взаимоотношений с другими людьми в рамках социума, то микробные симбионты должны косвенно отзываться на социально-психологический "климат" и поэтому иметь определенное биосоциологическое и биополитическое значение".

Да, нужно проникнуть глубоко в недра микромира, на уровень молекул и полей, обеспечивающих коммуникацию, чтобы подняться до народной мудрости о том, что "лиха беда начало", "беда не приходит одна", что все социальные потрясения сопровождаются развитием массовых болезней, что макромир и микромир друг без друга не существуют. И важно знать, как перекрыть каналы "беды", не стимулируя из-за незнания отрицательные процессы.

Итак, в ближайшее время медицине придется осознать, что с отдельными возбудителями болезни она имеет дело только in virto; in vivo - всегда сверхорганизм, в котором существует отлаженная система борьбы за выживание, все составляющие четко подогнаны друг к другу, сохраняя гомеостаз и действуя как единое целое.

Для микробных колоний характерна функция специализации клеток, наличие интегральных свойств: у них есть секторные и концентрические зоны, отражающие различные этапы индивидуального развития клеток, прослеживается действие "биологических часов", ритм которых зависит опять-таки от плотности клеточной популяции. В масштабах группы существует координация поведения всех отдельных клеток. Кворум-зависимая система ориентирована на устранение конкурентов через образование антибиотиков и их производных, при этом те же самые вещества регулируют и морфогенез клетки, а активатор кластера генов биосинтеза стрептомицина и спорообразования могут иметь одну и ту же природу, что логично: переживающие неблагоприятный период организмы должны быть защищены. [248]

Патогенные бактерии, окруженные биопленкой, становятся малодоступными для антимикробных веществ: отсюда их удивительная стойкость в клинических условиях. В той самой биопленке можно наблюдать различные образцы генной экспрессии, что свидетельствует о распределении обязанностей в консорциуме, повышающем его жизнеспособность. Биопленки на зубах стали причиной крушения надежд, связанных с созданием зубных паст: главной сигнальной молекулой при коммуникационных взаимодействиях является А1-2, кодирующая необходимый для ее синтеза фермент у нескольких родов бактерий ротовой полости. Сигнальные молекулы распространяются по биополимерному матриксу, образующемуся вследствие слияния клеточных покровов, включающем, как и матрикс животных клеток, фибрилляторные элементы. Есть полые трубочки- каналы для транспорта веществ: через них мигрируют и клетки колоний, создавая новые. По матриксу распространяются сигнальные вещества, в частности, и те, что служат для оценки плотности собственной популяции. Система постоянно пребывает в состоянии самоорганизации.

Оказалось, что в арсенале микроорганизма, обороняющего свое право на жизнь, есть много средств: бактерия способна вырабатывать ферменты, разрушающие лекарство, проникать в него, блокируя его действие, изменять рецептор, с которым антибиотик связывается на поверхности клетки, и даже удалять его из клетки сразу же, как только он туда попадает. При этом количественные показатели сопротивляемости фармацевтике различны не только в разных странах, но и в разных медицинских учреждениях.

Опять-таки, у нас не учитывается фактор ассиметричности: микроорганизмы избирательно усваивают лишь определенные зеркальные изомеры питательных веществ. [249]