Временнáя структура биосистем и биологическое время - Марина Чернышева

На уровне группы нейронов в нервных центрах и сетях обработка и передача информации о каком-либо воздействии отражается, прежде всего, во временнóй перестройке паттернов множественной импульсной активности, на уровне головного мозга – в изменениях преобладающих частотных диапазонов волн ЭЭГ, сохраняя на каждом из уровней временнýю компоненту кода информации.

На уровне клетки (не только в нервной ткани) воздействия давления или химических веществ через соответствующие рецепторы мембраны изменяют мембранный потенциал и электромагнитное поле клетки, вызывают в ней движение молекул и органелл. Параллельно запускается каскад внутриклеточных химических реакций, специфика и временные параметры которых также кодируют информацию о воздействии и определяют особенности ответной реакции структур клетки. Например, частота и длительность ритмов выделения ионов кальция из внутриклеточных депо может кодировать тип воздействующего на рецепторы мембраны клетки медиатора или гормона (например, пептида, моноамина или ацетилхолина) и его концентрацию (Bhalla, Iyengar, 1999).

Последующие исследования показали, что в кортикальных нейронах мыши информационный «кальциевый» код активирует в мембране митохондрий Са-зависимые транспортеры для аминокислот Asp/Glut (ARALAP/AGC1) и для АТФ-Mg/Pi (SCaMC-3), что является необходимым условием синтеза АТФ (Llorente-Folch et al., 2013). Следовательно, кальциевый код информации на уровне митохондрий обусловливает уровень энергетического потенциала клетки (для выполнения работ ее «молекулярных машин»).

Известно, что разные вещества (лиганды) как информационно значимые сигналы могут связываться с рецепторами мембраны и/или ядра, оказывая соответственно быстрые внегеномные или же более медленные эффекты, запускаемые на уровне генома, отражая двух-уровневые темпорально различные воздействия лиганда на клетку. Например, гормон эстрадиол через метаботропный рецептор мембраны оказывает быстрые внегеномные эффекты на многие ключевые ферменты метаболизма в цитоплазме, а через ядерный рецептор – отставленное, длительное воздействие на гены других белков (Liu et al., 2002; Qiu et al., 2006, и др.), что пролонгирует суммарную длительность эффектов гормона. При этом также увеличивается разнообразие запускаемых временных процессов, вовлеченных в генерацию эндогенного времени на разных уровнях временной структуры организма, от метаболизма до поведения.

Следовательно, информация как сигнал/сообщение о воздействии возникает в клетке или более сложной рецепторной структуре-мишени (например, в сетчатке глаза), кодируется при участии времени и генерирует временные процессы, изменяя эндогенное время организма.

1.2.2. Информация как негэнтропия

В соответствии с принципом доминанты А. А. Ухтомского (1966) в центральной нервной системе передача, обработка и фиксация (или процессинг) доминирующей информации сопровождается полной или частичной селекцией субдоминантной посредством изменения соотношения процессов активации и торможения в соответствующих структурах. Это приводит к концентрации внимания, упорядочиванию каналов обработки и пула информации, вводимой в память, снижает уровень информационного шума («снимает неопределенность») и энергетические затраты на процессинг информации. Как следствие, уменьшается и доля энергии, диссипатирующей при этом в тепловую, частично используемой для поддержания активности ключевых ферментов метаболизма и температуры тела. Согласно принципу Ле Шателье, с ростом интенсивности метаболизма (основного источника свободной энергии в организме) увеличивается уровень энтропии. Следовательно, снижение интенсивности метаболизма в ходе процессинга информации как сообщения/сигнала о воздействии на организм, орган или клетку предполагает необходимость снижения при этом уровня обобщенной энтропии/хаоса. Это, в свою очередь, соответствует определению Л. Н. Бриллюэном информации как негэнтропии (Бриллюэн, 2006).

Современные представления о росте в филогенезе интенсивности метаболизма и разнообразия путей его регуляции вполне соответствуют идее Больцмана о росте уровня энтропии в биосистемах с ходом эволюции. Вместе с тем, способность к саморегуляции живых организмов (или к поддержанию гомеостазиса) считается (Пригожин, Стенгерс, 2000; Шредингер, 2002;) основным условием невозможности «тепловой смерти» для биосистем. Действительно, ряд «ноу-хау» (Опритов, 2000; Chernysheva, 2006), как говорилось выше, позволяет живым организмам регулировать уровень обобщенной энтропии в оптимальном диапазоне, поддерживая минимально возможную скорость ее роста (Климонтович, 1996). Среди этих «изобретений» природы одна из первых ролей принадлежит росту числа и разнообразия сенсорных структур, воспринимающих различные воздействия внешней и внутренней сред организма как информацию о них, а также увеличению объема памяти, сопряженной с механизмами фиксации, хранения и воспроизведения (декодирования) информации.

Следовательно, генез в структурах организма информации об экзо- и эндогенных воздействиях, как и эволюция ее объема, взаимосвязан с обеими функциями информации— как сигнала/ сообщения и как негэнтропии.

Метаболизм как источник информации и времени

Поскольку обмен веществ и энергии представляет собой совокупность биохимических реакций и составляет, как указывалось выше, энергетическую основу процессинга информации, он регулирует параметры эндогенного времени биосистемы. Кроме того, сами метаболические реакции представляют собой временные процессы. Одновременно они – источник эндогенной информации об интенсивности и направленности метаболизма, используемой как сигналы обратной связи в обмене веществ и энергии.

Роль таких информационных сигналов обратной связи на уровне клетки могут выполнять:

1. конечные и промежуточные продукты метаболизма, например, аминокислоты, моносахариды и жирные кислоты;

2. соотношения ключевых молекул энергетического обмена, характеризующих кислотно-щелочное равновесие: NADH/NAD+, AМP/ATP (см. главы III, IV);

3. локальные значения рН и температуры как интегральных параметров, характеризующих интенсивность метаболизма.

Сенсорами таких информационно важных сигналов являются транспортеры аминокислот и глюкозы клеточных мембран, активируемые их присоединением; ионные каналы, обладающие рН- (Zong et al., 2001) или термочувствительностью (Xu et al., 2002); ядерные рецепторы как сенсоры липидного обмена и уровня окислительных процессов могут присоединять в цитоплазме жирные кислоты и каротиноиды и/или оксиды углерода и азота (Desvergne et al., 2005; Teboul et al., 2008, Duez, Staels, 2008; Hummasti, Tontono, 2008; Burris, 2008; Mohawk et al., 2012, и др.). Поскольку ядерные рецепторы обладают свойствами транскрипционных факторов, они опосредуют обратные связи в метаболических сетях через регуляцию транскрипции генов ключевых ферментов метаболизма (Green et al., 2008; Le Martelot et al., 2009; VanDunk et al., 2011, и др.). Важно подчеркнуть, что данные сенсоры метаболизма генерируют новые временные процессы в метаболических сетях. Заметим, что некоторые из ядерных рецепторов-сенсоров метаболизма регулируют транскрипцию и/или трансляцию белков часовых генов (см главу III), контролирующих околосуточные ритмы обмена веществ и энергии, физиологических функций и поведения. Это обусловливает зависимость околосуточных ритмов активности не только от внешних источников энергии (света, субстанционального времени), но и от уровня метаболизма как источника эндогенной энергии.

Например, в митохондриях энергия окисления NADH в NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид) используется не только при фосфорилировании АДФ в АТФ, но и при активации ряда NAD+-зависимых эндо- и эктоферментов (например, гистоновой деацетилазы семейства сиртуинов, SIRT1-7), поли(АДФ-рибоз)полимеразы), а также транскрипционных факторов, контролирующих большой круг функций клетки (Sassone-Corsi, 2012; Li, 2013; Laurenta et al., 2014, и др.). Полагают (Houtkooper еt al., 2010; Rey, Reddy, 2015), что через эти эффекты NAD+ обеспечивает связь между редокс состоянием цитоплазмы и контролем внутриклеточного сигналинга и транскрипции. Иными словами, – связь между обменом веществ и энергии и процессингом информации на клеточном уровне. Поскольку NAD+-зависимые гистоновые деацетилазы SIRT1-7 важны для ремоделирования хроматина при действии clock-белков в процессе генеза временных процессов – циркадианных ритмов (см главу III), то можно говорить о NAD+ как об одной из ключевых молекул во взаимодействии метаболизма, энергии, информации в процессах генеза эндогенного времени.

В ходе метаболизма процессы превращения веществ идут с разрушением и/или образованием химических связей, что приводит к частичной диссипации энергии химических связей в тепловую. Очевидно, что локальное или системное изменение температуры, как и рН, является интегральным показателем интенсивности метаболизма и коррелирует с его уровнем (Naya et al., 2013, и др.). Сенсорами температуры являются термочувствительные ионные каналы клеточной мембраны (Xu et al., 2002), в том числе мембраны нейронов-термодетекторов гипоталамуса, реагирующих на изменение температуры головного мозга (Wechselberger et al., 2006), а также терморецепторов кожи и сосудов. Кодирование информации о тепловом или холодовом воздействии осуществляется чувствительными нейронами с участием временно́го компонента как описано выше. Скорость и длительность затухания метаболических процессов, сопряженных с процессингом информации, влияют на временные параметры последнего. Следовательно, метаболические процессы прямо и опосредованно генерируют важную для поддержания жизнедеятельности организма информацию. Вместе с тем, будучи временными процессами, они являются составной частью эндогенного времени как метаболическое время[1], что подтверждает одновременность генеза информации и времени на уровне, в данном случае, метаболических сетей.