В этом плане детально рассмотрены (а) информационные отношения между системой внеклеточных матриксов, цитоскелетом, белок-синтезирующим аппаратом и хромосомами с новых позиций, учитывающих авторские экспериментальные данные об изоморфных волновых состояниях этих биоструктур, (б) вклад эндогенных физических полей в биоморфогенез. Обсуждается роль эндогенных физических полей в эмбриогенезе биосистем с точки зрения солитоники и голографии и высказана идея изоморфно-гомоморфных отображений на уровне полевых функций генома с его способностью к пространственно-временному кодированию структуры организма. С этой целью предложены физико-математические модели, формализующие идеи волнового функционирования генома высших биосистем, для описания голографической памяти хромосомного аппарата и процесса солитонообразования в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. Выводится формальная модель голографического механизма фантомного листового эффекта как реализации неизвестных ранее механизмов эпигенетической памяти генома высших биосистем.
Рассмотрена также и другая модель памяти ДНК, реализуемая через функционирование солитонов ДНК, например, бризеров, внутренняя колебательная структура которых является мультиплексной статико-динамической голограммой, отображающей данный пространственно-временной статус развивающегося или регенерирующего организма. Формализм данной версии, развивающей изложенный чисто голографический вариант биоморфогенеза, вытекает из задачи Ферми-Паста-Улама, которая возникла в результате компьютерного исследования динамики колебаний в цепочках нелинейно связанных осцилляторов. Оказалось, что против всякого ожидания энергия первоначального возмущения крайних осцилляторов в таких цепочках не термолизовалась, а, распределившись по высшим гармоникам, затем вновь собиралась в спектр первоначального возмущения. При увеличении числа осцилляторов в цепочке картина возврата энергии неизменно сохранялась. Эта проблема получила название возврат Ферма-Паста-Улама (ФПУ) по именам Э. Ферми, Д. Паста и З. Улама, которые первыми исследовали эту задачу. В дальнейшем возврат ФПУ был экспериментально обнаружен в длинных электрических линиях с нелинейными элементами, в плазме, а также в динамике волн на глубокой воде. Замечательным свойством возврата ФПУ оказалось наличие "памяти" в его спектре к начальным условиям его активных мод. Эта задача может быть рассмотрена в несколько ином аспекте.
Для этого несколько меняется модель динамики волн электронной плотности в молекуле ДНК. Рассмотрены оба одиночных полинуклеотида двойной спирали ДНК в виде двух цепочек связанных осцилляторов, имеющих одинаковую частоту w, равную частоте биений между периодическими колебаниями электронной плотности в структуре комплементарных пар нуклеотидов. Такие цепочки осцилляторов могут быть описаны уравнением Клейна-Гордона. Предлагаемая модель указывает на возможность существования вокруг молекулы ДНК в составе хромосом континуума сферических солитонов (бризеров), которые могут интегрально отображать знаковую (кодовую) структуру хромосомного континуума и двигаться за пределы ДНК и клеточных ядер или совершать колебательные движения относительно положения равновесия. Бризерный континуум, смещаясь в жидкокристаллическом пространстве хромосомного континуума групп клеток и тканей, может записывать в своей внутренней колебательной структуре статико-динамические голографические решетки совокупного генетического материала. В свою очередь, такие решетки могут быть считаны экзогенными по отношению к биосистеме и (или) эндогенными акустическими и (или) электромагнитными полями, результатом чего будет формирование волновых фронтов, играющих роль регуляторных, в частности разметочных, полевых структур, необходимых для самоорганизации биосистемы в собственных пространстве-времени. Мы полагаем, что в целом геном многоклеточных биосистем работает как солитонно-голографический компьютер, вырабатывающий систему волновых образных структур, т.е. статико-динамичных моделей биосистемы, которая одновременно и относительно стационарна, и динамична.
В плане первичного теоретического анализа предложенной гипотезы нами получены результаты математического моделирования солитонов (бризеров, кинков) на ДНК в рамках модели Инглендера-Салерно-Маслова с развитием ее в отношении типов возбуждений уединенных волн и влияния последовательностей ДНК на модуляции солитонов.
Вводимый Салерно формализм базируется на положении, что вращательные движения оснований ДНК вокруг сахаро-фосфатного остова в представлении уравнения синус-Гордона моделируют нелинейную динамику цепи упруго связанных маятников, каждый из которых как осциллятор представлен канонической парой, содержащей генетическую информацию (последовательность нуклеотидов) в форме некой потенциальной функции. Она отражает специфику водородных связей между парами оснований. Поскольку для АТ-пары водородная связь двойная, а для ГЦпары тройная, получается простое правило для создания цепи, соответствующей последовательностям ДНК, т.е. можно зафиксировать отношение между силой потенциальных функций АТ и ГЦ пар как 2:3, в то время как отношение между ангармонизмом (нелинейностью, определяемой вращением оснований) и дисперсией (сахаро-фосфатные упругие натяжения) находятся как свободный параметр, фиксируемый в экспериментальных данных. В результате мы обнаружили, что различные участки естественных (природных) ДНК ведут себя по отношению к возбуждаемой на них солитонной волне не одинаково. Кроме того, в отличие от Салерно, мы зондировали естественные и произвольные последовательности ДНК солитонами типа бризеров.
В модели Салерно рассматривается степень свободы (degree of freedom), характеризующая вращение оснований в плоскости перпендикулярной оси спирали B-формы ДНК вокруг остова молекулы.Такая вращательная динамика играет важную роль в функционировании ДНК, поскольку в определенных случаях это приводит к раскрытию водородных связей комплементарных пар оснований и к экспозиции их в сферу влияния внешних лигандов. Строгие теоретические расчетные и экспериментальные данные, основанные на кинетике и равновесных состояниях при водородно-дейтериевом обмене в растворах ДНК и синтетических полинуклеотидных дуплексов, дали возможность Салерно предложить реалистическую модель раскрытия когерентных, подвижных сегментов ДНК. Подобные расширенные (10 пар оснований и более) открытые регионы ДНК могут представлять из себя термически активированное (при физиологических температурах биосистем) солитонное крутильное возбуждение двойной спирали. Модель этого возбуждения (движения) предполагает, что каждое основание образует пару с комплементарным (стерически совместимым) основанием с одинаковыми водородными связями, которые образуют упругие тормозящие силы. Вместе с тем, образуется ангармонизм этих связей, т.к. чередование двойных и тройных связей в последовательностях естественных ДНК неоднородно.
В качестве одной из последовательностей ДНК, в которых возбуждались солитонные волны по Салерно был взят c-район на 3'-конце вируса саркомы птиц, содержащий 1020 пар нуклеотидов (ASV, штамм Schmidt-Ruppin B. Мы приводим характерные паттерны распределения солитона в одномерном пространстве нити ДНК в зависимости от времени с вобуждением участков полинуклеотида в районе 600-й и 650-й пар оснований. Сдвиг возбуждения всего на 50 пар приводит к резкому изменению траектории движения волны по ДНК во времени: в области 600-й пары солитон неподвижен, а в районе 650-й делает сложные колебания со специфическим спектральным составом. Заметим, что участки запуска солитонов несут определенную функциональную нагрузку в регуляции синтеза белка: в районе 600-й пары оснований располагается два терминаторных кодона T1, а в окрестности 650-й пары размещена Rep-последовательность в сочетании с двумя терминаторными кодонами T1. Аналогичное явление можно наблюдать и на последовательности онкогена v-mos вируса саркомы мышей (Mo-MuSV, 1547 пар нуклеотидов). В районах 1000-й и 1200-й пар спектральный состав колебаний солитона вдоль цепи ДНК резко различается, но в данном случае какую-либо привязку его поведения к регуляторным кодонам сделать трудно, поскольку таковых в этих участках ДНК нет. Тем не менее, сама последовательность нуклеотидов, как это явствует из работы Салерно, а также из указанных примеров, определяет поведение солитонного возбуждения.
Реагируют ли другие типы солитонов на последовательность нуклеотидов? Поскольку для одной из разновидностей солитонов, т.н. бризеров (бионов), известно, что они могут равномерно двигаться, ускоряться или замедляться вблизи неоднородностей, логично было ожидать, что неоднородности в виде чередования АТ и ГЦ пар в ДНК также будут модулировать траектории бризеров во времени. Действительно, когда мы взяли участок ДНК из 259 пар нуклеотидов (5'-3'концы) из того же вируса саркомы птиц, то обнаружилось, что инициация бризера с некоторой начальной скоростью в центральном участке выбранного отрезка полинуклеотида вызывает модуляции в его поведении - изменение траектории во времени. Проверка этого феномена была проведена также в модельном эксперименте. Для этого использовали 240 пар нуклеотидов, в которых 120 АТ пар следовали за 120-ю ГЦ парами, образуя барьер. Возбуждение проводили на этом барьере, т.е на границе раздела АТ- и ГЦ-массивов. Сразу после инициации бризера последний отражался от ГЦ-массива, двигался к концу цепочки в сторону АТ-массива, отражался от конца цепочки (АТ и ГЦ концы фиксированы), вновь отражался от ГЦ-массива. Далее все повторялось. Если же брали однородную последовательность из 240 ГЦ пар, то бризер оставался неподвижным. Модуляции в поведении бризера обнаружились и при возбуждении солитонной волны на различных зонах исследуемого участка ДНК из вируса саркомы птиц.