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 природного оригинала:
- пространственное расчленение на зону камбия и зону дифференцирован-
ных клеток;
- перемещение клеток комплекса из зоны камбия в зону дифференцирован-
ных клеток;
- неравномерное размещение вдоль комплекса (каскадность) величин, ха-
рактеризующих клеточное обновление зоны камбия;
- присутствие в камбиальной зоне комплекса в определенных местах кле-
ток, имеющих длительность клеточного цикла в несколько раз превышающую
среднюю;
- замедление темпа обновления клеточных элементов в онтогенезе, что
может быть вызвано старением;
- вымирание клеток комплекса, экспериментально выявляемое как
уменьшение радиационной метки, прочно связанной с ДНК ядер и изображае-
мое падающей кривой, аппроксимируемой уравнением типа
Y = ax2 + bx;
- пребывание комплекса в целом в одном из режимов: рост, остановка
роста, атрофия, гиперплазия, неограниченный рост и др.
Клетка как элемент построения и развития комплекса имеет следующие
функциональные возможности:
- закончить клеточный цикл митозом;
- не делиться - перейти в дифференцированное состояние;
- погибнуть;
- имеет место наличие клеток с разной протяженностью клеточных циклов
внутри одного комплекса, несмотря на то, что делящиеся клетки могут дос-
таточно четко удерживать стандартное время клеточного цикла (около 12
часов);
- делящейся клетке свойственно "запоминание" предшествующего числа
делений;
- адгезия клеток может варьировать в широких пределах (два, три по-
рядка).
Для того, чтобы клетка самостоятельно с ее потомством могла осущест-
вить построение морфофункционального комплекса, ей следует приписать не-
которые особенности существования, сопрягая отдельные формы клеточных
возможностей:
1) образование при делении дочерних клеток с разной продолжи-
тельностью цикла, отличной от времени жизни материнской клетки;
2) клетка с большим циклом, обладая большей адгезией, становится на
место материнской, сталкивая другую, дочернюю в область меньшей адгезии;
3) гибель в митозе клеток с циклом, меньшим минимального;
4) появление неделящихся (дифференцированных) клеток с тем же време-
нем жизни, что и у делящихся клеток после определенного числа делений,
причем выход в данное состояние происходит для клеток с меньшим и
большим временем жизни равновероятно;
5) дифференцированные клетки обладают меньшей адгезией к окружающим
гистологическим структурам по сравнению с делящимися клетками.
Перечисленные свойства достаточны для описания тканеобразования. Мо-
дель может быть представлена в одно- и многополюсном вариантах. В пос-
леднем случае исходная клетка в начале пролиферации окружает себя по-
томством в числе 6-8 клеток, от которых берет начало возникновение труб-
чатых образований типа простых и сложных желез. Ниже рассматривается
только однополюсный вариант модели, в котором онтогенез комплекса, про-
текающий в условных единицах времени, развертывается сверху вниз, начи-
ная с одной клетки. В первой колонке модели учитывается суммарное время
жизни клеточной популяции t; во второй колонке - шаг времени t, который
представляет собой минимальный отрезок времени в условных единицах, не-
обходимый для возникновения очередного деления клеток и гибели неделя-
щихся клеток, достигших предельного срока жизни; в третьей колонке раз-
мещается непосредственно сам клеточный ряд; в четвертой - среднее число
делений, проделанных клеткой ряда через каждый шаг времени при том или
ином значении Nm, в пятой - среднее время обращения клеточных элементов
популяции, представляющее собой отношение суммы времен клеточных циклов
ряда к числу клеток ряда to.
При сопоставлении графиков, гистограмм, таблиц выявлено достаточно
полное совпадение отдельных черт оригинала и модели, а именно:
1 - клеточная модельная популяция "стареет", увеличивая время своего
обращения в зависимости от времени существования и от проделанных деле-
ний;
2 - каскадность величин, характеризующих клеточное обновление зоны
камбия и набегание пиков этих каскадов с увеличением времени жизни к на-
чалу морфофункционального комплекса;
3 - размещение клеток с длинными циклами в начале каждого каскада,
имитирующая расположение стволовых клеток;
4 - пространственное расчленение зон делящихся и дифференцированных
клеток;
5 - перемещение клеток из зоны камбия в зону дифференцированных кле-
ток;
6 - рост и остановка роста, а также неограниченный рост при нарушении
правила асимметричного деления;
7 - величина пролиферативного пула в представлении имитационной моде-
ли колеблется от 100% до 50%;
8 - продуктивность делящихся клеток соответственно колеблется от двух
делящихся клеток до одной;
9 - среднее число делений, проделанных клеткой, обретает в модели
смысл контрольного деления, после которого скачкообразно меняется про-
дуктивность делящейся клетки, а само контрольное деление определяет ли-
нейные размеры комплекса;
10 - динамика клеточной гибели в модели представлена падающей ступе-
необразной кривой, где число ступеней соответствует числу клеточных суб-
популяций.
В заключение следует отметить еще одну особенность общего поведения
модельной популяции, которая также, как и оригинал, изменила нестареющую
циклическую организацию, свойственную ее элементам-клеткам, на стареющую
ациклическую, свойственную тканям, в данном случае элементарному комп-
лексу.
На представленной модели видны основные особенности ткани: зоны про-
лиферации и развития, направленность перемещения и замещения тканей, зо-
ны гибели и специализации. Здесь же мы видим наличие потенциальных воз-
можностей к регенерации.
Если для моделирования гомеостата выделить только одну цель, напри-
мер, синтез фермента, гормона, которые требуются для регуляторных функ-
ций организма или какого-то отдельного органа, то такая модель гомеоста-
та будет симметричной и принципиально ничем не отличаться от описанных
выше гомеостата трансляции или гомеостата функционирующего гена.
ФРАГМЕНТ ОДНОПОЛЮСНОЙ МОДЕЛИ
МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
t
t
клеточный ряд
Nm
to
0
2
020
1
2
2
1
140,110
1
2.5
3
3
141 111
1
4
6
2
280 220
2
5
8
1
282 340 310
2.7
4.3
9
3
283 341 311
2.5
6
12
2
286 480 420
3.3
6
14
1
3160 340 482 540 510
4
6.6
15
3
3161 341 483 541 511
3.7
8
18
2
3164 480 420 486 680 620
4.5
7.3
20
1
3166 482 540 510 5160 540 682 740 710
5.2
6.9
21
3
3167 483 541 511 5161 541 683 741 711
5
8.6
24
2
31610 486 680 620 5164 680 620 686 880 {820}
5.5
7.8
26
1
31612 5160 540 682 740 5166 682 740 710 7160 740 882
6.1
8.1
27
3
31613 5161 541 683 741 711 5167 683 741 711 7161 741 883
6
9.5
30
2
4320 480 5164 680 620 686 {880}820 51610 686 880{820} 7164 {880} 820
886
6.6
9.5
32
1
4322 482 5166 682 740 710 7160 740 {882}{940}910 51612
7160 740 882 7166 {882}940{910}51612 7160 740 882
6.9
9.5
33
3
4323 483 5167 683 711 7161 741 {883}{941}911 51613
7161 741 883 7167 {883} 941 911 51613 7161 741 883
6.7
10.8
Обозначения:
16, 8 - время цикла клетки;
нижний индекс - время жизни клетки;
верхний индекс - номер деления;
t - время жизни клеточной популяции;
t - шаг или сдвиг времени;
tо - среднее время обновления клеток;
Nm - среднее число делений, проделанных клетками,
находящимися в цикле к определенному моменту времени
жизни популяции;
{ } - дифференцированная (неделящаяся) клетка;
911- погибшая клетка
Так как эта численная модель эпителиальной ткани показала хорошее
