Колебательные процессы в биологии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Из области физики в биологию можно перенести понятие колебательных процессов, моделируя эти процессы дифференциальными уравнениями, точнее, решениями систем дифференциальных уравнений.

В основе колебательных процессов в живых системах лежит колебательный характер химических и биохимических реакций, спектр частот которых чрезвычайно широк: от колебаний сравнительно высоких частоте периодом в доли секунды, как правило, в более простых биохимических реакциях, до низкочастотных колебаний в сложных биологических системах с суточной, месячной, годовой и многолетней периодичностью.

В 1941 г. Д.А. Франк-Каменецкий опубликовал работы по периодическим режимам химических реакций. Спустя десять лет в 1951 г. Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию - окисление лимонной кислоты броматом при катализе ионами церия в сернокислой среде, опыт чрезвычайно наглядный и эффектный в связи с цветовыми колебаниями реагирующей смеси.

В 1980 г. группе авторов в составе Б.П. Белоусова, А.М. Жаботинского, А.Н. Заики на, В.И. Кринского и Г.Р. Иваницкого за открытие нового класса автоволновых и автоколебательных процессов была присуждена Ленинская премия. Эти работы заложили фундамент в изучение колебательных процессов в биологии. Ряд общих принципов функционирования колебательных химических и биохимических реакций сформулирован в [69]. Два тома книги [70] под ред. Ашоффа могут быть источником интересных сведений по биологическим ритмам.

В обзорах по циркадным ритмам рассматриваются циркадные изменения свойств биологических мембран, связанных с их липидным составом, текучестью, степенью насыщенности жирными кислотами; обсуждается роль циклических нуклеотидов в циклических изменениях свойств мембран; предполагается, что изменение синтеза белка на цитоплазматических рибосомах является существенным механизмом реализации цикардных ритмов (изменений) свойств мембран; особое внимание обращается на суточные колебания активности ферментов и их зависимость от функции различных областей ЦНС (надпереходные ядра, зрительные бугры и др.) [71].

Обнаружен циркадный ритм сывороточных иммуноглобулинов у клинически здоровых людей. Количество IgA и IgM регулярно колеблется втече-ние суток [72].

Показано, что регуляция экспрессии гена вазопрессина в супрахиазма-тическом ядре (крысы) происходит в тесной связи с биологическими ритмами, присущими этому ядру гипоталамуса, и что содержание и размер вазопрессина-М-РНКуменьшаются втемное время суток. Обнаружено общее ослабление транскрипционной активности в супрахиазматическом ядре в темное время суток [73].

В клетках костного мозга человека синтез ДНК также зависит от времени суток [74]. В течение суток имеет место периодический характер и синтез ферментов, участвующих в синтезе ДНК [75].

Активность почечной РНК-полимеразы зависит от того, в какое время дня или ночи производилось ее выделение [76].

Установлено, что концентрация кортизола бывает максимальной рано утром, к 18 часам она снижается до минимума, а затем снова возрастает, и так каждые сутки в течение всей жизни [77].

Имеет место непрерывное синхронное колебание количественного содержания С-пептида и инсулина в плазме крови [78].

Обнаружены суточные колебания нуклеиновых кислот и белка в функционально различных системах нейрон-нейроглии центральной нервной системы (крысы) [79].

Отмечены циркадные колебания концентрации пролактина в плазме млекопитающих [80], пульсирующая секреция лютеинизирующего гормона и секреция яичниковых стероидов [81] и т.д.

Практически, колебательный характер должен учитываться и уже учитывается при лабораторных исследованиях крови, экскретов, инкретов и т.п., при назначении медикаментозных средств, в инженерной психологии и т. д. Например, очень важно учитывать суточные колебания содержания уратов в сыворотке крови при беременности, поскольку степень гиперурикемии используется для прогноза преэклампсии. Однократное определение концентрации уратов у беременных не отражает истинного положения дел [82].

Параметры биологических систем носят колебательный характер и в тех случаях, когда эти параметры являются функциями многих переменных Например, показатель свертывания крови зависит по меньшей мере от 13 факторов, влияющих на коагулирующую способность крови. При количественном или качественном изменении одного или нескольких факторов свертывания коагулограмма крови приобретает характер колебания с тем большей амплитудой, чем значительней изменения в факторах свертывания.

Динамические исследования коагулирующей активности крови, проводимые через короткие интервалы времени (15 сек), позволили выявить вол-нообразность реакции системы свертывания крови с развитием сменяющих друг друга состояний гипо- и гиперкоагуляции [83].

При патологоанатомическом исследовании, проводимом, например, после оперативных вмешательств и смерти больного от фибриполитического кровотечения, либо в случае смерти от различного рода тромбоэмболических процессов, обнаруживаются последствия обеих фаз нарушения свертывания крови, т.е. наблюдается сочетание геморрагического диатеза с тромбозами (одновременно развивается тромбоз и кровоточивость).

Это наблюдается, в частности, в случаях смерти рожении от тяжелых токсикозов беременности, от афибриногенемии, от эмболии околоплодными водами и т.п. В норме колебания коагулограммы сглажены, и чем больше факторов, принимающих участие в процессе свертывания, чем меньше они отклоняются от нормы, тем сглаженность более выражена, другими словами, тем выше устойчивость системы свертывания.

Т.е. нарастание размахов колебаний некоторых биоритмов наблюдается при развитии патологического состояния и может служить показателем нарушения нормальной работы организма. Во всяком случае, тот или иной вид отклонения биоритма является естественным дополнительным индикатором состояния любой биосистемы.

Еще один пример. Обнаружено, что частота хромосомных мутаций имеет волнообразный характер: повышенная частота перестроек - приходится на 4,11,18 и 28 сутки, а точки пониженной частоты перестроек приходятся на 9,14 и 21 сутки [84].

Многие выводы теории колебаний, разработанной в физике, приложи-мы к периодическим процессам и в биологии. Например, в культуре ткани отдельные клетки миокарда периодически самостоятельно сокращаются; причем, если они не соприкасаются между собой, то фаза и частота сокращений у различных клеток различны. При соединении же их в единую массу фаза и частота сокращения у каждой клетки устанавливается одна для всей массы.

Это явление объясняется сложением колебаний: несколько маятников, колеблющихся в различных фазах на мягкой подвеске, в результате резонанса с течением времени начинают колебаться синхронно. Причиной возникновения синхронных колебаний является наличие физической связи между маятниками. Точно так же и для культуры клеток достаточно контакта между клетками, будь то контакт чисто физический, химический, электрический или какой-либо другой (или некоторая совокупность перечисленных факторов), чтобы возникло синхронное колебание системы клеток.

Самое же важное заключается в том, что периодический колеблющийся характер биохимических реакций, как показано кибернетиками, является одной из основ саморазвития организмов, - одним из механизмов онтогенеза.

Внутриклеточные колебания задают эндогенные биологические ритмы, которые свойственны всем живым системам. Именно они определяют периодичность деления клеток, отмеряют время рождения и смерти живых организмов. Модели колебательных систем используются в ферментативном катализе, теории иммунитета, в теории трансмембранного ионного переноса, микробиологии и биотехнологии.

Если колебания в системе имеют постоянные период и амплитуду, устанавливаются независимо от начальных условий и поддерживаются благодаря свойствам самой системы, а не вследствие воздействия периодической силы, система называется автоколебательной.

Незатухающие колебания в таких системах устойчивы, так как отклонения от стационарного колебательного режима затухают. К классу автоколебательных систем относятся колебания в гликолизе и других метаболических системах, периодические процессы фотосинтеза, колебания концентрации кальция в клетке, колебания численности животных в популяциях и сообществах.

Предельный цикл.В фазовом пространстве такому типу поведения соответствует притягивающее множество (аттрактор), называемое предельным циклом.

Предельный цикл есть изолированная замкнутая кривая на фазовой плоскости, к которой в пределе при t ® ¥ стремятся все интегральные кривые. Предельный цикл представляет стационарный режим с определенной амплитудой, не зависящий от начальных условий, а определяющийся только организацией системы. Существование предельного цикла на фазовой плоскости есть основной признак автоколебательной системы. Очевидно, что при автоколебательном процессе фаза колебаний может быть любой.

Остановимся на общих характеристиках автоколебательных систем. Рассмотрим систему уравнений общего вида:

Если T (T > 0) — наименьшее число, для которого при всяком t

то изменение переменных x = x(t), y = y(t) называется периодическим изменением с периодом T.

Периодическому изменению соответствует замкнутая траектория на фазовой плоскости, и обратно: всякой замкнутой траектории соответствует бесконечное множество периодических изменений, отличающихся друг от друга выбором начала отсчета времени.

Если периодическому изменению на фазовой плоскости соответствуетизолированная замкнутая кривая, к которой с внешней и внутренней стороны приближаются (при возрастании t) соседние траектории по спиралям, эта изолированная замкнутая траектория есть предельный цикл.

Простые примеры позволяют убедиться, что система общего вида (8.1) допускает в качестве траекторий предельные циклы.

Например, для системы

траектория является предельным циклом. Его параметрические уравнения будут:

а уравнения всех других фазовых траекторий запишутся в виде:

Предельный цикл называетсяустойчивым, если существует такая область на фазовой плоскости, содержащая этот предельныйцикл, - окрестность e, что все фазовые траектории, начинающиеся в окрестности e, асимптотически при t ® ¥ приближаются кпредельному циклу.

Если же, наоборот, в любой сколь угодно малой окрестности e предельного цикла существует по крайней мере одна фазовая траектория, не приближающаяся к предельному циклупри t ® ¥, то такой предельный цикл называется неустойчивым. Такие циклы разделяют области влияния (бассейны) разных притягивающих множеств.

Остановимся на общих характеристиках автоколебательных систем. Рассмотрим систему уравнений общего вида:

Если T (T > 0) — наименьшее число, для которого при всяком t

то изменение переменных x = x(t), y = y(t) называется периодическим изменением с периодом T.

Например, для системы

траектория является предельным циклом. Его параметрические уравнения будут:

а уравнения всех других фазовых траекторий запишутся в виде:

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Сейчас изучено большое количество колебательных систем в биологии: периодические биохимические реакции, колебания в гликолизе, периодические процессы фотосинтеза, колебания численности видов и т. д. Во всех этих процессах некоторые характеризующие систему величины изменяются периодически в силу свойств самой системы без периодического воздействия извне. Подобные системы относятся к классу автоколебательных. Автоколебательными называются системы, в которых устанавливаются и поддерживаются незатухающие колебания за счет сил, зависящих от состояния самой системы, причем амплитуда этих колебаний определяется свойствами самой системы, а не начальными условиями.

Исследование уравнений, описывающих автоколебательные системы, показывает, что на фазовой плоскости стационарное решение такой системы представляется предельным циклом. Для понимания некоторых общих характеристик автоколебательных систем рассмотрим систему уравнений dx/dt = P(x, у); dy/dt = Q(x, у). Если Т(Т> 0) — наименьшее число, для которого при всяком x(t+T) = x(t); y(t+T) = y(t), то движение x = x(t); y=y(t) называется периодическим движением с периодом Т. Периодическому движению соответствует замкнутая траектория на фазовой плоскости, и обратно: всякой замкнутой траектории соответствует бесконечное множество периодических движений, отличающихся друг от друга выбором начала отсчета времени. Если периодическому движению на фазовой плоскости соответствует изолированная замкнутая кривая, к которой с внешней и внутренней стороны приближаются (при возрастании t) соседние траектории по спиралям, то эта изолированная замкнутая траектория будет предельным циклом.

Предельный цикл называется устойчивым, если существует такая область E на фазовой плоскости, содержащая этот предельный цикл, что все фазовые траектории, начинающиеся в окрестности E, асимптотически при tàoo приближаются к предельному циклу. 1. Автоколебательные процессы устанавливаются за счёт явлений внутри системы. 2. Амплитуда автоколебаний зависит только от свойств самой системы. 3. АК процессы возможны только вдали от ТД равновесия. 4. Причиной АК процессов является наличие большого числа взаимодействующих элементов и обратных связей между ними.

5. АК процессы всегда устойчивы, отклонения всегда затухают. 6. В фазовом портрете системы АК процессу соответствует предельное множество – предельный цикл.

26. Структурная организация и функционирование фотосинтетических мембран.

Зрительный пигмент родопсин, так же как и бактериородопсин, — практически единственный белок в фоторецепторной мембране зрительной клетки сетчатки глаза (на его долю приходится до 80% всего белка в мембране). Пурпурные мембраны, локализованные в цитоплазме клеток некоторых экстремально галофильных бактерий, содержат единственный гидрофобный пигмент — белковый комплекс бактериородопсин, молекулы которого располагаются в ПМ строго упорядоченно.

ПМ в интактных клетках и в изолированных препаратах представляют собой дискообразные образования диаметром около 0,5 мкм и толщиной 5—6 нм. Бр расположен в ПМ симметричными группами по три молекулы, причем каждый такой тример стабилизирован 12—14 молекулами структурных липидов. Данные спектров кругового дихроизма в УФ-области свид-ют о высокой степени аспирализации белковой цепи Бр. Хромофор белка — ретиналь — содержится в белке в молярном соотношении 1:1, т. е.

на каждую белковую цепь приходится один ретиналь. Трехмерная структура молекулы Бр в ПМ расшифрована с помощью метода дифракции электронов. Одна молекула Бр содержит 7 аспиральных участков, пронизывающих ПМ. С помощью комплекса физико-химических и биохимических методов определено, что ретиналь ковалентно связан с опсином и образует связь с одним из остатков лизина в белковой цепи (так называемое шиффово основание). Макромолекулы Бр гораздо менее подвижны, чем другие мембранные белки.

Из темпер-ой зависимости спектров кругового дихроизма ПМ видно, что при температурах выше 30°С взаимодей-е мол-л Бр внутри триммеров практ-ки исч-т и в ПМ сущ-т мономерная форма Бр. В модельных системах максимум поглощения шиффова основания в протонированной форме находится около 440 нм, в непротонированной — около 360 нм. Однако в Бр максимумы, соответствующие протонированной форме шиффова основания, расположены около 560—570 нм, а непротонированной — около 412 нм. Бр в ПМ может находиться в двух различных состояних: после адаптации к темноте или к свету. Эти состояния отличаются по спектрам поглощения Бр.

Максимум полосы, поглощения Бр в образцах, адаптированных к темноте, расположен около 560 нм. После освещения максимум сдвигается до 570 нм. Изомеры Бр при возбуждении светом вовлекаются в различные циклы превращений. В темноте наблюдается медленный процесс релаксации части Бр до достижения темноадаптированного состояния.

27. Каковы основные электрокинетические явления в биологических объектах.

Методы их регистрации и измерения. ξ - потенциал дрожжевых клеток. Электрокинетические явления явления возникающие в сложных системах при движении дисперсных сред относительно дисперсионной (водные растворы белков и солей) среды возникают. Если наблюдается движение одной из фаз по отношению к другой под действием внешнего электрического поля, то эта группа явлений называется электроосмосом или электрофорезом. В частности, электрофорез - это движение дисперсной фазы по отношению к дисперсионной среде во внешнем электрическом поле, а электроосмос движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (в капиллярах, в пористых перегородках) под действием электрического поля.

Потенциал течения возникают в результате движения жидкости под действием гидростатического давления через капилляры или поры, стенки которых обладают электрическим зарядом. Это явление, обратное электроосмосу. Потенциал седиментации возникают между верхними и нижними слоями гетерогенной системы при оседании (седиментации) частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести. Потенциал седиментации возникает, например, при стоянии крови. Форменные элементы (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты), удельный вес которых больше, чем плазмы, оседают на дно сосуда.

Противоионы диффузионного слоя - катионы-отстают от движения форменных элементов. В результате этого нижние слои приобретают отрицательный заряд, а верхние-положительный. В основе всех наблюдаемых явлений находится относительное движение ионных слоев и пространственное разделение зарядов (поляризация) в направлении движения фаз. Для электрокинетических явлений (ЭКЯ) характерно возникновение на границе фаз избыточных зарядов, которые образуют два противоположно заряженных слоя т.н.

двойной электрический слой (ДЭС), в котором электрический потенциал изменяется скачком. Это явление имеет место во многих случаях. Заряд центральной частицы и ионной атмосферы всегда противоположен, поэтому под действием электрического поля на частицу и её атмосферу влияют силы противоположной направленности. Механизм образования ДЭС в разных системах различен. Например, на поверхности металлов часть электронов несколько выходят за пределы решетки, состоящей из положительных ионов и ДЭС в этом случае вносит свой вклад в работу выхода электронов из металла.

Если металл поместить в электролит, содержащие ионы этого металла, то образуется дополнительный ионный ДЭС возникающий в результате ориентации полярных молекул растворителя (например, Н2О) у поверхности металла. Двойной электрический слой может образоваться и на поверхности биологических мембран (БМ). Наружные полярные (гидрофильные) молекулы создают на поверхности БМ некоторый заряд (преимущественно отрицательный), который препятствует их слипанию, а в самой БМ возникает межфазный скачек потенциала того же знака, что и заряд на мембране. Поверхностная концентрация одновалентных заряженных групп s (измеряется кмоль/м2) связана с межфазным потенциалом уравнением Гуи – Чепмена где R- газовая постоянная, NА- число Авогадро, F- число Фарадея, С- молярная концентрация одновалентного электролита в среде (KСl или NaCl), e- относительная диэлектрическая проницаемость, `j- потенциал в безразмерной форме (). Естественно, что заряд на БМ из электролита притягивает ионы противоположного знака, что приводит к образованию ДЭС.

В реально функционирующей БМ существует ассиметрия распределения ионов внутренней среды за счет активного и пассивного транспорта ионов и картина выглядит значительно сложней. В простейшем случае распределение потенциалов вблизи мембраны по обе стороны от нее имеет вид рис.6., т.е. для БМ характерны скачки потенциалов, причем по мере удаления от границы раздела потенциал уменьшается по экспоненте где x- координата точки пространства, а LD- радиус экранировки Дебая.

Таким образом, возникающий в биологических объектах и в любых других дисперсных системах Д.Э.С. приводит к возникновению потенциала на поверхности раздела фаз - x-потенциала, который можно зарегистрировать и величина его будет зависеть как от свойств среды, так и от функционального состояния биологических объектов. В лабораторной работе определялась величина x- потенциала дрожжевых клеток имеющих сферическую форму, движущихся под действием внешнего электрического поля (электрофорез).

Величина потенциала на поверхности дрожжевой клетки, которую мы будем называть x- потенциалом определится по формуле (5). Подставляя вместо h=10-2 и e=81 для воды p=3,14 и, переводя все единицы измерения в СИ, будем иметь расчетную формулу (6). Иногда вместо пишут , где `v называется электрофоретической скоростью или подвижностью. Легко видеть, что подвижность частицы есть отношение ее линейной скорости v к градиенту потенциала электрического поля. Поэтому (6) можно записывать в виде (7).

Зная x-потенциал и радиус частицы можно определить поверхностную плотность зарядов , где q=jer(СГС), а S- площадь сфероида (S=4pr2). Эта величина зависит от свойств биологической мембраны и может меняться при изменении функционального состояния организма (патология) или условий внешней среды, например, действие радиации.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Колебательный процессы в живой природе.
Работа ученика 7-А класса
Стрижака Семёна

Колебательное движение
Колебательное движение - это движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени. Учение выделяют, что это обусловлено общностью закономерностей колебательного движения различной природы и методов его исследования. Механические, акустические, электромагнитные колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Колебательное движение свойственно всем явлениям природы. Внутри любого живого организма непрерывно происходят ритмично повторяющиеся процессы, например биение сердца.

Виды колебаний
Свободные колебания — это колебания, происходящие в системе, предоставленной самой себе, после выведения ее из состояния устойчивого равновесия (например, колебания груза на пружине).
Автоколебания — свободные колебания, поддерживаемые внешним источником энергии, включение которого в нужные моменты времени осуществляет сама колеблющаяся система (например, колебания маятника часов).

Механические колебания - это любой физический процесс, характеризующийся повторяемостью во времени.
Параметрические колебания — это колебания, в процессе которых происходит периодическое изменение какого-либо параметра системы (например, раскачивание качелей: приседая в крайних положениях и выпрямляясь в среднем положении, человек, находящийся на качелях, изменяет момент инерции качелей).

Вынужденные колебания — это колебания, обусловленные внешним периодическим воздействием (например, электромагнитные колебания в антенне телевизора).

подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Охрана труда

Курс профессиональной переподготовки

Охрана труда

Курс профессиональной переподготовки

Библиотечно-библиографические и информационные знания в педагогическом процессе

Сейчас обучается 344 человека из 66 регионов

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 611 591 материал в базе

ЗП до 91 000 руб.
Гибкий график
Удаленная работа

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

10.11.2020 672
PPTX 1.8 мбайт
17 скачиваний
Рейтинг: 5 из 5
Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Жилин Анатолий Иванович. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Онлайн-тренинг: нейрогимнастика для успешной учёбы и комфортной жизни

Время чтения: 2 минуты

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

В Госдуме предложили ввести сертификаты на отдых детей от 8 до 17 лет

Время чтения: 1 минута

Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие

Время чтения: 16 минут

Отчисленные за рубежом студенты смогут бесплатно учиться в России

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Итак, мы должны определить природу внутриклеточного периодического процесса, не зависящего от температуры, имеющего период порядка секунд, колебания которого преобразуются в околосуточные. Процесс этот должен настраиваться по внешним ритмам (свет–темнота) и по сигналам, идущим от других клеток многоклеточного организма.

В середине 1950-х гг. мысль о возможности существования колебательных, периодических химических (биохимических) реакций казалась очень странной. Как это может быть, чтобы в химической реакции все молекулы реагировали то с одной скоростью, то с другой, т.е. были бы все то в одном, то в другом состоянии? Казалось, что это допущение противоречит законам термодинамики.

И в самом деле, в равновесии колебания невозможны. Но колебательные процессы осуществляются лишь до тех пор, пока системы неравновесны, пока не израсходована их свободная энергия. Пока концентрации реагентов неравновесны, колебательные режимы вполне возможны. Но это простое соображение долго не осознавалось даже очень образованными людьми. Поэтому, когда работавший в секретном учреждении военный химик генерал Борис Павлович Белоусов послал в 1951 г. в редакцию одного из журналов статью с описанием открытой им периодической реакции, статью ему вернули с обидной рецензией: такого не может быть!

А реакция, открытая Б.П. Белоусовым, замечательная – в растворе серной кислоты малоновая, лимонная, яблочная кислоты окисляются в реакции с KBrO3 в присутствии катализатора – ионов церия (или марганца, или железа). Если для большей наглядности в реакционную среду добавить комплекс железа и фенантролина, цвет раствора периодически изменяется от ярко-синего до красно-лилового и обратно. Глаз не отведешь! Наблюдающие эту реакцию даже дышать начинают невольно в такт изменениям цвета. Но рецензенты были настолько убеждены, что этого быть не может, что не захотели поставить несложный опыт. Зачем, когда и так ясно.

Казалось, что механизм биологических часов – их маятник – найден. Однако вскоре наступило разочарование. Эти колебания в гликолизе идут лишь в особых условиях и, кроме того, сильно зависят от температуры. А часы от температуры зависеть не должны. В разных лабораториях продолжали поиск.

Гликолиз – это бескислородное окисление глюкозы, дающее всего две молекулы АТФ на одну молекулу превращенной в молочную кислоту глюкозы. А в митохондриях, осуществляющих внутриклеточное дыхание, образуется 34 молекулы АТФ на каждую окисленную до CO2 и H2O молекулу глюкозы. Вот если бы здесь был колебательный процесс, он должен был бы быть значительно более эффективным часовым механизмом.

Колебания в митохондриях были найдены – М.Н. Кондрашовой и Ю.В. Евтодиенко в лабораториях Института биофизики в Пущино. В ходе этих колебаний в митохондрии то входят потоки ионов калия, кальция или водорода, то выходят. Скорость поглощения кислорода митохондриями также периодически изменяется. Теперь найден механизм, точнее маятник, часов? К сожалению, нет. Все еще было не ясно – происходят ли эти колебания, как должно быть в часах, всегда, или только в определенных создаваемых в эксперименте условиях. И, опять же, выяснилось, что они сильно зависят от температуры.

Пришлось задуматься: следует ли искать механизм часов в процессах, обеспечивающих клетки энергией? Все больше данных свидетельствовало в пользу того, что часы идут в полном покое, когда энергия почти не расходуется, так же, как и при активной жизнедеятельности.

Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к 0°С, повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей (все это время у них правильно идут часы), и в нужное время они вылетают на ловлю ночных насекомых.

Часы идут даже при почти полной остановке метаболических процессов. В этих исследованиях важные результаты дает применение различных ядов–ингибиторов биохимических процессов.

Если добавить в воду, где живут эти организмы, метаболические яды, останавливающие дыхание и гликолиз, жизнедеятельность их замирает, эвглены перестают двигаться, гониаулаксы не могут генерировать свет. Если перенести их в свежую среду, отмыть яды, жизнедеятельность восстанавливается. Но самое замечательное: оказывается, что все это время их часы шли вполне правильно, как будто бы клетки и не отравляли: после отмывания ядов они вовремя начинают испускать свет и вовремя проявлять способность к фототаксису. Но если добавить в воду яды, нарушающие процессы считывания генетической информации, например, актиномицин Д, препятствующий функционированию РНК-полимеразы – синтезу мРНК по матрице ДНК, – часы сбиваются, ход их нарушается. Эти наблюдения сделаны в 1960-х гг. американским исследователем Гастингсом.

Для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд–нескольких минут. Это взволновало исследователей, потому что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы – сокращение мышц, активность нервных клеток, определяет их электрическую активность.

Очень может быть, что колебательные изменения потоков кальция в клетке, периодические изменения проницаемости биологических мембран, периодические открывания и закрывания кальциевых каналов обусловлены специфическими физико-химическими свойствами – особенностями взаимодействия именно ионов кальция с фосфолипидными мембранами. Это, по-видимому, следует из замечательных опытов Г.Д. Мироновой в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино.

Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток осуществляется посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентраций ионов (кальция, а затем натрия и калия) в отдельных мозговых структурах.

Но при чем тут синтез белка? Почему яды, нарушающие синтез белка, останавливают внутриклеточные часы? Это долго не удавалось понять. Успех здесь, как и во многих других областях современной биологии, был обусловлен изучением мутантов.

Читайте также: