Московская школа-лаборатория №363 проект 'Синергетика в школе'
Семинары/"Самоорганизация в живых системах"
  Вернуться в Семинары
 
cкачать в PDF (98 Kb)
4 декабря 2003
10 "А" класс
 

"Самоорганизация в живых системах"

  Заславский Максим
 

Живые системы совершенно определенно функционируют вдали от равновесия. Организм как целое непрерывно получает потоки энергии (например, в виде солнечной энергии, используемой растениями при фотосинтезе) и вещества (в виде питательных веществ) и преобразует их в самые разные отходы, выделяемые во внешнюю среду.

Рассмотрим пример самоорганизации в живой системе на примере простейших – амебы вида Dictyostelium discoideum.

При нормальных условиях амебы находятся в одноклеточной стадии. Они движутся во внешней среде, питаются бактериями и размножаются путем клеточного деления. В целом среда с амебами представляет собой однородную систему, поскольку их плотность (число клеток на квадратный сантиметр) весьма постоянна. Допустим теперь, что амебы начинают голодать, то есть количество еды – это управляющий параметр всей системы, при его изменении изменяется и поведение бактерий (в лаборатории это легко сделать искусственно, а в природе такое может случиться вследствие неблагоприятных изменений среды обитания). При этом можно видеть, что отдельные клетки не умирают, а вместо этого, в ответ на данное ограничение, они начинают двигаться по направлению к некоторому центру притяжения, образуя нагромождение из клеток. Начальная однородность распределения клеток нарушается. Когда все бактерии собираются достаточно плотно, получается многоклеточное тело, способное двигаться как одно целое, с целью отыскания более благоприятных условий. После такой миграции в результате дифференциации из многоклеточного тела возникают два типа клеток, причем клетки одного типа образуют своеобразную ножку, а клетки другого типа — плодовое тело, внутри которого образуются споры. В конечном счете, споры рассеиваются в среде обитания, и при благоприятных условиях они прорастают, с тем, чтобы превратиться в амеб. После этого начинается новый жизненный цикл.

 


Рис. 1 Жизненный цикл амебы

 

Рассмотрим более детально момент изменения управляющего параметра. В течение этого процесса наблюдаются следующие явления. После установления условий нехватки питательных веществ некоторые клетки начинают синтезировать и выделять во внешнюю среду химическое вещество, известного под названием циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и играющего роль своего рода сигнала. Его синтез и выделение происходят периодически, своеобразными круговыми волнами, исходящими во все стороны равномерно с четким периодом. ЦАМФ, выделенный клетками-«пионерами», достигает поверхности соседних клеток. После этого происходят события двух типов. Во-первых, клетки, получившие сигнал, направленно движутся в область повышенной концентрации цАМФ (так называемый хемотаксис). Во-вторых, процесс превращения ускоряется за счет способности клеток усиливать сигнал и передавать его дальше по среде. Это позволяет организму контролировать большую территорию и формировать многоклеточное тело, содержащее около 100000 клеток.

Суммируя сказанное, можно отметить, что ответ системы на нехватку пищи приводит к новому уровню организации, характеризуемому согласованным поведением большого числа клеток и позволяющему организму гибко реагировать на неблагоприятные изменения срёды обитания. Это был вид самоорганизации в макросистеме, теперь рассмотрим микросистему.

При выделении цАМФ клетками-«пионерами» увеличивается плотность клеток в этой области, благодаря чему увеличивается выделение цАМФ, что в свою очередь усиливает движение других клеток к этому центру. В результате возникает то, что обычно называется петлей обратной связи.

Но, в жизненном цикле Dictyostelium discoideum имеется и второй механизм обратной связи. Этот механизм работает на субклеточном уровне и отвечает как за периодическое выделение цАМФ, так и за передачу хемотактического сигнала. Этот механизм связан с синтезом цАМФ клеткой. Это вещество возникает в результате превращения другого важного клеточного компонента - аденозинтрифосфата (АТФ), являющегося одним из основных носителей энергии в живой клетке благодаря высокой энергии фосфатной связи. Однако превращение АТФ>цАМФ не происходит самопроизвольно — для его осуществления необходим соответствующий катализатор, ускоряющий это превращение. В биологических системах задача катализа выполняется специальными молекулами — ферментами. Эти молекулы обычно содержат довольно много атомов и имеют высокую молекулярную массу, за что они и получили название макромолекул. Некоторые ферменты имеют единственный активный центр, с которым реагенты должны столкнуться для того, чтобы произошло их превращение в продукты. Однако во многих случаях приходится иметь дело с кооперативными ферментами, обладающими несколькими центрами. Одни из этих центров являются каталитическими, другие — регуляторными. Когда к последним присоединяются специальные молекулы — эффекторы, каталитическая функция фермента претерпевает серьезные изменения. В некоторых случаях такими эффекторами могут служить сами молекулы, реагирующие на каталитическом центре или создаваемые на нем. При этом снова замыкается петля обратной связи, которая является положительной (активация), если в результате катализ ускоряется, или отрицательной (ингибирование) в противном случае.

Вернемся к превращению АТФ->цАМФ. Катализирующий этот процесс фермент называется аденилатциклазой. Он прикреплен к мембране клетки. Этот фермент является кооперативным, однако подробности его работы пока еще не выяснены. Естественно допустить, что внутри клетки имеется некоторый активный центр, катализирующий реакцию. Получающийся в результате цАМФ выходит во внеклеточную среду через мембрану клетки и с некоторой вероятностью может связываться с внешней (регуляторной) частью аденилатциклазы, тем самым, активируя ее. В результате производство цАМФ ускоряется, что и приводит к замыканию петли обратной связи, способной усиливать сигналы и вызывать колебания.

 


Рис. 2 Превращение АТФ->цАМФ