Колебательный режим работы регуляторных систем
Страница 1

Биология » Регуляторные системы и ритмические явления в клетке » Колебательный режим работы регуляторных систем

Теперь нас будет в основном интересовать возможность существования незатухающих колебаний концентраций веществ, включенных в замкнутые цепи регуляции. Такие колебания очень часто возникают в регуляторных системах с обратной связью. Инженеры называют их паразитными колебаниями, так как на них расходуется много энергии. Их обычно рассматривают как нежелательные и при конструировании следящих систем по возможности устраняют. Однако есть одно весьма замечательное исключение – самонастраивающиеся устройства, которые осуществляют непрерывный поиск для достижения состояния, оптимального согласно заданному критерию. В этом случае динамические колебания необходимы для эффективной работы устройства, и если они не появляются естественным путем, их нужно вызвать. Эта соблазнительная аналогия все же не имеет столь прямого отношения к деятельности биологических систем, как может показаться с первого взгляда. Основное назначение колебаний в самонастраивающихся системах – это борьба с трением покоя, которое уменьшает чувствительность устройства к изменению внешних параметров. Кроме того, незатухающие колебания около положения равновесия увеличивают скорость отработки контуров, вычисляющих оптимизирующую функцию.

Эти аспекты не имеют прямого отношения к открытым биохимическим системам, которые всегда находятся в движении – даже если в них поддерживается стационарное состояние, оно обеспечивается непрерывным синтезом и распадом отдельных компонентов. Точно так же нет оснований думать, что биохимические "датчики" лучше отвечают на осциллирующий сигнал, чем на постоянный. Однако имеются все основания считать, что в замкнутых цепях с репрессией, включающих ДНК, РНК, белок и метаболиты, могут возникнуть колебания. В такой системе любое изменение скорости синтеза m-РНК в генетическом локусе окажет влияние на состояние метаболической системы с некоторой задержкой во времени. Это вызывается тем, что существует длинная цепь – синтез m-РНК, диффузия m-РНК к месту синтеза белка, синтез фермента, возможная диффузия фермента к месту метаболической активности и, наконец, ферментативная реакция, – и каждая стадия этой цепи требует некоторого времени. Поэтому повышение концентрации репрессора, играющего роль обратного сигнала из метаболической системы в генетический локус, будет уменьшать скорость синтеза m-РНК с некоторым опозданием. При переходе из одного состояния в другое в такой системе обязательно возникнут колебания. Но эти колебания будут затухающими, если временная задержка между синтезом m-РНК и метаболическим сигналом обратной связи достаточна мала или если в системе имеет место "самодемпфирование". Может оказаться, что такие колебания являются помехой для адаптации и выживания, и тогда они могут быть подавлены теми же способами, какие используют инженеры для борьбы с паразитными колебаниями.

Однако имеются факты, показывающие, что в динамической организации клетки заложена некая фундаментальная периодичность. Эти факты накоплены в результате исследования ритмической деятельности клеток и организмов. В этой чрезвычайно быстро развивающейся в последние годы области были получены очень интересные и имеющие фундаментальное значение данные о природе и повсеместном распространении биологических часов. Наиболее активным сторонником представлений о колебательной природе временной организации биологических систем является Питтендрай. Недавно он высказал предположение, что первичные колебания, лежащие в основе этой организации, возникают из-за наличия обратных связей в системах, регулирующих физиологическую активность: "Дарвиновский демон, несомненно, имеет дело со множеством физиологических колебательных процессов, поскольку во всех системах управления – от регулирования ритма сердечных сокращений до синтеза белка – существенным элементом является отрицательная обратная связь. А такие системы обладают врожденной способностью совершать колебания". Еще раньше подобные представления развивались Гастингсом и Суини; А. Львов и М. Львов проанализировали возможность тесной связи между процессами регулирования с обратной связью и ритмическими, или периодическими, явлениями в биологических системах на разных уровнях организации, обратив особое внимание на мышечное сокращение. В этих работах заложены основы будущей теории динамики биологических регуляторных процессов – теории, основные постулаты которой должны быть справедливы в весьма широкой области биологических проблем, от биофизических до демографических, и даже в близко примыкающих к биологии областях, например в экономике.

Страницы: 1 2


Также смотрите:

Микромир
Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали и ...

Биоэнергетика как раздел биотехнологии
Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - только 8%. Для ...

Гомоциклические (ароматические) аминокислоты.
К числу гомоциклических аминокислот принадлежат две кислоты: тирозин (параоксифенилаланин), открытый в 1846 г., и фенилаланин, открытый 1880 г. Эти кислоты играют важную роль в организме. ...