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:

Животные Австралии
Страус Эму это большая нелетающая австралийская птица. Это вторая по величине птица в мире, после африканского страуса, она достигает 1.5-2 метра в высоту и весит до 60 килограммов. Эму отличные бегуны, на коротких дистанциях они развивают скорость до 50 км/ч. Однако ...

Характер распределения особей в пространстве
Большую часть года инстинкт стадности у косуль слабо выражен. Косуль следует считать зверями, ведущими не только одиночный, но даже отшельнический образ жизни. Образование же ими небольших стад является исключительным явлением, вызванное местными неблагоприятными усло ...

Гиперосмотический шок
Начальная фаза осмоадаптации: первичный ответ. При осмотическом шоке поглощение ионов К+ является первичным ответом как грамположительных (Г+), так и грамотрицательных (Г-) бактерий. Для поддержания электронейтральности при увеличении осмолярности у E. coli вслед за н ...