cкачать в

Самоорганизация в живых системах
ученик 10 «А» класса
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
простейших – амебы вида Dictyostelium discoideum.
системе
на
примере
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.
Рисунок 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 105 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.
Рисунок 2 Превращение АТФ->цАМФ