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.
См. также:
8. Одним из основных принципов систем, разрабатываемых системотехникой, является принцип централизации
9. «Элементы биологических систем любого уровня сложности относительно автономны»
10. Мы можем констатировать общность принципа субоптимизации
11. Принцип исключения явлений с малой вероятностью
12. Можно ввести понятие фазового состояния системы
14. Модуляционные процессы в биологических системах
15. Одно и то же состояние системы может быть вызвано несколькими причинами
16
17. Многоповторяемость структур и биологических функций
18. Устойчивость биологической системы уменьшается при уменьшении функциональных связей между элементами системы
...
Обсудить на форуме
