Реферати українською » Биология и химия » Біологічний годинник


Реферат Біологічний годинник

Страница 1 из 3 | Следующая страница

С.Э. Шноль, Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова, лабораторія фізичної біохімії Інституту теоретичної й експериментальної біофізики РАН, р. Пущино

У XVIII в. було природно працювати у різних наукових напрямах – це був стиль ще недавнього Ренесансу. Вчений секретар Паризької королівської Академії Наук де Мэран був астрономом і математиком. Він вів листування із багатьма видатними дослідниками різних країн. Тоді був журналів, і наукових результатах повідомляли один одному листах і узагальнювали в мемуарах і дисертаціях. У 1729 р. де Мэран повідомив про чудовому спостереженні.

Хто тепер, коли значної частини жителів нашої країни має городи, бачив, як зростає квасоля? Всі свідки. Хто це помічав, що вночі квасоля опускає листя, а перед світанком піднімає? Мало хто це бачив – що з фантазія йти вночі на город оцінювати квасоля!

Ці «никтинастические» руху листя зауважив де Мэран. І він зробив найважливіший досвід: помістив квасоля в темну кімнату – на темряву й удень і тільки вночі – і спостерігав, що початок руху листя мають і без зміни освітленості: піднімаються, коли трапиться день (а кімнаті однаково темно) і опускаються вночі. Як листя визначають, що в ній, «волі», день чи ніч? Вони мають годинник? Можливо, квасоля відчуває зміни температури?

В багатьох рослин листя розташовуються перпендикулярно сонячним променям і стеблу вдень і паралельно стеблу вночі. Ці руху «засипання» можна зареєструвати на обертовому барабані з допомогою спеціально закріпленого пера (А). В багатьох рослин, як-от звичайна квасоля, листя продовжують цей поступ протягом днів навіть за безупинному тьмяному висвітленні. (Б) – запис цього циркадинного ритму, за умов безупинного тьмяного висвітлення

Термостатов тоді був. У 1758 р. Дюмель повторив досліди де Мэрана, помістивши рослини в глибоку печеру – в пітьму, де температура була незмінна й удень і тільки вночі. Руху листя тривали (поступово, через багато днів, цей поступ загасають, але від дуже короткій спалахи світла руху відновлюються, причому оскільки що всі час годинник йшли, лише листья-стрелки не рухалися).

Минуло 270 років із відкриття де Мэрана. Проблема біологічного годинника працями десятків видатних дослідників дуже різних спеціальностей близька до розв'язання.

Внутрішньоклітинні ритми

Що ми знаємо про біологічних годиннику зараз, на початку XXI в.? Знаємо, що що є у кожному клітині, що у багатоклітинних організмах Усі годинники всіх клітин повинні узгоджено, створюючи ієрархічну систему: годинник окремих клітин управляються годинами органу, годинник всіх органів настроюється щогодини центральної нервової системи (якщо він є), а ній – у мозку – є головні годинник організму. Знаємо, що біологічний годинник активні (на відміну сонячних годин) і эндогенны, тобто. вони «йдуть» самі – всередині кожної клітини є свій «маятник», «коливальний контур», періодичний процес, отмеривающий одиниці часу. У цьому хід внутрішньоклітинних годин, як та перебіг штучних, рукотворних? годин, можна підлаштовувати за фазою – «підбивати стрілки» за періодичними процесами довкілля, передусім добовим обертанням Землі.

«Вартовий механізм», як й належить особливо цінному майну, передається у спадок – у клітинах є гени годин. Ці гени, як й інші, піддаються мутацій і, отже, природному добору.

Ми, переважно, розуміємо, навіщо годин у клітинах – ясно, що з узгодження життєдіяльності зі зміною дні й ночі, тобто. як пристосування до обертанню Землі навколо своєї осі. Позаяк у і високих широтах співвідношення світлого і темного часу - протягом року однакові, годинник необхідні зміни і для пристосування до зміни пір року, тобто. для пристосування до нахилу земної осі щодо площині орбіти. Тут мало виміряти співвідношення світлого і темного часу діб, потрібно ще знати, зростає чи убуває день (ніч) – інакше можна сплутати весну і осінь.

Годинник потрібні і тих, хто має враховувати місячні ритми. Це насамперед, мешканці припливних зон узбереж океанів. Час «високої води» чи «низькою води» змінюється через різницю місячних і земних діб. Облік зсуву часу припливів і відпливів неможливий без точних внутрішніх годин. Зрозуміло, і призначення ієрархічної підпорядкованості годин на многоклеточном організмі – організм має як єдине ціле: неузгодженість функцій органів прокуратури та тканин призводить до різних хвороб.

Без годин не можна розв'язати завдання навігації. Помітивши, що багаті нектаром квітучі рослини ростуть під певним кутом про становище Сонця, бджоли при повторному польоті за нектаром повинні це робити поправку на рух Сонця. І тому потрібні годинник. Уміють вносити поправку тимчасово діб, і птахи, орієнтуючись в перельотах вночі з зірками чи днем за Сонцем.

Ні, в усіх тут зрозуміло! Навіщо морським одноклітинним жгутиконосцам – наприклад пиридинеям, гониаулаксу (Gonyaulax), знати, що настала ніч? Вони світяться вночі і світяться днем. Який сенс у цьому зміст? Кому вони подають світлові сигнали і чому? Навіщо годинник примітивного грибу нейроспоре? Зрозуміло, що годинник їм потрібні – інакше: вони не збереглися б із природному доборі. Навіщо потрібні? Не знаємо, зате відомо, що це безцінні об'єкти з вивчення природи годин.

Що ми знаємо про природі біологічного годинника? Звідки випливає, що вони эндогенны, що й хід не визначається якимось зовнішнім періодичним процесом?

Де Мэран показав, що справа над періодичної зміні дні й ночі. Дюмель – що справа над періодичних змінах температури. Але вони, які мають точних приладів, годі було й помітити невеликих змін. З іншого боку, то, можливо, залежить від якихось інших, фізичних, чинниках – атмосферному тиску, електромагнітних важко экранируемых випромінюваннях чи, взагалі, у якихось що невідомих випромінюваннях Сонця?

Головний доказ на користь эндогенности ось у чому. У постійних, за всіма параметрами контрольованих умовах, період внутрішньоклітинних годин зовсім не від дорівнює рівно 24 год. Такий «вільний» період може бути 22 (і навіть 16), і 28 год. Це лише, кажуть на пропозицію Халберга, «циркадный» (околосуточный) період.

Циркадные, власні, ендогенні годинник підлаштовуються зовнішніми періодичними процесами під 24-годинний період земних діб. Проте їх можна підбудувати й під інші періоди – розтягнути до 48 год чи стиснути до 16 год. Це в штучних умовах з рослинами, тваринами, людиною, коли вивчають поведінка годин на умовах, які імітували, наприклад, умови тривалого космічного польоту чи підводного плавання.

Отже, основний механізм годин – всередині клітини. Як влаштований цей механізм? Щоб з'ясувати це, потрібно сталася на кілька питань.

Перше питання: для виміру часу потрібен якийсь періодичний процес – «маятник». Ну й маятник використовують у клітинних годиннику, та яка точність їх ходу? Точність годин визначається самим высокочастотным процесом у тому механізмі. Живим організмам навряд потрібна точність вище, ніж декілька секунд на добу. Отже, може бути процес з періодом коливань порядку секунд. Який це процес? (Бджоли і птиці вносять поправки на рух Сонця чи обертання за зоряним небом, тобто. Землі, з точністю за кілька хвилин.)

Інше питання: як забезпечується незалежність ходу годин від температури? Хід годин повинен бути незалежним від температури. Надто вже мінлива температура довкілля. Незалежність від температури – важка умова пошуку: все хімічні процеси та більшість фізико-хімічних процесів сильно залежить від температури.

Третє питання: як здійснюється перетворення високочастотного процесу у низькочастотний? У наших механічних годиннику перетворення від секундних коливань маятника (секундна стрілка робить оборот за 1 хв) до руху хвилинної стрілки (оборот за 1 год) і 12-часовому обороту годинниковий стрілки здійснюються у вигляді делителей частоти – системи шестерень. Як у біологічних годиннику здійснюється перетворення околосекундных коливань в околосуточные?

Четвертий питання: як відбувається регулювання і підстроювання годин щодо зовнішніх періодичних процесів («сигналів точний час»)? Мають бути «рецептори», сприймають ці зовнішні сигнали, наприклад світлові імпульси.

Залишається ще багато важливих запитань і у тому числі такий: як здійснюється «тимчасова організація» – узгодження всіх внутрішньоклітинних годин багатоклітинного організму? Таке узгодження передбачає якусь систему сигналізації між клітинами. А тоді виникають запитання: що з сигнали посилають вони одна одній? Як досягається ієрархія – підпорядкування годин одних клітин сигналам годин інших, «керівних», клітин? Де у клітині перебувають годинник? Де в многоклеточном організмі зі складною анатомією розміщені основні годинник?

Дослідженням природи біологічного годинника зайняті лабораторії за кордоном. Тут ми працювали й працюють видатні дослідники: «класики» Фриш, Бюннинг, Питтендрич, Хастингс, Халберг, і багато нових, відносно молодих біологів, фізиків, математиків. Не попри всі перелічені запитання отримані відповіді, але що успіхи тут чудові.

Біохімічні коливальні процеси та внутрішньоклітинні годинник

Отже, ми повинні визначити природу внутрішньоклітинного періодичного процесу, котрий залежить від температури, має період порядку секунд, коливання якого перетворюються на околосуточные. Процес повинен налаштовуватися за зовнішніми ритмам (свет–темнота) і з сигналам, що йдуть від інших клітин багатоклітинного організму.

У середині п'ятдесятих рр. думку про можливість існування коливальних, періодичних хімічних (біохімічних) реакцій здавалася дуже дивній. Як це то, можливо, щоб у хімічної реакції все молекули реагували те з однієї швидкістю, те з інший, тобто. було б усе те щодо одного, то іншому стані? Здавалося, що це припущення суперечить законам термодинаміки.

І на насправді, в рівновазі коливання неможливі. Але коливальні процеси здійснюються до того часу, поки системи неравновесны, доки витрачена їх вільна енергія. Поки концентрації реагентів неравновесны, коливальні режими цілком можливі. Але це просте міркування так важко усвідомлювалося чи навіть дуже освіченими людьми. Тому, коли працював у секретному установі військовий хімік генерал Борисе Павловичу Бєлоусов послав у 1951 р. до редакції однієї з журналів статтю з описом відкритої їм періодичної реакції, статтю йому повернули з образливою рецензією: такого бути не то, можливо!

А реакція, відкрита Б.П. Бєлоусовим, чудова – в розчині сірчаної кислоти малоновая, цитринова, яблучна кислоти окисляються у реакції з KBrO3 у присутності каталізатора – іонів церію (чи марганцю, чи заліза). Якщо наочності в реакційну середу додати комплекс заліза і фенантролина, колір розчину періодично змінюється від яскраво-синього до красно-лилового і навпаки. Око не відведеш! Наблюдающие цю реакцію навіть дихати починають мимоволі в такт змін кольору. Але рецензенти були такі переконані, що цього, може неспроможна, що ні захотіли поставити нескладний досвід. Навіщо, що й так ясно...

На час відкриття Б.П. Бєлоусова математична теорія коливальних реакцій була створено (в 1910 р. Альфредом Лоткой). В Україні країни видатні фізики Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов та його послідовники створили загальну теорію коливань. Д.А. Франк-Каменецкий і И.Е. Сальников відкрили і описали коливальні процеси в реакторах, коли відбуваються як хімічні перетворення, а й дифузія і передачі тепла на стінках реактора. Усе це могло служити моделями внутрішньоклітинних коливальних процесів. Залишалося «небагато» – знайти їх у клітинах.

Повідомлення про відкриття біохімічних коливальних процесів почали з'являтися з кінця 1950-х рр. (зокрема з нашого лабораторії). Проте перший безперечно періодичний біохімічний процес відкрив видатний американський біохімік Бріттен Чанс.

В усіх життєвих клітинах перетворення енергії пов'язані з синтезом і гидролизом АТФ. Найпоширеніший процес, у якому темряві і кисню утворюється АТФ, – це гліколіз, коли відбувається розщеплення молекули глюкози на дві молекули молочної кислоти чи дві молекули етилового спирту і ще дві молекули СО2 (тоді це процес називається заворушеннями). Гликолиз – це послідовність багатьох реакцій, кожна з яких каталізується своїм ферментом. Центральна реакція гликолиза (у ній фруктозо-6-фосфат перетворюється на фруктозо-1, 6-бифосфат) каталізується ферментом фосфофруктозокиназой. От у цієї реакції виявлені коливання швидкості. Отже, і синтез АТФ мав здійснюватися з коливаннями швидкості: то швидше, то повільніше. І коливання були «цілком підходящі», з періодом порядку хвилини, тобто. цілком годилися в ролі маятника біологічних внутрішньоклітинних годин.

Здавалося, що механізм біологічного годинника – їх маятник – знайдено. Проте невдовзі настало розчарування. Ці вагання в гликолизе йдуть лише особливі умови та, крім того залежить від температури. А годинник від температури залежати нічого не винні. У різних лабораторіях продовжували пошук.

Гликолиз – це бескислородное окислювання глюкози, дає лише дві молекули АТФ однією молекулу перетвореної на молочну кислоту глюкози. На мітохондріях, здійснюють внутрішньоклітинний подих, утворюється 34 молекули АТФ кожну окисленную до CO2 і H2O молекулу глюкози. Ось якби тут було коливальний процес, він повинен бути значно більше ефективним годинниковим механізмом.

Коливання в мітохондріях знайшли – М. Н. Кондрашовой і Ю.В. Евтодиенко в лабораторіях Інституту біофізики в Пущино. У результаті цих коливань в мітохондрії то входять потоки іонів калію, кальцію чи водню, то виходять. Швидкість поглинання кисню митохондриями також періодично змінюється. Тепер знайдено механізм, точніше маятник, годин? На жаль, немає. Досі було ясно – відбуваються ці коливання, як має бути, у годиннику, завжди, або тільки у певних створюваних експериментально умовах. І, знов-таки, з'ясувалося, що вони сильно залежить від температури.

Довелося замислитися: чи варто шукати механізм годин на процесах, які забезпечують клітини енергією? Дедалі більше даних свідчило за те, що годинник йдуть у повному спокої, коли енергія майже витрачається, як і, як і за активної життєдіяльності.

Пчел взимку приховують від морозів і світла, вони ціпеніють у своїх темних вуликах. А годинник

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

  • Реферат на тему: Активізація пізнавальної діяльності учнів на уроках хімії
    Кваліфікаційна робота Виконала слухач додаткової освітньої програми «Викладач» >Мелешкина О.Г.
  • Реферат на тему: Роль мікроелементів у складі добрив
    >Черноногов В. Г., агроном ВАТ «>Буйский хімічний завод» Елементи харчування з часткою «мікро»
  • Реферат на тему: Тиласін - тасманийский тигр
    Стаття присвячена знаменитому >тасманийскому тигру, офіційними даними зниклому з землі. Ентузіасти
  • Реферат на тему: Ватсон
      >Ватсония - дуже близький родич >гладиолуса, схожі і зовні. В неї довгі лінійні >мечевидние
  • Реферат на тему: Спирты
    Історія відкриття спиртів. Перебування у природі. Фізичні властивості. Хімічні властивості. Набуття

Навігація