Сегодня мы с вами поговорим о колебательных процессах в биологии. Начнём с того, что вообще такое колебание. Колебанием называют некий процесс, который периодически повторяется. Примером простейшей колебательной системы является маятник: тяжёлое тело, подвешенное на нити. Если нить отклонить в сторону, под действием силы тяжести грузик упадёт в первоначальное положение. При этом он получит импульс, который не может просто исчезнуть, и по инерции тело продолжит двигаться. При отсутствии трения и сопротивления воздуха тело поднимется на ту же высоту, с которой упало, что напрямую вытекает из закона сохранения энергии. Далее тело снова начнёт падать, и этот процесс будет повторяться снова и снова.
Маятник — пример физических колебаний, но колебания встречаются также и в химии. Существует особый тип химических реакций: например, реакция Белоусова-Жаботинского, в которых концентрации некоторых реагентов и продуктов колеблются с определённой частотой. Сначала в сосуде много одного вещества, потом другого, потом снова первого и т.д. Возрастание концентрации одного вещества с запозданием вызывает увеличение концентрации другого, в то время как концентрация первого падает. Такие реакции называются колебательными. Мы с вами обсудим роль таких реакций в нашей жизни.
Пожалуй, все слышали про биологические часы. Вечером нас клонит в сон, а днём спать обычно хочется меньше. Если мы перелетаем в другой часовой пояс, нам нужно время, чтобы перестроиться, и начать засыпать вовремя. С чем связано такое свойство нашего организма? С тем, что в наших клетках периодически меняется концентрация некоторых веществ: вечером больше одних, а утром других. Если мы пытаемся уснуть не вовремя, наш мозг просто не готов это сделать из-за своего химического состава. Это значит, что внутри нас идут колебательные химические реакции.
Такие суточные циклы называются циркадными ритмами. О том, что их причина в колебательных реакциях, понятно было давно, но внутрь этого процесса до недавнего времени проникнуть не удавалось. Только в 2017 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине разделили Майкл Янг, Майкл Росбаш, Джеффри Холл «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы». Рассмотрим подробнее то, что удалось выяснить этим учёным.
Опыты проводились на дрозофилах. Центр регуляции циркадных ритмов находится у этих мошек в мозге. В специальных клетках есть набор генов, который должен активироваться утром и инактивироваться вечером. Чтобы активировать все эти гены используется несколько факторов транскрипции, среди которых есть белок period. Этот белок особенно важен по той причине, что попадая в ядро он выключает как сам себя, так и остальные факторы транскрипции, участвующие в процессе. То есть днём белок period накапливается в цитоплазме, и когда его становится достаточно много, он поступает в ядро и инактивирует свой синтез, а заодно переводит мозг в «ночной» режим. Через какое-то время белок в ядре деградирует, гены вновь активируются, и цикл повторяется. Такая вот простая колебательная система. В реальности всё сложнее. Чтобы белок period накапливался дольше, в цитоплазме его уничтожает double-time-киназа. За счёт этого весь цикл растягивается до примерно 24 часов, но всё же не совсем точно. Чтобы осуществить точную настройку биологических часов, используется система из белков криптохром и timeless. Днём солнечный свет активирует белок криптохром, который вызывает деградацию белка timeless, способного спасать period от double-time-киназы. То есть днём белок period деградирует больше и не поступает в ядро, а вечером свет исчезает, и белок period оказывается защищён белком timless и начинает накапливаться. В действительности всё ещё сложнее, но нам хватит этой простой схемы. Вот мы и познакомились с примером «биологического маятника».
Рассмотрим пример из совсем другой области, а именно биологии развития. Кости, хрящи, кровь — это всё так называемые соединительные ткани, которые в эмбриональном развитии закладываются в виде сомитов, изображённых на рисунке с подписью primitive segments
Чтобы сомиты сформировались, надо закладывать каждый сомит на каком-то расстоянии от предыдущего, а то они все сольются, и дальнейшее развитие эмбриона станет невозможным. Над формированием этих структур работают две молекулярные системы:
1) Конец тела выделяет фактор FGF, который препятствует образованию сомитов, а сами сомиты выделяют ретиноевую кислоту, которая подавляет действие FGF. То есть условия для формирования сомита есть только возле другого сомита. Благодаря этому они формируются не в случайных местах, а ровно друг за другом.
2) Вторая система работает по принципу биологических часов за счёт колебательных реакций. В клетках эмбриона есть молекулярный маятник по типу описанного нами ранее, который обеспечивает выделение некоторых факторов через некоторые промежутки времени. Благодаря этой задержке каждый следующий сомит образуется только после того, как сформируется предыдущий. Эта задержка во времени позволяет сомитам формироваться не сплошной линией, а по очереди, за счёт чего они не соединены друг с другом.
Третий пример мы возьмём из экологии. Когда Илья Пригожин объяснил термодинамику и кинетику колебательных реакций, кто-то заметил удивительное совпадение. График колебательной реакции совпал с графиком хищник-жертва в экологии.
Второй график показывает колебания численности хищников и жертв, живущих на какой-то территории. Допустим, у нас произошло увеличение числа хищников. Тогда жертв стали есть больше, и их численность упала, но с некоторым запозданием. Хищники стали голодать и их численность также упала, но это позволило увеличиться числу жертв. Это, в свою очередь, с некоторой задержкой вызовет увеличение численности хищников, и всё начнётся сначала. Такие колебания происходят в природе постоянно. Задержки возникают, потому что в случае химической реакции любая реакция имеет определённую скорость протекания, а в случае хищников и жертв те имеют определённые скорости размножения. Механизм колебаний численности организмов действительно очень похож на механизм реакции Белоусова-Жаботинского, вот и описываются они сходным образом.
Мы познакомились с тремя разными колебательными процессами в биологии. На этих примерах можно осознать всю их важность. Колебания везде вокруг нас, но тут есть ещё один очень важный момент: математически они все идентичны. Колебание механического маятника, колебательные реакции, биологические часы, хищники и жертвы — всё это описывается схожими уравнениями, что несомненно упрощает нам жизнь.