Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Автоколебательная активность плазмодия миксомицета при нестационарных температурных воздействиях

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Колинько, Владимир Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СВЯЗЬ ДИНАМИКИ ПРОТОПЛАЗМ С СОКРАТИТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТЬЮ ПЛАЗМОДИЯ МИКСОМИЦЕТА.

§ I. Взаимодействие сократительной активности плазмодия микеомицета с переносом протоплазмы.

§ 2. Структурные и молекулярные основы сократительной активности плазмодия микеомицета.

§ 3. Золь-гель преобразования протоплазмы.

§ 4. Некоторые закономерности хемотактических реакций.

§ 5. Температурные зависимости параметров подвижности.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЛАЗЕРНОЙ ДОПЛЕРОВСКОЙ АНЕМОМЕТРИИ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СКОРОСТИ ПОТОКА ПРОТОПЛАЗМЫ В

ЖИВЫХ КЛЕТКАХ.

§ I. Характеристики гетеродинной схемы ЛДА.

§ 2. Трудности обработки сигнала ЛДА от направленных потоков в живых клетках.

§ 3. Расчет спектра мощности сигнала однолучевого измерителя скорости в тонком плоском канале с оптически неоднородной стенкой.

§ 4. Экспериментальное обоснование рассчитанного спектра.

§ 5. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕПЛОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РИТМИКУ ЧЕЛНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ

ПРОТОПЛАЗМЫ В ТЯЖАХ ПЛАЗМОДИЯ МИКСОМИЦЕТА.

§ I. Экспериментальная установка и методика измере

§ 2. Зависимости статистических характеристик колебаний от температуры.

§ 3. Нестационарные тепловые воздействия на ритмику челночного транспорта протоплазмы.

§ 4. Выводы.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕМ ПОДВИЖНОСТИ ПЛАЗМОДИЯ МИКСО

МИЦЕТА.

§ I. Механическая модель тяжа плазмодия.

§ 2. Модель периодической сократительной активности тяжа с учетом структурной перестройки сократительного аппарата.

§ 3. Моделщювание сократительных ритмов, регулируемых изменениями концентрации ионов кальция.

§ 4. Обсуждение результатов моделирования.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Автоколебательная активность плазмодия миксомицета при нестационарных температурных воздействиях"

Подвижность живых организмов составляет одну из фундаментальных проблем биофизики. Несмотря на многообразие конкретных проявлений биологической подвижности, в ее основе лежит несколько общих молекулярных механизмов. Основным компонентом двигательного аппарата большинства эукариот является актомиозиновый белковый комплекс, обеспечивающий механохимическое преобразование энергии, высвобоздающейся при гидролизе АН. Универсальность молекулярной структуры биологических двигательных систем придает значительную степень общности результатам исследований биологической подвижности на самых различных уровнях.

В последние годы внимание исследователей в нашей стране и за рубежом привлекает автоколебательный характер временной организации процессов подвижности, свойственный в той или иной мере как отдельным клеткам, так и многоклеточным системам высокоорганизованных организмов»

На уровне живой клетки ритмичность важнейших типов подвижности: сократительной активности и транспорта протоплазмы особенно ярко выражена в плазмодии миксомицета PKvsarum [х)£усе-pPi&Cum . За последнее десятилетие число работ, посвященных исследованию этого объекта, резко возросло. На его примере интенсивно изучаются молекулярная структура и принципы работы немы-щечных сократительных систем, механизмы взаимодействия сократительной деятельности и массопереноса цротоплазмы, природа автоколебательных и автоволновых процессов в распределенных живых системах.

Сложность, взимосвязанность и выраженная нестационарность перечисленных явлений требует комплексного подхода к их изучению, разработки методов невозмущающего контроля сократительной активности, скорости течения протоплазмы внутри клетки и других ее параметров в реальном масштабе времени, широкого использования разнообразных способов воздействия на объект и построения математических моделей внутриклеточных процессов и клетки в целом»

Нестационарные воздействия (в том числе тепловые) на живую автоколебательную систему могут быть использованы для выяснения устройства клеточных часов. Эффективность подобных методов применительно к автогенераторам небиологического происховдения позволяет надеяться на успех и в экспериментах с живыми объектами.

На протяжении многих лет исследование внутриклеточной гидродинамики и процессов массопереноса было сопряжено с большими техническими трудностями. В настоящее время разработаны методы дистанционного бесконтактного измерения скоростей потоков жадности с помощью лазерных доплеровских анемометров (ЛДА). Однако, применение ЛДА в биофизических экспериментах осложняется тем, что оптическая неоднородность стенок биологических объектов нарушает когерентные свойства зондирующего лазерного излучения, осложняет обработку сигналов и интерпретацию результатов измерений. Таким образом, актуальным является анализ наиболее пригодных для использования в биофизике оптических схем ЛДА и цроведение теоретических и экспериментальных исследований сигналов ЛДА с учетом указанных факторов для повышения достоверности выводов на базе экспериментальных данных.

Основной целью работы явилось исследование процессов, определяющих автоколебательный характер подвижности плазмодия мик-еомицета методами стационарных и быстропеременных температурных воздействий, лазерного зондирования и математического моделирования.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) Разработана и создана специализированная экспериментальная установка, включающая двухсекционный быстродействующий управляемый термостат, лазерный доплеровский анемометр, автоматическую систему регистрации.

2) Предложена эффективная методика регистрации интенсивности массопереноса протоплазмы в тяжах плазмодия миксомицета по изменениям мощности сигнала ЛДА, обеспечивающая возможность проведения длительных (от I до 12 часов) измерений челночных колебаний потока протоплазмы и высокую точность регистрации их периода.

3) Впервые исследованы статистические характеристики периода пульсаций скорости течения протоплазмы при стационарных тепловых условиях в диапазоне температур 15-30°С.

4) Проведены эксперименты по скачкообразному (на 2 и более градусов) температурному воздействию на плазмодий, а также впервые осуществлены эксперименты по синхронизации внутриклеточных ритмов периодическим изменением температуры окружающей среды.

5) Теоретически и экспериментально показано, что нарушение пространственной когерентности лазерного пучка, зондирующего поток жидкости в канале с оптически неоднородными стенками, приводит к уширению спектров сигналов ЛДА. Полученные результаты использованы для оценки скорости течения протоплазмы в плазмодии миксомицета с учетом оптической неоднородности стенок тяжей.

6) Предложены математические модели сократительной активности плазмодия миксомицета, учитывающие частичные структурные перестройки сократительного аппарата и триггерный механизм высвобоящения регулятора сократительной деятельности в результате деформаций стенок тяжей.

Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, докладывались и обсуждались на X Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Киев,1980), III Всесоюзном совещании по нёмышечной подвижности (Цущино,1981), 1У Всесоюзном совещании по нешшечной подвижности (Чернигов, 1984), Всесоюзном симпозиуме "Механизмы временной организации клетки и их регуляция на различных уровнях" (Пущино,1983), I Всесоюзном биологическом съезде (Москва,1982), научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений в медицине и биологии" (Таллин, 1983), Московской городской конференции "Информатика, вычислительная техника, автоматизация в науке, технике и народном хозяйстве" (Москва,1983).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Колинько, Владимир Григорьевич

-146-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Теоретически рассчитан энергетический спектр сигнала ЛДА при зондировании потока жидкости в плоском канале с оптически неоднородной стенкой. Показано, что нарушение пространственной когерентности лазерного излучения, прошедшего через стенку, приводит к уширению энергетических спектров. Степень уширения определяется отношением радиуса корреляции поля зондирующей волны внутри канала к скорости течения жидкости. Проведены эксперименты, подтверждающие основные выводы теоретического анализа. Полученные результаты использованы для оценки скорости течения протоплазмы в тяжах плазмодия микеомицета.

2. Предложена и обоснована методика регистрации колебаний скорости течения протоплазмы в тяжах плазмодия по изменениям мощности сигнала ЛДА. Показана перспективность указанной методики для регистрации колебаний скорости в экспериментах большой продолжительности. Методика обеспечивала точность фиксирования моментов остановки течения порядка 3-5 секунд, что, как правило, значительно меньше дисперсии периода автоколебательной активности изучаемого биологического объекта.

3. Построен двухсекционный управляемый термостат, обеспечивающий возможность установления стационарных и быстроперемен-ных температурных условий в чашке Петри с мигрирующим плазмодием. Исследованы статистические свойства периода челночных колебаний течения протоплазмы в интервале температур 15-30°С. Установлено, что относительная нестабильность периода автоколебаний составляет около 10% и не зависит от температуры.

-1474. Обнаружено, что при скачкообразных температурных воздействиях реакция плазмодия существенно отличается от реакции на квазистационарные изменения температуры, причем реакция на охлаждение принципиально отлична от реакции на нагревание. Быстрое понижение температуры на 2-4°С вызывает значительное удлинение периода челночных колебаний течения протоплазмы, сопровождающееся уменьшением амплитуды осцилляций скорости, а при охлаждении более чем на 6°С - остановкой течения. Вслед за начальной фазой удлинения периода, продолжительность которой составляет несколько минут, происходит постепенная адаптация к новым стационарным температурным условиям.

5. Указано на наличие корреляции между удлинением периода и интенсификацией процессов гелеобразования в эндоплазме при понижении температуры. Высказано предположение, что изменение консистенции текущей эндоплазмы является одним из факторов, регулирующих длительность цикла сократительной активности плазмодия.

6. Впервые осуществлена синхронизация внутренних ритмов в плазмодии периодическими колебаниями величины и направления градиента температуры. Диапазон расстройки периода внешнего воздействия относительно периода собственных автоколебаний в клетке, в пределах которого наблюдалась синхронизация, составлял около 10 секунд. Увеличение расстройки приводило к медленным квазипериодическим изменениям собственного периода ритмической активности плазмодия.

7. Методами математического моделирования показана возможность возникновения автоколебательной активности плазмодия миксомицета при запаздывающих структурных перестройках сократительного аппарата и триггерном механизме высвобождения ионов Са^+ из хранилищ вследствие деформаций стенок тяжей. Получены численные оценки параметров автоколебаний близкие к наблюдаемым величинам.

В заключение я хочу выразить свою глубокую благодарность моему научно^ руководителю Ю.М.Романовское» а также А.В.Приез-жеву и М.В.Евдокимову за всестороннюю помощь в моей работе и ценные советы, позволившие мне осуществить и завершить разработку моей диссертационной темы. С особой признательностью я обращаюсь к сотрудникам института Биофизики АН СССР С.И.Бейлиной и В.А.Теплову, оказавшим содействие в повышении моей общебиологической подготовки, научившим меня обращению с биологическими объектами, а также за неоднократные и плодотворные дискуссии, относящиеся к моей работе. И, наконец, я благодарю дружный коллектив сотрудников, аспирантов и студентов лаборатории лазерной биофизики кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ, общение с которым было для меня не только полезным, но и приятным.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Колинько, Владимир Григорьевич, Москва

1. КамияН., Движение протоплазмы,-М.,И.Л.,1962,306 с.1. Un^mtW Pres^ 19И, 585 р.

2. Kes$(W W^moiizji structure акш( onO'ttfc^ -Lyi\ Ce.ll feo^ogu. oj- Pkysaruw ctwd bw^Wuw,, Wew York ; hz&zmicL Press, p. 145*-182

3. HO&wi&vm (\T Wb^arlb-BotUrwanvL (C.E.; S^aboimporaC re-uttonskips $etcoeei/u protoplasmic! et reaming awoi cokira<diofts aotnKttfs ш pfeswo-disX irams o^ Pkysarum po£yaepkaCiAwi;

4. GreCeekt 4V Cie^acoeka ili.y P^&snwodcumrum po&/eepka£uwi as a synchronous sisW, vol. ft, p. 555" -342

5. BamioUskt Z., The conlraabovu r€^a%a*tion1., Physarum po^YQ€pka?am pfaswodia ; -flata broto^ooeooica, р.бв^-ззг

6. Колинько В.Г., Модель автоколебательной подвижности многоядерной клетки плазмодия РЦ^ЛГит с учетом структурной перестройки сократительного аппарата.-В кн.:Динамика биологических популяций, Межвузовский сборник, ГГУ, 1983, с. 3b38.

7. Tasa^t K&miAja. №j response о^ s&memoW -to vneAatu^aC and s^imu^c,

8. Protop&smb, 1950, vrf.39; p. 255.-351.

9. MA c&ains and d^enslU^ecl srfop w/of^Kfe, Ш., Шу \rot 90} p. 408.-419.22. wo^W^'botterm^vvKb^ O^Ato^ eovvba^lovt adtoifcg Iia fttoC, vo«. . 15-32.

10. W'oWW'Uv-bo^^^vwi K^P^m&feimma U'tfagma-■Uons ai cWatWistic const tWia-U o^ pfesmoolia

11. Ce&TW Res., voe.196, p.455-W26. fa^Jtapu V., Stocked W!, V/оЩагИ feottem^vrn IwimuvioeyW^iemts-tpij o^ aee^u&tp sfee то(У PWarum po&vcep^Wn. I Sb&tiA^ oxQani^Uoi/i o^

12. Теплов В.А., Матвеева Н.Б., Зинченко В.П., Колебания уровня свободного кальция в плазмодии микеомицета в процессе челночного движения протоплазмы, В кн.: Биофизика живой клетки, г. Цдцино, 1973, сЛ 10т 115

13. UakT., doh m O&vitiusen VoUW^ Bother m&vm K.EV Reactton, oi- -He ajp^&tus

14. Pkv^rum to йдксШ Се?* ATP flDp and b'AMP, W8, ifeg.ta, p!?G:86.

15. Kurocla R Kurocta |4. y Retoh aylop^micto cmtracU&ty Ln рй^агит p(ЯчаеЖъ5 J. СЛ vo€. 53 > p.3MB

16. Гейльбрун JI., Динамика живой протоплазмы, М.,И.Л. ,1957.

17. Караганов Я.Л., Миронов А.А., Миронов В.А., Структурно-функциональные аспекты сократимости сосудистого эндотелия, Успехи совр.биологии,1983,т.95,с.421т436.32. Weaker4., Мы tft.W.BLofc, 19?6, Vo€M083 р. 139.453.

18. Pardee Stmpsovi Р.А, Ц SoudCsl 1-ft.,ftetuv цйе^ор (лМсЫ suborn^ exctW&e. L\г р^м^ео&эоьеа^ conclMums, 1 BLoe., 4982., voe.94, р.З^б-^ 0

19. Condeefcc, ^ £ f^um avxol pH ye^u

20. C&teA prcrtelw ^com Di£bjos-t.etiuvYi oU^otdeuhi Ш. cross-acfcvi yJhm^hA Ш Bioe., vat gq3 p. 466.ahd e-owtevvts o^ ectoffevvvhd o^r Plfw/swim poft/cepta^uw.

21. P^TOdLiAvyi^Proiopfe^^W^vof.Se,

22. To^acmavm LS., к'оги E.D., Tta kchetce^ ot viuctotloi/t avid ^o^meK^ion, BcoP.Cwm., №83, ЯБ8, p.320?-3£13. d

23. Sutol Imyu> U^Wata KckiA JU., Ifea A, ТлоЫгцж avid oWcte^aUovi c^ a kgk ш&с^Ы wiM: actoa-йЫща profelvi -^rom PUwum pofyeeffc btot,4384^0?.3841. Ueta T.^ural^u ill,, Wita

24. C^msta^us LW P^ysamm ро^ее^ашт

25. Ш Res.,47X^00, p, 33? г 353.

26. Du^ l Лето-■Wte IK po^ee^umvo£. 69, p.5M8.-aai

27. DewSo D./U, More a^ecting ^vnownewt sfewe vnoW р^то^^Сот^-Б^оак. P^stoe, W6, vo£. 55 А,

28. Матвеева Н.Б., Еейлина С.И., Теплов В.А., Лайранд Д.Б., Двигательные и мембранные реакции плазмодия миксомицета на неметаболизируемые аналоги глюкозы.- В кн.: Немышечные двигательные системы, М., Наука,1981,с.147-155.

29. IkkT., Hiroset, КоШсе Yv MiUkm ^орЦсв о\ aWweeeptow -hous iv\Um p^wocUum о£

30. Тарусов B.H. и др., Биофизика, M.,Высшая школа,1968,380с.

31. Wo^W^-bottЯСШШ К.Е., О^Щт^ CjOKliractuDHStw protopfesvmc sbrwctaous -kmUvnet^vj ^ ^o^itucUn^ and

32. DeriodiCL-t^ ai^d depev\dev\ce7

33. HusWlc^ RV.jWere -ft protoplasmic.sWminQ lh РЦ$е\Г(ш gu ter dopp&h speairo

34. Приезжев А.В., Евдокимов M.B., Романовский Ю.М., Релеевская спектроскопия биологических объектов, Квантовая электроника, 1981,т.8,с.2600^2608.

35. EUvavr S. el JUmwvnewt о^ (>М ^оЮ in ^'ОУО ^ dopp&r a^emome-try ^ougl & «microscope ^ВСогео&д^й?^^.^,

36. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубншцев Ю.Н., Лазерная интерферометрия,-Ново сибирск, Наука, 1983,212с.

37. Дюррани Т., Грейтид К., Лазерные системы в гидродинамических измерениях,-М., Энергия,1980,156 с.

38. Дубншцев Ю.Н., Ринкевичус B.C., Методы лазерной доплеровской анемометрии,-М.,Наука,1982,303 с.

39. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н., Протопопов В.В., Методы обработки оптических полей в лазерной локации, М.,Наука,1983.

40. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов /под ред.Г.Камминса и Э.Пайка/,-М.,Мир,1978,

41. Евдокимов М.В., Лазерная анемометрия для диагностики потоков в капиллярах и живых клетках,-Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук,Москва,МГУ

42. Рытов С.М., Введение в статистическую радиофизику,чЛ, Случайные процессы,-М.,Наука,1976,364 с.

43. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И., Введение в статистическую радиофизику,ч.П, Случайные поля,-М.,Наука, 1978,326 с

44. Camlp we^kod o^ cu&itfaAtia^ myocowyocte. pCasmocrBuCTorrey. 1936^.63,^205

45. Baranotosla i.} Kmeiics o^ regent aAum* o^ rk^smic coniraciioa acUmty iu. Pkysar um po£v/oepha?umdrops,-Acta proWoo^ogica., 1980 } \fot 19 > p.G7-76,

46. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С., Введение в статистическую радиофизику и оптику,М.,Наука,1981,640 с.

47. MaU<M5 С.; Guevara Cameron 1.Ц Pro"topfeiw(cstreaming cfurwo сей tida oj Pkysar>uw робу-серЬа&ш^Ехр. Ш Iks., 4961, vot. ill, рЧЗЗ-498.66» Насонов Д.И., Александров Д.Н., Реакция живого вещества на внешние воздействия, М.-Л.,Изд.АН СССР,1940.

48. Колинько В.Г., Евдокимов M.B., Приезжев A.B., Исследование автоколебательной подвижности клетки плазмодия Рку2>аГЦИ1 при стационарных и нестационарных температурных условиях,

49. В кн.: Тезисы докладов I Всесоюзного биофизического съезда, г.Москва,1982,т.2,с.158.70. H^kd К.Е., SyhcUni^ation. and -bans mission, at prolopfasmvcsArancU o^ Pkys&rum. Reaatioi^ to ягагуиш -temperature gra<Uehts r РСакЪ. Шо? v»e.l50, pM8CM88.

50. Романовский Ю.М., Хоре Н.П., Модель механических автоколебаний в плазмодии миксомицета,-Биофизика,1982,т.27,вып.4,с.707

51. Воробьев М.М., Цриезжев А.В., Романовский Ю.М., Математическая модель течения протоплазмы в вязкоупругом активном тяже плазмодия микеомицета,-Биофизика,1980,т.25, вып.3,с.515г525.

52. Регирер С.А., Буткевич М.М., Волновые движения жидкости в трубках из вязкоупругого материала. Волны малой амплитуды., Изв.АН СССР,Механика жидкости и газа,1975,Р1,с.45г51.

53. Скобелева И.М., Модель сосудистого тонуса/численный эксперимент/, Механика композит.материалов,АН Латв.ССР,1980,Р1,с.Ю7

54. Клочков Б.Н., Автоволновые процессы в кровеносных сосудах мышечного типа,-В кн.: Автоволновые процессы в системах с диффузией, г.Горький, ИШ> АН СССР,1981,с.233г243.

55. Дещеревский В.И., Математические модели мышечного сокращения, М., Наука,1977,160 с.

56. Романовский Ю.М., Черняева Е.Б., Колинько В.Г., Хоре Н.П., Математические модели подвижности протоплазмы,-В кн.: Автоволновые процессы в системах с диффузией, г.Горький, ИШ АН СССР,1981,с.202т220.

57. Sb-to ReoCo^cae properties o^ timing cyiopC&sm*. endop^m iv\ P^sarum poeyce^uvn^^Ceffi.Bioe., p. <1089-109?.

58. Хоре Н.П., Романовский Ю.М., Математическая модель течения неньютоновской протоплазмы в активном тяже многоядерного слизевика плазмодия миксомицета,-В кн.: Динамика клеточных популяций, Горький, НИИ Механики при ГГУ,1981,0.173т179.

59. K&md^a С, К-.Деи Ooi/it>^<iii£e prolpe ritessfewe тоЫ strawd /IcU ;1. W2., vot.M } р.-ИЗ H 20.81. tida Т., S*U H.;KoUaJceY,Ue e^at o\ Qt

60. WUna^ W^lou ои i^e aw^ilude {Le c/Mira-aiion rkyilom o^- pC&smocU&£ sWmcU Pkvswn pofyciepUtuvvi-Etir. ^ЛМ Bioi, isbo^. 25, p 242-21?

61. Рубаник В.П., Колебания квазилинейных систем с запаздыванием, М.,Наука, 1969 ,143 с.