Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование динамики функциональной структуры популяций микроводорослей методами математического моделирования

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование динамики функциональной структуры популяций микроводорослей методами математического моделирования"

РГ6 од

московским государственный университет 1 5 ПОП 1393 имени м.в.ломоносова

биологическим факультет

На правах рукописи удк 577.4

лебедева Галина Владимировна

исследование динамики функциональной структуры популяций микроводорослей методами математического моделирования

03.00.02 - биофизика

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

москва - 1993 г.

Работа выполнена на кафедре биофизики Биологического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Ризниченко Г.Ю.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

проф. Алексеев В.В.

кандидат биологических наук Микаэлян A.C.

Ведущая организация: Институт физиологии растений

им. К.А.Тимирязева РАН

Защита состоится " 9 " ¿¡¿¿¿йклЯ 1993 года

V/ '

в_ ч мин на заседании Специализированного Совета

К 053.05.68 в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: IIS899, Москва, Воробьевы горы,

МГУ, Биологический факультет, каф.биофизики, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " ¿4 " Щк1993г.

Ученый секретарь Специализированного совета К 053.05.68, доктор биол. наукБ-А-Гуляев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акщ альность_темы.

В настоящее время остро встает проблема контроля за состоянием окружающей среды. Современные физикохимические методы, применяемые для количественного определения загрязняющих агентов, не дают ответа на вопрос о состоянии природных экосистем и их отдельных компонентов. В условиях появления новых загрязняющих веществ, обладающих синергетическим действием, актуальной становится проблема разработки средств биомониторинга для оценки качества окружающей-среды. Среди них важное место занимают методы контроля и прогнозирования состояния популяций микроводорослей, представляющих собой базовое автотрофное звено многих экосистем.

Для оценки состояния природных популяций традиционно используются валовые, усредненные характеристики, что исключает из рассмотрения главную особенность биологических популяций - неоднородность ответной реакции особей на внешние воздействия. С развитием новых методов исследования, позволяющих измерять физинохимические параметры отдельных клеток,стало возможным получать дополнительную информацию о клеточных популяциях - исследовать их функциональную структуру. Под функциональной структурой понимается распределение клеток популяции по величине некоторого измеряемого параметра, характеризующего определенный тип функциональной активности клетки.

Перспективным методом изучения функциональной структуры популяций микроводорослей является микрофлуориметрический, позволяющий получать данные о распределении клеток микроводорослей по содержанию хлорофилла и эффективности первичных процессов фотосинтеза, а также проводить кинетические измерения - регистрировать кривые индукции флуоресценции хлорофилла от отдельных клеток.

Как показывают исследования, изменения состояния популяции сопровождаются характерными изменениями ее функциональной структуры, а в ряде случаев модификация структуры предшествует изменению численности популяции. В связи с этим, в целях разработки методов раннего выявления изменений качества окружающей среды, представляется важным анализ распределения клеток популяции микроводорослей по ряду функциональных параметров и изучение его ответной реакции на изменение внешних условий.

Для установления связи между параметрами регистрируемых распределений и параметрами регуляторных механизмов, обеспечивающих

ответную реакцию популяции на внешнее воздействие, возникла необходимость разработки математической модели, описывающей динамику функциональной структуры популяции микроводорослей.

Функциональные различия мевду клетками исключительно важны для обеспечения адаптации популяции к изменяющимся условиям. Для выявления причин, лежащих в основе этих различий, а также для исследования механизма ответной реакции отдельной клетки на изменяющиеся условия, в дополнение к популяционной модели потребовалась разработка модели фотосинтетических процессов, протекающих на клеточном уровне.

Цель и задачи исследования.

Целью работы являлось установление связи динамики численности популяции микроводорослей с динамикой распределения ее клеток по ряду фотосинтетических характеристик в нормальных условиях и при воздействии неблагоприятных факторов.

В работе были поставлены следующие задачи:

- исследовать динамику функциональной структуры популяций микроводорослей и выявить достоверные изменения распределения клеток популяции по фотосинтетическим параметрам при изменении условий среда обитания;

- проанализировать возможные причины, приводящие к тому или иному типу распределений клеток в гетерогенной клеточной популяции и к изменениям в характере этих распределений;

- с помощью методов математического моделирования исследовать связь между характеристиками экспериментально регистрируемых распределений и параметрами конкретных механизмов, обеспечивающих ответную реакцию клетки и всей популяции на изменение внешних условий.

Научная новизна работы. Разработан новый подход к исследованию гетерогенных клеточных популяций - анализ динамики распределения клеток популяции по функциональным показателям (анализ динамики функциональной структуры). Показано, что изменения состояния клеточной популяции под воздействием внелних факторов сопровождаются характерными модификациями ее функциональной структуры. Проанализированы возможные причины функциональной гетерогенности популяций. Впервые исследована роль колебаний величины измеряемого клеточного параметра в формировании эксперименталного распределения. С помощью имитационной модели изучена зависимость формы экспери

ментального распределения от закона колебаний величины функционального параметра в клетках.

Предложен новый способ оценки функционального состояния растительной клетки - анализ формы кривой индукции флуоресценции хлорофилла, регистрируемой от клетки микрофлуориметрическим методом. С помощью математической модели, учитывающей взаимодействие световых и темновых процессов фотосинтеза, различным формам кривых индукции флуоресценции сопоставлены определенные состояния фотосинтетического аппарата растительной клетки.

Практическая ценность работы. Предложенный в работе подход к оценке функционального состояния клеточной популяции по данным о распределении ее клеток по функциональным показателям может быть использован при разработке средств биомониторинга для выявления изменений качества окружающей среды.

Результаты модельного исследования зависимости формы кривой индукции флуоресценции хлорофилла от соотношений параметров темновых и световых стадий фотосинтеза вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосинтетической активности растительной клетки в поцессе роста и развития клеточной культуры.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах кафедры биофизики биологического факультета, на заседаниях школы-семинара "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Ростов-на-Дону, 1989, 1990гг.), на 17-м Всесоюзном совещании "Люминесцентный анализ в медицине и биологии и его аппаратное обеспечение" (Клин, 1992г.), на Ш-м съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего наименований. Материалы диссертации изложены на-//0 страницах, включая 24 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследуемой темы, формулируются основные задачи и цели исследования, отмечается научная новизна полученных результатов.

Диссертация построена таким образом, что в каждой главе содержится обзор литературы по определенной проблеме и результаты

собственных исследований в этом направлении.

Первая_глава посвящена проблеме исследования гетерогенных клеточных популяций. Показано, что гетерогенность является неотъемлимым свойством природных популяций, необходимым для обеспечения стабильности популяции и ее адаптации к внешним воздействиям, рассмотрены основные причины популяционной гетерогенности.

В разделе 1.1 представлен обзор исследований, посвященных изучению структуры клеточных популяций в зависимости от условий внешней среды. Показано, что характер распределений клеток по функциональным параметрам ■ (среднее значение, степень гетерогенности, форма распределения) зависит от условий обитания популяции (освещенность, наличие элементов минерального питания, глубина и т.п.). Изменения во времени характера наблюдаемых распределений свидетельствуют о переходных процессах в популяции под воздействием факторов внешней среды.

Раздел 1.2 посвящен анализу основных подходов к моделированию гетерогенных клеточных популяций. Рассмотрены непрерывные и дискретные модели гетерогенных популяций, обсуждаются преимущества и недостатки кавдого подхода.

В разделе 1.3 анализируются возможные причины гетерогенности природных клеточных популяций, а также изложены результаты собственных исследований, посвященных выяснению роли колебаний функционального параметра в клетках в формировании той или иной формы экспериментального распределения. Показано, что даже при полной идентичности клеток популяция в каждый момент времени является гетерогенной по клеточным функциональным показателям в том случае, если в клетках присутствуют колебания функционального параметра, не синхронизированные между отдельными клетками. Если период колебаний функционального параметра (ФП) существенно больше времени экспериментальной регистрации величины ФП и амплитуда колебаний ФП сравнима с величиной среднего квадратического отклонения этого параметра в клетках, форма экспериментального распределения в значительной степени определяется законом колебаний величины ФП в клетках.

Показано, что при наличии в клетках колебаний ФП с постоянной амплитудой (гармонические, пилообразные, релаксационные) в эксперименте должны регистрироваться бимодальные распределения

- сич)С04(шу)+В

5.1 6.4 5.7 7.0 7.5 7.6

ънамени£ мутрихлеточнаъорН

Рис.1 Примеры функций, распределения которых можно использовать для аппроксимации унимодальных экспериментальных распределений. Для каждой функции подобраны значения параметров, при которых ее распределение хорошо аппроксимирует экспериментальное распределение лимфоцитов периферической кроЕИ по величине внутриклеточного рН,изображенное на вставке.

а) Г(ф) = Ае_к(рсоз(шф)+В, (А,к,и,В) = (0.9;0.47;10;5.75);

б) Г(ф) = 1 А^_к1фсоз(о)1ф)+В, п=3, (А1,А2,А3)=(0.7;0.3;0.4);

1=1 (ш1 ,и^,ш3)=(2;15;30); 1ц =1^=1^=0.4; В=6.75.

в) Г(ф) =_2 А1соз(и1ф)+В, п=3, (А1,А2,А3)=(0.3;0.2;0.2);

1=1 (ш1,ш2,Ш3)=(2;50;100), В=б.75.

л/N -0.6 о л 0.2

О 0.3 0.6 ол 0.2

О

0.6 ол 0.2

O.lSiO.Ob'

о. fit о. os

о. я t o.oi

J. SS г

1.13*0.93

i.HiQ.Ht

Г

Q2 ОЛ 0.6 ОЛ 0 i 2 3 ЭШФ, отн.ед. Содержание тросримл

Рис.2 Распределение клеток Chlorella vulgaris по эффективности первичных процессов фотосинтеза (слева) и содержанию хлорофилла (справа)

А- в контрольном эксперименте;

Б- через 48 ч после введения в среду инкубации сулемы в

концентрации 10мг/мл; В- через 72 ч после изъятия из среда культивации соединений азота.

клеток по ФП с положением максимумов, соответствующим граничным значениям ФП. С помощью имитационной модели показано, что для регистрации в эксперименте унимодальных распределений , близких по форме к распределениям типа Гаусса, Пуассона, Лоренца и т.п., колебания ФП в клетках должны иметь характер "биений": 1(ф) = a(<p)cos(uxp) + В, где переменная ср - фазовый угол колебаний, ш = 2%/Т - частота колебаний ФП (с периодом Т), а(ф) -периодическая (с периодом TQ) функция, задающая закон изменения амплитуды колебаний ФП. На рис.1 приведены примеры нескольких функций "биений", распределения которых могут быть использованы для аппроксимации унимодальных экспериментальных распределений.

Вторая_глава посвящена исследованию динамики распределения клеток популяции Chlorella vulgaris по содержанию хлорофилла и эффективности первичных процессов фотосинтеза (ЭППФ) в различных условиях культивирования.

Раздел 2.1 представлает собой обзор работ, посвященных изучению люминесцентных свойств фотосинтетического аппарата (ФСА) зеленых растений. Рассмотрены особенности организации ФСА, важные для понимания механизма флуоресценции как явления, используемого для изучения реакции растения на действие внешних факторов.

В разделе 2.2 приведены результаты статистического анализа динамики распределения клеток популяции Chlorella vulgaris по содержанию хлорофилла и ЭППФ в различных условиях культивирования. Показано, что при изменении условий культивирования (введение токсического агента - сулемы, изъятие из среды элементов минерального питания - соединений азота) развитие популяции микроводорослей сопровождается характерными модификациями ее функциональной структуры ( изменение степени гетерогенности, асимметрии распределений, возникновение дополнительных максимумов) (рис.2).

В разделе 2.3 изложены результаты моделирования распределения клеток Chlorella vulgaris по содержанию хлорофилла в различных условиях культивирования. Для описания переходных процессов в популяции микроводорослей, сопровождающихся изменениями ее функциональной структуры, был использован, после внесения ряда модификаций, аппарат матричных моделей, учитывающих возрастную структуру популяции.

В популяции хлореллы выделялось п групп клеток по содержанию хлорофилла. Рассматривалась следующая схема процессов, протекающих в популяции микроводорослей:

Р1Э

"1

И & и

Р32>

Раз

--------<—

Ш

Рц

Р34

И

Ран

Здесь квадраты с арабскими цифрами означают группы по содержанию хлорофилла (больший порядковый номер группы соответствует большему содержанию хлорофилла), р^-, - вероятности перехода клетки за время At из 3-ой группы в 1-ю.

Динамика численного состава популяции описывалась векторным дифференциальным уравнением X = АХ, где X = (z1 ,х2,... ,хп) - вектор состояния популяции, каждый компонент xi которого представляет собой численность клеток 1-й группы; А - матрица, описывающая закон развития популяции, т.е. все возможные переходы клеток из группы в группу, а также влияние на популяцию внешних факторов:

А =

п

Р21

Р12

п

-&12

Раз

kmPin

k2nP2n

Pn1

1=1

Здесь недиагональные элементы , представляют собой вероятности перехода клетки за время М из 3-ой группы в 1-ю. На диагонали стоят с отрицательным знаком суммарные вероятности для клетки группы 1 покинуть эту группу; к^. - коэффициенты деления клетки группы 3. Ограниченность среды при скляночном культивировании учитывалась введением в модель диагональной матрицы У=с11а^{Г1(Т)}п, где в качестве ограничивающего фактора У рассматривалось отношение зит(1;)/К, где зит(1:) - общее число клеток в популяции в момент времени 1;, К - максимально допустимая в данных

условиях численность популяции. При этом матрица А представлялась в виде А'= АУ.

Были исследованы три модельных ситуации:

1) развитие популяции в отсутствие внешних воздействий (норма);

2) развитие популяции при введении в среду инкубации токсического агента;

3) развитие популяции при недостатке элементов минерального питания (соединений азота).

В популяции выделялось 8 групп по содержанию хлорофилла: 1,2 и 3 группы соответствовали молодым, активно накапливающим хлорофилл, не делящимся клеткам; в группах 4 и 5 происходит деление основной массы клеток; группы 6,7 и 8 являлись дополнительными и соответствовали клеткам с высоким содержанием хлорофилла и большой вероятностью деления, которые в норме присутствуют в очень малом количестве.

В результате идентификации параметров модели . по экспериментальным данным было найдено, что развитие популяции хлореллы в норме адекватно описывается матрицей (рис.За):

-1 0.01 0. 0 4-0.4 0 8 •0.2 8 ■0.2

1 -0.99 0. 1 2-0.2 0 4-0.7 4 ■0.5 4( ■0.5

0 0.93 -0. 6 0.1 0 0 0 0

0 0 0. 5 -0.7 0.1 0 0 0

0 0 0 0.4 -0.8 0.1 0 0

0 0 0 0 о.з -0.9 0.1 0

0 0 0 0 0 0.1 -0.9 0.2

0 0 0 0 0 0 0.1 -0.9

В случае (2) для описания немонотонной динамики общей численности микроводорослей в популяции были выделены две подпопуляции клеток: устойчивые и неустойчивые к воздействию токсиканта. По результатам идентификации, устойчивые клетки составляют около 5% от численности клеток, сохранивших жизнеспособность после введения сулемы (70% исходной численности). Их дальнейшее развитие описывается матрицей "норма", в которой все вероятности деления уменьшены в 2 раза. Эти клетки обеспечивают новую волну размножения популяции. Остальные 95% клеток, сохранивших способность к фотосинтезу, практически теряют способность к делению. Они накапливают хлорофилл и постепенно отмирают. Развитие этой подпопуляции клеток описывалось матрицей, в которой вероятности деления клеток уменьшены в 10 раз по

Номер группы

Рис.3 Результаты расчета динамики общей численности полудят микроводорослей и распределения ее клеток по функциональным с< стояниям (соответствующим различному содержанию хлорофилла клетках) при воздействии факторов Енешней среды:

а) распределение клеток по функциональным группам при дефиш те азота (пунктиром показано расчетное распределение в нормал] ных условиях развития);

б) динамика общей численности популяции при дефиците азо' (пунктиром показана динамика в норме);

в) распределения клеток устойчивой (1) и неустойчивой (2) воздействию сулемы подпопуляций хлореллы;

г) результирующее расчетное распределение клеток по функщк нальным группам при воздействии сулемы;

д) динамика численности устойчивой (—) и неустойчивой (—) воздействию сулемы подпопуляций и суммарная динамика численнос-популяции (-).

1 О

сравнению с нормой.

Результаты расчета динамики численности и функциональной структуры обеих подпопуляций, а также результирующего распределения клеток по содержанию хлорофилла приведены на рис.3(в,г,д).

Идентификация параметров модели в случае (3) показала, что при недостатке азота в клетках микроводорослей усиливаются процессы деградации хлорофилла. Развитие популяции адекватно описывалось матрицей, в которой по сравнению с нормой увеличены вероятности обратных переходов клеток между группами (рис.За.б).

Идентификация коэффициентов матрицы А по экспериментальным данным позволяет устанавливать количественную связь между интенсивностью изучаемого воздействия и ответной реакцией клеток, которая выражается в изменении вероятностей переходов клеток между определенными функциональными группами. Полученные в результате идентификации коэффициенты являются эффективными, интегральными оценками параметров переходов клеток между функциональными состояниями и не-имеют четкого билогического смысла. Для изучения механизмов ответной реакции отдельных клеток на внешнее воздействие и понимания причин функциональных различий между клетками в дополнение к популяционной модели необходимо построение модели, описывающей фотосинтетические процессы на клеточном уровне.

Третья глава посвящена статистическому и модельному исследованию динамики распределения клеток популяции микроводоросли Бсепейезтиз диаЗг1ссж1а по типам кривых медленной индукции флуоресценции хлорофилла в условиях скляночного культивирования.

В разделе 3.1 представлен обзор работ, посвященных исследованию медленной фазы индукции флуоресценции хлорофилла зеленых, растений. К настоящему моменту отсутствует единая точка зрения на природу отдельных фаз индукционной кривой (ИК), однако известно, что ИК является отражением комплекса процессов, протекающих на фотосинтетических мембранах клетки, и ее форма может служить интегральным показателем состояния фотосинтетического аппарата клетки.

В разделе 3.2 представлены результаты статистического анализа динамики распределения ценобиев микроводоросли БсепесЬвтиз циаЗг1сашЗа по формам и по отдельным параметрам кривых индукции флуоресценции в процессе роста скляночной культуры. Для анализа

использовались полученные сотрудниками кафедры биофизики данные по измерению микрофлуориметрическим методом кривых индукции флуоресценции хлорофилла отдельных ценсбиев водоросли Sceneáesmua quadricauda в течение 60 дней скляночного культивирования.

Из совокупности полученных кривых (около 1000 измерений), существенно различающихся по форме и по амплитуде, были выделены 7 характерных типов ИК (паттернов) (рис.4а). Кривые, отличающиеся по амплитуде, но одинаковые по форме относились к одному паттерну.

Для быстрой интегральной оценки состава популяции по формам ИК в день измерения использовали диаграммы рассеяния, построенные в координатах QQ против x1Q/x25 , где х±- интенсивность

флуоресценции ценобия на 1-й секунде регистрации ИК. Использование указанных соотношений параметров в качестве координат диаграммы позволило различным формам ИК сопоставить определенные области на диаграмме рассеяния.

Результаты анализа показали, что развитие популяции сопровождается характерными изменениями распределения ее клеток по типам кривых индукции флуоресценции. Изменения происходят постепенно, и на небольших интервалах времени ( 1-2 дня), как правило, не наблюдается существеных модификаций функциональной структуры популяции. Однако, распределения ценобиев ScenecLesmus quacLrlcauda по типам ИК, усредненные по этапам роста культуры, достоверно отличаются друг от друга ( рис.46).

На втором этапе роста культуры почти все клетки популяции, независимо от возраста, имеют одинаковый паттерн индукционной кривой. По-видимому, форма ИК является не зависящим от возраста показателем функциональной активности клетки и определеяется, прежде всего, функциональным состоянием популяции в целом (в данном случае стадией развития культуры).

Применение стандартных статистических процедур к анализу состояния популяции микроводорослей позволяет выявить достоверные изменения функциональной структуры популяции, но не дает ответа на вопрос о природе происходящих изменений. Для исследования причин, приводящих к изменению формы регистрируемых ИК, нами была предпринята попытка установить с помощью математической модели связь параметров регистрируемых кривых индукции флуоресценции с параметрами работы конкретных механизмов регуляции фотосинтетической активности клеток.

а)

0.15 i i.25

xlQ/xZS

e.75

1.5

Рис.4 Распределение ценобиев Scenedesmus quadricauda по типам кривых индукции флуоресценции хлорофилла: а) - соответствие различных типов индукционных кривых областям диаграммы рассеяния, построенной в координатах х50/х100 против х10/х25; б) - диаграммы рассеяния для трех этапов х роста скляночной культуры 8 Scenedesmus quadricauda: I этап - 1-6, II этап - 7-35, III этап - 36-52 день культи-

L5

1.25 1

0.75 0.5

Ш

,'. jvi'ac.'« . • ■

Aiiv: *

■, I.

•■.... v-:-С".........

0.5

й?3 1

jdOAB

1.25

1.S

1Ъ

Раздел 3.3 посвящен описанию различных форм кривых индукции флуоресценции хлорофилла с помощью модели взаимодействия световых и темновых реакций фотосинтеза.

В пункте 3.3.1 представлена схема модели (рис.5). Световые процессы описывались на основе общепринятой Z-схемы первичных процесов фотосинтеза зеленых растений. В модели учтены 4 переносчика электрон-транспортной цепи, принимающие участие в световых процессах фотосинтеза: реакционные центры ФС1 и ФС2 (РЦ1 и РЦ2), первичный стабильный акцептор электронов ®C2(Q) и терминальный акцепторный компонент ФС1(Ф).

При описании темновых процессов фотосинтеза и их взаимодействия со световыми использовалась схема, разработанная В.А.Караваевым. В ней учитываются 5 интермедиатов цикла Кальвина: фосфоглицерат (ФГК), 1,3-дифосфоглицерат (Д5ГК), фосфоглицериновый альдегид (ФГА), рибулозо-1,5-бисфосфат (Р5Ф) и рибулозо-5-фосфат (Р5Ф). Взаимодействие световых и темновых стадий фотосинтеза учтено через отток электронов от восстановленных акцепторов (Ф~) фотосистемы I посредством бимолекулярной реакции Ф~с ДФГК, а также через производство АТФ, сопряженное с транспортом электронов в первичных реакциях фотосинтеза, и его расходование в двух реакциях цикла Кальвина.

В разделе 3.3.2 сформулированы уравнения модели. Уравнения записывали для концентраций различных компонентов модели, находящихся в определенных состояниях, на основании закона действующих масс. В результате была получена следующая система из 10 нелинейных дифференциальных уравнений:

dx/dt = р., (1-х) - р2х(1-у) + р3у(1-х)

dy/dt = р2х(1-у) + PyU(1 —у) - p4d-z)y - р3у(1-х)

dz/dt = p4y(1-z)- p5z(1-y)

du/dt = p5z(1-u)- p0uv - PyU(1—у)

dv/dt = p8rs - p0uv

dw/dt = p0uv - SpgW2

do/dt = PgW2 - р6оз

dq/dt = pgos - ^q

dr/dt = Zf^q - p8rs

ds/dt = rQy(1-z) - p6os - p8rs

Здесь x и z представляют собой концентрацию реакционных центров ФС2 и ФС1 в восстановленном состоянии; у и и - концентра-

АТФ (3)

Рис.5 Схема рассматриваемых переменных и параметров.

процессов. Обозначения

шш первичных акцепторов ФС2 и ФС1 в восстановленном состоянии. Остальные переменные соответствуют концентрациям интермедиатов цикла Кальвина - ДФГК (у), ФГА (\7), Р5Ф (о), РБФ (q), ФГК (г) - и концентрации АТФ (б). 10 = ар4 - константа, учитывающая сопряжение синтеза АТФ с электронным транспортом, а - коэффициент сопряжения; = ррд - константа скорости реакции фиксации С02.

В разделе 3.3.3. изложены результаты моделирования кривых индукции флуоресценции хлорофилла.

При выборе параметров системы и начальных значений переменных руководствовались соответствием результатов расчетов экспериментальным и литературным данным об индукционных эффектах фотосинтеза. Установление реальных значений параметров фотосинтетических процессов не являлось целью исследования. При проведении расчетов ставилось целью установить параметры модели, изменение соотношений которых приводит к возникновению некоторых качественных особенностей ИК (появление дополнительных максимумов, положение квазистационара ниже или выше стационарного уровня флуоресценции и т.п.) и на основании расчетных данных попытаться сопоставить полученным в эксперименте типам ИК определенные состояния фотосинтетической системы клетки.

Была изучена зависимость формы кривой индукции флуоресценции от величины следующих соотношений параметров модели: р0/р1, Р4/Р1• р?/р4, Г0/р4. Рб/*о Рб/Р8 и На основании анализа

полученных результатов был сделан вывод о том, что исследуемая система может функционировать в трех основных режимах, каждому из которых соответствует определенная форма кривой индукции флуоресценции, значение стационарной концентрации АТФ и других компонентов модели:

1).Режим, характеризующийся монотонным уменьшением выхода флуоресценции (рис.6,1), реализуется в системе с высокой эффективностью протекания как световых, так и темновых процессов фотосинтеза. Это означает одновременное выполнение следующих условий:

константа оттока электронов от восстановленного фотопродукта (Ф~) в цикл Кальвина больше или равна константе притока электронов к РЦ ФС2 от воды (р0/р1 > 1);

- интенсивность электронного потока на участке ЭТЦ между О- и РЦ ФС1 достаточна для эффективного восстановления Ф~ и обеспечения сопряженного с электронным транспортом синтеза АТФ. В

4 (5 Vpi « 5 1

_ 2) P<r/J>i =3

^ N___ ь ----.. .

чч -- __________________ ____ >1

- - - _ _ -J. — -1 ----—1 1-,——----—

Рис.6 Кинетика переменных у (флуоресценция) и s (концентрация АТФ) при трех режимах функционирования системы. Для каждого режима приведено по два примера расчета кинетики у и s. Варьирование параметров производится относительно комбинации параметров для кривой а(1): (р0,р1,..,рд,а,р)= (10;2;100;0.1; 10;100;10;5;10;5;0.9;1). Характеристика режимов дана в тексте.

исследуемой системе для этого необходимо р^/р1 ^ 3, P7/P4 > 0-25;

- высокий уровень сопряженного синтеза АТФ (а ^ 0.75) и его потребления в цикле Кальвина (p6(pg)/i0 > 0.28);

- протекание реакций цикла Кальвина с близкими по значению скоростями: допустимое отличие констант не больше, чем в 3-4 раза: р6/р8(р8/рб) > 0.25, ß > 0.3;

При выполнении этих условий обеспечивается такой режим взаимодействия темновых и световых процессов фотосинтеза, при котором основная часть произведенного в первичных реакциях АТФ и восстановленного фотопродукта Ф~ потребляется в цикле Кальвина. Система приходит в устойчивое стационарное состояние, которое характеризуется относительно низким уровнем стационарной концентрации АТФ.

Такой режим работы, вероятно, может осуществляться в системе, ориентированной на активную фиксацию углерода.

2). Режим, характеризующийся немонотонной кинетикой флуоресценции с положением квазистационарного уровня флуоресценции ниже стационара (рис.6,II), может наблюдаться

а) при снижении эффективности первичных процессов фотосинтеза;

б) при существенном снижении активности цикла Кальвина.

В случае а) в световых реакциях не обеспечивается уровень синтеза АТФ, достаточный для эффективного взаимодействия световых и темновых процессов. Это может быть вызвано уменьшением степени сопряжения синтеза АТФ с электронным транспортом (а < 0.75) или замедлением электронного транспорта между двумя фотосистемами (р4/р1 < 2.75, Р7/Р4 < 0.25);

В случае б) замедление функционирования цикла Кальвина приводит к замедлению оттока электронов от восстановленного фотопродукта Ф~, в результате чего первичные акцепторы обеих фотосистем полностью восстанавливаются, прекращается электронный транспорт и сопряженный с ним синтез АТФ, а интенсивность флуоресценции резко возрастает. В реальных системах имеются специальные регуляторные механизмы, предохраняющие переносчики от перевосстановленности (в частности, отток электронов от восстановленных фотопродуктов на кислород или в другие биохимические циклы), что приводит к понижению стационарного уровня флуоресценции.

3).Режим, характризующийся немонотонной кинетикой флуорсценщш с положением квазистационарного уровня выше стационара (рис.6,III), является промежуточным между двумя описанными выше и обусловлен

особенностями протекания темновых процессов фотосинтеза. Этот реже»! реализуется з определенной области значений параметров:

- при соотношении констант оттока электронов от Ф~ и притока электронов к РЦ ФС2 от воды в интервала значений 0.75 < р0/р1 < 1;

- при соотношении констант потребления АТФ в цикле Кальвина и его производства в первичных реакциях фотосинтеза в интервале значений 0.08 < р6(ра)/Г0 < 0.28;

- при отличии констант скоростей реакций цикла Кальвина в 4-10 раз: 0.022 < рб/рд < 0.25; О.06 < рд/рб < 0.25; 0.14<р<0.3;

Во всех случаях система из квазистационарного состояния приходит в устойчивое стационарное состояние с ненулевыми значениями переменных. Установившийся стационарный уровень АТФ в такой системе выше, чем в системе, характеризующейся монотонным тушением флуоресценции, поскольку в цикле Кальвина потребляется лишь небольшая часть синтезируемого АТФ. Вероятно, в таких системах АТФ, не использованный в цикле Кальвина, может направляться в другие биохимические циклы. В частности, такой режим может реализовы-ваться в молодых, растущих клетках, в которых, помимо фиксации С02, интенсивно протекают другие биосинтетическиэ процессы.

Особое поведение системы в указанных интервалах значений может отражать ее способность к саморегуляции: при не слишком больших отклонениях параметров системы от тех значений, которым соответствует монотонное тушение флуоресценции, система способна после периода "настройки" вернуться в устойчивое стационарное состояние с ненулевыми значениями переменных. Нижние критические значения соотношений параметров соответсвуют границам устойчивости системы, при пересечении которых она уже не способна вернуться к нормальному функционированию.

выводы

1. Разработан новый подход к оценке состояния клеточных популяций на основе анализа распределения популяции по функциональным показателям отдельных клеток, измеренным кикрофлуориметриче-ским методом. Показано, что изменения состояния популяции микроводорослей, вызванные различными факторами (введение токсического агента, накопление продуктов метаболизма, недостаток минерального питания),сопровождаются характерными модификациями распределения ее клеток по фотосинтетичеким показателям,проявляющимися в изменении степени гетерогенности, асимметрии распределений, возникнове-

Hini дополнительных максимумов, сдвигах средних значений клеточных показателей.

2. С помощью имитационной модели исследована роль колебани величины функционального параметра в клетках в формировании экспе риментально регистрируемых распределений. Показано, что при нали чии в клетках колебаний ФП, не синхронизированных между отдельным клетками, с периодом существенно большим времени экспериментально регистрации величины ФП и амплитудой, сравнимой с величиной сред неквадратичного отклонения этого параметра в клетках, форма экспе риментального распределения в значительной степени определяете законом колебаний величины ФП в клетках. Показано, что для регист рации в• эксперименте унимодальных распределений типа Гаусса Пуассона, Лоренца и т.п. колебания функционального параметра клетках должны иметь характер "биений".

3. Для описания динамики распределения клеток популяци Chlorella vulgaris по содержанию хлорофилла использован аппара матричных моделей. Идентификация параметров модели по данным экс перимента показала, что недостаток в питательной среде соединени азота вызывает уменьшение содержания хлорофилла в клетках водорос лей. При введении в среду культивации токсического агента (сулемы в популяции обнаруживаются две подпоггуляции клеток - устойчивых неустойчивых к воздействию токсиканта.

4. Для характеристики функционального состояния клетки микро водоросли использован новый показатель - форма кривой индукци флуоресценции хлорофилла, зарегистрированной от этой клетки, использованием математической модели изучена зависимость форм кривой индукции флуоресценции от величины соотношений параметро световых стадий фотосинтеза и констант цикла Кальвина.

Показано, что исследуемая система фотосинтетических реакци клетки может функционировать в трех основных режимах:

- режим высоко эффективного взаимодействия световых реакци фотосинтеза и цикла Кальвина, при котором основная часть произве деного АТФ и восстановленного фотопродукта потребляется в цикл Кальвина (активная фиксация С02);

- режим с низким уровнем сопряженного синтеза АТФ и значи тельным снижением активности цикла Кальвина;

- режим,при котором в цикле Кальзша потребляется лишь незна чительная часть произведенных АТФ и восстановленного фотопродукта

Осноеныэ результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Лебедева Г.В., Ризниченко Г.Ю. Моделирование связи динамики популящш с ее структурой по фотосинтетическнм характеристикам отдельных клеток. //XIII школа-семинар "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования". Тез.докл. - Ростов-на-Дону. 1989. С.119.

2. Ризниченко Г.Ю., Погосян С.И., Лебедева Г.В. Моделирование изменений функциональной структуры популяции одноклеточных водорослей при воздействии факторов внешней среды. //XVII школа-семинар "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования". Тез.докл. - Ростоз-на-Дону. 1990. С.91.

3. Погосян С.И., Лебедева Г.В., Ризниченко Г.Ю. Связь функциональной структуры популяции одноклеточных водорослей с ее динамикой.// В сб.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экоситем. Т.13.- Л.:Гидрометеоиздат. I991.С.280-297.

4. Лебедева Г.В., Туровецкий В.Б., Абрамян Л.А., Симонян Г.А. Внутриклеточный рН лимфоцитов периферической крови при развитии лейкоза.// Биологические науки. 1992. Jffi. С.27-31.

5. Лебедева Г.В., Туровецкий В.Б., Гельфанд Е.В. Колебания внутриклеточного рН и характер распределения популящш иммунокомпэтентных клеток по величине этого параметра.// Биофизика. 1993. Т.38 .'63 С.440-445.

6. Лебедева Г.В., Туровецкий В.Б., Абрамян Л.А. Модификация распределения лимфоцитов периферической крови по величине внутриклеточного рН при развитии лейкоза крупного рогатого скота.// IV Всесоюз.сов. "Люминесцентный анализ в медицине и биологии и его аппаратурное обеспечение".Тез.докл. -Клин. 1992. Вып.4.С.38.

7. Погосян С.И., Лебедева Г.В., Сивченко М.А., Ризниченко Г.Ю. -Анализ динамики распределения микроводорослей по типам кривых медленной индукции флуоресценции в процессе роста скляночной культуры.// III Съезд Всероссийского общества физиологов растений. Тез.докл. - Санкт-Петербург. 1993. С.699.

8. Lebedeva G.V., Syvchenko М.А., Pogosjan S.I., Riznichenko G.Yu., IJaximov V.N., Turovetsky V.B. Analysis of the distribution of microalgae cell population according to pattern of the slow phase of fluorescence Induction curve.//'Russian Journal of Aquatic Ecology. In print.

Зак. 599. Тлр. 100. ВНИМИТ