Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование процессов автоволновой агрегации в популяции клеток DICTYOSTELIUM DISCOIDEUM

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессов автоволновой агрегации в популяции клеток DICTYOSTELIUM DISCOIDEUM"



С;

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Биологический: факультет

На правах рукописи

Басаева Ольга Олеговна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АВТОВОШОВОИ АГРЕГАЦИИ В ПОПУЛЯЦИИ КЛЕТОК'МСИОЗТШШ МБСОШОМ

/ 03.00.02 Биофизика/

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР

Научные руководители: доктор биологических наук

проф. С.З.Шноль

кандидат физико-математических наук

А.Н.Заикин

Официальные оппонента:

Ведущая организация:

доктор биологических наук проф. Л.В.Белоусов доктор биологических наук Ф.Й.Атауллуханов

ИЭЫЭЖ АН СССР

Защита состоится " //" ¿¿¿>¿¿^/1* 1991 г.

в_часов на заседании специализированного совета

К.053.05.68 по биофизике при Московском университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 117234, Москва, Ленинские горы, биологический факультет МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ

Автореферат разослан "_"_1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор биологических наук,

доцент Б.А.Гуляев

ЦГСШЙГЙ

КЛТЕН/

.... ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

л. ¿^Актуальность работы. Настоящая диссертация посвящена иссле-процессов агрегации в распределенной популяции амеб Dic-ЗЗШШ^У111 discoldeum. Возможность самосборки популяции определяется наличием у данных амеб хемотактической 'реакции на цАМФ и способности к ответной секреции этого аттрактанта. Наряду с автоволновыми свойствами эта активная среда обладает рядом особенос-тей, связанных с тем, что ее элементы подвижны. Возможность пространственного перераспределения клеток в ходе проведения последовательных волн возбуадения определяет существование' источников возбуадения, отличных от наблюдавшихся ранее, а также многоклеточных структур-агрегатов.

Свойства клеток D.discoideum привлекают внимание ученых са-. мых разных направлений /Robertson, Crutsch,19&1; Devreotes, 1933/. Предложено несколько математических моделей клеточной возбудимости /Cohen, Robertson, 1971; Durston, 1973; Hagan, Cohen, 1981; Goldbeter, Segel, 1980/. Экспериментально изучаются процессы распространения возбуждения в распределенной популяции амеб /Gerish, 1971, 1973; Devreotes, 1983 /. Однако, роль подвижности элементов этой системы в процессах генерации, и распространения возбуждения практически не исследовалась. Этот аспект имеет общетеоретический интерес и его изучение может быть полезно для понимания динамики биологических сред, фактором функцибнирования которых является геометрия межэлементных связей /Смолянинов, 1980/. Практически не изучены механизмы формирования и эволюции агрега-ционных многоклеточных структур, являющихся оригинальным примером пространственной самоорганизации. Изучение этого феномена может способствовать расширению представлений о возможностях и механизмах морфогенеза многоклеточных ансамблей, что актуально в биологии развития /Белоусов,1987/.

Цель и задачи исследования.Задачей данной работы было исследование механизмов и количественных закономерностей образования многоклеточных структур при агрегации амеб Dictyostellum discoldeuM. Цель этих исследований заключалась в следующем:

1. Изучить процессы, приводящие к самосборке клеток и образованию клеточных потоков определенной геометрии.

2. Исследовать механизма возникновения самоподдерживающихся режимов возбуадения.

3.'Исследовать зависимость геометрии агрегатов и топологии

самоподдерживающихся источников возбуждения от параметров системы.

4. Изучить-влияние условий развития клеток на характер их агрегации.

Научная новизна.

1. В работе экспериментально исследовано образование пространственных структур в распределенной популяции агрегирующих клеток. Построена аксиоматическая модель, адекватно . отражающая свойства система и позволившая выделить параметры, ответственные за геометрию формируемых в ней структур.

2. В натурными модельных экспериментах исследованы механизмы возникновения и эволюции нового типа самоподдерживающихся источников возбуждения. Показано, что подвижность элементов среды и ее "разрывность" являются свойствами, определяющими оригинальные особенности данной системы. '

3. Исследована зависимость геометрии образующихся структур и топологии источников возбуждения от параметров модельной системы.- В натурных экспериментах показана связь этих характеристик с условиями развития клеток.

4. Получен ряд новых сведений об автоволновых свойствах системы: обнаружена возвратная волна движения клеток в . присутствии кофеина," модифицирующего клеточную секрецию; обнаружены новые типы неуетойчивостей движения клеток в потоках.

Практическая ценность диссертации. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения процессов возникновения самоподдерживающихся режимов возбуждения в нормальных и патологических возбудимых тканях, процессов формообразования в системах с движущимися элементами {в том числе и в культуре соединительной ткани, используемой для трансплантации), а также могут стать полезными для развития новых подходов в популяционной динамике организмов и экологии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсувдадись на Всесоюзном совещании "Теоретические и математические проблемы морфогенеза" (Суздаль, 1986), на 4 Всесоюзной межуниверситетской конференции по биологии клетки .(Тбилиси, 1987), Всесоюзной конференции по морфогенам (Пущино, 1988), научной конференции молодых ученых ВДБИ (Пущино, 1990)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ в виде статей.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной литературы; ее объем 125 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

-Введете. В этом разделе сформулирована задача исследования и обоснованы используемые метода.

Глава I: обзор литературы по теме диссертационной работы.

Глава разбита на 3 параграфа: §1 - В.с11зсо1(1еид1 рассматривается как объект биологии развития; §2 - приведены данные о сенсорных, секреторных и хемотактических характеристиках индивидуальных клеток; §3 - описана автоволновая динамика распределенной популяции клеток.

Глава 2: Экспериментальное исследование процессов структурирования в популяция клеток В.<118Со1<1еиз1.

} 2.1.Методика культивирования <Шсо1<1еш.

5 2.2. Характеристика волновой активности популяции клеток

С использованием темнопольного конденсора были зарегистрированы автоволновые структуры двух основных типов - концентрические и спиральные. Отмечено преобладание одного из типов структур в пределах одного монослоя, измерены волновые характеристики.

§ 2.3. Агрегирзгспзя популяцая на макроскопическом уровне.

2.3.1. Движение шдагвядуальных клеток во время агрегации.

Описано образование клеточных цепочек как простейших элементов структурирования на начальном этапе агрегации (Рис. I), показано, что они не отличаются от одиночных клеток по своим локомоторным характерисийсам. По изменению морфэлогии клеток в волновой фазе установлено,что распространениеволны двигательной активное™ от центра к периферии идет полосами шириной в 2-10 элементов, отвечающих синхронно. Угол меаду направлениями движения сходящихся цепочек и клеток варьирует в небольшом интервале, сужающемся в процессе сборки .(Рис. 2). Локальные неоднородности плотности в 703 случаев сохраняются.

Рис. 1 Типы структур, наблюдаемых на ранних етапах. агрегации: А) радиальная; Б) кольцевая; В) спиральная. Стрелками показано направление-движения амеб* Бремя - 0,5 ч. о момента начала агрегации, плотность - .10 хл/сы , бар - 300 мкм.

2.3.2.Влияние кофеина на ход структурирования.

Обнаружено, что в присутствии кофеина в концентрации 3-5мМ клетки осуществляют возвратно-поступательное движение, реагируя не только на передний, но и на задний фронт волны возбувдения.

2.3.3 Роль функциональной неоднородности популяции в

структурировании. Показано, что клеточная популяция неоднородна по своим двигательным характеристикам. Дифференциальное окрашивание клеток выявило лидирующую роль будущих элементов ножки в формировании потоков и подвижных агрегатов.

2.3.4. Преобразование структуры на поздних этапах агрегации.

Положение потоков остается, как правило, неизменным в ходе всей агрегации, эволюция структуры сводится к постепенному исчезновению потоков наивысших порядков. Преобладаний угол развилок не зависит от порядка ручья и формы источника ■ возбуждения. При определенных условиях в ручьях обнаруживаются неустойчивости клеточного потока.

§ 2.4 Источники возбуждения.

2,4.1. Характеристика источников возбуждения на начальной

этане агрегации.

Локализация источника возбувдения может быть определена по ориентации окружающих клеток. Используя их мгновенные направления

как касательные к интегральным кривым можно получить картины, характерные для узла (Рис. 1А), фокуса (РисЛВ) предельного цикла (Рис.' 1Б) - аттрактора , к которому мигрируют клетки из внутренней и внешней относительно цикла .'областей. Для среднего по некой малой области наклона касательных к интегральным кривым первым приближением может служить выражение:

Рис.2 Диаграмма величин углов (а) между направлениями движения сходящихся клеток, черный цвет - 15мин с момента начала агрегации, белый - 1ч.

Зв 5®

¡£*/аг+ ) *уЗ/1 ) *х-ау} (I)

где аир- геометрические параметры структуры. Образующей системой дифференциальных уравнений будет следующая:

у1=К7*Гаг^С^г-хг-уг)у] (2)

Рис. 3 Типы структур и примеры их эволюции на поздних этапах агрегации: А - циркулирующий поток; В - спираль; В - асимметричный циркулирующий поток; Г - скручивание кольцевого агрегата; Д -распад агрегата; Е - стабильный кольцевой поток.

где Кх и Яу определяются внешними и внутренними условиями развития клеточной системы и в общем случае могут зависеть от г и, при локальной анизотропии, - от х и у. Образования, представленные на рис, 1А, 1В, могут быть описаны аналогичным образом

2.4.2.Преобразование центральной области агрегатов на поздних этапах.

Описано два типа преобразований. При одном из них все кольцевые агрегата в пределах монослоя "скручиваются" (Рис.ЗГ), при другом- стабилизируются и затем претерпевают тот или иной тип торстройкн (Рис 3), определяемый величиной их радиуса.

Глава 3: влияние параметров развития на динамику клеточной популяции.

В этой главе.приводятся результаты исследований зависимости характеристик структур от параметров, определяющих условия развития системы: длительности предварительного инкубирования клеток в суспензии (*с), плотности монослоя (р) и фазы роста популяции в момент начала голодания (1к>.

организации

$3.1 Зависимость характера структурной клеточной популяции от условий ее развития.

На рис.4 показано, что в пространстве параметров t^t^ и р могут быть выделены области, соответствующие преимущественно одному из типов топологии агрегационной структуры. Параметры развитие 4. Области существования структур с различной топологией в пространстве параметров клеточной системы:

t„ -

¡ЗР в' . ...

10 5 • о 0« о 00 оо

••••.#> ф о goo- • ф ф Ф Ф ф 00 Ф «о V

■ s ... $ . ъ () . о о о . . S « Ф- ♦ г- ■

в ♦ Ф>*4- «оф • а • ♦ J

А)

2S

30

»

«

я

зо

те

t*w

суспензии во время развития агрегационной

длительность инкубирования клеток в компетентности, t -

к

амеб в бактериальном слое, «10

t0=5 ч. Точка-

длительность культивирования кл/сиг,

Б) р - начальная плотность клеток в монослое,

ми обозначены радиальные структуры, кружками - кольцевые, кружками с вертикальными штрюсаш' - кольцевые и спиральные.

гая клеток определяют и характер их структурирования.Число цент-

б

ров возбуздения на единице поверхности ростет с увеличением 1; й характеризуется и-образной зависимостью от плотности монослоя, количество потоков разного порядка в одном агрегате растет с увеличением плотности и имеет максимум в зависимости от 1;о. Показана зависимость данамики укорочения потоков и преобладающего угла меаду сходящимися потоками от ^

§ 3.2. Влияние параметров развитая на динамику возбудимости

клеточной популяции.

Инкубирование клеток в суспензия позволяет наблюдать процессы формообразования, начиная с различных стадий развития агрегацион-ной компетентности клеток.

Кинетика секреторной активности клеток. Обнаружено снижение секреторной активности клеток при их развитии в суспензии и при малых Получены режимы осциллирующей клеточной секреции в суспензии, отличающиеся амплитудой и периодом, зависящими от условий инкубации клеток.

Контактные свойства клеток. Показано, что отсутствие в монослое кольцевых и спиральных агрегатов может в ряде случаев объясняться ростом адгезивности клеток.

5 3.3. Области существования структур с различной топологией в пространстве параметров клеточной системы.

в данной главе делается вывод о роли пространственной и функциональной неоднородности системы как основных факторов, вызывающих пространственное перераспределение клеток. Обсуждается значение сужения области влияния возбузденной клетки ' в усилении чувствительности системы к пространственным неоднородаостям. Предполагается, что скорость преобразования активных'свойств системы и лабильность клеточной ориентации определяют разнообразие топологических вариантов агрегатов в пределах одного слоя клеток и в близких областях пространства параметров. 1

Глава 4: моделирование автоволновой агрегации 0.<118со1<1ет.

$4.1 Модель агрегирущей популяции клеток.

Модель основана на следующих предположениях:

1. В двумерном пространстве (размером Я*Я.) разбросаны (случайным образом или равномерно) К клеток.

2. Кавдая клетка.может находиться в одном из трех состояний: покоя, возбуждения (время г) и рефрактерности(время Ее/г)

3. В нальный момент времени все клетки кроме одной находятся в состоянии покоя.

4. Покоящаяся клетка возбуждается, если оказывается в R-окрестности возбужденной клетки.

5. Возбужденная клетка смещается на величину S в сторону ближайшей из возбудивших ее клеток. Клетка передает возбуждение, находясь на расстояние k*S от ее исходного положения.

Область .значений параметров R,-S, Reír и р (р - плотность клеток: р=К/(Я*Ю), использовавшаяся при проведении численных экспериментов, выбрана как на основе собственных наблюдений, гак • и в соответствии с литературными данными.

}4.2. Распространение возбуждения в модельной среде. Из рис. 5 видно, что от периодически возбуждаемой клетки в модельной среде распространяются волны возбуждения, приводящие к. пространственному перераспределению и агрегации клеток (Рис. 5).

• .*"••• .- г 1 ;' ' .'■'.■.-..■>■■' . . •'• . • v* A ' VV,

V г V . Ч Г ■ •' V. D

Рис. Б Возникновение и вволюция структуры в модельном експе-рименте на поле случайно распределенных клеток. Клетка, расположенная в центре среда, периодически стимулируется (помечено стрелкой на А). Жирными точками обозначены возбузденные клетки, точками промежуточной интенсивности - клетки, находящиеся в рефрактерном состоянии, точками минимальной интенсивности - покоящиеся клетки. Двойные стрелки на Б указывают на направление распространения волны. Концентрические круги на С - места преимущественного расположения точек ветвления (см.§2). а- угол ветвления потоков, I - расстояние между последующими точками вевления. Параметры модели: Я=60, йе/г=3, №=800, К=1089, 5=20, 2е=0, Г =6.

А) Т=0, Б) 1=6, В) Т=28, Г) Т=58, Д) Т=88, Е) Т=118 8

Для скорости волны возбуждения справедливо:

У=б/х '(3)

где й-длина возбужденной области - определяется следующим соотношением:

(4)

Немонотонность в зависимости скорости волны от расстояния между клетками обусловлена тем, что величина СЯ-й*5.)/Я0} мокет меняться

Максимальная скорость волны

3

скачками при плавном изменении Д0. определяется соотношением

Уиах=Я-Й.5 (5)

и достигается, когда величина С(Д-гг*5;/й0> обращается в ноль. Если ширина среды мала (в ней помещается только одна цепочка клеток ), скорость волны практически не зависит от ее порядкового номера (Рис. 6). Увеличение ширины среда приводит к росту скоростей последовательных волн (рис. 6). Со временем скорость волн стабилизируется на величине, меньшей, чем Уша2 при данных Л, й, иг. Величина установившейся скорости ростет с ростом ширины среды.

Рис. 6А) Прямоугольная модельная среда, в которой распространяются волны возбуждения. Стимулируемая клетка находится у девой границы. Б) Зависимость скорости волны возбуждения V, распространяющейся в прямоугольной среде (А), от ее порядкового номера (Яд=24, К=60,

5=10): штриховая линия - волни распространяются вдоль одной цепочки клеток (на А помечено штриховой стрелкой), сплошная линия - волны распространяются в двумерной среде, на которой помещается три цепочки клеток (на А помечено сплошными.стрелками).

Линия, по которой возбуждение ретранслируется от центральной к любой клетке среда, в значительной степени детерминирует траекторию этой клетки при прохождении последующих шлн возбуждения. На рис. 7 представлена совокупность таких линий.

Рио. 7 Линии, по которым осуществляется передача возбуждения между клетками (получено для первой волны возбуждения в среде. представленной . на рис.5).

§4.3. Зависимость геометрии агрегатов от параметров системы.

Внешний вид возникшей агрегационной структуры определяется

расположением точек, в которых происходит ветвление потоков (расстоянием между развилками - I), и углами ветвления потоков а.-Можно выделить два типа структур:

1. Жесткие структуры, возникающие в случае, когда &=0 (рис. 5), характеризуются тем, что точки ветвления их потоков практически не смещаются, а углы ветвления потоков не меняются с течением времени.(рис. 8А)

2. Пластичные структуры, возникающие при характеризуются неустойчивостью, их эволюция сопровождается смещением точек ветвления штоков в сторону центра, а также уменьшением углов ветвления потоков (Рис 8Б). Эти изменения тем сильнее, чем больше ¡г и 5.

Рис. 8 Гистограммы распределения величин углов, а, между сходящимися потоками, и расстояний между последующими точками ветвлений, . 1, полученные в численных экспериментах:

а) гистограммы (для а и для 7) "жесткой" структуры в различные моменты времени (1 для структуры на рис. 5В, 2 - рис. 5Г, 3 - рис.5Д).

б) гистограммы (для а и для I) "пластичной" • структуры СРис.бВ): 1 -Т=28, 2 - Г=58, 3 -Р=88.

Геометрические особенности структур не зависят от распределения клеток в среде, но зависят от параметров модели: I) Расстояние между пиками, Д1, на гистограммах для I растет с ростом Д и падает с ростом к. Увеличение 5 не влияет на величину Д1 при й=0 и приводит к падению А1, когда й/0; наблюдается рост йI с увеличением й0, 2) Величина преобладающего угла ветвления, а^, растет с ростом к и Я0, падает с ростом й и не зависит от Б (при й=0) §4.4. Качественное исследование данашки самосборки. Точки ветвлений структуры преимущественно расположены на окружностях, разница в радиусах которых равна длине возбуэденной области. Количество нетвей Р(1), пересекающих окружность радиуса {*с2, определяется количеством возбужденных клеток на волне радиу-

anp=?*arc3ln(R0/(2*d)) Численные значения характеристик, полученные

* .....*

v -

■■ ^tt ' ч ..... V-'*:

•■' ' А

Ч\Л: ' Чу,-'

f/t \\

са l*d. Расстояние между двумя сливающимися потоками на расстоянии d от точки их соединения в среднем равно RQ (рис. 5в). Отсюда следует, что преобладающий угол ветвления определяется следующим соотношением:

(6)

в соответствии1 с этими формулами, удовлетворительно согласуются с результатами численных экспериментов.

54.5. Самоподдерживающиеся решшы возбуждения.

Для запуска процесса агрегации в ряде случаев достаточно однократной стимуляции какой-либо клетки. В этом случае в среде возникают самоподдерживающиеся источники волновой активности.

Классификация источников возбуждения.

, Рис. 9 Типы структур, наблюдающиеся в модельных экспериментах. (Здесь и далее все параметры модели, за исключением указанных, те же, что и на рис.5).

А Пример структуры, возникающей в среде с малой длиной возбужденной области

(4«Rq). К=350. Г=54.

Б Пример "пластичной" структуры: &=1,Т=58

В,Г- Компактные многоклеточные источники возбуздения. Сплошная линия, соединяющая возбувденные клетки, определяет форму волны. Параметры модели: К=600, fe=1, Гр= ?. 7=40.

Д - кольцевой источник эволюционирующий в визсревой. Параметры модели: К=500, fe=1, Т =7

Р TI

Е - Стабилизируйчийся кольцевой источник. Параметры модели: К=400, Гр=7, К~0.

Компактный' многоклеточный источник концентрических волн представляет собой несколько близко расположенных клеток, находящихся в разных фазах и перезапускающих друг друга

Т-187 4 1 \ \ "• " J Т=504 т Ч -V [

/т-зоз ■ У _ " . " ■ • I • Т-1994

(рис. 9В). Расстояние между клетками, оСразувдими такие источники, со временем падает до нуля. Период такого источника равен x*(Kefr/i+2). В его окрестности возникает радиальная агрегацион-ная структура.

Вихревой компактный многоклеточный источник "излучает" спиральные волны (рис. 9Г) и вливающиеся в него- потоки имеют спиральную форму.

Кольцевой источник представляет собой группу клеток, по которой циркулирует волна возбуждения (рис. 9Д,Е). Период такого источника, также как и его размеры, со временем падает и стабилизируется, достигая величины %*(ReJr/%+3). Все клетки быстро эволюционирующего источника со временем - собираются в точку (рис. 9Д), и он пре'вравдехея.в вихревой источник. Размеры медленно эволюционирующего кольца стабилизируются, когда он принимает форму окружности, периметр которой p=S*(Refr/x+2) (Рис 9Е). От кольцевого источника распространяются спиральные волны возбуждения, приводящие к возникновению структур, состоящих из потоков преимущественно радиальной (Рис.ЭД) или спиральной форлы (рис. 9Е).

Влияние параметров подели на возможность возникновения самоподдерживающихся центров возбуждения.

I) Численные эксперименты показали, что возникновение источников возбуждения происходит только тогда, когда:

d/R0~1 (7)

при большем отношении волна возбуждения ■ безпрепятсвенно распространяется во всех направлениях и на ней не образуется разрывов, на которых возможно роадение самоподдерживающихся источников. Таким образом, влияние R, S, р, и & на возможность образования источников определяется соотношениями (4) и (7)

2) Вероятность спонтанного возникновения всех типов самоподдер-живаадихся источников возбуждения увеличивается с уменьшением рефрактерности. Число кольцевых источников, возникающих при разных значениях Reír может не измениться, но с увеличением рефрактерности право на существование получают низкочастотные центры.

3) Величина 2г в значительной степени определяет тип возникающего источника- источники концентрических волн возникают только при больших к При fe=0 кольцевые источники эволюционируют медленно, при к=I значительно быстрее и со временем превращаются в компактные

Взаимодействие самоподдерживающихся источников возбуждения.

Показана возможность размножения источников и их конкурен-

ции, сопровоадащейся вытеснением низкочастотных центров автоволновой активности.

$4.6. Механизмы образования центров агрегации.

Смещение клеток в ходе распространения возбуждения может приводить к изменению способности к проведении возбуадения отдельных областей среда. Это является основной причиной возникновения новых путей проведения возбуждения и возникновения самоподдерживающихся источников (Рис 10). На рис. ЮБ иллюстрируется механизм возникновения источникаизображенного на рис 9Г. В момент возбуадения точки I расстояние между точками I и 2 - г1 больше Я, и волна должна пройти к клетке 2 по достаточно длинному пути через ряд промежуточных клеток. В момент возбуждения клетка 2 смещается и расстояние между клетками I и 2 падает (гг), становясь меньше Я. .Это приводит к возбуждению клетки I и замыканию траектории волны возбуадения. Возможно изменение „проводимости среда вследствие прохождения одной из двух волн, возникших у места разрыва фронта (Рис ЮА-2), позволяющее впоследствии второй волне образовать на этом месте замкнутую траекторию. По этому

Рис. 10 Мехаштз-' «ы возникновения' самоподдерживаю щихся источников возбуждения.

A)- два способа формирования источника возбуждения.

Б)- Возникновение источника по первому механизму, сформированный источник показан на рнс.9Г.

B)- Возникновение источника по. второму механизму, сформированный источник показан на рис.9Е.

Штриховая линия-пути распространения возбуадения, сплошные стрелки -сдвиги клеток в фазу возбуадения. Цифрами отмечены клетки,между которыми происходит замыкание траектории волны возбуждения.

А

т-г

механизму (РисЛÜB возникает самоподдерживающийся источник, изоб рааенный на рис.ЭЕ.

Оказалось, что источники возбуждения могут. возникать и в случае, когда исходно клетки распределены равномерно в среде. Такой процесс возможен, когда R-S"RQ и только при £>0.5, и обусловлен он тем ,что расстояние между покоящимися и возбужденными клетками зависит в такой среде от направления распространения волны.

Глава 5: Сравнение результатов кодельяого и натурного

экспериментов.

Модель 'агрегирующей популяции амеб, предложенная в, данной работе, достаточно адекватно отражает процессы распространения волн возбуждения и основные феномены структурирования распределенной системы клеток. Результаты модельного анализа хорошо согласуются с предположениямиями, выдвинутыми в результате анализа экспериментального материала. Обсуждена роль инвариантных особенностей случайного распределения клеток в задании сходных' .количественных характеристик структур в рассматриваемых системах. Обсуадается'роль накопления морфогенов и механических сил в определении феноменов поведения клеточной популяции, не наблюдаемых на модели. Предполагается, что зависимость структурирования в системе клеток от условий их развития в значительной степени определяется кооперацией параметров клеточной активности, выделенных при моделировании

Т.о., предложенная модель отражает .основные черты агрегирующей популяции D.d., и, повидимому, существенным образом отличается от других моделей возбудимых сред.

1. Возбудимость такой среды определяется еа пространственными характеристиками: расстояниями между .клетками, их радиусом влияния, скорость» перемещения. Локальная возбудимость среды в каждой ее точке определяется конфигурацией клеток в окрестности этой точки и в прилежащих областях и может меняться со временем в результате движения клеток.

2. В результате возникновения и эволюции пространственных структур, составленных из движущихся клеток, свойства среды претерпевают значительные изменения: меняется форма волны возбуждения, меняются размеры самой возбудимой среды (она сжимается).

3. В среде возможно возникновение самоподдерживающихся источников возбуждения двух типов, причем механизмы их возникнове-

яия существенно отличаются от известных ранее. Розденке самоподдерживающихся источников возбуждения может быть связано с особенностями распределения клеток в среде и происходит даже при отсутствии в ней функциональной неоднородности.

Тагам образом, возбудимая среда, представленная агрегирующей популяцией амеб D.d., имеет особые свойства, которые позволяют выделить ее как представителя нового класса возбудимых сред.

вывода

1. Измерены автоволновые характеристики распределенной системы клеток, прослежена эволюция их во времени. В присутствии модификатора секреторной и хемотактической активности - кофеина обнаружена обратная волна движения клеток.

2. При исследовании процессов структурообразования в монослое амеб прослежены механизмы возникновения и эволюции клеточных потоков. Показано, что геометрические особенности агрегатов определяются инвариантными для всей агрэгационной территории особенностями ориентации клеток в ходе распространения волн двигательной и секреторной активности.

3. Описаны три вида центров арегации: точечный, кольцевой и вихревой. Показана разная степень устойчивости кольцевых аттракторов в зависимости от их геометрических характеристик.

4. Определены количественные характеристики агрегационных структур: число потоков различного порядка в агрегате, преобладающ угол ветвления клеточных потоков и его дисперсия, кинематика сжатия структуры, плотность центров агрегации. Обнаружена связь этих характеристик ,а такта топология и устойчивости источников возбуждения с условиями развития клеточной популяции: длительностью предварительного инкубирования меток в суспензии, фазой роста в момент начала голодания, плотностью монослоя.

5. Проведен анализ зависимости типа и устойчивости структурирования от условий развития; выделены параметры системы, опосредующие эту зависимость.

6. Построена аксиоматическая модель агрегирующей популяции D.discoideum. Детально исследованы процессы структурообразования в предложенной модели. Изучена зависимость топологических и других геометрических характеристик структур от параметров модели. Исследованы механизмы возникновения и взаимодействия самоподдерживающихся источников возбуждения.

7. Проведено сопоставление результатов натурных и модельных экспериментов. Выявлены закономерности, определяющие геометрические характеристики структур в, натурных экспериментах, а также механизмы возникновения и эволюции самоподдерживающихся источников возбуадения. Новые свойства, обусловленные подвижностью активных элементов этой системы, позволяют выделить ее в особый класс активных сред.

ПРИЛОЖЕНИЕ. Список работ автора по теме диссертации.

1. Потапова(Васиева) 0.0., Бейлина С.И., Заикин А.Н. "Автоволновые режимы структурирования в слое клеток Dictyostelium discoideum". Препринт ОКГИ НЦШ, 1986, 20с.

2. Потапова 0.0., Бейлина С.и., Заикин А.Н. "Определение количественных характеристик автоволновых режимов структурирования в тонком слое клеток"- в сб." Теоретические и математические проблемы морфогенеза" И. Наука, 1988г., 1987, с.86-95.

3. Потапова 0.0. "Dictyostelium discoideum" как объект биологии развития» - Онтогенез, 1989, N 3, с. 229-242.

4. Потапова 0.0. * Роль гетерогенности клеточной популяции в структурировании монослоя D.discoideum."- Т. 4 Всесоюзной межуниверситетской конференции по биологии клетки. Тбилиси: Из-во Тбилисского университета, 1985, с. 594-596.

5. Васиева 0.0, Васиев Б.Н., Карпов В.А.,Заикин А.Н. " Моделирование автоволновой агрегации амеб Dictyostelium discoideum" Препринт ОНГИ НЦБИ, 1991, 31с.( Направлен в "J. Teor.Biol.").

II.09.91 г. Тир. 125 экз. За к.' 3595Р. Уч.-иад.я. 1.0. Отпечатано на ротапринте в ОНТИ ПНЦ АН СССР