Главная > Химия > Аналитическая физиология клеток и развивающихся организмов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Динамика часов, контролирующих вылупление личинок у Drosophila

Заканчивая эту главу, я бы хотел рассмотреть один из классических примеров часов у многоклеточных, который позволяет проиллюстрировать скрытые возможности некоторых мощных и одновременно простых аналитических концепций. Таким организмом является Drosophila pseudo-obscura, а циркадный ритм — это ритм выхода взрослых мушек из куколок, т. е. ритм вылупления. В нормальных условиях это происходит рано утром, перед самым рассветом. Популяция личинок Drosophila может быть синхронизована просто путем перемещения их одновременно из условий с постоянным освещением (СС) в темноту (ТТ). Затем личинки окукливаются, после чего вылупляются взрослые мухи, причем в группе вылупление происходит приблизительно каждые 24 ч в течение нескольких дней. Таким образом, этот ритм характерен для популяции в целом, так как каждая отдельная муха появляется только однажды. Однако, поразмыслив, можно понять, что такое поведение популяции объяснимо наличием часов внутри каждой мушки, которые стробируют вылупление так же, как циркадные часы Gonyaulax стробируют или регулируют разрешение начала клеточного деления (Pit-tendrigh, 1960, 1965, 1966; Engelmann, 1966, Chandrashekaran, 1967). Мушка, готовая появиться на свет, может это сделать

только в определенное время дня. Очевидно, мы имеем здесь дело со взаимодействием между периодическим процессом, часами, и процессом развития, который протекает поступательно.

Исследования на Drosophila не могут ответить на вопросы, аналогичные поставленным выше, о природе молекулярных процессов, которые, возможно, участвуют в формировании циркадного режима (например, на вопрос о роли ядра или разных типов молекул в мембранах и т. д.). Однако можно задать некоторые вопросы поискового характера об устойчивости часов и размерности соответствующей динамической модели. До сих пор мы предполагали, что минимальное число переменных, которое необходимо для существования колебаний в биологической системе, равно двум (рис. 4.8 этой главы или рис. 2.8 в гл. 2). Однако, если говорить о размерности, имеются колебания даже более простого типа, названные обобщенными релаксационными колебаниями. Это периодическая функция времени, которая может иметь различные периоды, но практически не меняет амплитуды. Состояние такого осциллятора может быть задано с помощью только одной переменной — его фазы, т. е. осциллятор аналогичен обычным часам, которые могут быть установлены на любое время и затем пойдут с фиксированной скоростью, а единственным видимым показателем их состояния является положение стрелок. Часы показывают только время, или фазу, в интервале от 0 и 24 ч, или 0 и радиан. Исходя из всесторонних и остроумных исследований поведения биологических часов в ответ на различные типы возмущений, Питтендрай и Брюс (Pittendrigh, Bruce, 1957) построили модель, в которой предполагалось, что хронометром является осциллятор этого релаксационного типа, фазу которого можно мгновенно вновь установить освещением или другим сигналом, не затрагивая при этом амплитуды. Любое изменение в наблюдаемом ответе на сигнал рассматривается в этом случае как изменение в процессе, управляемом часами, с помощью которого проявляется их наличие. Эта модель используется широко и с большим успехом.

Как я упоминал выше, важное свойство биологических часов состоит в их способности реагировать на некоторые сигналы окружающей среды, являющиеся надежными индикаторами солнечного времени; наиболее важный из таких индикаторов — свет. Это просто пример явления синхронизации, рассмотренного выше. Действие синхронизирующего сигнала на периодический процесс будет, очевидно, зависеть от фазы этого процесса, так как в общем случае сигнал может как увеличивать, так и уменьшать фазу, т. е. переводить часы и вперед, и назад. Большое количество работ по биологическим часам посвящено

исследованию именно этого вопроса; получено много кривых фазового ответа, которые дают график фазового сдвига вызванного данным сигналом, приложенным в данное время или в данную фазу биологических часов. Для Drosophila этим сигналом может быть 15-минутное освещение белым светом популяции куколок в некоторый момент после того, как они были перемещены из СС в ТТ для синхронизации их часов.

Рис. 4.9. Типичная кривая фазового ответа циркадных часов на сильный сигнал, изменяющий фазу.

По сравнению с контрольной эта популяция начнет вылупление или раньше, или позже, или в то же самое время, и фазовый сдвиг будет тогда или положителен, или отрицателен, или равен нулю соответственно. Период ритма вылупления не затрагивается этим воздействием. Типичная кривая такого рода показана на рис. 4.9. Заметим, что кривая имеет разрыв в точке, где отставание по фазе, достигшее 12 ч, вдруг превращается в опережение в случае, когда световой сигнал на часы подан приблизительно в 18 ч. Вместо того чтобы сдвинуться назад на время, несколько большее, чем 12 ч, система световым сигналом внезапно продвигается вперед. Что это означает с точки зрения работы часов? На первый взгляд кажется, что в часах имеется пороговый механизм, за счет которого часы при освещении после примерно 18 ч передвигаются световым сигналом вперед, а до этого момента — назад. Однако Винфри (Winfree, 1970, 1971)

дал другое объяснение природе разрыва и этим положил начало новым представлениям о процессах, которые управляют периодическим режимом организмов.

Доводы Винфри основаны на чисто качественных, топологических аргументах о возможном поведении биохимического или физиологического осцилляторов и продуманном использовании принципа «бритвы Оккама» для сохранения максимально простой картины.

Рис. 4.10. Динамическое объяснение причины разрыва фазовой кривой ответа циркадных часов в терминах топологических свойств предельного цикла.

Показав сначала, что одномерный релаксационный осциллятор вышеописанного типа, который имеет постоянную амплитуду и переменную фазу, наверняка является идеализацией, он исследовал предполагаемое качественное поведение простейшего типа биологического осциллятора, т. е. осциллятора с двумя переменными — амплитудой и фазой (что эквивалентно двум переменным X и У). Этот осциллятор исчезает при непрерывном освещении Drosophila pseudoobscura, так что динамика системы изменяется от динамики предельного цикла с траекториями, сходящимися к устойчивому замкнутому циклу, к динамике системы с устойчивой точкой, как показано

на рис. 4.10. Предельный цикл отмечен на этом рисунке буквой С, а точка О — особенность внутри цикла, из которой исходят развертывающиеся к циклу траектории. Это стационарное (неустойчивое) состояние системы в темноте. Точка Р — это устойчивое стационарное состояние системы при освещении, когда нет колебаний. Любую точку на предельном цикле световой сигнал приведет в движение по направлению к Р, и в зависимости от того, где на предельном цикле находится начальная точка, и от того, как силен сигнал, она в момент снятия сигнала оказывается где-то внутри предельного цикла, смещенной к точке Р. Затем после выключения света она переместится к С, и то место, где она попадает на С по отношению к контрольной изображающей точке, постоянно перемещающейся по С, определит величину фазового сдвига, положительного или отрицательного (опережения или задержки). Каким же образом получается кривая с разрывом, аналогичная изображенной на рис. 4.9?

Винфри объясняет это следующим образом. Пусть мы имеем популяцию мух, часы которых распределены по предельному циклу С так, что все они находятся в разных фазах. Теперь, если дается световой сигнал, точки на С, представляющие со стояния часов, будут перемещаться по направлению к Р и в конце светового сигнала будут распределены по некоторой кривой, например кривой В на рис. 4.10. Затем точки снова продвинутся к предельному циклу и возвратятся на него через некоторое время, зависящее от того, насколько далеко В находится от С. Каждая точка сдвинется по фазе по отношению к своей контрольной точке или вперед, или назад в зависимости от динамики возвращения к предельному циклу (грубо говоря, длины траектории возвращения). Но мы видим, что эти точки опять будут распределены по всему предельному циклу и сохранят свои первоначальные взаимоотношения в некоторой окрестности. Это происходит потому, что каждая спиральная ветвь, исходящая из особой точки О, пересекает кривую В в одной и только одной точке.

Если, однако, дается более сильный световой стимул, так что точки, представляющие часы, попадут на замкнутую кривой А, более близкую к Р, и будут находиться по одну сторону от точки О, ситуация в корне изменится. Теперь каждая спиральная траектория, раскручиваясь из О к С, пересечет кривую А или в двух точках, или ни в одной. Траектории, которые не пересекают А, определят пустую часть конечного распределения точек на С, в то время как точки, которые первоначально находились на той части С, которая соответствует этому пустому сегменту, после возмущения вернутся к точкам на противоположной части цикла. В середине этой системы существует точка

разрыва, где происходит резкий переход от 12-часового опережения по фазе к 12-часовому отставанию. Этот анализ показывает, что сильные и слабые возмущения биологических часов должны приводить к совершенно разным кривым фазового ответа, так как разрыв имеет место только в первом случае. Винфри предсказал это явление, а затем обнаружил литературные данные о том, что действительно слабые световые сигналы дают фазовые кривые без разрывов. Кроме того, других типов поведения обнаружено не было, и это подтверждает правильность предположения о том, что динамику системы качественно можно представить так, как это сделано на рис. 4.10.

Окрыленный успехом, Винфри продолжал использовать этот вид топологического представления. Он рассудил, что если существует такая особая точка, как О, то можно было бы найти световой сигнал, который, будучи приложенным к куколкам в данную фазу цикла, приведет их в эту точку. Поскольку это стационарное состояние, то часы здесь будут остановлены и популяция станет разновременной, аритмичной. О количественных аспектах динамики этой системы ничего не было известно, поэтому поиск критического сигнала или стимула такого типа был подобен поискам иголки в стоге сена.

Замечательно то, что Винфри (Winfree, 1970, 1971) обнаружил его, искусно построив эксперимент, что позволило ему просмотреть тысячи Drosophila и определить критический стимул. Им оказался 50-секундный импульс белого света, поданный в 6,8 ч циркадной фазы. По-видимому, это подтверждало правильность предложенной динамической схемы. Однако возникала новая проблема: вместо того чтобы раскручиваться снова к предельному циклу, часы, по-видимому, резко останавливались в точке О. Это можно объяснить, предположив, что возвращение из О к предельному циклу идет очень медленно и вылупление происходит до начала функционирования часов.

Фактически Винфри (Winfree, 1973) показал, что можно воздействовать на амплитуду часов, задающих ритм вылупления, световыми импульсами, так что осциллятор будет продолжать идти по своему циклу, но по меньшей траектории, практически не изменив периода. Это требует модификации фазового портрета рис. 4.10. Можно было бы, как упоминалось выше, нарисовать траектории, медленно раскручивающиеся из особой точки О, в соответствии с моделью Камингса (Cummings, 1976), характеризующейся точно таким поведением. Объяснение такого типа было также предложено Олдриджем и Павлидисом (Aldridge, Pavlidis, 1976). Однако Винфри (Winfree, 1975) пошел другим путем, выдвинув идею о том, что организм имеет целую популяцию часов и определяет время согласно степени их коллективной синхронности. Световые стимулы могут разрушать

эту синхронизацию и давать плохо организованную популяцию с низкой средней амплитудой. Это вводит новый уровень сложности в рассмотрение измерения времени и требует применения новых методов анализа. Аналитические модели для этого типа коллективного поведения ритмических популяций будут рассмотрены в гл. 7. В заключение этой главы я просто хочу подчеркнуть, что красота подхода к биологическим колебаниям, принятого и использованного Винфри, наглядно показывает, что общий качественный анализ может оказаться полезным и мощным способом планирования экспериментов.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление