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.

— 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 °C — 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.