ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общая характеристика автоволновых процессов из "Биофизика Т.1" До сих пор мы рассматривали так называемые точечные системы, в которых изменения переменных во времени происходят одинаково во всех точках пространства, занимаемого системой. Такой подход оправдан в основном для гомогенных объектов, где к тому же параметры (плотность вещества, температура) одинаковы в разных точках. Этим требованиям, например, соответствует культура микроорганизмов в непрерывном культиваторе полного перемешивания. Однако, в реальных системах (биологических и химических) необходимо учитывать их пространственную неоднородность, что должно найти свое отражение в соответствующих математических моделях. [c.83] Таким образом, каждый элементарный объем является в свою очередь закрытой элементарной системой, далекой от термодинамического равновесия (см. гл. V, VI). В системе существует распределение по пространству веществ, богатых энергией, или распределение источника энергии, за счет которого в элементарных объемах индуцируются различные процессы, связанные с диффузией через них активных веществ. Среди своеобразных динамических явлений в таких системах большое значение имеет распространение самоподдерживающихся волн возбуждения, сохраняющих свои характеристики (амплитуду, период, форму, скорость) за счет распределенного в среде источника энергии. Именно из-за этого свойства такие системы получили название активных распределенных систем. [c.83] Описание свойств АВП на основе единых физических и математических принципов составляет предмет теории активных распределенных систем. [c.84] В химических системах был обнаружен класс процессов, в ходе которых наблюдаются почти все основные типы АВП. Наиболее важным из них является реакция Белоусова-Жаботинского — окислительно-восстановительная реакция с участием бром-малоновой кислоты, где катализатором служат ионы цезия и марганца. Изменение валентности этих ионов приводит к локальным изменениям окраски раствора, что дает наглядный визуальный способ наблюдения за пространственными явлениями в реакционном сосуде. Например, в этой системе для активной гомогенной среды показано существование двумерных волновых процессов — ревербераторов и образование диссипативных структур. [c.84] В живых системах наиболее хорошо изучены АВП в возбудимых мембранах нервного волокна. В сетях нейронов показано распространение волн возбуждения (БФ), которые связаны с изменением межклеточной концентрации ионов К+ и Са . Волны электрических потенциалов в виде БИ распространяются по волокнам сердечной мышцы. Патологические состояния здесь в виде аритмии и фибриляции (не-синхронизированная активность мышц) определяются возникновением автономных источников волн-ревербераторов. [c.84] Другие типы АВП ярко проявляются в процессах морфогенеза при диффе-ренцировке тканей. Материальную основу здесь составляют генетические системы биосинтеза белка и активный транспорт веществ через клеточные мембраны. В сообществах организмов в ряде случаев взаимодействие клеток осуществляется посредством выделяющихся веществ-аттрактантов (циклическая АМФ). Взаимное движение клеток к источнику сигналов и их агрегация носит волновой характер. В эмбриональных структурах этот механизм во многом определяет движение клеток при формировании тканей. В основе движения в стенках каналов кровеносных сосудов, механических перемещений клеток по плоской поверхности лежат также АВП. [c.84] Условные обозначения. БИ, БФ — распространение возмущения в виде бегущего импульса или бегущего фронта ВЦ — генерация волн автономными источниками импульса активности, так называемыми ведущими центрами ДС — стационарные неоднородные распределения кинетических переменных в пространстве КСВ — квазистохастические волны СА — синхронные автоколебания во всем пространстве СВ — спиральные волны. [c.85] В табл. IV. 1 приведена сводка известных автоволновых процессов, наблюдаемых в биологических и химических системах. [c.85] Из табл. IV. 1 видно, что наиболее быстрые процессы связаны с распространением электрических импульсов — сигналов, служащих для регуляции биологических процессов. Это нервные импульсы, быстрые волны в нейронных сетях мозга, волны возбуждения в мьппцах. Средние скорости процессов наблюдаются в химических реакциях малые скорости — иногда внутри живых клеток, они связаны с механизмами немышечной подвижности. [c.85] Такие возмущения, называемые неустойчивыми модами, однажды возникнув за счет случайных флуктуаций, будут развиваться, нарастая по амплитуде. Однако амплитуда не будет нарастать беспредельно — ее стабилизируют нелинейные эффекты. В итоге в системе сформируется стационарное пространственно неоднородное распределение реагентов (диссипативная структура), которое обусловливает процесс позиционной (зависящей от пространственного положения) дифференцировки ткани. В результате тщательных экспериментальных исследований одного из простых организмов — гидры — были выявлены два типа морфогенов активатор и ингибитор. Эксперименты показали, что после удаления головы, когда в ходе роста размер гидры превысит некий минимальный, на месте прежней головы возникает новая. Таким образом, увеличение размера гидры способствовало позиционной дифферен-цировке. [c.86] Для интерпретации этого явления была предложена модель, исследование которой показало, что при увеличении размера в системе может возникать неустойчивость, нарушающая однородное распределение веществ (А. Гирер и Р. Майнхардт, 1972). В частности, это относится к распределению вдоль тела гидры концентраций двух морфогенов короткодействующего активатора и дальнодействующего ингибитора процессов формирования головы. [c.86] Вернуться к основной статье