WWW.LIT.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - различные публикации
 

«биологических и физиологических системах Филатова А.Е., Храмов А.Е. Факультет нелинейных процессов Физика открытых нелинейных систем Саратов - 2008 О чем эта лекция? Самоорганизация (возникновение ...»

Примеры самоорганизации

и образования структур в

биологических и

физиологических системах

Филатова А.Е., Храмов А.Е .

Факультет нелинейных процессов

Физика открытых нелинейных систем

Саратов - 2008

О чем эта лекция?

Самоорганизация (возникновение неоднородности в

первоначально однородной системе без внешних

специфических воздействий) приводит к возникновению

генетической и фенетической неоднородности

популяций,

й пространственных агрегацийй особей,

бй

песенных диалектов у птиц, а также к синхронизации различных форм активности особей .

Примеры подобных биологических и физиологических объектов и явлений .

Содержание лекции

Лекция состоит из нескольких разделов:

Введение Что такое самоорганизация?

Простейшие примеры структур структур .

Каковы основные закономерности в образовании структур?

Основная часть Примеры образования структур для объектов живой природы Выводы Содержание лекции Основная часть лекции построена следующим образом:

Несколько слов о рассматриваемом объекте живой природы;

рр Несколько слов о том, где и как наблюдается самоорганизации для этого объекта;

Простейшие выводы по каждому явлению самоорганизации .

Простейшие примеры структур Напомним простейшие «бытовые» примеры самоорганизующихся структур .

Что происходит с водой в сосуде, который мы подогреваем на плите? Если подогрев слабый, то вода постепенно разогревается снизу, отдавая тепло верхним слоям .

Усилим подогрев. В какой-то момент в сосуде возникают конвективные токи: в толще воды образуются фонтаны, в центре которых теплая вода устремляется вверх, тогда как по периферии холодная вода опускается вниз Если посмотреть на сосуд сверху то поверхность воды вниз. сверху, будет выглядеть в виде ячеек, называемых ячейками Бернара (чтобы ячейки стали видимыми, в воду следует добавить какие-либо частицы, например, порошок какао). В осенних прудах, где вместо подогрева снизу есть охлаждение сверху, такие ячейки могут вытягиваться, образуя гребни .

В местах, где вода опускается на дно, скапливаются сухие листья, располагаясь на поверхности водоема в виде полос .

Вспомним, как вода вытекает из ванны: образуется воронка-водоворот, причем нельзя сказать с уверенностью, в какую сторону он будет вращаться. Ручейки воды, стекающие по наклонному стеклу, образуют изгибы траектории — меандры. Не перестает восхищать разнообразие и сложность узоров на окне.. .

Образование структур:

общие закономерности Системы рассеивают энергию, запасенную ранее или поступающую извне (тоесть все эти системы открытые) .

В первично однородной системе возникают неоднородности, то есть структуры. Эти структуры называются диссипативными или, в буквальном смысле, рассеивающими. Физический смысл их в том, что скорость нарастания энтропии (рассеяния энергии) при их появлении возрастает, максимизируется. Заметим, что во всех приведенных примерах в основе появления структур лежит поведение одних и тех же микроструктур — молекул воды .

Один из наиболее общих принципов самоорганизации — принцип усиления флуктуации. Суть его в том, что в системах, далеких от состояния термодинамического равновесия, однородное состояние системы становится неустойчивым (в пространстве и/или во времени). Микрофлуктуации, вызванные шумом, неизменно присутствующим в системе, усиливаются, нарастают и превращаются в макроструктуры, определяющие ее конечный облик .





Образование структур:

общие закономерности Рассмотрим явление самоорганизации на следующих примерах :

формирование плодового тела у миксамеб Dictyostelium discoideum закладка основы термитника (термиты Isoptera — отряд общественных новокрылых насекомых с неполным превращением. ) заворачивание листа муравьями-ткачами Oecophylla longinoda образование скоплений личинками жука Dendroctonus micans динамика нейронного ансамбля головного мозга Формирование плодового тела у миксамеб Dictyostelium discoideum Жизненный цикл миксамеб состоит из следующих стадий:

• споры

• автономные амебы

• колонии амеб

• плодовое тело Питаются миксамебы только в амебоидной стадии. В это время амебы равномерно рассредоточены по субстрату. При истощении корма амебы образуют колонию .

Вокруг места будущей колонии возникают концентрические волны амеб, двигающихся к центру с периодом в несколько минут .

Механизм образования колонии у миксамеб Dictyostelium discoideum Голодающие амебы начинают продуцировать циклическую АМФ (цАМФ) .

Другие амебы, получившие сигнал в виде цАМФ, начинают

1) перемещаться по градиенту ее концентрации,

2) продуцировать цАМФ

3) продуцировать фосфодиэстеразу -- разрушитель цАМФ В результате случайных флуктуации концентрации цАМФ возникают первичные сгущения амеб, одно из которых становится центром будущей колонии .

Механизм образования колонии и плодового тела у миксамеб Dictyostelium discoideum Концентрация цАМФ пропорциональна размеру сгущения .

Так как амебы движутся по градиенту концентрации, то перед нами система с положительной обратной связью .

Сгущение, образовавшееся из первичной флуктуации концентрации цАМФ, разрастается и образуется колония .

рр ру Взаимодействие цАМФ с фосфодиэстеразой при определенных параметрах системы приводит к незатухающим колебаниям концентраций реагентов вокруг точки неустойчивого равновесия. Это и определяет, появление волн движения амеб. Сформировавшаяся колония перемещается как целое в поисках подходящего субстрата и, найдя его, формирует плодовое тело, на котором созревают мириады спор .

Таким образом, при образовании колонии миксомицетов мы видим спонтанное нарушение как пространственной, так и временной симметрии, то есть в результате самоорганизации появляется пространственная и временная структура .

Формирование плодового тела у миксамеб Dictyostelium discoideum Фотографии взяты с сайта Мюнхенского Зоологического института (Ludwig-MaximiliansUniversitt Mnchen) http://www.zi.biologie.uni-muenchen.de/

Закладка основы термитника:

кто такие термиты?

Термиты (лат. Isoptera, народное название — белые муравьи) — отряд общественных новокрылых насекомых с неполным превращением .

–  –  –

Рабочие термиты занимаются фуражированием, хранением пищи, заботой о потомстве, строительством и ремонтом колонии. Рабочие — единственная каста, способная переваривать целлюлозу, благодаря особым кишечным микроорганизмам-симбионтам .

Именно рабочие занимаются кормлением всех остальных термитов. Своими впечатляющими характеристиками колонии также обязаны рабочим .

Закладка основы термитника:

колония термитов (термитник) Стены колонии строятся из комбинации экскрементов, измельченной древесины и слюны .

Некоторые виды создают настолько прочные сооружения, что при попытке их разрушить ломаются даже автомашины .

Размеры колоний некоторых африканских термитников таковы что в их тени прячутся таковы, слоны .

слоны .

В гнезде предусмотрены места для разведения грибковых садов, содержания яиц и молодых личинок, репродуктивных особей, а также обширная сеть вентилляционных туннелей, которые позволяют поддерживать внутри термитника практически постоянный микроклимат .

Кроме того, иногда имеются также помещения для термитофилов — животных, сосуществующих с термитами в симбиозе .

Закладка основы термитника На первой стадии закладки основания гнезда термиты на выбранное место приносят и беспорядочно разбрасывают комочки земли. Каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Случайное скопление комочков, возникающее в какойлибо точке, создает флуктуацию концентрации гормона .

Возросшая плотность термитов в окрестности этой точки приводит р р р р д к нарастанию флуктуации. Поскольку число термитов в окрестности точки увеличивается, постольку вероятность сбрасывания ими комочков земли в этом месте возрастает, что в свою очередь приводит к увеличению концентрации гормонааттрактанта. Так воздвигаются «опоры», расстояние между которыми определяется радиусом распространения гормона .

Таким образом, степень пространственной симметрии системы понижается: на однородной поверхности в результате самоорганизации возникают неоднородности — опоры .

Самоорганизация в колониях муравьев Муравьи — самое эволюционно продвинутое семейство насекомых с точки зрения поведения, экологии и физиологии .

Их колонии представляют собой сложные социальные образования с разделением труда и системами коммуникации, позволяющими особям координировать свои действия при выполнении задач, которые не по силам одному индивиду. Некоторые виды муравьев обладают развитым «языком» и способны передавать информацию. Кроме того, многие виды муравьев поддерживают высокоразвитые симбиотические отношения с другими насекомыми и растениями .

Преимущества, даваемые муравьям кооперацией, привели к тому, что на сегодняшний день это доминирующая по численности группа членистоногих .

Муравьи-ткачи Oecophylla longinoda Муравьи-ткачи обитают в тропических лесах Африки. Эти древесные муравьи названы так, поскольку строят гнезда из листьев, соединенных шелковыми волокнами, причем из "сшитых" таким образом зеленых листьев и стебельков делается каркас, а некоторые стены и галереи целиком шелковые. Источник нитей - личинки с крупными прядильными железами. В отличие от своих сородичей, строящих гнезда под землей эти муравьи землей, мастерят свои жилища из листьев на вершинах деревьев .

На первом этапе муравьи рассеиваются по дереву, на котором они планируют заселиться. После определения местоположения будущего гнезда, они тут же принимаются за работу. Насекомые сгибают по краям нужные им листья .

Насекомые сгибают по краям нужные им листья. Для соединения листьев, они цепляются друг за дружку и образуют своего рода "висячие мосты". Муравей во главе цепи захватывает край листа и протягивает его к зацепившемуся за него второму муравью. Этот процесс передачи продолжается до тех пор, покуда конец листа не достигнет последнего муравья и кромки двух листов не соединятся друг с другом .

Муравьи-ткачи Oecophylla longinoda В то время как несколько муравьев удерживают своими челюстями и лапками края листьев, другие приносят из инкубационного гнезда полуразвитых личинок. Личинки с их ротовыми выделениями будут иметь функцию швейного челнока. Когда взрослые муравьи прижимают личинок к кромке листа, секреторные железы последних, выделяющие нить, начинают работать. Муравьи водят личинками вперед и назад словно иглами, покуда листья не будут прочно скреплены друг с другом .

В отличие от муравьев, живущих в камерах, предоставляемых им растениями-хозяевами, портные сами определяют размер и местоположение своих гнезд .

Поскольку пространством они не ограничены, колония может объединять более 500 000 особей (причем рабочие - довольно крупные) и занимать несколько деревьев. Фактически, это самые многочисленные общественные насекомые Старого Света .

Муравьи-ткачи - активные хищники, и поскольку гнездятся они практически везде, где есть деревья, в свое время их использовали (и даже продавали) для борьбы с вредителями цитрусовых и какао .

–  –  –

Выбор места приложения усилий на кромке заворачиваемого листа происходит следующим образом .

Первоначально муравьи беспорядочно хватаются за случайно выбранные места кромки листа и пытаются загнуть их. Те участки кромки, которые удается загнуть, более других привлекают к себе менее удачливых работников. В результате этого муравьи перераспределяются, оказываются в конечном итоге у какоголибо одного участка листа и вместе заворачивают его .

Сшивание листа у муравьев-ткачей:

самоорганизация «Первичной флуктуацией» в этом случае служит случайный успех одного или нескольких муравьев, оказавшихся рядом .

Степень пространственной симметрии системы снова понижается: среди хаотически расположенной листы в результате самоорганизации возникает небольшое место обитания личинки, а, в дальнейшем и целая новая колония муравьев .

Жук Dendroctonus micans ЛУБОЕД ЕЛОВЫЙ (Dendroctonus micans) встречается не только на ели, но и на сосне и пихте .

Иногда под корой нижней части стволов ели можно встретить неправильной формы широкие полости, выгрызенные многочисленными личинками этого короеда. Сам жук черный, блестящий, надкрылья с неглубокими точечными бороздками покрыты торчащими ржаво-бурыми волосками; длина 5—7 мм .

Распространен большой еловый лубоед в хвойных лесах в Европе, Сибири и на Дальнем Востоке. На Кавказе, куда был случайно завезен, стал опаснейшим врагом горных ельников. Деревья, заселенные короедом, легко узнать по потекам смолы в нижней части ствола и остаткам буровой муки. В отличие от большинства других короедов личинки большого елового лубоеда не выгрызают индивидуальных ходов, а идут сомкнутыми рядами, разрушая большие участки коры. Предполагается, что самки этого короеда при откладке яиц заносят в древесину грибки, вызывающие сердцевинную гниль ели .

Во всяком случае, заселенные им ели всегда болеют сердцевинной гнилью. Помимо сильного разрушения коры, луба и заболони стволов, во многих случаях питается древесиной ствола. Даже в случае слабого повреждения, когда на дереве встречается до 5 семей, создаются благоприятные условия для заселения ели другими стволовыми вредителями. При сильном повреждении (когда происходит окольцовывание стволов ходами) деревья усыхают в течение первых же лет .

Личинки жука Dendroctonus micans и самоорганизация их поведения Личинки жука Dendroctonus micans, питающиеся древесиной, ведут себя следующим образом:

во-первых, испускают феромон с частотой, зависящей от степени их сытости, во-вторых, перемещаются по градиенту концентрации феромона, если концентрация превышает некоторую пороговую .

Если личинок распределить случайно по какой-либо однородной поверхности (например, стеклу), то такое их поведение приведет к тому, что случайные возрастания локальной плотности личинок приведут к формированию скоплений .

Чем выше локальная плотность личинок в данной области, тем выше градиент концентрации феромона и тем сильнее тенденция других личинок к сползанию в места скоплений. Конечная величина скоплений определяется средней плотностью популяции личинок в данном месте .

Таким образом, и в этом примере в первично однородной системе (личинки распределены случайно) на основе автокаталитического механизма спонтанно возникает структура — скопление .

Электрическая активность мозга Изучение электрической активности, а, значит, и самой деятельности мозга заключается в проведении анализа электроэнцефалограмм (ЭЭГ) .

При проведении экспериментов на черепе испытуемого крепятся электроды, замеряющие электрическое напряжение .

Показания каждого электрода отображаются в виде кривой, выражающей зависимость изменения напряжения от р щ р времени; эти кривые выводятся на экран. Врачи и исследователи давно обнаружили, что целесообразно записывать не просто точную микроструктуру этих кривых, а отфильтровывать так называемые частотные диапазоны. Это означает, что кривые определенным образом сглаживаются .

В зависимости от способа сглаживания (то есть частотной фильтрации) различают определенные волны .

Каждому участку (с закрепленным на нем электродом) головы испытуемого соответствует определенный квадрат на схеме, выводимой на экран, где и отображаются все изменения альфа-волн, излучаемых мозгом во время эксперимента .

Электрическая активность мозга При постоянной регистрации на ЭЭГ выявляются циклические изменения, отражающие общий уровень активности индивида. В состоянии активного бодрствования ЭЭГ фиксирует низкоамплитудные неритмичные бетаволны. В состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами преобладают альфа-волны частотой 7–12 циклов в секунду. О наступлении сна свидетельствует появление высокоамплитудных медленных волн (дельта-волн). В периоды сна со сновидениями на ЭЭГ вновь появляются бета-волны, и на основании ЭЭГ может создаться ложное впечатление, что человек бодрствует (отсюда термин «парадоксальный сон»). Сновидения др у ( д р рд ) д часто сопровождаются быстрыми движениями глаз (при закрытых веках) .

Поэтому сон со сновидениями называют также сном с быстрыми движениями гла. ЭЭГ позволяет диагностировать некоторые заболевания мозга, в частности эпилепсию .

Если регистрировать электрическую активность мозга во время действия определенного стимула (зрительного, слухового или тактильного), то можно выявить т.н. вызванные потенциалы – синхронные разряды определенной группы нейронов, возникающие в ответ на специфический внешний стимул. Исследование вызванных потенциалов позволило уточнить локализацию мозговых функций, в частности связать функцию речи с определенными зонами височной и лобной долей. Это исследование помогает также оценить состояние сенсорных систем у больных с нарушением чувствительности .

Выводы В рассмотренных примерах биологических и физиологических систем из первоначально аморфного состояния в системе возникают неоднородности (то есть уменьшается число степеней симметрии). Именно в этих случаях мы говорим, что «система организуется» .

Так как этот процесс происходит без участия какого-либо внешнего организующего фактора, то перед нами примеры самоорганизации. Случайные флуктуации структуры, возникающие в первично аморфном состоянии, превращаются в макроструктуры, которые определяют облик рассматриваемого объекта .

Таким образом, подход на основе понятий самоорганизации к описанию систем живой природы позволяет связать уровень поведения отдельных особей (микроописание) с ррд ур д д ( р ) уровнем целой биосоциальной системы (макроописанием). Многоплановые причинноследственные связи, которые при этом выявляются, в последующих объяснениях необходимо рассматривать в их единстве и целостности. Иными словами, наш подход выделяет естественные подсистемы в сложной ткани биосоциальных систем .

Анализ механизмов формирования структуры, то есть поиск непосредственных (proximate) причин, ни в коей мере не отрицает правомерности эволюционных (ultimate) объяснений объекта. Однако принимая во внимание возможности первого типа объяснений, мы можем существенно изменить свои взгляды на те явления и процессы, которые подлежат объяснениям второго типа. Иными словами, сложное может оказаться простым .

Таким образом, есть надежда, что применение синергетического подхода к объяснению биологических и физиологических систем позволит нам увидеть простое в сложных узорах, которые рисует нам Природа .

Рекомендуемая литература Трубецков Д.И. Введение в синергетику. Хаос и структуры. М.: Эдиториал УРСС, 2004 .

Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г., Потапов A.B., Самарский A.A. Структуры в нелинейных средах.—В сб.:Компьютеры и-нелинейные явления. Информатика и современное естествознание. М.: Наука, 1088, с. 5-43 .

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986 .

Белоусов Л.В. Биологический морфогенез. М.: МГУ, 1987 .

Дьюдни А.К. Получение изображений самых сложных математических объектов с помощью компьютера-микроскопа.— В мире науки, 1985, № 10, с. 80-87 .

Дьюдни А.К. Программы, моделирующие эволюцию биологических видов палеозоя и эволюцию английских фамилий.— В мире науки, 1986, № 7, с. 82-87 .

Ивлев B.C. О структурных особенностях биоценозов.— Изв. АН ЛатвССР, 1954, т. 10(87), с. 53-68 .

Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М.: Мир, 198 .

Мантейфель В.П. Экология поведения животных. М.: Наука, 1980 .

Марри Д.Д. Отчего у леопарда пятна на шкуре.— В мире науки, 1988, № 5, с. 46-54 .

Панов E.H. Поведение животных и этологическая структура популяции. М.: Наука, 1983 .






Похожие работы:

«Арифулии Евгений Альбертович СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НУКЛЕОПРОТАМИНОВОГО ХРОМАТИНА В СПЕРМАТОЗОИДАХ ЧЕЛОВЕКА 03.03.04 клеточная биология, цитология, гистология АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени ка...»

«1. Цель освоения дисциплины Целью изучения дисциплины является формирование у студентов навыков проведения хирургических операций на животных и умения осуществлять диагностику, разрабатывать лечение и меры предупреждения хирургических болезней, учитывая этиол...»

«СОЦИОЛОГИЯ ГОРОДА М.С. Алексеева СЕЛЬСКО-ГОРОДСКАЯ МИГРАЦИЯ И ПРОБЛЕМА САМОВОЛЬНЫХ ПОСЕЛЕНИЙ В ПОСТСОВЕТСКОЙ БУРЯТИИ: СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД* В данной статье рассматривается положение сельско-городской миграции в системе процессов гомеостаза городского организма; стратегии борьбы за городские ресурсы и...»

«ОБЩЕСТВЕННО-ПОЛИТИЧЕСКИЙ ОТБОР – ОБЩЕСТВЕННОНЕИЗБЕЖНЫЙ ФАКТОР ОПТИМАЛЬНОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ ТОРОСЯН К. А. Открытые Ч. Дарвиным основные движущие силы эволюции органического мира – борьба за существование и естественный отбор на основе наследственной изменчивости...»

«ОГЭ—2019 Г.И. Лернер БИОЛОГИЯ ТРЕНИРОВОЧНЫХ ВАРИАНТОВ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ РАБОТ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ОСНОВНОМУ ГОСУДАРСТВЕННОМУ ЭКЗАМЕНУ Москва Издательство АСТ УДК 373:57 ББК 28я721 Л49 Лернер, Георгий Исаакович. менационных работ для подгот ство АСТ, 2018.— 127,...»

«ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ", ЕЕ МЕСТО В СТРУКТУРЕ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ СПЕЦИАЛЬНОСТИ.3 1.1. Цели преподавания дисциплины..3 1.2. Задачи изучения дисциплины..4 2. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В Р...»

«ГРУНТОВЕДЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ BIOTECHNOLOGIES IN ENGINEERING GEOLOGY MAKSIMOVICH N.G. МАКСИМОВИЧ Н.Г. Head of the Laboratory of Technogenic Processes Geology and deputy Заведующий лабораторией геологии техногенных процессов и science director of the Institute of Natura...»

«Рубрика: Биология развития Биология развития Рубрика УДК 636.2:612.621 Е. Н. Бойцева, В. Ю. Денисенко, Т. И. Кузьмина Воздействие нокодазола на капацитацию и освобождение Cа2+ из внутриклеточных депо сперматозоидов быков Аннотация. В...»







 
2018 www.lit.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.