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, пространственных агрегаций особей,

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:

Вее е Введение Что такое самоорганизация?

Простейшие примеры 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;

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 .

Ч происходит с водой в сосуде, который мы подогреваем на плите? Е Что й й ? 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 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 местах, дно, 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 (то есть все эти системы открытые) 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 О б б 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 :

ду щ р р формирование плодового тела у миксамеб Dictyostelium discoideum закладка основы термитника (термиты Isoptera — отряд общественных новокрылых насекомых с неполным превращением. )

–  –  –

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) .

дщ р дуц р ц у (ц ) 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 .

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 рд, д фр р 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 .

Как и все общественные насекомые, термиты живут в колониях, число зрелых особей в которых может достигать от нескольких сотен до нескольких миллионов и состоящих из каст. Типичная колония состоит из личинок (нимф), рабочих, солдат и репродуктивных особей .

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 .

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 слоны .

слоны .

В гнезде предусмотрены места для разведения грибковых садов, содержания яиц и молодых личинок, репродуктивных особей, а также обширная сеть вентилляционных туннелей 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 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 ф 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 волокнами, сшитых 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 мастерят свои жилища из листьев на вершинах деревьев .

На первом этапе муравьи рассеиваются по дереву, на котором они планируют заселиться. П 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 ур 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 кромки, 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, д ду д, ду у рд, 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) (ЭЭГ) .

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

Показания каждого электрода отображаются в виде кривой, выражающей зависимость изменения напряжения от 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 означает, 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 волны .

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 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 р рр э р у р д 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 какого-либо 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 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 структуры, (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 средах В сб :Компьютеры и нелинейные явления 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:

«УДК 663.813:614.3 Л.А. Петрова, М.С. Шереметьева РЫНОК И МОНИТОРИНГ БЕЗОПАСНОСТИ СОКОВОЙ ПРОДУКЦИИ Соки являются богатыми источниками сахаров (глюкозы, фруктозы, сахарозы), которые весьма важны в питании...»

«РС40-АРК 01(02) УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЕАБР.656112.013ТО Техническая Библиотека РЗА Б09ТО40АРК 01(02)-3 Перед включением оперативного тока заземлить! При проверке сопротивл...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра биохимии СТРУКТУРНАЯ БИОХИМИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ МИНСК УДК 577. 11 (112, 113, 114, 115). 15. 16. ББ...»

«Межрегиональная олимпиада школьников Будущие исследователи – будущее науки Биология 2017г. 7 класс ЗАДАНИЕ СО СВОБОДНЫМ ОТВЕТОМ 1. Подберите на Ваше усмотрение организмы, входящие в биоценоз. Заполните таблицу. Биоце Позвоночные Беспозвоночные Высшие споровые Высшие семенные...»

«ТУ-9-ЭЭРЛ Творчество участников IX Экологической Экспедиции Ришельевского Лицея Одесса Хмельницкий Каменец-Подольский Гуменцы 2010 год Права не защищены (с). В этом издании собрана основная фактическая информация об ЭЭРЛ 2010, а также бортжурналы четырех отрядов, стихи, песни и другое творчество. Целью издания...»

«008674 Изобретение относится к медицине и ветеринарии, в частности, к эмбриологии и может быть использовано для хранения микроскопических биологических объектов. К уникальным единичным микроскопическим биологическим объектам могут быть отнесены единичные сперматозоиды, выделенные из спермы пациентов с тяжелой олигозооспермией (незначительное...»

«Том 9, №2 (март апрель 2017) Интернет-журнал "НАУКОВЕДЕНИЕ" publishing@naukovedenie.ru http://naukovedenie.ru Интернет-журнал "Науковедение" ISSN 2223-5167 http://naukovedenie.ru/ Том 9, №2 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-2.php URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/85EVN217.pdf Статья опубликована 20.04.2017 Ссылка для цитиров...»

«Дата проведения Код участника олимпиады /i Работа участника ш кольного этапа Всероссийской олим пиады lAibjSjWiil_ ПО f'fb v x ie i a d i u -м: M a iu iu n ta u iu irh u ii (Ф.И.О. участника) ^ ученика(11Ь|) к л а с с а Дк [.I а р ш tiQ ji ' Л f. П ц/д иц (С f (название ОУ) (название населенного пункта) Ll c p /...»







 
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.