На головну

біологічна самоорганізація

  1. Біологічна антисептика. антибіотики
  2. Біологічна мінливість і адаптація видів.
  3. Біологічна основа нордичного світогляду
  4. біологічна роль
  5. Біологічна роль води
  6. Біологічна роль елементів. Хімічне схожість і біологічний антагонізм.

У середовищі біологів панує редукционизм, в основі якого лежать успадковані від Лапласа уявлення про однозначну детермінованості причинно-наслідкових зв'язків. Такий підхід названий Л. В. Білоусовим (2001) мікроредукціонізмом, оскільки при цьому предмет дослідження прогресивно розчленовується на все більш дрібні просторово-тимчасові ланки. Однак торжество молекулярної біології і генетики розвитку несподівано блискуче підтвердило віджилі, здавалося б, концепції градієнтів і морфогенетичних полів і призвело до відродження холістичного підходу в біології розвитку (Gilbert et al., 1996).

У біології редукционизм проявляється як переконаність в жорсткій детермінації морфофункциональной організації біологічних об'єктів їх геномом. Уявлення про жорсткому тотальному генетичному контролі морфології, функцій і поведінки організму не залишають місця для проявів самоорганізації. Всупереч цим уявленням, накопичується все більше свідчень самоорганізації (самозборки, емерджентність) в різноманітних біологічних системах всіх рівнів, від молекулярного і клітинного до популяційного.

Збірка макромолекулярних комплексів, наприклад, при побудові цитоскелетних структур, вже традиційно розглядається як самоорганізація, самосборка, зокрема, з позицій молекулярного «віталізму», що допускає можливість автономної самоорганізації макромолекул в високо впорядковані структури (Kirschner et al., 2000).

На рівні клітинних популяцій детально досліджена самоорганізація просторових патернів, радіальних і спіральних, в бактеріальних колоніях. Наприклад, спіральний патерн колоній рухомих бактерій Bacillus subtilis виникає за рахунок координованого переміщення клітин паралельно один одному з виразною тенденцією до закручування клітинних потоків. Самоузгоджена організація складних паттернів навіть дала привід писати про «мудрості» бактерій (Ben-Jacob, 1998).

Класичним, одним з перших, прикладом біологічної самоорганізації стала агрегація амеб акразіоміцета Dictyostelium. Як відомо, агрегує клітини рухаються в напрямку зростання концентрації аттрактанта, цАМФ; клітинний джерело аттрактанта стає центром агрегації. Агрегація амеб відбувається нерівномірно, з формуванням концентричних або спіральних хвиль клітин, т. Е просторово-часової впорядкованості навколо центрів агрегації (рис. 30). В системі агрегують амеб Dictyostelium з декількома центрами тяжіння виникає конкуренція між цими центрами; вся область виявляється розділеної на ділянки, пов'язані з центрами тяжіння (Том, ??1970). Таким чином в ході подальшої агрегації початково безладне, випадкове розташування агрегують амебоидних клітин набуває рис радіального або спірального паттерна (рис.31). Пізніше утворюється компактний агрегат, клітини якого диференціюються.

Мал. 30. Картина агрегації амеб Dictyostelium discoideum

(Баблоянц, 1990)

Ще один приклад просторової самоорганізації в популяціях комах, що приводиться Пригожиним і Стенгерс (1986) - агрегація личинок жука Dendroctonus micans, яка відбувається під впливом аттрактанта - феромону, синтезованого личинками. Личинки переміщаються в напрямку зростання концентрації феромона; чим більше личинок накопичується разом, тим вище концентрація виділяється ними аттрактанта. Тому агрегація личинок є автокаталитически реакцію з самоусіленія. Подібний дуже простий механізм «колективного розуму» функціонує також при побудові термітника: спочатку терміти приносять і безладно розкладають шматочки землі, містять аттрактант; випадкове розташування декількох таких грудочок поблизу один одного визначає центр залучення більшого числа термітів, після чого вступає в дію механізм зворотного зв'язку, самоусіленія.

Мал. 31. Послідовність структурування популяції амеб Dictyostelium (Lackie, 1986)

Колективне поведінка особин в популяції, зазвичай пояснюване генетично, може бути результатом взаємодій в системі, т. Е самоорганізації. О. Тоффлер в передмові до книги Пригожина і Стенгерс (1986) пише про що стали класичними результатах досліджень по розділенню мурах на «трудівників» і «ледарів»; як виявилося, після руйнування сформованих в популяції зв'язків в кожній групі, як серед «трудівників», так і серед «ледарів», відбулося розшарування з виділенням тих же двох груп і раптовим перетворенням «ледарів» в «трудівників» і навпаки. Показано, що самосинхронізація і розподіл завдань в колоніях мурашок здійснюються без впливу будь-яких зовнішніх сигналів. Подібним чином відтворюється розшарування спільнот на лідерів і ведених. Таким чином, цілісність і ієрархічна структура співтовариств відтворюється, «регенерує», подібно до того, як планария регенерує віддалену голову або задню частину.

Один з найбільш ефектних прикладів самоорганізації - cинхронизация спалахів світлячків Південно-Східної Азії: вночі тисячі самців на деревах спалахують синхронно (рис.32). Спочатку узгодженість окремих біологічних осциляторів-світлячків слабка, і система організовується повільно. Потім синхронізація прискорюється, що і очікується в системі зі зворотним зв'язком, і швидко поширюється, захоплюючи все більше скупчення світлячків на дереві. Нарешті, все світлячки починають спалахувати синхронно (приблизно раз в секунду), утворюючи своєрідний маяк для залучення самок. Взаємна синхронізація - кооперативне явище, тимчасової аналог фазового переходу. Дано математичний опис процесу синхронізації спалахів світлячків, хоча досить важко аналізувати динаміку навіть одного нелінійного осцилятора, і тим більше цілої популяції таких осциляторів (Mirollo, Strogatz, 1990).

Взаємна синхронізація спостерігається і в інших популяціях біологічних осциляторів. Приклади включають цвіркунів, стрекотливих в унісон, синхронізацію електричних імпульсів клітин серця і нейронних мереж, секреції інсуліну клітинами гепатопанкреаса. У таких асоціаціях просторова й тимчасова упорядкованість виникає шляхом нелінійних взаємодій.

Мал. 32. Синхронна спалах світлячків на дереві

(Peterson, 1991)

Популяції тварин самоорганізуються, генеруючи колективні патерни, і функціонують як інтегроване ціле, що володіє новими властивостями. Синхронізоване колективна поведінка комах, птахів, риб вже розглядається як приклад самоорганізації, самозборки (Parrish, Edelstein-Keshet, 1999; Whitesides, Grzybovsky, 2002). Колективне поведінка скупчень тварин не завжди адаптивно, воно може виникати і без дії Дарвіновського відбору. Однак властивості ансамблів організмів або клітин можуть стати об'єктом селекції - ймовірним прикладом служить походження багатоклітинних тварин.

У високого рівня здатність до формування різноманітних просторово-часових паттернів проявляється нервовими клітинами. Дж. Едельмен (G. Edelman) відзначає вражаюче розмаїття і складність організації мозку; навіть у близнюків знайдені дуже великі відмінності нейронної організації. Поліморфізм і варіабельність нейронної організації дозволяє мозку реагувати на різноманітність середовища (Tononi, Edelman, 1998). Самоорганізація нейронів - синхронізація активності в групах нейронів і сигналу двох взаємопов'язаних нейронів - виявлена ??в клітинній культурі.

Окремі теоретики приходять навіть до заперечення теорії природного відбору Дарвіна, що не пояснює, на їхню думку, виникнення і різноманіття життя. С. Кауфман (S. Kauffman, 1993) вважає, що самоорганізація - фундаментальна тенденція еволюції, і фактором біологічної еволюції служить антихаосу (стихійне виникнення порядку). Ліма-де Фаріа (Lima-de-Faria) виклав концепцію еволюції без відбору (Автоеволюція з виникненням біологічних форм і функцій без участі хромосом і геному), засновану на виявленні рядів подібних форм в неживій і живій природі. На думку автора, гени виконують свою роль лише на вторинному рівні: в закріпленні вибору варіанту форми, створенні шаблону для повторення порядку, прискоренні і контролі формоутворення (Ліма-де Фаріа, 1991).

Отже, в ході біологічної самоорганізації нелінійні взаємодії елементів можуть вести до складного і несподіваного поведінки їх системи з формуванням упорядкованого в просторі або часі патерну на базі хаотичної динаміки окремих елементів системи.

 



теорія самоорганізації | Моделювання в біології

Вступний курс | Вступ | Теорія біфуркацій і катастроф | Динамічний (детермінований) хаос | фрактальна геометрія | Хаос і фрактали | топологічний підхід | Дослідження фракталів в біології | Хаос на рівні організму |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати