Введение к работе
ростанорка проблеми, её актуальность.
Структурно-Функциональная саморегуляция является важнейшим )йством-всех биологических систем. Регуляторнне механизмы опреде-ут способность системы обеспечить устойчивость основных процес-з, а также адаптироваться к изменению внешних условий с сохране-їм основных функций. Установление главных звеньев регуляторних шмодействий и их количественное описание, основанное на изучении шческих механизмов отдельных стадий, позволяет осуществлять на-івленное воздействие на те или иные функциональные характеристики :темы к представляет собой важную и актуальну!) задачу.
Регуляторные механизмы могут быть связаны как с особенностями ?анизации самой системы /наличие циклов, обратных реакций и т.п./, сие кинетикой взаимодействия компонентов /одновременное участие ігентов в быстрых и медленных стадиях/. Следует также иметь в ви-, что биологичесие системы являются, как правило, открытыми и су-зтвенно неравновесными; они взаимодействуют с другими структурно-шшональными образованиями. Всё это приводит к существенно нели-Іному изменению характеристик .системы в ответ на изменение внея-с условий. Есть основания полагать, что именно нелинейность регу-орных процессов, а зачастую я пороговый их характер определяют івень регуляции, присущий данной системе. Сложность струхтурно-шциопальной организации биологических систем выдвигает во главу га, помимо чисто биофизических методов их изучення, и математичес-! методы, в частности, математическое моделирование. Иатематичес-[ модель системы, основанная на понимании физических принципов eS жционирования, позволяет вычленить наиболее существенные регуля-тые процесса, дать иг количественное описание и поіучить, таким >аэом, данные, которые можно использовать в дальнейвем для неправ-
- г -
ленного воздействия на биологическую систему. Удобным объектом дл такого рода исследований является фотосинтетическая система. Она наибольшей степени обособлена от других подсистем клетки и шесте тем обладает хорошо выраженной способностью к саморегуляции, прич механизмы регуляторних процессов во многом ещё не получили количе венного описания.
Фотосинтез представляет собой важнейший биоэнергетический пр< цесс, связанный с использованием и преобразованием солнечной энер гии. В настоящее время в основном выяснены состав и организация ф тосиитетического аппарата, а также механизмы отдельных реакций, н. чиная от поглощения квантов и кончая образованием углеводов. Ыаря; с этим накоплен огромный экспериментальный материал по кинетике ті ких связанных с фотосинтезом процессов, как флуоресценция, окислительно-восстановительные превращения Р700+, поглощение СОо и выде. кие 0«. Эти кинетические зависимости, как правило, весьма сложны, в некоторых случаях имеют характер затухающих колебаний. Единой т< кн зреяия на природу этих изменена» нет. Предполагается, что кмеш они отражают сложную систему регуляторних механизмов, играющих ваз ную роль в адаптации растении к изменяющимся условиям среды.
Есть и другая сторона данной проблемы. В последние годы во ш гнх научных лабораториях мира проводится интенсивное изучение де8< вил различных внешних факторов и, в частности, физиологически акті ных веществ на фотосинтетаческяй аппарат растительных объектов. Важную информацию в этом направления: можно получить с использовам ем простого с технической точки зрения метода индукции флуоресценции, который заключается в регистрации индукционных изменений фяус ресцеици* листьев растений в различных условиях. Вместе с тек отсу ствие однозначное интерпретации кривой индукции і значительная бхо
-. з -Іогжческая вариабельность её параметров существенно сдерживают рименение этого метода. Актуальны» здесь является понимание фнэи-еских механизмов явления и установление количественных связей еящу параметрами индукции флуоресценции и фотосинтетической ак~ ивностью.
Цель я задачи исследования.
Цель работы заключается в количественном изучении регуляторах процессов в одной из важнейших составных частей растительно* четки - фотосинтетической системе. В связи с этим решается зада-ї разработки математической модели нелинейной регуляции, которая і, с одной стороны, достаточно детально учитывала особенности све->вых и темновых процессов фотосинтеза в отдельности, а с другой,-[исывала их взаимодействие через производство и расходование ДФЫ и АТФ. В рамках модели изучаются нелинейные регуляторные оцессы, происходящие в фотосинтетическои системе в ответ на из-нение внешних условий /интенсивность света, газовый состав сре-/ и даётся интерпретация наблвдаемых в эксперименте кинетических обенностей связанных с фотосинтезом процессов /флуоресценция, глощение COg и выделение О,, изменение окислительно-восстанови-іьного состояния переносчихов электронов и др./, в том числе ре-<а затухающих колебаний.
В связи с этим актуальным также является теоретическое оггаса-I медленной индукции флуоресценции хлорофилла, нелинейной зави-юсти между флуоресценцией и фотосинтезом > установление количес-яной взаимосвязи между параметрам медленной индукции флуорео-пии к фотосинтетической активностью. Для проверяя адекватности рви получениые результаты проверяются в экспериментах по измере-медлениой индукция флуоресценции; интахтных листьев в различных
_ 4 -условиях.
Научная новизна и практическое.значение работа.
Диссертационная работа открывает новое научное направление: количественное исследование нелинейншс регуляторних откликов слот пых фотосйитезирующих систек на изменение внешних условий. Вперві построена теоретическая модель, которая позволила количественно описать механизмы эффективного сопряжения фэтофизйческкх, анерго-преобразующих и биохимических стадий. Впервые дано непротиворечивое количественное описание индукционных эффектов в фотосинтезе, включая режим затухающих колебаний, что позволило оценить эффект нув скорость взаимопревращений углеродных соединений в цикла Кал: вина. Полученные результаты позволяют теоретически имитировать взаимодействие световых к темковах процессов фотосинтеза в завис; jeoctk о? состояния системы, моделируя тем самым её отклик на изы нявшиеся внешние условия.
Развитая в работе математическая модель позволила дать опис нка одному из фундаментальных явленій в биофизике фотосинтеза -так называемой медленной индукция флуоресценции фотосинтезируща объектов, изучаемой во многих научных лабораториях шгра в течена более 50 лет, но не икзвжей количественной интерпретации. Новым полученным на атом направлении результатом является установление вь'сокоЗ положительной корреляции ііезду относительным тушением фл ресцендии в индукционном периода к стационарной скоростью асскма щит СОо. Этот результат был поллостьо подтверждён в ходе эксперв кевтальноЯ проверкл. Указанная корреляция била установлена в от. из еитядтных листьях, находящихся в различных условаях: в прксут ют ряда гврбицвдов jr аятеоясидаягоа, пра поражения возбудетеле* стеблевой ржавчтш, прк вцращяваииз в раздвчных условиях освеїцеї
- 5 -Ваервые в одних я тех же экспериментальных условиях, in v.i vo , доследована медленная индукция флуоресценции листьев в зависимости от широкое круга факторов, что позволило получить новые данные о вкладе р"йзличных процессов в индукционные переходы флуоресценции фотосийтёзирующих объектов. Эти результаты, с одной стороны, имеют фундаментальное значение для понимания механизмов регуляции в сложных фотосинтезирующих системах, а с другой, - могут служить основой для разработки простых и эффективных методов количественной оценки функциональной активности фотосинтезирующих объектов in vivo, основанных на регистрации медленной индукции флуоресценции.
Положения, выносимые на защиту.
Г. Совокупность наблюдаемых в эксперименте кинетических особенностей световых и темновых стадий фотосинтеза, включая режим затухающих колебаний, находит объяснение в рамках математической модели, учитывающей производство и расходование НАДШ и АТФ и нелинейные регуляторные процессы, происходящие в фотосинтетической системе в ответ на изменение внешних условий.
2,. Имеется положительная корреляция между относительным тушением флуоресценции интактных листьев в ходе медленной индукции флуоресценции и скоростью фотосинтеза /ассимиляции C0V.
-
Медленная индукция флуоресценции интактных листьев связана с процессами, влияющими на эффективность сопряжения световых и темновых стадий фотосинтеза: циклический и нециклическим электронными' потоками, изменениями в аденилатной системе, перераспределением энергии возбуждения между фотосистемами. Первый пии индукции обусловлен лимитированным оттоком электронов от фотосистемы I.
-
Медленная индукция флуоресценции листьев может быть использована для адекватно* количественной оценки функциональной акти»-
- б -
кости н изменения функционального состояния интактных фотосинтети-ческях объектов под действием внешних факторов.
Апробация работы,
Материалы диссертации доложены на выездной сессия межфакуль-татского координационного Совета ИГУ по бкофотонихв "Проблемы био-фотохимия" /декабрь ГЭ?4 г., Пущине/, Всесоюзном совещании "Люминесцентный анализ в медицине л биологии и его аппаратурное обеспечении" /декабрь Г9ЄГ г., Рига/, конференции "Количественный люминесцентный анализ многокомпонентных систем биологически активных веществ" /апрель 1962 г., Ташкент/, I Всесоюзном биофизическом съезде /август 1982 г., Москва/, Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции к е применениям /октябрь 1982 г.. Хорьков/, Международном симпозиума "Биоконверсня солнечной энергии" /июнь 1983 г., Пущяио/, УП Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений /апрель Г984 г., Львов/, Всесоюзной конференции "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений" /сентябрь 1964 г., Иркутск/, мвифакультетской научно-практической конференции МГУ "Продовольственная программа и проблемы охраны в рационального использования природных ресурсов" /январь 1985 г., Москва/, Всесоюзной конференции "Изменчивость пигментного аппарата и направленность первичных процессов фотосинтеза в зависимости от факторов среды" /октябрь 1985 г., Чернигов/, П Всесоюзной конференции "Биоантиоксидант" /май 1986 г., Москва/, У Всесоюзной межуниверситетской конференции ТБиодогвя клетки" /ноябрь 1967 г., Тбилиси/, П школе-сенинара по биофизике "Физические основы структурооб-разоваяия и преобразования энергии в биологических системах" /ноябрь I9Q7 г., Пущиио/, Всесоюзной конференции "Преобразование све-гоїязй анергия в Фотосинтезируюшх системах а ах моделях" /июнь
_ 7 -
ГЭ89 Г., Пушино/.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 40 статьях в вурналах "Биофизика", "Физиология растении", "Доклада АН СССР", "Вестник МГУ" /сер. фиэ., астр./, "Известия АН СССР" /сер. биол./, "Іурнал физической химии", сборниках научных трудов и других изданиях..
Структура я объём работы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов. Зна содержит 415 страниц, включая 105 рисунков.а 16 таблиц. Список гатературн включает 398 ссылок на работы отечественных и зарубея-гах авторов.