§ 4. Приложения в химии и биологии

Описанные закономерности, относящиеся к цепочке связанных через диффузию генераторов или реакторов, в которых происходят автоколебательные реакции, могут объяснить наблюдаемые в экспериментах процессы. Интересные данные приведены в работе Жаботинского о протекании автоколебательной реакции окисления в длинных трубках. Если на одном из концов трубки создается локальная неоднородность, например, путем увеличения концентрации окислителя, или просто есть граница рабочий раствор — газ, то из этой локальной неоднородности распространяются «волны». Об амплитуде волны можно судить по окраске раствора.

Разобьем трубку мысленно на цепочку связанных через диффузию генераторов. Как мы уже указывали, математически такое разбиение соответствует приближенному представлению уравнений в частных производных (по координате и времени) для концентраций х и у системой уравнений в обыкновенных производных по времени. Пусть, например, соответствует окрашенному, а прозрачному раствору. Тогда, благодаря установившейся между генераторами стационарной разности фаз, состояние достигается в разных генераторах (или в разных сечениях трубки) в разное время, что соответствует распространению волны окраски от одного сечения к другому. Скорость распространения волны больше в тех участках трубки, где величина будет меньше. Экспериментально скорость варьируется изменением степени неоднородности раствора в трубке (что соответствует качественно изменению расстройки между генераторами). Волна окраски пробегает всю трубку за время

Мы уже говорили о принципиальном значении явления синхронизации для пространственно-временной организации в живой клетке и в многоклеточном организме. Синхронизация играет важную роль и в самоорганизации популяций как простейших организмов, так и высших видов живых существ. Сейчас нельзя указать

ни одной монографии, посвященной математической биофизике или самому явлению синхронизации, где бы не подчеркивалась ее замечательная организующая роль

Если признать, что автоколебания лежат в основе клеточного цикла, функционирования сократительных волокон и нервных клеток, то синхронизация как один из главных типов АВ-процессов всегда потенциально возможна, так как клеточные или биохимические осцилляторы всегда связаны между собой. Приведем несколько характерных фактов, которые говорят о важности синхронизации в живых системах. В гл. 9 идет речь о «пейсмекерах», или источниках автоволн повышенной частоты, которые, распространяясь, синхронизуют все остальные области пространства с более низкой частотой автоколебаний. Именно так происходит синхронизация в колониях слизевиков (см., например, [9]), в тяжах плазмодия Physarum, связанных между собой [10, 11], сокращениях сердечной мышцы под действием сигналов синусного узла. Следует также напомнить о гипотезе Винера о формировании -ритма мозговых волн и привести его любопытное высказывание: «Интересным опытом, способным пролить свет на справедливость моей гипотезы о мозговых волнах, могло бы, весьма вероятно, оказаться исследование светляков или других животных, таких как кузнечики или лягушки, которые могут излучать световые или звуковые импульсы и принимать эти импульсы. Часто высказывалось предположение, что светляки на дереве вспыхивают в унисон, и это явление сводили к оптической иллюзии человека. Я слышал, что у некоторых светляков Юго-Восточной Азии это явление выражено столь резко, что его вряд ли можно приписать иллюзии. Но светляк действует двояким образом: с одной стороны, он излучает более или менее периодические импульсы и, с другой стороны, обладает рецепторами для этих импульсов. Не происходит здесь то же самое предполагаемое явление собирания частот?» [12]. Укажем, что и в колониях слизевиков синхронизация осуществляется по такому же механизму.

Синхронное деление клеток является одной из важнейших особенностей развития эмбриона на его ранних стадиях. Как только начинается дифференциация, синхронный режим деления переходит в стохастический. В научных исследованиях, в микробиологическом производстве, при борьбе с злокачественными новообразованиями важно уметь искусственно синхронизовать акты деления. При этом важно учитывать взаимное влияние клеток при их непосредственном контакте или через межклеточную среду.

В целом можно сказать, что в эксперименте факторы, ответственные за синхронизацию и, прежде всего, за синхронноеделение, изучены недостаточно. В частности, интересна роль мембранных потенциалов клеток, которые меняются в зависимости от фазы клеточного цикла [13].