Дисипативни структури са описани за всички нива на структурна организация от субатомно ниво (лазер) до ниво организми. Ето някои примери за самоорганизация на неживата природа, които сме разгледали досега:
- Лазер
- Автоколебателните химични реакции от типа Белоусов-Жаботински
- Топлинна конвекция и турбулентност
До момента са натрупани многобройни свидетелства за самоорганизация в разнообразни биологични системи на всички нива – от молекулярно и клетъчно до популационно. Ето един определено непълен списък:
- начало на живота от самоорганизиращи се химични системи, хиперцикли.
- спонтанното свиване (фолдинг и рефолдиг) на белтъците и други макромолекули.
- “самосглобяването” на цитоскелетни структурии двуслойни мембрани.
- хомеостазис ( самоподдържането на приблизително
постоянни параметри (температура, налягане, pH) на състоянието на биосистемите от клетка до цял организъм). - морфогенезис – механизмът на развитие и разстеж на живите организми.
- самоорганизация във вид на пространствени патерни на колонии едноклетъчни, например Dictyostelium discoideum, Bacillus subtilis и др.
- създаването на общества от някои насекоми (мравки, термити, пчели), и много млекопитающи.
- поведението на групи животни (стада, ята птици, пасажи риби и т.н)
Тези примери са белег, че обекти на живата природа са способни да се самоорганизират без намеса на по-висш разум отвън.
Що е то фолдинг
За синтеза на белтъците вече споменахме в темата за “РНК-свят“-а, като ще припомним, че белтъците “се сглобяват” от отделни аминокиселини според разчетената последователност на кода от ДНК. Резултат от работата на този биологичен конвейер са дългите вериги белтъци, които обаче за да придобият разнообразните си функции (структурна, каталитична, двигателна, защитна) е трябвало сами да се “свият”,”завият”, “сгънат” в точно определена форма.
На схемата долу е човешки хемоглобин.
Схема: Макс Perutz
Процесът на свиване става на няколко етапа с продължителност от няколко секунди до няколко минути. В последната, решаваща фаза протеинът от “предварителното” си състояние мигновено (за няколко десетки микросекунди) приемат окончателната си форма.
Процесът на “сгъване” (фолдинг) на белтъците е фундаментален и много важен практически за цялата биология. Когато белтъците се свиват неправилно, възникват сериозни заболявания като болестта на Алцхаймер, “лудата крава” и други.
Разбирането на този процес ще позволи не само с лекота да се създават усъвършенствани версии на белтъците, съществуващи в природата, но и да се моделират абсолютно нови структури с нови свойства — изкуствени “самосглобяващи се” протеини с предварително програмирани функции. Някои даже говорят за бъдещи “нанороботи”, появата на които ще доведе до истинска технологична революция в медицината.
 |
Първият изкуствен белтък вилин е създаден началото на 2004г. от учени от Медицинския институт Хюз при университета Вашингтон. Именно този институт е главният спонсор на известния проект Folding@Home — програма за разпределение на изчисления за фолдинга на разнообразни синтетични белтъци. По-късно са синтезирани и други, по-сложни протеини.
Вляво е анимация на фолдинга на компютърния модел на първия изкуствен белтък вилин. Източник: folding.stanford.edu/ |
|
| play pause | ||
Амебата Dictyostelium discoideum
Когато всичко е наред, амебите диктиостелиум си пълзят, хранят се и се делят от време на време. Но ако дълго останат гладни и енергийните им запаси започнат да се изтощават, те изпускат във външната среда цикличен аденазинмонофосфат (цАМФ), който се приема от съседните едноклетъчни като сигнал. Ако клетките са сити, те не реагират на него, ако също са гладни, те започват да се събират на групи-агрегати, съдържащи до 100 000 амеби.
 |
А - всеки за себе си |
| B - формират се агрегации | |
| C – образуват се псевдо-плазмодий. | |
| D – плазмодият тръгва да си търси късмета, с пълна главичка със спори. | |
Снимка: Schleimpilze helfen beim Kampf gegen die Legionärskrankheit
Те формират единен многоклетъчен организъм, който се нарича псевдоплазмодий. Той може, за разлика от амебата да се изпъзява със забележима скорост от неблагоприятните места. Ако успее да стигне място, където има храна, той отново се разпада на отделни клетки. Но ако все си пълзи, пълзи и все няма подходящи условия, той спира и около 20% от клетките изпълзяват нагоре, образувайки здраво стъбло и загиват. По стъбълцето осталите клетки изпълзяват на самия връх, образувайки плодно тяло, в което съзряват спорите. Те се разпръскват наоколо и така изчакват да свърши неблагоприятния период. Когато нещата се променят, от тях израстват амеби и историята се повтаря.
Тази амеба, все още не решила, към кой отбор е – на едноклетъчните или на многоклетъчните е класически, един от първите примери за биологична самоорганизация. Както стана известно, агрегиращите клетки се движат по направлението на нарастване на концентрацията на цАМФ.
Агрегацията на амеби става неравномерно, с формиране на концентрични или спирални вълни от клетки. При няколко центрове на привличане възниква конкуренция между тези центрове. По този начин в хода на по-нататъшната агрегация от първоначално безразборното, случайно разположение на клетките придобива черти на радиален тип DLA (фрактал ) или спирален патерн – все познати картинки от темите за реакцията на Белоусов-Жаботинский.
Из мрежата може да намерите много симулации, java-аплети на агрегацията на тези знаменити амеби:
Волвокс
В блатата и озерата може да се видят плаващи във водата зелени топчета с диаметър до 1 мм.Всяко топче се състоит от множество клети (повече от 1000), приличащи по строеж на зелената еуглена. Това е волвокс – колониална форма на камшичестите едноклетъчни. По принцип, клетката не загива, ако се отдели от колонията, но при размножение доста бързо
образува колониална форма. Колония се размножава като вътре в нея се образуват малки колонии. До 10 000 едноклетъчни могат да влязат в такива колонии. Действията между тяхх се съгласуват чрез контакти между отделните клетки, т. е. всички клетки махат с камшичетата си съгласувано, за да движи колония в определена посока.
Снимка: galois.ch/Biologie/Volvox/
Пътеводна светлина
 Снимка: forestryimages.org |
Пример за пространствена самоорганизация в популациите на насекомите, изнесен от Пригожин и Стенгерс (1986) е агрегацията на личинките на бръмбара Dendroctonus micans, ставаща под влиянието на атрактант (феромон), синтезиран от личинките. Личинки се движат по посока нарастването на концентрацията на феромона. Колкото повече личинки се натрупват, толкова повече нараства концентрацията на произвеждания от тях атрактант. Затова агрегация личинок е автокаталитична реакция.
Подобен много прост механизъм на “колективен разум” функционира при строежа на термитниците. Отначало термитите донасят и безразборно разхвърлят късчета почва, съдържащи атрактант. Случайното разположение на няколко такива късчета близо едно до друго определя центъра на привличане на огромен брой термити, след което задейства механизмът за обратна връзка и самоусилване. |
Спонтанна йерархия
Колективното поведение на членовете на популяцията, което обикновено се обясняваше генетично, може да е в резултат от взаимодействие в системата, т.е. на самоорганизация. О. Тофлер в предисловие към книга на Пригожин и Стенгерс (1986) пише за интересни резултати от изследвания по разделянето на мравките на “работници” и “търтеи”. Оказало се, след нарушаване на установилите се в популацията връзки, във всяка група, както сред “работниците”, так и сред”търтеите”, става разслоение с внезапно превръщане на “търтеи” в “работници” и обратно. Доказано е, че самосинхронизацията и разпределението на задачите в колонията на мравките се осъществява без въздействието на каквито и да са външни сигнали. Сходно е и разслоението на съобществата на водачи и водени. По този начин, целостта и йерархичната структура на съобществото се въспроизвежда, “регенерира”, подобно на това как планарията регенерира премахната си глава или задна част.
Синхронизация на осцилаторите
Eдин от най-ефектните примери за самоорганизация е синхронизацията на мигането на светулките в Югоизточна Азия
| Мангровите дървета по бреговете на река Криан в областта Пенанг, Малайзия, присветват синхронно със светлината на хиляди светулки – самци. Гледката е необикновена, напомня коледна елха и тази магическа сцена трудно се предава на фотография.
Отначало съгласуването е слабо, системата се организира бавно. После синхронизацията се ускорява, което може и да се очаква в система с обратна връзка и бързо се разпространява, обхващайки все повече групи светулки на дървото. Накрая, всички светулки започват да мигат синхронно (около веднъж на секунда), образувайки своеобразен фар за привличане на самки. Взаимната синхронизация е кооперативно явление, времеви аналог на фазовия преход. Американските математици Мироло и Строгац (Mirollo , Strogatz) успяват да опишат математически процеса на синхронизация на мигането на светулките. Който смята, че има сили, може да проучи
|
 Снимки: The Star |
 |
Взаимна синхронизация се наблюдава и в други популации на биологични осцилатори. Примери са щурците, “свирещи” в унисон, синхронизацията на електрическите импулси на клетките на сърцето и невронните мрежи, секрецията на инсулин от клетките на панкреаса. В такива групи пространствената и временната подреденност възниква по пътя на нелинейните взаимодействия.
Синхронизираното колективно поведение на насекомите, птиците, рибите се разглежда като пример за самоорганизация. Популяциите на животните като се самоорганизират, генерирайки колективни патерни, и функционират като интегрирано цяло, придобиват нови свойства. Тези свойства на групите организми или клетки могат да станат обект на Дарвинов подбор – вероятен пример е произхода на многоклетъчните животни.
Източник:
Кооперативные процессы в эволюции, проф. Николай Казимирович Янковский (ИОГен РАН)
Самоорганизация в природе и этногенез, В.Ю. Ермолаев
Sandwalk.Strolling with a skeptical biochemist, Larry Moran
Неинтелигентният дизайн
![begem0t::b[io]log-пей ми пенке ле, кой ли ми те слуша](http://bgchaos.com/frends/begemot.png){kind=small}
Вашият коментар