БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ =
УДК 577.357;550.348
П РИЛИВНЫЕ ВАРИАЦИИ АКТИВНО СТИ РАДОНА КАК ВОЗМОЖНЫЙ ФАКТОР СИНХР ОНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
© 2015 г. В.Е. Захватаев
Сибирский федеральный университет, 660041, Красноярск, просп. Свободный, 79
E-mail: v.09@mail.ru Поступила в p едакцию 20.06.13 г. После доработки 17.07.14 г.
Рассмотрены возможные сценарии синхронизации некоторых биологических процессов с вариациями ускорения лунно-солнечного гравитационного прилива, основанные на триггерном воздействии приливной силы на геосреду с модуляцией поля эманаций и активности радона и других радиоактивных элементов. Обсуждаются механизмы и модели чувствительности биосистем к приливным вариациям природного радиоактивного фона, включающие митохон-дриальный переход проницаемости и продуцирование активных форм кислорода и азота, байстендер-факторы и вторичное биогенное излучение, модуляцию клеточной сигнализации и ритмической экспрессии генов.
Ключевые слова: биологические часы, вторичное биогенное излучение, Луна, митохондриальный переход проницаемости, прилив, радон.
1. СИНХРОННОСТЬ ВАРИАЦИЙ
П РИЛИВНОЙ С ИЛЫ И НЕКОТОРЫХ БИОПРОЦЕССОВ
В последнее время подчер кивается важность исследований влияния геофизических полей, т. е. полей, фор мируемых геодинамическими про -цессами, на живые организмы и экосистемы [1,2]. Корреляции и общие периодичности про -цессов в биосистемах и в геофизических полях представляют значительный интерес.
Такие корреляции установлены в случае влияния солнечной активности на биосферу, начиная с р абот А. Л. Чижевского [3]. Полагают [1], что солнечная активность, в частности солнечные вспышки, воздействуют на биосистемы посредством таких факторов, как вариации в естественном фоне электромагнитных полей низких и сверхнизких частот, генерируемых в магнитосфер е; вар иации интенсивности УФ -В-излучения; уровень радиоактивности атмосферы, обусловленный вариациями концентрации радона-222, возрастающий во время магнитных бурь; изменение напряженности атмосферного электрического поля; космическое излучение и других [1]. Однако физические механизмы влия-
Сокращения: ССИ - сверхслабое излучение, АФК - активные формы кислорода, АФА - активные формы азота, МПП - митохондриальный переход проницаемости, МАРК - митоген-активируемая протеинкиназа.
ния таких слабых и сверхслабых факторов на биосистемы остаются неясными [1].
X орошо известна синхронность физиологических процессов и поведения организмов с морскими и океаническими приливами [4-8]. Приливы обусловлены изменением положений Луны и Солнца относительно Земли. П рилив-ный период, соответствующий подъему и понижению уровня воды, составляет в среднем 12,4 ч (циркаприливный ритм). Прилив модулируется в течение лунного цикла (29,53 сут); сизигийный (наибольший) пр илив наблюдается в фазы новой или полной Луны. Соответственно имеют место следующие о сновные пер иоды, связанные с Луной: 12,4 ч, 24,8 ч, 14,77 сут и 29,53 сут.
Синхронизация с морским приливом имеет адаптивное значение. Синхронизация созревания и размножения некоторых организмов с определенными лунными фазами может помогать в нахождении партнера, выборе внешних благопр иятных условий и избегании хищников [4,5,7]. Яйцеклетки у ряда таких о рганизмов развиваются к наступлению и созревают около определенной лунной фазы (для размножения с лунномесячным циклом), сизигийных приливов (для двухнедельного полулунномесячного цикла размножения) или суточных приливов (для приливного цикла размножения) [9]. При этом выработка данными организмами поло-
вых стероидных гормонов варьирует в соответствии с указанным синхронным развитием яйцеклеток.
Полагают, что цир каприливные ритмы могут обуславливаться как сигналами окружающей ср еды, так и внутр енними биологическими часами. Предложены три основные гипотезы: 1) имеются отдельные циркаприливные и цир-кадианные биологические часы [4]; 2) функцио-нир ует пара циркалунных часов (с лунносуточ-ным периодом 24,8 ч) в противофазе [10]; 3) имеются единые бимодальные часы, которые регулируют и циркадианный, и циркаприлив-ный ритмы [11].
Синхр онизация с пр иливом циклов метаболизма, физиологии, репродукции и поведения, установленная для ряда ор ганизмов (животных и растений), обитающих в прибрежной зоне, имеет место и при перено се организмов в постоянные лабораторные условия [4,8]. Так, наряду с обычными циркадианными циклами, устойчивые циркаприливные циклы, ассоциированные с биологическими часами, наблюдаются для ракообразных Euridice pulchra на поведенческом, физиологическом и молекуляр ном ур ов-нях [8]. С помощью РНК-интерференции, модулирующей экспрессию генов, регулирующих цир кадианные часы, и применения яр кого постоянного света, элиминир ующего циркадиан-ные ритмы, установлено, что экспрессия цир-кадианных водителей ритма (генов Euridice pulchra time и репоё) не связана с циркаприлив-ными биологическими часами (несмотря на изменения циркадианных ритмов в поведении и генной экспрессии, циркаприливный ритм оставался без изменений). При этом, однако, ин-гибирование казеинкиназы 1 влияло как на циркадианные, так и на циркаприливные ритмы активности, что свидетельствует о вовлечении опосредуемого этой киназой фосфорилирова-ния в механизмы обоих часов. Аналогичные результаты получены для мангорового сверчка Apteronemobius asahinai [12] и морского червя Platyneris dumerilii [7]. В последнем случае показано наличие биологических часов с периодом лунного месяца, контролирующих репро-дуктивность, и независимость этих часов от осцилляций экспрессии некоторых ключевых генов циркадианных часов. С другой стороны, экспрессия генов циркадианных часов репоё, с1оск, pdp1, timeless осциллирует не только в соответствии с циркадианным р итмом, но и в соответствии с лунными фазами, что свидетельствует о вхождении этих генов в циркалунные часы. Интер есно, что пр и этом циркадианная активность значительно различается между различными фазами Луны. Обнаружено тесное
взаимодействие между циркадианными и цир-калунными часами на генетическом уровне [13,14]. Эти результаты свидетельствуют о том, что циркаприливные и циркалунные часы могут иметь молекулярные механизмы, отличающиеся от механизмов цир кадианных часов, но, вместе с тем, эти часы связаны между собой. Интересно, что эволюционно циркаприливные часы могли пр едшествовать цир кадианным, являясь более фундаментальными.
Циркаприливная экспрессия генов может быть достаточно значительной, так по меньшей мере 5% транскриптома жабр двустворчатого моллюска Mytilus califomianus показывают циркапр иливную ритмическую экспрессию генов [15].
Механизмы, обусловливающие циркаприливные р итмы, до сих пор неясны. Полагают, что синхронизирующими пр иливными сигналами могут быть изменения давления, температур ы и солености воды, скорости течения, степени турбулентности [5,8].
Однако перечисленные факторы не могут соответствовать сравнительно недавно обнаруженной синхронности некоторых процессов в биосистемах вне прибрежной зоны с вариациями лунно-солнечного гравитационного прилива в земной коре [6,16-24].
С помощью видеосъемки высокого разрешения с получасовыми временными интервалами установлено [20,21], что скоро сти удлинений первичных корней проростков Arabidopsis tha-Шш в условиях постоянной о свещенности, влажности и температуры осциллируют с периодом 24,8 ч, совпадающим с лунными сутками. Первоначально рост проростков наблюдался в условиях периодических изменений о с-вещенности: 12 ч/12 ч и 16 ч/8 ч (соответственно свет/темнота) в течение четырех суток. В этих условиях скорости удлинений осциллировали с периодом 24,0 ч. Далее о существлялся пер еход к постоянному освещению, при этом пер иод осцилляций увеличивался примерно до 24,8 ч, что совпадает со средним периодом лунных суток. Максимальные скорости удлинений совпадали с минимальными значениями приливного ускорения. Тот же период 24,8 ч характеризует и ро ст в условиях постоянной освещенности без предварительной периодической смены освещенности. Во всех случаях установлена значительная корреляция между скоро стя-ми удлинений и вариациями гравитационной силы в месте проведения эксперимента (кро сс-корреляционный коэффициент 0,90-0,96) (следует отметить, что вариации приливной силы в данный момент времени и в данном месте проведения эксперимента могут быть точно вы-
числены). Аналогичные результаты получены и для условий непрерывной темноты в течение первых четырех суток с дальнейшим непрерывным освещением, что позволяет более однозначно связать данную синхронизацию с вариациями гр авитационной силы [20]. Это явление захвата частоты осцилляций скор остей удлинений корней вариациями гравитационного прилива носит общий характер, имея место для различных генотипов и в разные времена года. Вариации удлинения первичных корней могут зависеть от вариаций скоростей удлинения клеток преимущественно в зоне ра стяжения, которые определяются периодическим движением воды [21] и соответствующим ра стяжением клеточных стенок (концентрация К+ и других ионов, поглощаемых клеткой, а также иных осмотически активных веществ в клетке приводит к поступлению в клетку воды, увеличению тур горного давления содержимого клетки на клеточную оболочку и растяжению последней). Это движение воды р егулируется проницаемостью клеточных мембран и соответствующими механизмами пассивной диффузии и активного метаболического транспорта с участием белков, в частности ионных каналов и ак-вапор инов [21]. Важную роль в регуляции роста клетки растяжением в различных тканях играют фитогормоны ауксины [25].
Обнаружено [18,21], что при постоянных освещенности и других внешних условиях ник-тинастические движения листьев растений семейства бобовых, например Phaseolus шии1Аотш и СапауаНа ensiforшis, также согласованы с гра-витационным приливом. Исследования с использованием различных режимов чередования освещенности показали, что «точки поворота» -моменты времени, когда данный лист начинает свое быстрое движение вниз из верхнего положения или движение вверх из нижнего положения, - соответствуют точкам экстр емума
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.