生物鐘的振蕩機(jī)制及其動(dòng)力學(xué)分析
生物鐘是存在于機(jī)體的生物節(jié)律振蕩系統(tǒng)，下面是小編搜集一篇探究生物鐘振蕩機(jī)制的論文范文，歡迎閱讀查看。
前言
在漫長(zhǎng)的生命發(fā)展歷程中，地球上的各種生物包括人類在內(nèi)，其行為和生理功能都表型出一定的節(jié)律性。陽(yáng)春三月，北半球的候鳥紛紛北飛;秋令時(shí)刻，鴻雁頻頻南飛;沒有鬧鐘鈴聲的人們依然每天能夠如期覺醒。這些有規(guī)律的周期現(xiàn)象說明各種生物不止是知道時(shí)間，乃至可以很精確地確定時(shí)間，似乎在生物體內(nèi)存在著一種時(shí)鐘機(jī)制，調(diào)節(jié)著生物體的行為和生理變化。生物學(xué)家根據(jù)生物體存在周期性循環(huán)節(jié)律活動(dòng)的現(xiàn)象，提出“生物鐘”的概念。生物鐘是生物體內(nèi)的一種無形的“時(shí)鐘”,是生物體生命活動(dòng)的內(nèi)在節(jié)律性，用以協(xié)調(diào)各種不同組織與器官的生物節(jié)律，使生物體適應(yīng)自然界的環(huán)境變化。
1、生物鐘的作用
幾乎所有生物體的生理、代謝活動(dòng)和行為過程都生物鐘的影響。從低等的細(xì)菌到真核的真菌、植物、動(dòng)物到人類都存在生物鐘的調(diào)控系統(tǒng)。生物鐘調(diào)控分子、生化、細(xì)胞、生理及行為等各種水平的晝夜節(jié)律，生物鐘的紊亂會(huì)對(duì)生物的生存和健康造成嚴(yán)重?fù)p害，對(duì)人類而言，生物鐘的紊亂可導(dǎo)致睡眠障礙、情感性疾病、腫瘤發(fā)生率增加、代謝性疾病以及免疫系統(tǒng)疾病等。
2、生物鐘的產(chǎn)生機(jī)制
生物鐘現(xiàn)象的產(chǎn)生直接和地球、太陽(yáng)和月球間相對(duì)位置的周期變化息息相關(guān)。關(guān)于其產(chǎn)生的機(jī)制至今仍沒有科學(xué)的定論，從已有的研究來看，主要有一下幾種假說：①內(nèi)源說，該觀點(diǎn)認(rèn)為生物鐘的決定因素是生物體自身的內(nèi)在因素，完全不依賴環(huán)境中的周期性變化，如人在恒溫與外界隔絕的地下也表現(xiàn)出近 24 小時(shí)的節(jié)律;②外源說，該觀點(diǎn)認(rèn)為生物鐘是由周期性的外界信息所決定的，如電場(chǎng)變化、地磁變化、重力場(chǎng)改變、宇宙射線及其它行星運(yùn)動(dòng)變化等宇宙中一些復(fù)雜的信息引起了人的生命節(jié)律的周期性;③綜合說，該觀點(diǎn)認(rèn)為生物體在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，為了適應(yīng)環(huán)境的節(jié)律，其在生理、行為等方面有方面有了自然節(jié)律的印記，從而能表現(xiàn)天生的節(jié)律。但是這種節(jié)律在生存過程中又會(huì)受到環(huán)境的影響，此時(shí)生物體為了更好的適應(yīng)，進(jìn)而繼續(xù)調(diào)節(jié)以更好適應(yīng)。
3、生物鐘的振蕩機(jī)制
生物鐘包括中樞生物鐘和外周生物鐘，是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化進(jìn)程中為適應(yīng)環(huán)境中光、溫度和食物等各種條件的周期性變動(dòng)而形成的，是存在于機(jī)體的生物節(jié)律振蕩系統(tǒng)。不同生物體的生物節(jié)律振蕩系統(tǒng)有很大的差別，但就總體而言完整的生物鐘系統(tǒng)包括三個(gè)部分，即：輸入系統(tǒng)、中央振蕩器和輸出系統(tǒng)。其中輸入系統(tǒng)的作用是接受和傳遞外界環(huán)境刺激(如光照、溫度、聲音、食物和社會(huì)行為等)至中央振蕩器;中央振蕩器是生物鐘系統(tǒng)的核心部分，其包含生物鐘基因及其自主調(diào)控環(huán)路，當(dāng)輸入系統(tǒng)的刺激傳入到中央振蕩器器后，其啟動(dòng)生物鐘;輸入系統(tǒng)的作用是將生物鐘產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)傳出到特定的外圍組織或靶器官，從而調(diào)節(jié)特定的生理、生化和行為節(jié)律。這三個(gè)部分并不是孤立存在的，只有當(dāng)三者相互作用后才能形成一個(gè)完整的生物鐘振蕩系統(tǒng)。
4、生物鐘振蕩的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及模型
目前，數(shù)學(xué)模型已經(jīng)成為理解復(fù)雜基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)行為的有力工具，它可以用來識(shí)別生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)生物系統(tǒng)的行為。生物鐘的動(dòng)力學(xué)模型的理論依據(jù)主要包括質(zhì)量作用定律、米氏函數(shù)、希爾函數(shù)、分岔分析，以及穩(wěn)定性分析、反饋控制、電化學(xué)平衡、分子的主動(dòng)運(yùn)輸與被動(dòng)運(yùn)輸公式、電控離子通道公式等。1965年，Goodwin首次提出了基于負(fù)反饋回路的生物鐘模型，該模型是由一系列的微分方程構(gòu)成的，且每個(gè)微分方程中都包含著一個(gè)線性項(xiàng)，利用該線性項(xiàng)在負(fù)反饋中控制該元素的前一個(gè)元素。
Goldbeter基于果蠅的日常生理活動(dòng)，首次提出了一個(gè)5 維負(fù)反饋生物鐘模型，并根據(jù)參與生物鐘的基因 Per、Cry、Bmall和 Rev-erb組成的正、負(fù)反饋回路，構(gòu)建了一個(gè)16 維常微分方程哺乳動(dòng)物生物鐘的計(jì)算模型。
對(duì)生物鐘動(dòng)力學(xué)的'研究主要集中在單細(xì)胞模型的研究和多細(xì)胞模型的研究。到目前為止，有關(guān)產(chǎn)生生物鐘振蕩的 SCN 細(xì)胞振子的同步已經(jīng)有大量的工作。在分子機(jī)制上，生物鐘的振蕩行為主要受到轉(zhuǎn)錄翻譯負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)(transcription-translation-feedbackloop,TTFL) 的調(diào)節(jié)，更多的研究表明，不管是原核生物還是真核生物，其生物鐘振蕩的動(dòng)力學(xué)機(jī)制不僅僅是 TTFL 的調(diào)節(jié)，還包括轉(zhuǎn)錄翻譯后振蕩 (post-translation oscillation,PTO) 的調(diào)控。
原核生物生物鐘的 PTO 調(diào)節(jié)最早在藍(lán)藻中被證實(shí)，而真核生物在PTO 水平的生物鐘調(diào)控近兩年也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。
只有闡明生物鐘振蕩的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，才能更好地理解生物鐘的生理功能，因此在今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，生物鐘振蕩的動(dòng)力學(xué)機(jī)制仍然是一個(gè)重要的研究方向�；谏镧娬{(diào)控網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，采用信息學(xué)分析、數(shù)據(jù)建模及系統(tǒng)生物學(xué)的研究策略將對(duì)生物鐘的功能與機(jī)制研究起到重要的推動(dòng)作用。
參考文獻(xiàn)
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