Работа механизма фенотипической адаптации

Для анализа работы механизма фенотипической адаптации рассмотрим в качестве примера поведение клетки при воздействии на нее некоторой нагрузки. При этом для сохранения устойчивости своего неравновесного термодинамического состояния клетке будет необходимо увеличить объем и скорости синтеза и расщепления АТФ. (Одновременно с этими изменениями реакций в клетках изменяются и многие другие, включенные в соответствующие метаболические пути).

При воздействии на клетку такой нагрузки в ней будут активизированы ферменты, повышающие скорость биохимических реакций в первой фазе — фазе поступления питательных веществ и синтеза из них АТФ. Эта фаза под действием ферментов будет происходить в ускоренном режиме до достижения увеличенного количества синтезированного АТФ. При достижении в клетке критического количества АТФ фаза синтеза АТФ за счет действия обратных связей переключится на фазу расщепления АТФ. При фазе расщепления АТФ идут совершенно другие биохимические реакции, в основном реакции гидролиза, в результате которых АТФ превращается в АДФ с выделением энергии. Эти реакции также будут идти в ускоренном режиме до достижения минимального количества АТФ. Указанные реакции, проходящие при участии и под контролем ферментов, будут также сопровождаться усиленным синтезом последних. Изменения в ходе биохимических реакций приводят к биологическим и к физическим изменениям клетки: скоростей и объема реакций, массы, формы, геометрических размеров. На рис. приведены графики изменений массы нейтрофилов и спектральной плотности массы клетки (данные Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений).

Рис. График изменения массы нейтрофила. Ось абсцисс: минуты; ось ординат: грамм

В том случае, если нагрузка невелика и действует на клетку незначительное время, то после ее снятия все параметры клетки (как параметры биохимических реакций, так и физические), быстро вернутся к исходному состоянию. Как было указано выше, такой вид фенотипической адаптации является оперативным.

На рис. представлен пример оперативной фенотипической адаптации.

Рис. Пример оперативной фенотипической адаптации

Как видно из рис., в течение времени tF действия нагрузки Em происходит функциональный сдвиг процесса колебаний физиологического параметра u. После прекращения действия нагрузки функциональный сдвиг восстанавливается в исходное состояние. Но если нагрузка действует длительное время, то, благодаря циклическому характеру процессов обмена веществ, в клетке постепенно произойдут устойчивые изменения ее физических и биохимических параметров: изменятся геометрические размеры и масса, пределы регуляции биохимических реакций, скорость деления и другое.

При снятии после этого нагрузки на длительный срок, благодаря тому же циклическому характеру процессов обмена веществ, в клетке за достаточно длительное время произойдет устойчивый возврат к исходным параметрам.

В этом нетрудно убедиться на примере тренировок спортсменов. В результате длительных тренировок практически всегда наблюдается значительное увеличение мышечной массы. Однако, если тренировки прекращаются, то мышечная масса со временем возвращается к своим прежним параметрам.

При биохимических и физических изменениях в клетках, не превышающих предельно допустимые, фенотипические адаптационные процессы в них можно считать условно обратимыми. Это связано с тем, что, как было указано в главе 1, вся материя представляет собой открытые системы и все процессы, происходящие в материальном мире, необратимы.

Действительно, возврат организма к исходным параметрам в принципе может произойти и происходит, но уже при другом его состоянии. За время фенотипической адаптации и ее возвращения к исходным параметрам организм в определенной степени изменится, в частности, станет старше. В его органах и системах произошли определенные изменения, биохимические реакции стали происходить иначе из-за приема другой пищи, погоды и массы других параметров внешней среды, которые непрерывно меняются.

Рассматривая процессы перестройки многоклеточных организмов, необходимо отметить, что они в той или иной степени, но всегда затрагивают все органы и системы. Так же следует отметить, что органы и системы обладают самыми разными свойствами реакций на нагрузки. Некоторые органы и системы реагируют на воздействие нагрузок очень быстро, например сердечно-сосудистая система, а некоторые очень медленно, например уже упоминавшийся процесс изменения мышечной массы.

Поэтому объем процессов перестроек в организме под действием нагрузок в значительной степени зависит как от длительности воздействия этих нагрузок, так и от их характера.