Введение к работе
Акту_альность_темы.
В настоящее время остро встает проблема контроля за состоянием окружающей среды. Современные физикохимические методы, применяемые для количественного определения загрязняющих агентов, не дают ответа на вопрос о состоянии природных экосистем и их отдельных компонентов. В условиях появления новых загрязняющих веществ, обладающих синергетическим действием, актуальной становится проблема разработки средств биомониторинга для оценки качества окружающей-среды. Среди них важное место занимают методы контроля и прогнозирования состояния популяций микроводорослей, представляющих собой базовое автотрофное звено многих экосистем.
Для оценки состояния природных популяций традиционно используются валовые, усредненные характеристики, что исключает из рассмотрения главную особенность биологических популяций - неоднородность ответной реакции особей на внешние воздействия. С развитием новых методов исследования, позволяющих измерять физикохимические параметры отдельных клеток,стало возможным получать дополнительную информацию о клеточных популяциях - исследовать их функциональную структуру. Под функциональной структурой понимается распределение клеток популяции по величине некоторого измеряемого параметра, характеризующего определенный тип функциональной активности клетки.
Перспективным методом изучения функциональной структуры популяций микроводорослей является микрофлуориметрический, позволяющий получать данные о распределении клеток микроводорослей по содержанию хлорофилла и эффективности первичных процессов фотосинтеза, а также проводить кинетические измерения - регистрировать кривые индукции флуоресценции хлорофилла от отдельных клеток.
Как показывают исследования, изменения состояния популяции сопровождаются характерными изменениями ее функциональной структуры, а в ряде случаев модификация структуры предшествует изменению численности популяции. В связи с этим, в целях разработки методов раннего выявления изменений качества окружающей среды, представляется важным анализ распределения клеток популяции микроводорослей по ряду функциональных параметров и изучение его ответной реакции на изменение внешних условий.
Для установления связи между параметрами регистрируемых распределений и параметрами регуляторних механизмов, обеспечивающих
ответную реакцию популяции на внешнее воздействие, возникла необходимость разработки математической модели, описывающей динамику функциональной структуры популяции микроводорослей.
Функциональные различия между клетками исключительно важны для обеспечения адаптации популяции к изменяющимся условиям. Для выявления причин, лежащих в основе этих различий, а также для исследования механизма ответной реакции отдельной клетки на изменяющиеся условия, в дополнение к популяшонной модели потребовалась разработка модели фотосинтетических процессов, протекающих на клеточном уровне.
Увль_и_зааачи_исследования.
Целью работы являлось установление связи динамики численности популяции микроводорослей с динамикой распределения ее клеток по ряду фотосинтетических характеристик з нормальных условиях и при воздействии неблагоприятных факторов.
В работе были поставлены следующие задачи:
исследовать динамику функциональной структуры популяций микроводорослей и выявить достоверные изменения распределения клеток популяции по фотосинтетическим параметрам при изменении условий среды обитания;
проанализировать возможные причины, приводящие к тому или иному типу распределений клеток в гетерогенной клеточной популяции и к изменениям в характере этих распределений;
с помощью методов математического моделирования исследовать связь между характеристиками экспериментально регистрируемых распределений и параметрами конкретных механизмов, обеспечивающих ответную реакцию клетки и всей популяции на изменение внешних условий.
Нау_чная_новизна_работы. Разработан новый подход к исследованию гетерогенных клеточных популяций - анализ динамики распределения клеток популяции по функциональным показателям (анализ динамики функциональной структуры). Показано, что изменения состояния клеточной популяции под воздействием внелних факторов сопровождаются характерными модификациями ее функциональной структуры. Проанализированы возможные причины функциональной гетерогенности популяций. Впервые исследована роль колебаний величины измеряемого клеточного параметра в формировании эксперименталного распределения. С помощью имитационной модели изучена зависимость формы экспери
ментального распределения от закона колебаний величины функционального параметра в клетках.
Предложен новый способ оценки функционального состояния растительной клетки - анализ формы кривой индукции флуоресценции хлорофилла, регистрируемой от клетки микрофлуориметрическим методом. С помощью математической модели, учитывающей взаимодействие световых и темновых процессов фотосинтеза, различным формам кривых индукции флуоресценции сопоставлены определенные состояния фотосинтетического аппарата растительной клетки.
Пактическая_ценность_работы. Предложенный в работе подход к оценке функционального состояния клеточной популяции по данным о распределении ее клеток по функциональным показателям может быть использован при разработке средств биомониторинга для выявления изменений качества окружающей среды.
Результаты модельного исследования зависимости формы кривой индукции флуоресценции хлорофилла от соотношений параметров темновых и световых стадий фотосинтеза вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосинтетической активности растительной клетки в поцессе роста и развития клеточной культуры.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах кафедры биофизики биологического факультета, на заседаниях школы-семинара "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Ростов-на-Дону, 1989, 1990гг.), на ГУ-м Всесоюзном совещании "Люминесцентный анализ в медицине и биологии и его аппаратное обеспечение" (Клин, 1992г.), на Ш-м съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего /^наименований. Материалы диссертации изложены на-1І0 страницах, включая 24 рисунка.