Плюснина Т.Ю., Полежаев А.А., Ризниченко Г.Ю.
Московский государственный университет им. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики, 119899, Москва, Воробьёвы Горы, Россия
Из экспериментов хорошо известно, что на поверхности некоторых растительных организмов, обитающих в жидкой среде, например, зеленых водорослей вида Nitella и Chara, могут появляться пространственные структуры концентраций веществ и потенциала. Формирование структур и их количество зависит от таких факторов как интенсивность освещения, кислотность среды, наличие в среде двухвалентных катионов и т.п. Предполагается, что физиологическая роль такого структурообразования заключается в ускорении потоков неорганических веществ вдоль поверхности клеточной мембраны, приводящем к более интенсивной их ассимиляции, что в свою очередь активизирует фотосинтез и другие процессы на уровне целостного организма. Механизм образования структур на поверхности клеточной мембраны по-видимому связан с нелинейной организацией потоков ионов через мембрану. Экспериментально известно, что наибольший вклад в сумму всех потоков дают потоки НСО3--и ОН--ионов.
Для изучения роли структур в жизнедеятельности растительных клеток была построена математическая модель ионных потоков через внешнюю мембрану клетки водоросли Сhara. Модель описывает потоки НСО3-- и ОН--ионов через мембрану и образование электрического потенциала вдоль поверхности мембраны. Для построения модели использовались следующие положения, основанные на зкспериментальных данных. Предполагается, что за счет активного переноса ОН--ионов процесс носит автокаталитический характер. Накопление ОН--ионов с внешней стороны мембраны, начиная с некоторого значения величины рН, ингибирует перенос НСО3--ионов.
Математическая модель состоит из уравнений типа "реакция-диффузия" для отрицательных и положительных ионов, включающих члены для самосогласованного электрического поля и уравнения Пуассона для распределения потенциала вдоль клеточной поверхности. В численных экспериментах было показано, что при определенных параметрах в системе могут возникнуть структуры концентраций веществ и потенциала вдоль поверхности клеточной мембраны, что согласуется с экспериментальными данными.