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生物鐘的振蕩機制及其動力學分析
生物鐘是存在于機體的生物節律振蕩系統，下面是小編搜集一篇探究生物鐘振蕩機制的論文范文，歡迎閱讀查看。
前言
在漫長的生命發展歷程中，地球上的各種生物包括人類在內，其行為和生理功能都表型出一定的節律性。陽春三月，北半球的候鳥紛紛北飛;秋令時刻，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。這些有規律的周期現象說明各種生物不止是知道時間，乃至可以很精確地確定時間，似乎在生物體內存在著一種時鐘機制，調節著生物體的行為和生理變化。生物學家根據生物體存在周期性循環節律活動的現象，提出“生物鐘”的概念。生物鐘是生物體內的一種無形的“時鐘”,是生物體生命活動的內在節律性，用以協調各種不同組織與器官的生物節律，使生物體適應自然界的環境變化。
1、生物鐘的作用
幾乎所有生物體的生理、代謝活動和行為過程都生物鐘的影響。從低等的細菌到真核的真菌、植物、動物到人類都存在生物鐘的調控系統。生物鐘調控分子、生化、細胞、生理及行為等各種水平的晝夜節律，生物鐘的紊亂會對生物的生存和健康造成嚴重損害，對人類而言，生物鐘的紊亂可導致睡眠障礙、情感性疾病、腫瘤發生率增加、代謝性疾病以及免疫系統疾病等。
2、生物鐘的產生機制
生物鐘現象的產生直接和地球、太陽和月球間相對位置的周期變化息息相關。關于其產生的機制至今仍沒有科學的定論，從已有的研究來看，主要有一下幾種假說：①內源說，該觀點認為生物鐘的決定因素是生物體自身的內在因素，完全不依賴環境中的周期性變化，如人在恒溫與外界隔絕的地下也表現出近 24 小時的節律;②外源說，該觀點認為生物鐘是由周期性的外界信息所決定的，如電場變化、地磁變化、重力場改變、宇宙射線及其它行星運動變化等宇宙中一些復雜的信息引起了人的生命節律的周期性;③綜合說，該觀點認為生物體在長期的進化過程中，為了適應環境的節律，其在生理、行為等方面有方面有了自然節律的印記，從而能表現天生的節律。但是這種節律在生存過程中又會受到環境的影響，此時生物體為了更好的適應，進而繼續調節以更好適應。
3、生物鐘的振蕩機制
生物鐘包括中樞生物鐘和外周生物鐘，是生物在長期進化進程中為適應環境中光、溫度和食物等各種條件的周期性變動而形成的，是存在于機體的生物節律振蕩系統。不同生物體的生物節律振蕩系統有很大的差別，但就總體而言完整的生物鐘系統包括三個部分，即：輸入系統、中央振蕩器和輸出系統。其中輸入系統的作用是接受和傳遞外界環境刺激(如光照、溫度、聲音、食物和社會行為等)至中央振蕩器;中央振蕩器是生物鐘系統的核心部分，其包含生物鐘基因及其自主調控環路，當輸入系統的刺激傳入到中央振蕩器器后，其啟動生物鐘;輸入系統的作用是將生物鐘產生的時間信號傳出到特定的外圍組織或靶器官，從而調節特定的生理、生化和行為節律。這三個部分并不是孤立存在的，只有當三者相互作用后才能形成一個完整的生物鐘振蕩系統。
4、生物鐘振蕩的動力學機制及模型
目前，數學模型已經成為理解復雜基因調控網絡的動力學行為的有力工具，它可以用來識別生物系統的結構、整合實驗數據、預測生物系統的行為。生物鐘的動力學模型的理論依據主要包括質量作用定律、米氏函數、希爾函數、分岔分析，以及穩定性分析、反饋控制、電化學平衡、分子的主動運輸與被動運輸公式、電控離子通道公式等。1965年，Goodwin首次提出了基于負反饋回路的生物鐘模型，該模型是由一系列的微分方程構成的，且每個微分方程中都包含著一個線性項，利用該線性項在負反饋中控制該元素的前一個元素。
Goldbeter基于果蠅的日常生理活動，首次提出了一個5 維負反饋生物鐘模型，并根據參與生物鐘的基因 Per、Cry、Bmall和 Rev-erb組成的正、負反饋回路，構建了一個16 維常微分方程哺乳動物生物鐘的計算模型。
對生物鐘動力學的研究主要集中在單細胞模型的研究和多細胞模型的研究。到目前為止，有關產生生物鐘振蕩的 SCN 細胞振子的同步已經有大量的工作。在分子機制上，生物鐘的振蕩行為主要受到轉錄翻譯負反饋調節環(transcription-translation-feedbackloop,TTFL) 的調節，更多的研究表明，不管是原核生物還是真核生物，其生物鐘振蕩的動力學機制不僅僅是 TTFL 的調節，還包括轉錄翻譯后振蕩 (post-translation oscillation,PTO) 的調控。
原核生物生物鐘的 PTO 調節最早在藍藻中被證實，而真核生物在PTO 水平的生物鐘調控近兩年也陸續被發現。
只有闡明生物鐘振蕩的動力學機制，才能更好地理解生物鐘的生理功能，因此在今后較長的一段時間里，生物鐘振蕩的動力學機制仍然是一個重要的研究方向。基于生物鐘調控網絡的復雜性，采用信息學分析、數據建模及系統生物學的研究策略將對生物鐘的功能與機制研究起到重要的推動作用。
參考文獻
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