（理論物理專業(yè)論文）基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)中非線性時間延遲效應(yīng)的研究.pdf

碩士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s i s 摘要 s m 0 1 e n 等人于1 9 9 9 年提出了時間延遲的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的確定論模型。本 文在正反饋確定論模型中分別引入蛋白質(zhì)的合成率和降解率的隨機漲落，得到基因 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的隨機動力學(xué)模型，利用數(shù)值計算方法研究噪聲對系統(tǒng)的影響。發(fā)現(xiàn) 延遲時間為常數(shù)時，在無關(guān)聯(lián)的兩噪聲情況下，無論是蛋白質(zhì)合成率的波動還是降 解率的波動都能誘導(dǎo)基因“開關(guān)”轉(zhuǎn)換；而且在有噪聲關(guān)聯(lián)的情況下，單獨的兩噪 聲以及關(guān)聯(lián)強度分別都能誘導(dǎo)基因“開關(guān)”轉(zhuǎn)換。通過有延遲與無延遲的確定性模 型以及相應(yīng)的隨機模型進行對比研究表明：隨延遲時間增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增大， 系統(tǒng)更容易出現(xiàn)新的特性。 進一步研究了不同的時間延遲對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。由于延遲對系統(tǒng)的 影響隨延遲時間而變化，這里研究延遲時間為小尺度的情形。研究結(jié)果表明：隨著 延遲時間的增加，幾率分布在低穩(wěn)態(tài)的峰值減少，而幾率分布在高穩(wěn)態(tài)的峰值增加。 當延遲時間在較小的范圍內(nèi)增加時，系統(tǒng)的狀態(tài)變量的平均值、標準方差、及自相 關(guān)函數(shù)( 即量化變量的集中程度) 均遲緩地變化，但當延遲時間在較大的范圍內(nèi)增 加時，狀態(tài)變量的平均值快速地增加，而標準方差和自相關(guān)函數(shù)都迅速地減少?？?之，時間延遲對非線性隨機過程有影響，而且隨著延遲時間的增加影響作用越大。 此外，細胞都有自動調(diào)節(jié)的能力，通過體內(nèi)的正、負反饋作用來實現(xiàn)。本文在 s m 0 1 e n 等人于1 9 9 8 年和1 9 9 9 年分別提出了正、負反饋基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無延 遲的、有延遲的確定論模型上，對比研究了兩種系統(tǒng)都有振蕩性，而且延遲系統(tǒng)的 振蕩區(qū)域、振蕩幅度相對于無延遲模型都增大，使得系統(tǒng)更容易出現(xiàn)振蕩。因此， 延遲增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 通過對時間延遲的基因調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)時間延遲增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性使 系統(tǒng)更容易出現(xiàn)新的特征，還發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)如延遲時間、轉(zhuǎn)錄率、降解率的波動、 合成率的波動、以及噪聲關(guān)聯(lián)強度都可以作為存在時間延遲系統(tǒng)的基因開關(guān)的控制 參量。這些參數(shù)可以用在基因藥物研究和基因治療上。 j 關(guān)鍵詞：時間延遲；轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)錄率；基因開關(guān)；噪聲；雙穩(wěn)態(tài)：振蕩 碩士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s l s a b s t r a c t s m o l e ne ta lh a v ep r o p o s e dat i m e d e l a yg e n et t 柚s c r i p t i o n a lr c g u l a t i o ns y s t e m 【a m j p h y s i 0 1 2 7 7 ，c 7 7 7 ( 1 9 9 9 ) 】t on u c t u a t i o n so fm cp r o t e i nd e 掣a d a t i o nr a t e 鋤d t h ep r o t e i ns y n t h e s i sr a t ea r ei n t m d u c e di nt h i sd e t 咖i l l i s t i cp o s i t i v e f e e d b a c km o d e l ， a n dt h et w on o i s e sh a v ee f f ：c c t so nt l l es y s t e mb yt h e 聃m e r i c a lm o d e l i n gc o m p u t a t i o n w h 鋤t l l ed e l a yt i m ei sao o 璐組n t ，i ti st b u n dt h a te i t l l e ro ft h eu n c o n l a t e dt w on o i s e s c a i li n d u c eg e n es w i t c ht r a _ n s j t i o l l ，a n da l s 0f o u n dt h a tt l l e 柳on o i s e sa i l dt l l ec o n 試a t e d n o i s ec a i li n d u c eg e n es w i t c h i na d d i t i o n ，s y s t e mi n s t a b i 王i t yi si n c r e a s i n gw i t ht h et i m e d c l a yi n c r e a s i n 舀 趾dt l l e s y s t e mo o c u r ；se a s i l y n e wp r o p e n i e s b y m p a r i n ga n o t i l n e - d e l a ym o d e lw i t hat i m e d e l a ym o d e lo ft h ed c t c 邛匝i l l i s t i cm o d e lo rt h es t o c h 船t i c m o d e l h lt h ef u f t h e f i ti sf o u n dt l l a td i 骶r c cd e l a yt i m e sh a v es o m ee f f e c t so nt h eg c n e t r a n s c r i p t i o n a lr e g l l l a t i o ns y s t e m h e r e ，a ut h e s ed e l a yt i m e sa r es m a l l ，f o r t i m ed e l a y a f b c t ss y s t e mp r o p e r t i e sw i t l lt h ed e l a yt i m e i n c r e a s i n g t h ee f f e c t so fn o n l i n e a r t i m e d e l a yo nt h es t o c h a s t i cs y s t e mh a v eb e e nn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d w i t ht h ed e l a y t i m ei n c r e a s i n g ，i ti sf o u n dt h a tt h ep e a ko fp m b a b i l i l yd i s t r j b u t i o ni nl o ws t e a d ys t a t e si s d e c r e a s e d ，a n dt h ep e a ko fp r o b a b i l i t yd i s t r j b u t i o ni nl l i g hs t e a d ys t a t e si si n c r e a s e d t h e m e a no fs t a t ev a r i a b l e ，t h en o 珊a l i z e dv a r i a n c e ，a n dm en o 冊a l i z e da u t o c o c l a t i f u n c t i o nw h i c hq u a n t i f ! i c st h ec o c c n t r a t e dd e g r c ca r es l o w l yv 撕e df o rs m a l ld e l a y t i l n e h o w e v e r ，t h em e a no fs t a t ev a r i a b l ei sr a p i d l yi n c r e 船e d ，t h en o 冊a l i z e dv a r i a n c c a n dt h en o m a l i z e da u t o c o f i 弓l a t i o nf i l n c t i o ni sr a p i d l yd e c r e a s e df o rl a 唱ed e l a yt i m e i n a d d i t i o n ， c e l l sh a v e t h 皇c a p a b i l i t j e s o f 孤t of e g i l l a t i o n b a s e do nt t l e n o - t i m e - d e l a ya n dt i m e d e l a yg c n et r a i l s c r i p t i o n a lr e g i l l a t i o ns y s t e m so fp o s i t i v ea i l d n e g a t i v ef c e d b a c kp r o p o s e d b ys m o l c ne ta 1 【a m j p h y s i 0 1 _ 2 7 4 ，c 5 3 1 ( 1 9 9 8 ) ，a m j p h y s i 0 1 2 7 7 ，c 7 7 7 ( 1 9 9 9 ) 】，i ti sf o u dt h a tt l l e 慨os y s t e m sc a no c c u ro s c j l l a t i o n s ，a n d f o u n dm a to s c i l l a t i o nr e 西0 na n df a n 童eo ft h et i m e d c l a ys y s t e ma r el a r g e rt h 鋤t h e n o t i m e d e l a ys y s t e m t h e s ec h a n g e si n d u c em o r ee a s i l ys y s t e mo s c i l l a t i o n s ，t h u st h e t i m ed e l a yc a ni n c r e a s es y s t e mi n s t a b i l i t y ht h ec o n d u s i o ，i ti sf o u n dt h a tt i m ed e l a y sc a ni i l c r e a s es y s t e mi n s t a b i l i t yb y s t u d y i n gn o n l i l l e a rt i m e - d e l a yg e n et r a n s c r i p t i o n a lr e 眇l 砒i o ns y s t 唧，a l s of o 岫dt h a t t h e s ep a 刪e t e r ss u c h 弱t i m ed e l a y s ，t r a n s c f i p t i o n a ln t e ，卸dn o i s e sc a i lt a l ( ea st l l e c o n t m lp a r a m e t e r so fg e n es w i t c hi nt h et i m e d e l a yg e n er e g u l a t i o ns y s t e m s t h e s e p a r 舡n e t e r sm a y b eu s e di ng e n em e d i c a t i o nr e s e a r c ha n dg e n et h e i a py k e yw o r d s ：t i m ed e l a y ；t r a l l s 刪p t i o n a lr e g i l l a t i 伽；t 舢s c r j p t i o n a l r a t e ：g c n es w i t c h n o i s e ；刪l t i s t a b i l i t y ； o s c i l l a t i o n 碩士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s i s 第一章引言 生命是自然界中最復(fù)雜、最神奇，也是最迷人的現(xiàn)象之一。現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā) 展非常迅速，對社會發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)等涉及人類自身生存和發(fā)展的各個領(lǐng)域都有重 大的影響。生命科學(xué)還與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、計算機科學(xué)、信息科學(xué)等其他學(xué)科的 交叉滲透、相互影響和共同發(fā)展。因此，研究各種生命現(xiàn)象以及探索生命現(xiàn)象的本 質(zhì)是人類生存和發(fā)展的需要，具有重要的意義。 生命現(xiàn)象的復(fù)雜性反映了生命系統(tǒng)是一個多層次、非線性的、高度有序的、開 放的具有耗散特征、遠離平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)。細胞是人們目前所能認識到生物體內(nèi) 最復(fù)雜有序的系統(tǒng)之一，在細胞中也廣泛地存在著時間延遲【1 。生物體內(nèi)細胞的生 化過程中，基因表達的調(diào)控通過信號由細胞外到細胞內(nèi)的傳遞，尤其是基因調(diào)節(jié)系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)的形成等過程都存在時間延遲【3 1 。所以，對生物系統(tǒng)復(fù)雜 的生化過程的研究有必要考慮時間延遲的影響。 延遲對生物系統(tǒng)復(fù)雜的生化過程、物種多樣性的形成和物種進化都起著重要的 作用。在生物技術(shù)的研究和應(yīng)用開發(fā)上應(yīng)遵循生物體內(nèi)時間延遲的客觀規(guī)律，合理 地利用生物體內(nèi)的時間延遲為人類服務(wù)。此外，時間延遲在醫(yī)藥、控制論、材料科 學(xué)等其它方面的研究也十分重要。 1 1 時間延遲系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 最近，時間延遲的隨機過程已是一個興趣日益增加的研究課題。在很多的情形 下，時間延遲反映了通過系統(tǒng)輸運有關(guān)的物質(zhì)、能量、信息的轉(zhuǎn)輸時間。存在很多 的實際過程，需要考慮時間延遲，例如，種群動態(tài)的成熟期、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸時間、 瞳孔光反射的傳輸時間、以及在跟蹤動作時視覺反饋的假象延遲等等。在提高記憶 力的認識上，人們對時間延遲系統(tǒng)動力學(xué)行為的研究是最初的一步，而這一研究尤 其在醫(yī)藥、生物學(xué)、控制論等方面突顯其重要性。 近年來，人們己在非線性隨機動力學(xué)系統(tǒng)的時間延遲方面開展了大量的理論和 實驗研究工作。o h i r a 及其合作者【4 】研究了時間延遲隨機行走的有關(guān)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)跳 躍的幾率依賴粒子在過去已給的跳躍數(shù)目的位置。接著他們又研究了有離散時間的 雙態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中兩個狀態(tài)各自占有的幾率依賴系統(tǒng)以前步數(shù)n ，發(fā)現(xiàn)了一些 有重要意義的共振特性【5 】o 在小延遲時間的極限下，g u i l l o u z i c 等人【6 ?！堪l(fā)展了一套 關(guān)于隨機延遲動力學(xué)的統(tǒng)計描述方法。t s i 眥i n g 等人【8 】研究了具有時間延遲反饋的 典型雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，在這一模型中所研究的過程被簡化為雙態(tài)過程。其遷移率依賴于 系統(tǒng)的初始狀態(tài)?；趕 s m o d e l 【9 】的細胞內(nèi)鈣振蕩，y i n ga n dh u a n g 【1 0 j 研究了時間 延遲對細胞內(nèi)鈣濃度的振蕩的作用。m a s 0 1 1 e r l l l j 研究了有噪聲驅(qū)動的雙穩(wěn)性時間延 遲反饋的系統(tǒng)，計算并分析了暫留時間的分布。h u b e r 等人【1 2 j 從理論和數(shù)值模擬上 研究了在噪聲影響下的具有全局時間延遲的雙穩(wěn)系統(tǒng)組成的集團的動力學(xué)。 h o u l i h a n 等人【1 3 】通過采用一個頂上有空腔的表面發(fā)出有延遲的光電子反饋的激 光，從實驗上分析了有噪聲的非r k o v i a n 雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的行為。p i w o n s k i 等人i “j 還研究了在時間延遲反饋影響下的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的隨機動力學(xué)性質(zhì)。 以上所提到的大量研究工作考慮的或是對稱勢函數(shù)系統(tǒng)，或是線性的時間延遲 系統(tǒng)、或是小時間延遲系統(tǒng)。然而，更多實際的和真實的系統(tǒng)需要考慮非對稱勢函 數(shù)、非線性的時間延遲系統(tǒng)。因此，本文考慮了非對稱勢函數(shù)和非線性的時間延遲 等條件來研究的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 1 2 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的隨機性研究的現(xiàn)狀和進展 已有大量的實驗和理論研究都闡明噪聲對于非線性系統(tǒng)的影響，同時發(fā)現(xiàn)噪聲 可以誘導(dǎo)相變，在一定的條件下產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象。因此噪聲的作用是不能忽略的。 隨著生物實驗技術(shù)的發(fā)展，越來越多的實驗結(jié)果證實基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控是一個非線性隨 機過程。 1 2 1 基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)中噪聲存在的研究現(xiàn)狀 現(xiàn)在已有大量的工作是研究基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的隨機效應(yīng)的。實驗表明無論是在 原核生物還是在真核生物里，基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)節(jié)過程中存在著大量的隨機性 【坫。1 7 1 。當細胞內(nèi)參加基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)過程的蛋白質(zhì)數(shù)目非常小時，這些蛋白質(zhì)隨時間 的變化就會呈現(xiàn)出一種極大的隨機波動性，而這種波動性在細胞內(nèi)總是存在的，來 自細胞外部、內(nèi)部的擾動都會引起隨機波動性。因此，在細胞內(nèi)隨機波動性是細胞 內(nèi)部具有的特性，如系統(tǒng)內(nèi)固有的分子噪聲【4 2 0 】。 對單個細胞基因表達的觀察和分析十分清晰地證實了轉(zhuǎn)錄和翻譯過程的隨機 本質(zhì)。t h a t t a i 和a 1 c x 柚d e r l 2 1 1 設(shè)計一個解析模型來研究原核生物細胞內(nèi)的內(nèi)噪聲。 他們發(fā)現(xiàn)對于單個基因而言，噪聲主要是在翻譯階段產(chǎn)生的，蛋白質(zhì)濃度和偏差可 以獨立地控制并調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)濃度的波動。當細胞內(nèi)蛋白質(zhì)水平較低時，單純的研究 這種蛋白質(zhì)的濃度的演變，內(nèi)噪聲引起蛋白質(zhì)的濃度在時間演化步長上是呈爆發(fā)型 2 碩士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s i s 增加的。同時還發(fā)現(xiàn)如果系統(tǒng)同時存在正負反饋，負反饋有效地削弱系統(tǒng)的內(nèi)噪聲。 m c a d a m sa n d 垴n 【2 2 j 通過基因表達過程模擬研究從一個激活的啟動子產(chǎn)生 的蛋白質(zhì)數(shù)目不是連續(xù)變化的，而是在隨機時間間隔暴發(fā)產(chǎn)生，具有極強的隨機性， 以及原核生物的系統(tǒng)在可選擇的動力學(xué)狀態(tài)之間由隨機“開”“關(guān)”轉(zhuǎn)換來選擇其 表現(xiàn)型。k i na i l dm c a d 鋤s 【2 3 l 研究了兩個獨立的調(diào)控蛋白以低細胞濃度競爭同一 個開關(guān)位點時，在濃度上的隨機漲落可能產(chǎn)生路徑選擇，形成不同的表現(xiàn)型。 另外，k e p l c r 和e l s l o n 【圳則是通過隨機模擬和理論計算兩種方法來研究內(nèi)噪聲， 他們的研究表明隨機性對轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的行為有定量和定性的影響，還發(fā)現(xiàn)簡單的噪聲 會使系統(tǒng)有豐富的分岔性質(zhì)。 以上是對內(nèi)噪聲的研究。然而在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)中還存在一種外噪聲。外噪 聲是由于溫度、濕度、光照強度、調(diào)節(jié)參數(shù)等改變、以及其它生化反應(yīng)的影響而產(chǎn) 生的。 外部控制參數(shù)的隨機漲落可以在系統(tǒng)里面引入外部噪削矧。h a s t v 在一個單 基因網(wǎng)絡(luò)里面分析了外部噪聲的影響，由于外部噪聲誘導(dǎo)了蛋白質(zhì)的衰減率的漲 落，所以通過在蛋白質(zhì)的衰減率上加入乘性噪聲來模擬外部噪聲，發(fā)現(xiàn)外部噪聲可 以使蛋白質(zhì)在高低濃度態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)換。 d m 蜒燃墨k i叮1 磊麗麗礬蕊而麗百麗細。喵r 了，彳早r ：燃戮赳墨融。捌峨jo 擴葡酣萄麗商再歷i 蟊油”1 - 丁1 r 1 r f 蜒燃墨；i 圖1 1 不同的噪聲關(guān)聯(lián)下蛋白質(zhì)的濃度隨時間演化模擬圖，及相應(yīng)的定態(tài) 幾率分布隨蛋白質(zhì)濃度的變化。加性噪聲強度不變?yōu)閍 = 0 0 0 5 。 l i ua dj i a 【2 7 】在s m o l c n 等人提出了具有普適性的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)模型1 2 8 】中，考 慮源于蛋白質(zhì)的降解率、基礎(chǔ)合成率的隨機波動對系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)在噪聲無關(guān)聯(lián) 時乘性噪聲能引起蛋白質(zhì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即基因“開關(guān)”( 如圖1 1 ) ，而加性噪聲不 能誘導(dǎo)基因“開關(guān)”。研究還發(fā)現(xiàn)在噪聲有關(guān)聯(lián)時，加性噪聲卻能誘導(dǎo)基因“開關(guān)”， 而且在某個合適的關(guān)聯(lián)強度下，加性噪聲能誘導(dǎo)出現(xiàn)基因的“開一關(guān)一開”雙開關(guān) 現(xiàn)象。 此外，一些研究生命體細胞的實驗表明由于外界的刺激信號所引起的基因轉(zhuǎn)錄 的開始是一個隨機過程，基因轉(zhuǎn)錄受到了其他轉(zhuǎn)錄因子的影響。因此，d n a 斷上的 提升子的狀態(tài)就決定了基因轉(zhuǎn)錄開始或是停止，轉(zhuǎn)錄水平提高或是抑制。研究表明 信使r n a 的產(chǎn)生以一種隨機脈沖的形式產(chǎn)生的1 2 刪。 還有實驗跡象表明基因表達的染色質(zhì)調(diào)節(jié)是隨機的【3 ”2 】；在黑素變異過程中的 基因表達的開始和失活也是一個隨機機制1 3 引。而在基因環(huán)的設(shè)計研究工作( 設(shè)計一 段基因轉(zhuǎn)錄的功能效果類似于諧振子或阻尼振子) 中存在著很強的隨機效果【3 5 1 。 1 2 2 時間延遲的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的隨機性研究和進展 生物系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的組織，生物體內(nèi)的生化過程可能受到時間延遲、以 及噪聲雙方面的影響。例如，生物鐘基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)、時間延遲的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 系統(tǒng)。 生物鐘基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身就是一個特殊的時間延遲系統(tǒng)，并且存在著隨機 噪聲。b a r k a i 和h i b l e i l 3 6 】在1 9 9 9 年就指出，生物鐘是處于一個內(nèi)部噪聲的環(huán)境里。 在一個離散的生化反應(yīng)系統(tǒng)中，分子的總數(shù)目很大時，系統(tǒng)的性質(zhì)可以由確定性方 程來決定，分子的總數(shù)目為比較小時，則在該生化系統(tǒng)確定性演化所預(yù)測的狀態(tài)附 近會出現(xiàn)噪聲似的振動，反映了系統(tǒng)內(nèi)存在固有的分子噪削3 7 。9 1 。 薹 蘭 譬 三e 習(xí)四。 1 t _ e 執(zhí) 圖1 2 ： 不同的噪聲強度蛋白質(zhì)p f r 的濃度隨時問演化及相應(yīng)的功率譜 模擬圖。從上而下噪聲強度依次為d = 0 0 0 2 、0 0 2 、o 2 。 外部漲落對生物鐘基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)影響的研究也很重要?，F(xiàn)在只有少數(shù)的幾篇文 獻介紹外噪聲對系統(tǒng)的影響。對于生物鐘來說，光照強度是一個外部調(diào)節(jié)參數(shù) 1 4 ”。 考慮光的漲落帶來的外部控制參數(shù)的隨機漲落可以誘導(dǎo)某些生物時鐘蛋白的衰減， 來控制著晝夜節(jié)律和基因表達。比如發(fā)現(xiàn)漲落的光照強度影響著浮游生物的集聚或 者分離。另外，在生物鐘系統(tǒng)中，h o r n s t e i n 【蚰】研究了光照的量子噪聲和固有的神 經(jīng)噪聲對于光受體性質(zhì)的影響。 m y ia n dyj i a 【1 】在s m o l e n 等人【4 1 l 建立果蠅生物鐘系統(tǒng)包括了正負反饋環(huán)、時 間延遲兩變量模型中，研究了兩種不同的隨機漲落對晝夜振蕩的影響( 如圖1 2 ) 。 研究在光控參數(shù)引入一個乘性的高斯白噪聲來模擬自然條件下的光漲落。發(fā)現(xiàn)光噪 聲可以誘導(dǎo)超閩值的晝夜節(jié)律振蕩，在中等光噪聲強度下，晝夜振蕩的節(jié)律是最明 顯的，存在最佳的噪聲強度，即晝夜振蕩的節(jié)律性達到最佳的狀態(tài)。 a 3 0 ：u c o n c e n a n d o n m 】1 0 n n l b e r n 棚e c l n es 51 01 5 2 0：s3 0 3 54 0 i i m ef h t 畸 i t f _ a 珊附l 02 n4 6 糊“m1 2 n 1 1 m eo h s ) 圖1 3 ：t f _ a 為激活的轉(zhuǎn)錄因子。可以看到轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)的濃度和與之 相對應(yīng)的m r n a 的濃度在沒有噪聲存在時( 上圖) ，存在一個穩(wěn)定分布，即 圖中的峰值位置。當噪聲存在時，兩條曲線的峰消失了，成為了單調(diào)變化。 因此噪聲使得穩(wěn)態(tài)不再穩(wěn)定了。 在基因調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，也存在時間延遲和隨機噪聲。實驗表明，在基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò) 中，轉(zhuǎn)錄率是可以通過其磷酸化來調(diào)節(jié)的。s m o l e n 【4 2 】在提出了時間延遲的基因轉(zhuǎn)錄 調(diào)節(jié)模型之后，主要考慮這種來源于轉(zhuǎn)錄率的隨機波動對存在延遲系統(tǒng)的影響( 如 圖1 3 ) 。發(fā)現(xiàn)隨機波動可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生擾動，這種不穩(wěn)定性使得處于穩(wěn)態(tài) 的分子數(shù)減少，也即這種外噪聲使得穩(wěn)態(tài)不再穩(wěn)定，成為了不穩(wěn)定態(tài)。 廟士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s l s 以上所提到的大量研究時間延遲系統(tǒng)的工作，考慮的或是對稱勢函數(shù)系統(tǒng)，或 是線性的時問延遲系統(tǒng)、或是小時間延遲系統(tǒng)。然而，更多實際的和真實的系統(tǒng)需 要考慮非對稱勢函數(shù)、非線性的時間延遲系統(tǒng)。因此，本文考慮了非對稱勢函數(shù)和 非線性的時間延遲等條件來研究的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 對于基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究，l i ua n dj i a1 2 7 】在s m o l e n 等人1 2 8 】提出了具有普 適性的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)模型中，考慮源于蛋白質(zhì)的降解率、基礎(chǔ)合成率的隨機波動對 系統(tǒng)的影響，沒有考慮時間延遲的效應(yīng)。另外s m o l c n 等人【4 2 】在時間延遲的模型上 考慮來源于轉(zhuǎn)錄率的隨機波動對存在延遲系統(tǒng)的影響，沒有考慮蛋白質(zhì)的降解率、 基礎(chǔ)合成率的隨機漲落對系統(tǒng)的影響。 在以上研究的啟示下，本文在s m o l e n 等人【4 2 】提出了時間延遲的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié) 模型上研究非線性時間延遲引起的效應(yīng)。 首先，考慮當延遲時間為合適的常數(shù)，來自于蛋白質(zhì)的合成率和降解率上存在 著隨機噪聲，而且兩種噪聲無關(guān)聯(lián)時，蛋白質(zhì)的降解率上的隨機漲落、蛋白質(zhì)的合 成率上的隨機漲落對存在時間延遲的系統(tǒng)會有什么樣的影響? 又在很多情形下，噪 聲之間往往有關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)強度會對系統(tǒng)有何影響? 其次，考慮當延遲時間變化時，無關(guān)聯(lián)的兩噪聲同時存在時，延遲時間對生物 系統(tǒng)有怎樣的影響? 這些問題是在正反饋作用下的基因調(diào)節(jié)系統(tǒng)條件下可以嘗試 進行的研究。 由于生物系統(tǒng)大都有自動調(diào)控能力，最后探討時間延遲對正負反饋基因調(diào)節(jié)系 統(tǒng)有怎樣的影響呢? 在這些一系列問題的指導(dǎo)下，本文考慮了正反饋基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中存在于蛋 白質(zhì)合成率和降解率上的噪聲、以及非線性時間延遲作用。研究了這兩個噪聲對此 非線性時間延遲系統(tǒng)的作用，另外時間延遲對非線性隨機系統(tǒng)的影響。最后本文考 慮了時間延遲的正負反饋系統(tǒng)的特性作初步的研究。 1 3 本文的內(nèi)容安排 本文分別將蛋白質(zhì)的降解率和基礎(chǔ)合成率的隨機波動，以及時間延遲引入到基 因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)確定性模型中，得到更為貼近實際的真實的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具 體的內(nèi)容安排如下： 第二章介紹生物系統(tǒng)的時間延遲。由于生物都有應(yīng)激性和適應(yīng)性的基本特征， 必然在生物體內(nèi)廣泛地存在著時間延遲。因此，在生物技術(shù)的實驗、研究和利用上， 遵循生物體內(nèi)的時間延遲規(guī)律，合理地利用時間延遲為人類服務(wù)。 第三章主要對比研究了無延遲和時間延遲的正反饋基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的確定 性模型特性，以及隨機模型的動力學(xué)性質(zhì)。對確定性模型的研究表明，無延遲或時 間延遲的系統(tǒng)都有雙穩(wěn)性和開關(guān)轉(zhuǎn)換特性，而且時間延遲系統(tǒng)有“記憶”特性，因 而出現(xiàn)“臺階”現(xiàn)象和“回音”現(xiàn)象。另外在蛋白質(zhì)的合成率和降解率上分別引入 隨機漲落得到時間延遲系統(tǒng)的隨機性模型。對隨機性模型研究表明，延遲時間為常 數(shù)，在無關(guān)聯(lián)的加性噪聲和乘性噪聲情況下，無論是加性噪聲還是乘性噪聲都能誘 導(dǎo)基因“開關(guān)”轉(zhuǎn)換；而且在有關(guān)聯(lián)的噪聲的情況下，加性噪聲、乘性噪聲、關(guān)聯(lián) 強度分別都能誘導(dǎo)基因“開關(guān)”轉(zhuǎn)換，通過有延遲與無延遲的確定性模型以及相應(yīng) 的隨機模型進行對比研究表明：時間延遲增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)更容易出現(xiàn)新 特性。 第四章進一步研究了時間延遲的變化對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響，由于延遲對 系統(tǒng)的影響隨延遲時間而變化，這里研究延遲時間為小尺度的情形。研究結(jié)果表明： 隨著延遲時間的增加，幾率分布在低穩(wěn)定態(tài)的峰值減少，而幾率分布在高穩(wěn)定態(tài)的 峰值增加。當延遲時間在小于1 的范圍內(nèi)增加時，系統(tǒng)的狀態(tài)變量的平均值、標準 方差、及自相關(guān)函數(shù)( 即量化變量的集中程度) 均遲緩地變化，但當延遲時間在大 于1 的范圍內(nèi)增加時，狀態(tài)變量的平均值快速地增加，而標準方差和自相關(guān)函數(shù)都 迅速地減少?？傊瑫r間延遲對非線性隨機過程有影響，而且隨著延遲時間的增加 影響作用越大。 第五章研究了正負反饋基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性。在s 0 1 e n 等人提出了正負 反饋基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無延遲的、有延遲的確定論模型上，對比研究了兩種模型 都有振蕩性。而且延遲系統(tǒng)的振蕩區(qū)域、振蕩幅度相對于無延遲模型都增大，使得 系統(tǒng)更容易出現(xiàn)振蕩，延遲增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。此外，延遲的正負反饋基因轉(zhuǎn)錄 調(diào)節(jié)系統(tǒng)有記憶功能，出現(xiàn)類似“臺階”現(xiàn)象。 第六章是對本文的總結(jié)和展望。 7 碩士學(xué)住論文 m a s t e r s t h e s i s 第二章生物系統(tǒng)的時間延遲 生物體對外界刺激都能發(fā)生反應(yīng)的應(yīng)激性是生物的普遍特性。響應(yīng)是生物對環(huán) 境變化并能調(diào)整自身的一種能力。應(yīng)激性其實是對刺激反應(yīng)的一種時間延遲。因而 時間延遲廣泛存在于生物系統(tǒng)中，對生物的物種的多樣性、生物的行為復(fù)雜性、以 及生物的進化起著重要的作用。因而，時間延遲對生物的生存和發(fā)展不可忽視，而 且產(chǎn)生深遠的影響。另外，可以認識時間延遲來指導(dǎo)我們的學(xué)習(xí)和工作，以及利用 生物的時間延遲為人類帶來巨大的利益和財富。 2 1 生物系統(tǒng)廣泛存在著時間延遲 2 1 1 生命的多樣性酬 一、生命的多樣性 生命的多樣性( b i o d i v e r s i t y ) 包括物種多樣性、遺傳( 基因) 多樣性和生態(tài) 系統(tǒng)多樣性。 1 、物種多樣性。地球上的生命是豐富多彩的，大自然中每一樣生命都是獨特的， 不可替代的。已發(fā)現(xiàn)和命名的物種有1 ，5 0 0 ，0 0 0 種，植物2 6 0 ，o o o 種，昆蟲7 0 0 ，0 0 0 種，脊椎動物5 0 0 ，0 0 0 種，共有5 ，0 0 0 ，0 0 0 至3 0 ，0 0 0 ，0 0 0 種。 2 、遺傳多樣性。世界上所有生命既能保持自己物種的繁衍，又能使每一個個 體都表現(xiàn)出差別，這要歸功于其體內(nèi)遺傳密碼的作用和基因表達的差別。在組成生 命的細胞中，d n a 是遺傳物質(zhì)，由4 種堿基在d n a 長鏈上不同的排列組合，決定 了基因及生命的多樣性。在人類d n a 長鏈上就有1 0 萬個基因，它記錄了我們祖先 的密碼。 3 、生態(tài)系統(tǒng)多樣性。在地球的表面，到處都有生命在生存。為適應(yīng)在不同環(huán) 境下生存，各種植物、動物和菌類與環(huán)境又構(gòu)成了不同的生態(tài)系統(tǒng)，這就是生命的 家園。在不同的生態(tài)系統(tǒng)中，各種生命通過一張極其復(fù)雜的食物網(wǎng)來獲取和傳遞太 陽的能量，同時完成物質(zhì)的循環(huán)。生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、平衡及調(diào)節(jié)機制于差萬 別是生物多樣性的重要內(nèi)容。 二、保護生物多樣性的意義 碩士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s j s 人口增長，生物資源不合理利用，自然環(huán)境遭破壞，生物多樣性正在以前所 未有的速度被減少或喪失。1 9 9 9 年國際植物大會上，動物學(xué)家和植物學(xué)家指出， 人類活動破壞了地球?qū)⒔话氲年懙?，正?dǎo)致自然界的動植物加速走向滅絕。地 球正逐漸失去保證人類生活素質(zhì)能力。因此，一個基因可能關(guān)系到一種生物的興 衰，一個物種可能影響一個國家的經(jīng)濟命脈，一個生態(tài)系統(tǒng)可能改變一個地區(qū)的 面貌。在人類還沒有來得及開發(fā)應(yīng)用的眾多物種便如此大量和快速的滅絕了，這 不僅意味著我們正失去大量以后可資利用的資源，更重要的是，那將最終導(dǎo)致我 們?nèi)祟愖约?，也像其他生物一樣，從這個星球上消失! 從這個意義上說，保護生 物多樣性就是保護人類自己! 2 1 2 生命的基本特征【5 2 】 一、生物的基本特征 盡管地球上生物物種的多樣性、以及生命活動的千差萬別，無論如何其怎樣復(fù) 雜，生物都表現(xiàn)為共同的基本特征，即具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，新陳代謝，生長、發(fā)育， 繁殖，應(yīng)激性和適應(yīng)性等等。 1 、生物都有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。生物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性可以表現(xiàn)在亞細胞、細胞、組織 和器官等不同水平。即使最簡單的非細胞形態(tài)類病毒，也是由一定數(shù)目的復(fù)雜的大 分子按特定的方式聚合在一起的。 2 、生物都能進行新陳代謝。生物是一個開放系統(tǒng)，生物和其周圍的生存環(huán)境 不斷進行著物質(zhì)和能量的交換。環(huán)境中的一些物質(zhì)被生物體攝入后，經(jīng)過生命體內(nèi) 一系列的生化反應(yīng)新陳代謝，最后成為代謝終產(chǎn)物被生物體排出體外。除病毒 外，所有的生物體都具有新陳代謝。 3 、生物都能維持一定的穩(wěn)態(tài)。無論外界環(huán)境如何變化，所以生命體內(nèi)都有特 殊的機制來調(diào)節(jié)體內(nèi)狀態(tài)，使生物體處于相對穩(wěn)定，這一特征稱為穩(wěn)定態(tài)。熱血動 物的體溫調(diào)節(jié)機制使得體溫維持恒定就是最好的例證。穩(wěn)態(tài)是生命體內(nèi)新陳代謝活 動得以正常進行的根本保障。 4 、生物都有生長和發(fā)育。由代謝活動支持的生物最重要的生命活動之一就是 生長發(fā)育。生物的生長從外觀看也表現(xiàn)為體積和質(zhì)量的增加，生物的生長是一個內(nèi) 在的過程，依賴于各種結(jié)構(gòu)的復(fù)制。生物的發(fā)育則指生物逐漸復(fù)雜并產(chǎn)生一系列新 結(jié)構(gòu)的過程。 5 、生物都能繁殖( 遺傳、變異和進化) 。所有生物都能繁殖產(chǎn)生后代。不管是 簡單還是復(fù)雜的繁殖，生物通過繁殖產(chǎn)生一個像自己的后代，是由所有生物都有自 碩士學(xué)住論文 m a s t e r st h e s i s 己的遺傳物質(zhì)決定的。變異是生物體在某種內(nèi)因或外因的作用下，其遺傳物質(zhì)發(fā)生 了結(jié)構(gòu)或數(shù)量上的變化。遺傳使生物能保持種屬特定的相對穩(wěn)定；變異使生物能產(chǎn) 生新的性狀，引起物質(zhì)的發(fā)展變化，導(dǎo)致種族的不斷更新。凡是生物都有它的個體 發(fā)育史，即生長和發(fā)育，個體生活到一定階段又都要進行生殖和發(fā)生遺傳、變異， 從種族上不斷更新自己。遺傳變異在自然選擇的長期作用下，導(dǎo)致整個生物界的向 前發(fā)展，由低等到高等、由簡單到復(fù)雜逐漸演變，這就是生物的進化。在進化過程 中，形成了生物的適應(yīng)性和多樣性。 6 、生物都能適應(yīng)環(huán)境。適應(yīng)性是能提高生命體在某些特定的環(huán)境中生存能力 的屬性。生命體的適應(yīng)性可以是結(jié)構(gòu)上的、或是功能上的，或是行為上的，也可以 是三者的綜合。每一種生物的結(jié)構(gòu)和功能似乎都是為它所處的環(huán)境而特意安排的。 例如鳥類翅膀的結(jié)構(gòu)適合飛翔，魚類的紡錘體型有利于水中游泳，植物朝著太陽運 動最大程度地利用月光進行光合作用等。為了存活，生物必須適應(yīng)其生活環(huán)境。適 應(yīng)是進化的產(chǎn)物，是長期遺傳變異積累的結(jié)果。 7 、生物都能響應(yīng)刺激。生物體能接受外界刺激而發(fā)生的反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果使生 物體都有“趨吉避兇”的本領(lǐng)，這就是生命體的應(yīng)激性。如寒冷刺激會使我們的毛 孔收縮，熱氣則使毛孔張開，植物的莖和尖的向光性等等。響應(yīng)是生物察覺環(huán)境變 化并能調(diào)整自身的一種能力。響應(yīng)的方式是多種多樣的，例如，運動，釋放化學(xué)物 質(zhì)，改變顏色等。應(yīng)激性是生物的普遍特征。動物的感覺器官和神經(jīng)系統(tǒng)是應(yīng)激性 高度發(fā)展的產(chǎn)物。 二、特殊的生命病毒 通常，我們可以依據(jù)上述生物的基本特征來判斷某物是否具有生命。但是，病 毒則屬于另一類生命。這是因為病毒不具備細胞的結(jié)構(gòu)，在侵入寄主細胞前，既不 能繁殖，也沒有新陳代謝，不與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)和能量的交換，甚至可以像無機物一 樣獲得結(jié)晶，看起來病毒似乎更像非生命物質(zhì)，然而病毒卻具有生物物質(zhì)組成中最 重要的兩種生物大分子核酸和蛋白質(zhì)，當入侵寄主細胞后，又可以借助寄主細 胞的蛋白質(zhì)合成自身所需的蛋白質(zhì)和核酸分子，從而完成自我復(fù)制、進行大量繁殖。 三、生命體的遺傳物質(zhì)基本相同 從遺傳物質(zhì)的角度來看，所有生命體的遺傳物質(zhì)基本相同，絕大多數(shù)的生物是 以脫氧核糖核酸d n a 作為遺傳物質(zhì)。只有少數(shù)生命的遺傳物質(zhì)是核糖核酸r n a 作為 遺傳物質(zhì)，即病毒。并且，所以遺傳物質(zhì)所載有的遺傳密碼是生物界所通用的，各 種生物用這統(tǒng)一的遺傳密碼編制自己的基因程序，并按照這一基因程序來實現(xiàn)生命 個體的生長、發(fā)育、生殖、遺傳等生命活動。 1 0 碩士學(xué)位論文 m a s t e r l s t h e s i s 2 1 3 生物系統(tǒng)廣泛存在著時間延遲 生物體對外界刺激都能發(fā)生反應(yīng)，這就是生命體的應(yīng)激性，應(yīng)激性是生物的普 遍特性。響應(yīng)是生物察覺環(huán)境變化并能調(diào)整自身的一種能力。動物的感覺器官和神 經(jīng)系統(tǒng)是應(yīng)激性高度發(fā)展的產(chǎn)物。生物的應(yīng)激性從某種角度看，其實是對刺激反應(yīng) 的一種時問延遲。另外，生物體對外界環(huán)境都有適應(yīng)性，如保護色、體內(nèi)的生物鐘 等等，實質(zhì)上，生物鐘本質(zhì)上是一種時間延遲。 時間延遲廣泛存在于生物系統(tǒng)中，對生物的物種的多樣性、生物的行為復(fù)雜性、 以及生物的進化起著重要的作用。因而，時間延遲對生物的生存和發(fā)展不可忽視， 而且產(chǎn)生深遠的影響。下面以神經(jīng)系統(tǒng)、生物鐘系統(tǒng)【1 i 、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)系統(tǒng)嗍為 例，說明生物系統(tǒng)中廣泛存在著時間延遲。 、神經(jīng)系統(tǒng)中存在著時間延遲酬 多細胞動物有神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)是由應(yīng)激性高度發(fā)展的神經(jīng)細胞，或稱神經(jīng) 元( n e u r o n s ) 和一些特殊的結(jié)締組織細胞，如神經(jīng)膠質(zhì)細胞( n e u r o g l i a lc e l l s ) 所組成。它的功能是通過各種感受接受來自體外和體內(nèi)各部分的信息，傳送這些信 息，對這些信息進行解釋、整理和加工，然后發(fā)出相應(yīng)的“指令”，使身體有關(guān)部 分做出應(yīng)答，結(jié)果是身體各部分保持協(xié)調(diào)一致和身體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。然而，對生物神經(jīng) 元進行了大量的研究，實驗表明真實神經(jīng)元( 其軸突、突觸和樹突) 之間本身不可避 免存在著時間延遲和處理過程中的不斷變化，生物神經(jīng)元對信息的傳遞是需要時 間。所以，一個神經(jīng)細胞向另一個神經(jīng)細胞發(fā)送神經(jīng)信號存在時間延遲，不同的神 經(jīng)元間這種延遲可能不同。因而出現(xiàn)對外界信號、體內(nèi)信號的反應(yīng)存在著時間延遲， 在生物行為上的出現(xiàn)時間延遲。如意識、記憶、思維過程都存在著時間延遲。 二、生物鐘系統(tǒng)存在著時間延遲嘲 生物生存在地球上，長期的適應(yīng)使得生物體也存在一定內(nèi)在節(jié)奏的生理節(jié)律， 也就是生物鐘，從某種層次理解，某種生物的生理節(jié)律也即與相應(yīng)的時間延遲對應(yīng)。 這種生物節(jié)律與宇宙的節(jié)律存在某種聯(lián)系，它控制著生物的生理機能和生活習(xí)性。 生物按照晝夜的交替作息，并按不同的時刻設(shè)置它們某一個生理活動高潮或某一個 生活習(xí)性。這種內(nèi)在的“鬧鐘”似乎已經(jīng)成為生物體的本能。健康人的體溫在2 4 h 內(nèi)有很微小的波動。生物鐘也響應(yīng)其他宇宙節(jié)律。2 5 年前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)丘腦下部的視上 核是哺乳動物生物節(jié)律調(diào)節(jié)中樞，也就是說光周期生物鐘的鬧鐘旋紐可能就在該 處。丘腦下部的腺體釋放的激素可能作為化學(xué)信號啟動其他部位與生物節(jié)律有關(guān)的 基因的開啟或關(guān)閉。而且遺傳學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了控制果蠅晝夜節(jié)律的主控基因。 三、基因表達調(diào)控系統(tǒng)中存在著時間延遲1 5 1 1 1 1 項士學(xué)位論文 m a s t e r st h e s i s 基因作為遺傳物質(zhì)，其主要功能是把遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛商囟ò被犴樞驑?gòu)成的 多肽( 包括酶) ，從而決定生物體的表現(xiàn)型，這一過程稱為基因的表達( g e n e e x p r e s s i o n ) 也就說，基因可以通過合成蛋白質(zhì)進入細胞的不同結(jié)構(gòu)中，從而直接 表現(xiàn)出某些性狀，也可以通過合成酶間接控制性狀的發(fā)育。細胞中基因并不是都在 表達，而是有的被啟動而表達，有的被阻遏而不能表達。這里存在著一個基因表達 的調(diào)節(jié)控制機制?；蛘{(diào)控的指揮系統(tǒng)有很多種不同生物使用不同的信號來指揮基 因調(diào)控。原核生物通過基因表達的調(diào)控可改變它們的代謝方式以適應(yīng)環(huán)境的變化， 營養(yǎng)狀況、環(huán)境因素對其基因表達起者十分重要的作用；而真核生物則通過基因的 調(diào)控來實現(xiàn)細胞分化、形態(tài)變化和個體發(fā)育，真核生物尤其是高等真核生物中，激 素水平、發(fā)育階段等都是基因表達調(diào)控的主要手段，營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響則較為 次要?；蛘{(diào)控主要表現(xiàn)在以下四個方面：( 1 ) 轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控；( 2 ) 轉(zhuǎn)錄后m r n a 加工、成熟水平上的調(diào)控；( 3 ) 翻譯水平上的調(diào)控；( 4 ) 蛋白質(zhì)加工水平上的調(diào)控。 基因調(diào)控在這四個過程中不可避免存在著時間延遲。 總之，在神經(jīng)系統(tǒng)中，一個神經(jīng)細胞向另一個神經(jīng)細胞發(fā)送神經(jīng)信號存在時間 延遲，不同的神經(jīng)元間這種延遲可能不同，因而出現(xiàn)對外界信號、體內(nèi)信號的反應(yīng) 存在著時間延遲，在生物行為上的出現(xiàn)時間延遲。生物體內(nèi)存在生理節(jié)律，也即生 物鐘，這是對生存的體內(nèi)和體外環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果，生物鐘本身說明了生物體內(nèi) 存在生理延遲。在細胞體內(nèi)的基因調(diào)控過程中，基因調(diào)控的指揮系統(tǒng)有不同生物使 用不同的信號來指揮基因調(diào)控，每個調(diào)控過程都需要一定的時間，也即存在時間延 遲。所以，生物要生存，必須適應(yīng)其生存環(huán)境，對外界刺激的應(yīng)激性、新陳代謝中 物質(zhì)輸運、消化、吸收每個生命過程等等，以及生物體內(nèi)復(fù)雜的基因調(diào)控過程中， 廣泛地存在著時間延遲。 2 2 時間延遲對生物系統(tǒng)的作用 由于生物體內(nèi)廣泛地時間延遲，我們要遵循生物時間延遲的客觀規(guī)律，依照生 物內(nèi)在的規(guī)律辦事，另外可以合理地利用生物體內(nèi)的時問延遲為人類服務(wù)，提高人 類工作效率，減少病害提高植物的產(chǎn)量。 2 2 1 遵循生物體內(nèi)的時問延遲規(guī)律 生物與人類的關(guān)系非常密切，人類、自然都有其自身的客觀規(guī)律，例如，生物 的睡眠晝夜節(jié)律、不同的生物對外界刺激響應(yīng)的延遲時間不同等等。因此，對于自 然，人們要了解自然，克服自然和改造自然，為人類服務(wù)。 1 2 碩士學(xué)位論文 m a s t e r s t h e s i s 一、認識并遵循睡眠晝夜節(jié)律的重要性 每種生物都有自身適應(yīng)生存環(huán)境的能力，生物鐘系統(tǒng)就是生物長期適應(yīng)其生存 環(huán)境的一種體現(xiàn)?，F(xiàn)已人體內(nèi)的睡眠生物鐘為例，說明認識并遵循睡眠晝夜節(jié)律的 重要性。 睡眠有晝夜節(jié)律，它與每個人的生命周期保持一致，按照不同的時間變化，決 定于身體內(nèi)部的時鐘，并按照身體時鐘適應(yīng)環(huán)境的變化。人的生長激素分泌與睡眠 有直接關(guān)系，如果睡眠比正常時間延遲，生長激素的分泌高峰也延遲，總是與睡眠 相一致。其他的生物學(xué)變化量也有晝夜節(jié)律。睡眠對精神、情感、身體健康、免疫 力的提高和人體細胞生長、修復(fù)起著重要的作用，睡眠時大腦細胞完全休息，大腦 功能得到充分保養(yǎng)和恢復(fù)。剝奪睡眠最初會引起人體免疫系統(tǒng)處于警惕狀態(tài)，血液 中的白細胞數(shù)量增加，然后免疫力下降，人體抵抗細菌的防御能力崩潰。兒童的生 長發(fā)育尤其需要充足的睡眠，在睡眠最深的時候，腦子里分泌生長激素最多，促使 兒童的骨骼生長、身體發(fā)育、智力的發(fā)育。 睡眠與食物和水一樣，對我們的精神健康和身體健康至關(guān)重要。因此我們要認 識到遵循體內(nèi)睡眠晝夜節(jié)律的重要性，制定好作息時間，提高學(xué)習(xí)和工作的效率。 二、不同的生物對外界刺激響應(yīng)的延遲時間不同 每一種生物在其發(fā)育中都需要一定的光照期和黑暗期，尤其是黑暗期。以植物 為例，如果沒有足夠的黑暗期，植物就不能開花。大多數(shù)植物屬于長日照生物，像 小麥，油菜，蘿h ，菠菜都是。要求必須經(jīng)歷的黑暗期或者臨界暗期比較短。短日 照植物，像大豆，水稻，玉米，煙草，菊花則相反。因此，要想提前得到盛開的菊 花，只須把菊花在黑暗處多放些時候。如果每天半夜照射大豆1 分鐘，大豆開花時 間就會推遲。因為在黑暗期插入極短時間的光照，意味著縮短了黑暗期?？茖W(xué)家還 做了一個有趣的實驗，他們讓大豆的全部葉子除了一片外全部接受縮短一倍的黑暗 期，只有一片葉子接受正常的黑暗期。結(jié)果整株大豆仍按照正常的時間開花。 2 2 2 合理利用生物體內(nèi)的時間延遲 我們要認識到生物的時間延遲，合理利用生物體內(nèi)的時間延遲。有害生物的防 治是生物體內(nèi)時間延遲合理利用的一個例子。防治指標必須考慮到產(chǎn)量、質(zhì)量因素， 不能只看被害率或病情指數(shù)。因此，通過防治，間接取得增產(chǎn)效果或通過保健作用 取得直