29、蓝藻生物钟系统中的阻尼振荡：从进化到机制的探索

蓝藻生物钟系统中的阻尼振荡：从进化到机制的探索

在生物学的研究中，生物钟系统一直是一个引人入胜的领域。蓝藻的生物钟系统因其相对简单且易于研究，成为了探索生物钟奥秘的重要模型。本文将深入探讨蓝藻生物钟系统中的阻尼振荡现象，包括其在不同条件下的表现、共振特性以及与生物钟进化的关系。

低温下KaiC磷酸化的阻尼振荡与共振

在低温条件下，KaiC磷酸化的振荡幅度更高。当温度低于临界温度时，阻尼振荡的周期约为30小时。这种在临界温度上下振荡周期变化不显著的现象，支持了Hopf分岔而非SNIC分岔的假设。

KaiC磷酸化的阻尼振荡可以用带有摩擦的摆锤来建模。当施加周期性外力时，即使外力很小，只要其周期接近摆锤的自然频率，摆锤就会以较大的幅度摆动，这就是物理学中的“共振”现象。研究人员使用16.7°C和18.7°C的温度循环作为弱外力，发现当温度循环为15小时在16.7°C和15小时在18.7°C（周期为30小时）时，KaiC磷酸化会产生受迫振荡。这表明，即使在临界温度以下，KaiC的受迫振荡也可能在体内调节输出途径，起到半昼夜节律时钟的作用。

通过改变温度循环的周期T，研究人员发现当T约为30小时时，受迫振荡的幅度达到最大，这表明温度循环引发了共振。数值模拟进一步证实了这一结果，Hatakeyama - Kaneko模型和使用Stuart - Landau方程的简单模型都能重现共振现象，说明任何经历Hopf分岔的阻尼振荡器通常都可能表现出共振。

无KaiA时的阻尼振荡

研究人员还发现，当蓝藻的kaiA基因失活时，会出现另一种阻尼振荡现象。此前人们认为，所有三个kai基因（kaiA、kaiB和kaiC）对于昼夜节律振荡都是必需的。