钙离子是分布广泛的胞内信使，调控着从卵子受精到细胞死亡、从心脏收缩到神经传递等重要生命过程。钙离子之所以有如此多样的生理功能与钙信号在细胞中的时间和空间动态变化密不可分。近二十多年来的研究已揭示了细胞钙信号转导的关键结构基础和分子机制，为深入研究钙信号的时空动态形成和演化机制带来了良好的契机。 本研究以心肌细胞钙波和螺旋钙波的形成和演化机制为中心，运用先进的活细胞高速成像技术以及非线性科学的理论与方法，重点分析了心肌细胞分子水平的钙释放活动--钙火花--在不同形式钙波的形成和演化中的关键作用，以图揭示胞内复杂钙活动起始、传播和终止的微观动力学机制。 研究得到如下主要结果； 1.通过对自发的和松钳触发的钙活动的分析，发现钙火花之间存在相互触发的自组织过程；由此产生的局部钙活动若超过一定临界尺度(直径约为8μm)，则倾向于形成不衰减传播的钙波。钙波传播每步进一个钙释放位点所需时间呈钟型分布，且一定时间间隔内钙波前沿前进的距离符合正态分布。这些结果说明，心肌细胞中钙波的起始和传播都是随机过程。 2.螺旋钙波能随机出现于心肌细胞中，这是迄今在生物系统中发现的尺度最小的螺旋波。高时空分辨率成像显示螺旋钙波以钙火花为基本组成单位，并与随机出现的零星钙火花相互作用。螺旋波与钙火花的同时观测使心肌细胞成为螺旋波微观动力学研究的理想实验模型。 3.相奇点是螺旋波的组织中心。对高分辨率钙波图像进行相位分析，发现钙火花与钙波的相互作用可触发相奇点的产生。作用于波后特定相位(-π/2～-π/4，我们称奇点区)的钙火花导致局部相重置，能直接产生一对手征相反的相奇点，称为相奇点产生的“阳”性方式。发生在钙波之前合适时间的钙火花能够通过不应期使钙波波前产生缺陷，通过“阴”性方式也能产生一对相奇点。两种机制产生的成对相奇点多数相互湮灭，只有少部分成功募集周围钙释放位点，组织成了螺旋波。 4.钙火花与螺旋波存在相互作用。实验数据显示，发生于螺旋波尖端附近特定位置的钙火花可诱发螺旋波相奇点在空间上发生位移。在具有稳定螺旋波的模拟系统中，不同位置引入的钙火花对螺旋波的扰动程度不同；发生在螺旋波组织中心的钙火花能引起全系统渐进性地发生相重置。系统可激发性越低，钙火花引起相重置的作用越强。 5.数值模拟发现，当系统的可激发性降低到一定程度，螺旋波可有多种状态，呈现不同大小的组织中心。发生在相奇点附近的钙火花可使螺旋波在不同状态之间跃迁。在从小组织中心状态向大组织中心状态转变的过程中，螺旋波可因遭遇系统边界而消失。实验事实也证实钙火花能够在一定条件下导致螺旋波终止。螺旋波在多个稳态间的跃迁以往尚未见报道，有待深入研究。钙火花导致螺旋波终止的发现为临床上寻找对抗螺旋波的策略提供了理论借鉴。 6.电生理研究显示，不同形式的胞内钙波均伴随细胞膜去极化。螺旋钙波的发生使心肌细胞内的钙浓度动态地维持在较高水平，通过钠钙交换产生持续的、不稳定的去极化。由此而产生的异位兴奋使发生螺旋钙波的细胞有能力干扰周围细胞的电活动，从而促进心脏组织水平螺旋波和心律失常的发生。 以上研究揭示了离散系统中局部反应单元的随机活动能在螺旋波自发产生、终止和稳态转换过程中发挥关键作用。由于生物系统往往是离散的，因此，对心肌细胞螺旋波微观机制的研究既对认识生命过程中的时空动态机制有理论意义，也将有助于解决一些有关螺旋波的医学问题，如心室纤颤的防治对策等。