MIFANO YA HISABATI KATIKA BIOLOGIA
T.I. Volynkin
D. Skripnikova mwanafunzi
Taasisi ya Kielimu ya Jimbo la Shirikisho la Elimu ya Juu ya Taaluma "Chuo Kikuu cha Kilimo cha Jimbo la Oryol"
Biolojia ya hisabati ni nadharia ya mifano ya hisabati ya michakato ya kibiolojia na matukio. Biolojia ya hisabati inarejelea hesabu iliyotumika na hutumia njia zake kikamilifu. Kigezo cha ukweli ndani yake ni uthibitisho wa hisabati; jukumu muhimu zaidi linachezwa na uundaji wa hesabu kwa kutumia kompyuta. Tofauti na sayansi ya hisabati tu, katika biolojia ya hisabati matatizo na matatizo ya kibayolojia yanasomwa kwa kutumia mbinu za hisabati ya kisasa, na matokeo yana tafsiri ya kibiolojia. Kazi za biolojia ya hisabati ni maelezo ya sheria za asili katika kiwango cha biolojia na kazi kuu ni tafsiri ya matokeo yaliyopatikana wakati wa utafiti. Mfano ni sheria ya Hardy-Weinberg, ambayo inathibitisha kwamba mfumo wa idadi ya watu unaweza kutabiriwa kulingana na sheria hii. Kulingana na sheria hii, idadi ya watu ni kundi la aleli zinazojitegemea ambapo uteuzi wa asili hutoa msingi. Uchaguzi wa asili yenyewe ni, kutoka kwa mtazamo wa hisabati, kutofautiana kwa kujitegemea, na idadi ya watu ni kutofautiana tegemezi, na idadi ya watu inachukuliwa kuwa idadi ya vigezo vinavyoathiri kila mmoja. Hii ni idadi ya watu binafsi, idadi ya aleli, msongamano wa aleli, uwiano wa msongamano wa aleli zinazotawala kwa msongamano wa aleli zinazorudiwa, nk. Katika miongo kadhaa iliyopita, kumekuwa na maendeleo makubwa katika maelezo ya kiasi (ya hisabati) ya kazi za mifumo mbalimbali ya viumbe katika viwango mbalimbali vya shirika la maisha: molekuli, seli, chombo, viumbe, idadi ya watu, biogeocenological. Maisha imedhamiriwa na sifa nyingi tofauti za mifumo hii ya kibaolojia na michakato inayotokea katika viwango vinavyofaa vya shirika la mfumo na kuunganishwa kwa moja wakati wa utendaji wa mfumo.
Ujenzi wa mifano ya hisabati ya mifumo ya kibaolojia iliwezekana kutokana na kazi ya kipekee ya uchambuzi wa majaribio: wanasayansi wa morphologists, biokemia, fiziolojia, wataalamu wa biolojia ya molekuli, nk. ambayo michakato mbalimbali ya physicochemical hutokea kwa utaratibu katika nafasi na wakati na michakato ya biochemical ambayo huunda interweaving ngumu sana.
Hali ya pili inayochangia kuhusika kwa vifaa vya hisabati katika biolojia ni uamuzi makini wa majaribio ya viwango vya viwango vya miitikio mingi ya ndani ya seli ambayo huamua utendakazi wa seli na mfumo wa kibayolojia unaolingana. Bila ujuzi wa mara kwa mara vile, maelezo rasmi ya hisabati ya michakato ya ndani ya seli haiwezekani.
Hali ya tatu ambayo iliamua mafanikio ya uundaji wa hesabu katika biolojia ilikuwa ukuzaji wa zana zenye nguvu za kompyuta katika mfumo wa kompyuta za kibinafsi na kompyuta kuu. Hii ni kutokana na ukweli kwamba kwa kawaida taratibu zinazodhibiti kazi fulani ya seli au viungo ni nyingi, zimefunikwa na mizunguko ya feedforward na maoni na, kwa hiyo, inaelezewa na mifumo ya equations zisizo za mstari. Milinganyo kama hiyo haiwezi kutatuliwa kwa uchambuzi, lakini inaweza kutatuliwa kwa nambari kwa kutumia kompyuta.
Majaribio ya nambari juu ya mifano yenye uwezo wa kuzaliana darasa pana la matukio katika seli, viungo na mwili huturuhusu kutathmini usahihi wa mawazo yaliyotolewa wakati wa kuunda mifano. Ukweli wa majaribio hutumiwa kama machapisho ya mifano; hitaji la mawazo na dhana fulani ni sehemu muhimu ya kinadharia ya uundaji wa mfano. Mawazo na dhana hizi ni dhahania ambazo zinaweza kujaribiwa kwa majaribio. Kwa hivyo, mifano huwa vyanzo vya nadharia, na, zaidi ya hayo, zinazoweza kuthibitishwa kwa majaribio. Jaribio linalolenga kujaribu dhana fulani inaweza kuikanusha au kuithibitisha na hivyo kusaidia kuboresha muundo. Mwingiliano huu kati ya uundaji wa miundo na majaribio hutokea mfululizo, na hivyo kusababisha uelewa wa kina na sahihi zaidi wa jambo hili: jaribio huboresha muundo, mtindo mpya huweka dhana mpya, majaribio huboresha muundo mpya, na kadhalika.
Hivi sasa, biolojia ya hisabati, ambayo ni pamoja na nadharia za hesabu za mifumo na michakato mbali mbali ya kibaolojia, kwa upande mmoja, tayari ni taaluma ya kisayansi iliyoanzishwa vya kutosha, na kwa upande mwingine, moja ya taaluma zinazokua kwa kasi zaidi za kisayansi, ikichanganya juhudi za wataalam. kutoka katika nyanja mbalimbali maarifa - wanahisabati, wanabiolojia, wanafizikia, kemia na wataalam wa sayansi ya kompyuta. Taaluma kadhaa za biolojia ya hisabati zimeundwa: genetics ya hisabati, immunology, epidemiology, ikolojia, idadi ya sehemu za fiziolojia ya hisabati, haswa, fiziolojia ya hisabati ya mfumo wa moyo na mishipa.
Kama taaluma yoyote ya kisayansi, biolojia ya hisabati ina somo lake, mbinu, mbinu na taratibu za utafiti. Kama somo la utafiti, mifano ya hisabati (kompyuta) ya michakato ya kibaolojia inatokea, ambayo wakati huo huo inawakilisha kitu cha utafiti na zana ya kusoma mifumo ya kibaolojia yenyewe. Kuhusiana na kiini hiki cha aina mbili za mifano ya kibaolojia, zinamaanisha utumiaji wa zilizopo na ukuzaji wa njia mpya za kuchambua vitu vya hesabu (nadharia na njia za matawi husika ya hesabu) ili kusoma mali ya mfano yenyewe kama kitu cha hesabu. , pamoja na matumizi ya modeli kwa ajili ya kuzalisha na kuchambua data ya majaribio iliyopatikana katika majaribio ya kibiolojia. Wakati huo huo, moja ya madhumuni muhimu zaidi ya mifano ya hisabati (na biolojia ya hisabati kwa ujumla) ni uwezo wa kutabiri matukio ya kibiolojia na matukio ya tabia ya mfumo wa kibayolojia chini ya hali fulani na uhalali wao wa kinadharia kabla (au hata badala ya) kufanya majaribio ya kibiolojia yanayolingana.
Njia kuu ya kusoma na kutumia mifano ngumu ya mifumo ya kibaolojia ni jaribio la kompyuta la hesabu, ambalo linahitaji utumiaji wa njia za kutosha za hesabu kwa mifumo inayolingana ya hesabu, algorithms ya hesabu, teknolojia za kukuza na kutekeleza programu za kompyuta, kuhifadhi na kusindika matokeo ya kompyuta. uundaji wa mfano. Mahitaji haya yanamaanisha ukuzaji wa nadharia, mbinu, algoriti na teknolojia za uundaji wa kompyuta ndani ya maeneo mbalimbali ya kibayolojia.
Hatimaye, kuhusiana na lengo kuu la kutumia mifano ya kibaolojia ili kuelewa sheria za utendaji wa mifumo ya kibaolojia, hatua zote za maendeleo na matumizi ya mifano ya hisabati zinahitaji utegemezi wa lazima juu ya nadharia na mazoezi ya sayansi ya kibiolojia.
Hakuna mwanabiolojia anayekataa hitaji la kutumia mbinu za hisabati katika utafiti wa kibiolojia, haswa kwa uchanganuzi mwingine wa idadi ya watu. Hata hivyo, katika kuelewa nafasi ya uchambuzi wa hisabati katika biolojia, kuna tofauti, wakati mwingine pointi za kupinga. Wengine wanaamini kwamba kazi muhimu zaidi ni "kujua tabia ya idadi ya watu kama jumla ya takwimu" (Beverton na Holt, 1957; Graham, 1956). Kwa mujibu wa hatua hii ya maoni, kazi ya mwanabiolojia imepunguzwa kwa uchambuzi wa takwimu na ni mdogo kwa uanzishwaji wa uhusiano mbalimbali wa uhusiano. Msingi wa kinadharia wa mtazamo huu ni kauli ya Bertrand Russell kwamba "sheria za kibiolojia ... kama sheria za nadharia ya quantum ni sheria tofauti na za takwimu" (Russell, 1957, p. 69).
Wengine wanaendelea kutokana na ukweli kwamba uchambuzi wa hisabati katika biolojia, ikiwa ni pamoja na masomo ya idadi ya watu, ni muhimu, lakini tu kama kati, na sio hatua ya mwisho ya utafiti. Mtazamo huu wa pili unategemea wazo la maalum ya aina za mwendo wa jambo. Katika uchanganuzi wa idadi ya watu, mwelekeo huu unaona kazi ya mwisho ya utafiti katika kutambua kiini cha kubadilika na kuelewa sababu za jambo la kibiolojia. Kutoka kwa nafasi hizi tunakaribia matumizi ya mifano ya hisabati wakati wa kusoma mifumo ya mienendo ya idadi ya watu.
Mfano wa hisabati ni njia ambayo inawezekana kutambua utaratibu wa mchakato na kuelewa vipengele vyake vya kimuundo - kuanzisha vigezo vya idadi ya watu iliyochambuliwa. Ufanisi wa hisabati mbele ya nyenzo kubwa za dijiti huruhusu utumiaji wa vifaa vya kompyuta na modeli kwa usindikaji wa haraka na wa kuaminika zaidi wa nyenzo na kwa uchambuzi wa kina zaidi na wa lengo la data iliyokusanywa.
Kazi muhimu sana, ambayo inafanya uwezekano wa kutumia sana mifano ya hisabati, ni ukuzaji wa mbinu na utayarishaji wa utabiri wa kushuka kwa idadi na uwezekano wa upatikanaji wa samaki wa kibiashara, na pia hesabu ya serikali bora za unyonyaji wa samaki wa kibiashara. samaki wa kibiashara, taratibu kama hizo ambazo zingehakikisha upokeaji wa mara kwa mara wa kiasi kikubwa cha samaki mwaka hadi mwaka bidhaa za ubora wa juu. Hivi sasa, kiasi kikubwa cha muda na jitihada hutumiwa katika kufanya kazi hizi, hasa juu ya kufanya utabiri wa upatikanaji wa samaki wa kibiashara wa mtu binafsi, na matokeo sio sahihi kila wakati. Kwa hivyo, ni muhimu sana kurahisisha na kurekebisha kadiri iwezekanavyo michakato ya kufanya utabiri na kuhesabu serikali ya uendeshaji wa hisa za samaki za kibiashara, huku ukihakikisha usahihi wa juu wa hesabu hizi.
Matumizi ya kompyuta za kasi za elektroniki kwa madhumuni ya utafiti huturuhusu kupanua kwa kiasi kikubwa wigo wa utafiti na kukaribia maendeleo ya maswala ya ikolojia ya idadi ya watu, suluhisho ambalo halikuwezekana kabla ya ujio wa kompyuta.
Mbinu ya modeli ya hisabati
Kuenea kwa matumizi ya kompyuta katika maeneo yote ya utafiti, ikiwa ni pamoja na yale ya ichthyological, hufanya iwezekanavyo kuharakisha sana utafiti na kufikia usahihi wa juu wa matokeo yaliyopatikana.
Hata hivyo, ili kuwa na uwezo wa kutumia kompyuta katika uchambuzi wa idadi ya watu, ni muhimu kuunda programu zinazoonyesha kwa usahihi mwendo wa mchakato wa maslahi kwetu. Hii ni, kwanza kabisa, seti ya sheria na maagizo ya kubadilisha kiasi cha riba kwetu (algorithm ya mchakato), ambayo inaweza kujumuisha utegemezi katika mfumo wa equations na moja kwa moja katika mfumo wa meza na grafu. Walakini, ili kupata mfano wa hesabu "unaofanya kazi" wa mchakato, ni muhimu kwamba iwe msingi wa miunganisho ya sababu, juu ya ubishi huo wa ndani ambao unaonyesha kiini halisi cha ukuzaji wa jambo la kibaolojia, na sio kwa miunganisho ya nje ya nasibu ambayo. kutii sheria za takwimu tu na hazionyeshi kiini cha jambo hilo. Na ni kawaida kwamba hapa na nje ya nchi (Regier, 1970) katika uchanganuzi wa idadi ya watu, mifano inazidi kutumiwa, ambayo inategemea wazo la idadi ya watu kama mfumo wazi wa kujidhibiti, uliojengwa juu ya kanuni ya maoni - mwingiliano wa kuongeza au kuondoa.
Uwepo wa viunganisho vya ishara tofauti katika kitanzi kilichofungwa chini ya hali fulani huhakikisha utulivu wa jamaa wa mfumo (Mensutkin, 1971).
Kwa mtindo wa hisabati ninamaanisha usemi wa hisabati wa upande wa kiasi cha mwendo wa mchakato au jambo fulani, ikiwa ni pamoja na mienendo ya idadi na biomass ya idadi ya wanyama. Karibu katika kila utafiti wa kibaolojia, tunatumia miundo ya hisabati moja kwa moja au isiyo ya moja kwa moja. Kwa mfano, usemi wa nambari wa wastani na amplitude ya idadi ya miale katika pezi ya samaki tayari inawakilisha mfano rahisi zaidi wa hisabati wa fin. Kuhusiana na mifano ya hisabati ya mienendo ya idadi ya watu, inaonekana kwangu kwamba tunahitaji kuelewa milinganyo au mifumo ya milinganyo inayoakisi upande wa upimaji wa mchakato wa mienendo ya idadi ya watu na kuturuhusu kutabiri mwendo zaidi wa jambo hilo. Kwa kawaida, swali linatokea ni mahali gani modeli ya hisabati inapaswa kuchukua katika utafiti wa mienendo ya idadi ya watu na jinsi ya kuchangia mafanikio ya utafiti wa kibaolojia kupitia matumizi ya mifano ya hisabati.
Michakato inayotokea katika ulimwengu wa kikaboni - mizozo ya ndani ambayo huchochea maendeleo, kimsingi ni ya kuamua na ni ya kikundi cha michakato ya hatua inayoendelea na nguvu tofauti (yaani, ukubwa na kasi), na kwa kikundi cha michakato tofauti. Hizi ni taratibu zinazoamua mwendo wa jambo fulani. Lakini jambo lolote la asili ni mchanganyiko mgumu wa migongano ya ndani na nje; mwisho huonekana kuunda mazingira ambayo jambo hilo hutokea. Ikiwa michakato inayoakisi mkanganyiko wa ndani wa viumbe hai ni ya kitengo cha michakato ya kuamua ya hatua ya wazi au inayoendelea, basi mvuto wa nje, kama sheria, ni wa asili na hauunganishwa na idadi ya watu kwa maoni wazi. Wakati wa kuanza kujenga mfano wa hisabati wa idadi ya watu, ni muhimu kuzingatia haya yote.
Kama inavyojulikana (Nikolsky, 1959), kwa kutumia njia ya hisabati, inawezekana kutambua utaratibu wa jambo, lakini si kufichua kiini chake cha kukabiliana. Walakini, ufahamu wa utaratibu wa jambo la kibaolojia ni muhimu kabisa kuelewa kiini chake, na ikiwa njia ya modeli ya hesabu inaweza kusaidia kufafanua utaratibu wa jambo hilo - kwa upande wetu, utaratibu wa mienendo ya idadi ya watu - basi inapaswa kutumika. kiwango cha juu.
Varley (1962), akizungumza katika mjadala juu ya utumikaji wa modeli za hisabati katika utafiti wa idadi ya watu, alionyesha nafasi ya modeli ya hisabati katika utafiti wa idadi ya watu kama ifuatavyo:
Hata hivyo, mfano wa kinadharia unaweza kutumika kwa madhumuni ya vitendo tu baada ya kupimwa ili kuamua vigezo vyake katika asili na kubadilishwa kutoka kwa mfano wa kinadharia hadi kufanya kazi. Mfano halisi wa kinadharia katika ufahamu wa Varley sio mfano wa hisabati unaoonyesha mwendo wa jambo fulani, lakini hypothesis inayofanya kazi kulingana na uchunguzi wa awali wa kibiolojia, ambayo inafanya uwezekano wa kuandaa utafiti ili kuamua vigezo vya awali. Mwisho hufanya iwezekanavyo kuunda mfano wa kufanya kazi unaofaa kwa kutabiri upande wa upimaji wa mwendo wa jambo, yaani "mfano wa kinadharia" wa Varley ni kanuni za kibiolojia ambazo zinapaswa kuwa msingi wa mtindo wa kazi.
Karibu na mchakato wa kutumia kompyuta na mifano ya hisabati katika kuendeleza tatizo la mienendo ya idadi ya watu ni mpango uliopendekezwa na D.I. Blokhintsev (1964) kwa kazi ya mwanafizikia wa kisasa: 1) kipimo (seti ya ukweli); 2) usindikaji wa habari iliyopokelewa (kwenye kompyuta); 3) hitimisho (kujenga hypotheses ya kazi); 4) kuwaangalia kwenye mashine za kuhesabu; 5) kujenga nadharia (utabiri wa siku zijazo).
Nadhani kipimo (uteuzi wa ukweli) unapaswa pia kutanguliwa na nadharia inayotokana na mbinu ya jumla.
Katika suala hili, ni sahihi zaidi, kama inavyopendekezwa na D. N. Horafas (1967), kuanza utafiti kwa kutumia modeli na kompyuta kwa kutaja shida. Mwandishi huyu anapendekeza mlolongo ufuatao wa shughuli: 1) kufafanua tatizo; 2) kutafuta vigezo kuu; 3) kuamua uhusiano kati ya vigezo hivi na vigezo vya mfumo; 4) uundaji wa nadharia kuhusu hali ya hali zinazosomwa; 5) ujenzi wa mfano wa hisabati au mwingine wowote; 6) kufanya au kupanga majaribio; 7) kupima hypothesis; 8) tathmini ya hypothesis kulingana na matokeo ya majaribio; 9) kukubalika au kukataliwa kwa nadharia na uundaji wa hitimisho; 10) utabiri wa maendeleo zaidi ya mifumo kwa kuzingatia mwingiliano wao; 11) maendeleo ya hatua; 12) mpito kwa hatua ya uboreshaji wa mfano, kufanya marekebisho muhimu.
Mpango wa D. N. Khorafas, kama inavyoonekana kwangu, uko karibu na mpango uliopendekezwa na D. I. Blokhintsev, lakini utangulizi idadi ya ufafanuzi ambayo inaweza kuwa na manufaa katika uchambuzi wa idadi ya watu.
Kwa hivyo, katika masomo katika uwanja wa mienendo ya idadi ya watu, modeli ya hisabati inapaswa kutoa uelewa wazi wa mchakato, haswa juu ya upande wake wa kiasi. Mfano wa hisabati unapaswa kurahisisha mchakato wa utabiri wa muda mrefu wa mienendo ya idadi ya watu na, hatimaye, kuhakikisha hesabu ya kuaminika ya utawala wa uendeshaji wa idadi ya watu - utawala unaohakikisha tija kubwa zaidi ya idadi ya watu. Jukumu la kiutendaji lililowekwa kwa wanabiolojia na wanahisabati katika uga wa kuunda miundo ya hisabati ni kuunda muundo ambao ungewezesha kuweka kiotomatiki huduma ya utabiri wa muda mrefu na kutumia teknolojia ya kompyuta katika kukokotoa njia bora zaidi za unyonyaji wa wanyama pori.
Inaonekana kwangu kuwa ifuatayo ni mwendo wa utafiti wa kibiolojia katika mienendo ya idadi ya watu na mahali pa mfano wa hisabati ndani yake. Kulingana na uelewa wa nyenzo zilizopo za ukweli, hypothesis ya kazi ya jambo hilo imeundwa; Kwa msingi wa nadharia hii ya kufanya kazi, mpango wa utafiti umejengwa ambao hutoa nyenzo ambazo zinaonyesha sababu na utaratibu wa jambo hilo. Nyenzo hizi zinapaswa pia kutoa uwezekano wa kujenga mfano wa hisabati wa mwendo wa jambo hilo. Kwa hivyo, kuna hatua mbili za kuunda mfano wa hisabati. Ya kwanza (mfano wa kinadharia katika mpango wa Varley) - hypothesis ya kazi kulingana na ukweli uliokusanywa ni rasmi kwa namna ya equation ya utata tofauti; Idadi kubwa ya mifano ya hisabati ni ya aina hii ya mfano. Hatua ya pili - kulingana na kupima hypothesis ya kazi, mfano wa kazi huundwa, unaofaa kwa mahesabu ya vitendo kwa madhumuni ya ubashiri na uendeshaji. Mitindo yote ya kinadharia na ya kufanya kazi daima inategemea seti moja au nyingine ya dhana za kinadharia, na dhana hizi za kinadharia ziko karibu na sheria zinazofanya kazi katika asili, sahihi zaidi na ufanisi wa mfano wa hisabati ulioundwa utakuwa.
Licha ya utofauti wa mifumo ya kuishi, wote wana sifa zifuatazo maalum ambazo zinapaswa kuzingatiwa wakati wa kujenga mifano.
- 1. Mifumo tata. Mifumo yote ya kibaiolojia ni ngumu, multicomponent, muundo wa anga, na mambo yao yana umoja. Wakati wa kuunda mifumo kama hiyo, njia mbili zinawezekana. Ya kwanza ni mkusanyiko, phenomenological. Kwa mujibu wa mbinu hii, sifa za kufafanua za mfumo zinatambuliwa (kwa mfano, jumla ya idadi ya aina) na sifa za ubora wa tabia ya kiasi hiki kwa muda huzingatiwa (utulivu wa hali ya stationary, uwepo wa oscillations, nk). uwepo wa tofauti za anga). Njia hii kihistoria ni ya zamani zaidi na ni tabia ya nadharia ya nguvu ya idadi ya watu. Njia nyingine ni kuzingatia kwa kina vipengele vya mfumo na mwingiliano wao, ujenzi wa mfano wa simulation, vigezo ambavyo vina maana wazi ya kimwili na ya kibiolojia. Mfano huo hauruhusu utafiti wa uchambuzi, lakini kwa utafiti mzuri wa majaribio ya vipande vya mfumo, inaweza kutoa utabiri wa kiasi cha tabia yake chini ya mvuto mbalimbali wa nje.
- 2. Mifumo ya kuzaliana (yenye uwezo wa kuzaliana otomatiki). Sifa hii muhimu zaidi ya mifumo hai huamua uwezo wao wa kusindika vitu vya isokaboni na kikaboni kwa biosynthesis ya macromolecules ya kibaolojia, seli, na viumbe. Katika mifano ya uzushi, mali hii inaonyeshwa mbele ya hesabu za maneno ya kiotomatiki ambayo huamua uwezekano wa ukuaji (katika hali zisizo na kikomo - kielelezo), uwezekano wa kutokuwa na utulivu wa hali ya utulivu katika mifumo ya ndani (hali muhimu kwa kuibuka kwa njia za oscillatory na quasistochastic) na kukosekana kwa utulivu wa hali ya stationary ya homogeneous katika mifumo iliyosambazwa anga ( hali ya usambazaji usio na usawa wa anga na serikali za mawimbi ya otomatiki). Jukumu muhimu katika ukuzaji wa serikali ngumu za anga linachezwa na michakato ya mwingiliano wa vifaa (athari za biochemical) na michakato ya uhamishaji, machafuko (usambazaji) na kuhusishwa na mwelekeo wa nguvu za nje (mvuto, uwanja wa sumakuumeme) au na adaptive. kazi za viumbe hai (kwa mfano, cytoplasm ya harakati katika seli chini ya ushawishi wa microfilamepts).
- 3. Mifumo ya wazi ambayo huruhusu mtiririko wa maada na nishati kupita kila wakati. Mifumo ya kibaiolojia ni mbali na usawa wa thermodynamic na kwa hiyo inaelezwa milinganyo isiyo ya mstari. Mahusiano ya Linear Onsager ya kuunganisha nguvu na mtiririko ni halali tu karibu na usawa wa thermodynamic.
- 4. Vitu vya kibiolojia vina ngazi nyingi tata mfumo wa udhibiti. Katika kinetics ya biochemical, hii inaonyeshwa mbele ya loops za maoni katika mizunguko, chanya na hasi. Katika equations ya mwingiliano wa ndani, maoni yanaelezewa na kazi zisizo za kawaida, asili ambayo huamua uwezekano wa tukio na mali ya serikali tata za kinetic, ikiwa ni pamoja na oscillatory na quasistochastic. Aina hii ya kutokuwa na usawa, wakati wa kuzingatia usambazaji wa anga na michakato ya usafirishaji, imedhamiriwa na muundo wa muundo wa stationary (matangazo ya maumbo anuwai, miundo ya kutawanya mara kwa mara) na aina za tabia ya otomatiki (mawimbi ya kusonga mbele, mawimbi ya kusafiri, vituo vya kuongoza, mawimbi ya ond. , na kadhalika.).
- 5. Mifumo ya maisha ina muundo tata wa anga. Seli hai na viungo vilivyomo vina utando; kiumbe chochote hai kina idadi kubwa ya utando, jumla ya eneo ambalo ni makumi ya hekta. Kwa kawaida, mazingira ndani ya mifumo ya maisha haiwezi kuchukuliwa kuwa sawa. Kuibuka kwa muundo kama huo wa anga na sheria za malezi yake huwakilisha moja ya shida za biolojia ya kinadharia. Mojawapo ya njia za kutatua shida kama hiyo ni nadharia ya hisabati ya morphogenesis.
Utando hautenganishi tu viwango tofauti vya athari za chembe hai, lakini pia hutenganisha maisha na yasiyo hai (mazingira). Wanachukua jukumu muhimu katika kimetaboliki, kwa kuchagua kupitisha mtiririko wa ioni za isokaboni na molekuli za kikaboni. Michakato ya msingi ya usanisinuru hufanyika katika utando wa kloroplasti - kuhifadhi nishati ya mwanga katika mfumo wa nishati ya misombo ya kemikali yenye nguvu nyingi, ambayo baadaye hutumiwa kwa usanisi wa vitu vya kikaboni na michakato mingine ya ndani. Hatua muhimu za mchakato wa kupumua hujilimbikizia kwenye utando wa mitochondria; utando wa seli za ujasiri huamua uwezo wao wa kufanya mishipa. Miundo ya hisabati ya michakato katika utando wa kibaolojia ni sehemu muhimu ya fizikia ya hisabati.
Mifano zilizopo ni hasa mifumo ya milinganyo tofauti. Walakini, ni dhahiri kwamba modeli zinazoendelea haziwezi kuelezea kwa undani michakato inayotokea katika mifumo changamano ya mtu binafsi na muundo kama mifumo hai. Kuhusiana na ukuzaji wa uwezo wa kimahesabu, kielelezo na kiakili wa kompyuta, mifano ya uigaji iliyojengwa kwa misingi ya hisabati tupu, pamoja na mifano ya otomatiki ya seli, ina jukumu muhimu zaidi katika fizikia ya hisabati.
6. Mifano ya simulation ya mifumo maalum ya maisha tata, kama sheria, kuzingatia taarifa zilizopo kuhusu kitu iwezekanavyo. Miundo ya uigaji hutumiwa kuelezea vitu katika viwango mbalimbali vya shirika la viumbe hai - kutoka kwa biomacromolecules hadi mifano ya biogeocenoses. Katika kesi ya mwisho, mifano inapaswa kujumuisha vitalu vinavyoelezea vipengele vyote vilivyo hai na "inert". Mfano wa classic wa mifano ya kuiga ni mifano mienendo ya molekuli, ambamo kuratibu na mwendo wa atomi zote zinazounda biomacromolecule na sheria za mwingiliano wao zimebainishwa. Picha iliyohesabiwa na kompyuta ya "maisha" ya mfumo inaruhusu sisi kufuatilia jinsi sheria za mwili zinaonyeshwa katika utendaji wa vitu rahisi zaidi vya kibaolojia - biomacromolecules na mazingira yao. Mifano sawa, ambayo vipengele (vizuizi vya ujenzi) sio atomi tena, lakini vikundi vya atomi, hutumiwa katika teknolojia ya kisasa ya kompyuta kwa ajili ya kubuni ya vichocheo vya kibayoteknolojia na madawa ya kulevya ambayo hufanya kazi kwa makundi fulani ya utando wa microorganisms, virusi, au kufanya. vitendo vingine vinavyolengwa.
Miundo ya kuiga imeundwa ili kuelezea michakato ya kisaikolojia, kutokea katika viungo muhimu: nyuzi za ujasiri, moyo, ubongo, njia ya utumbo, damu. Wanacheza "matukio" ya taratibu zinazotokea kwa kawaida na katika patholojia mbalimbali, na kujifunza ushawishi wa mvuto mbalimbali wa nje, ikiwa ni pamoja na dawa, kwenye taratibu. Mifano ya simulation hutumiwa sana kuelezea mchakato wa uzalishaji wa mimea na hutumika kutengeneza mfumo bora wa ukuzaji wa mimea ili kupata mavuno mengi au kupata uvunaji uliosambazwa zaidi wa matunda kwa wakati. Maendeleo kama haya ni muhimu sana kwa kilimo cha chafu cha gharama kubwa na kinachotumia nishati.
Kwa muda mrefu, biolojia ilikuwa sayansi ya maelezo, haifai kutabiri matukio yaliyotazamwa. Pamoja na maendeleo ya teknolojia ya kompyuta, hali imebadilika. Mara ya kwanza, mbinu zilizotumiwa zaidi katika biolojia zilikuwa mbinu za takwimu za hisabati, ambazo zilifanya iwezekanavyo kusindika kwa usahihi data ya majaribio na kutathmini umuhimu fulani kwa kufanya maamuzi fulani na hitimisho la kufanya. Baada ya muda, mbinu za kemia na fizikia zilipoingia katika biolojia, zilianza kutumia mifano tata ya hisabati ambayo ilifanya iwezekane kuchakata data kutoka kwa majaribio halisi na kutabiri mwendo wa michakato ya kibaolojia wakati wa majaribio ya kawaida.
Mifano katika biolojia
Uundaji wa mifumo ya kibaolojia ni mchakato wa kuunda mifano ya mifumo ya kibaolojia na tabia zao za tabia. Lengo la modeli inaweza kuwa yoyote ya mifumo ya kibiolojia.
Biolojia hutumia muundo wa miundo ya kibayolojia, kazi na michakato katika viwango vya molekuli, subcellular, seli, organ-systemic, viumbe na idadi ya watu-biocenotic ya viwango vya shirika la viumbe hai. Uigaji pia unatumika kwa matukio mbalimbali ya kibaolojia, hali ya maisha ya watu binafsi, idadi ya watu, na mifumo ya ikolojia.
Ufafanuzi 1
Mifumo ya kibaiolojia ni vitengo vya kimuundo na kazi ngumu sana.
Mfano wa kompyuta na wa kuona wa vipengele vya kibiolojia hutumiwa. Kuna idadi kubwa ya mifano ya mifano kama hii ya kibaolojia. Hapa kuna mifano ya mifano ya kibaolojia:
Kuna umuhimu unaoongezeka kwa kasi wa mifano ya uigaji wa kompyuta katika karibu maeneo yote ya biolojia. Mfano wa kompyuta hutumiwa kwa uchambuzi wa data iliyohesabiwa, ambayo ni pamoja na usindikaji wa picha, kwa uchambuzi wa mlolongo wa nucleotide encoding gene na protini za kibinafsi, kwa mafunzo ya kompyuta katika biolojia ya kisasa, nk. Kwa kufanya majaribio ya "virtual" kwenye kompyuta za kibinafsi, inawezekana kudhibiti vigezo vyote na mambo ya ushawishi, ambayo inaruhusu uchambuzi wa mifumo ya kibiolojia na maendeleo ya mifano ya kimwili kwa vipengele vya mifumo hii, ambayo haiwezi kufanywa katika majaribio halisi. .
Aina kuu za mifano katika biolojia
Mifano ya wanyama wa maabara ya kibayolojia huzaa hali fulani au magonjwa yanayotokea kwa wanyama au wanadamu. Matumizi yao hufanya iwezekanavyo kujifunza, wakati wa majaribio, taratibu za tukio la hali fulani au ugonjwa, kozi yake na matokeo, na kuathiri mwendo wake. Mifano ya mifano ya kibaolojia ni matatizo ya maumbile yanayotokana na bandia, mchakato wa kuambukiza, ulevi, uzazi wa hali ya shinikizo la damu na hypoxic, neoplasms mbaya, hyperfunction au hypofunction ya viungo fulani, neuroses na hali ya kihisia.
Ili kuunda mifano ya kibiolojia, vifaa vya maumbile vinaathiriwa, maambukizi ya microbial hutumiwa, sumu huletwa, viungo vya mtu binafsi huondolewa, nk. Miundo ya kifizikia huzalisha miundo ya kibayolojia, kazi au michakato kwa njia za kemikali au kimwili na kwa kawaida ni ukadiriaji wa karibu wa matukio ya kibiolojia ambayo yanaigwa.
Maendeleo makubwa yamepatikana katika kuunda mifano ya hali ya kimwili na kemikali ya kuwepo kwa viumbe hai, viungo vyao na seli. Kwa mfano, ufumbuzi wa vitu vya isokaboni na kikaboni (suluhisho za Ringer, Locke, Tyrode, nk) zimechaguliwa ambazo zinaiga mazingira ya ndani ya mwili na kusaidia kuwepo kwa viungo vya pekee au seli za utamaduni ndani ya mwili.
Kumbuka 1
Kuiga utando wa kibaolojia huruhusu mtu kusoma msingi wa physicochemical wa michakato ya usafirishaji wa ioni na ushawishi wa mambo anuwai juu yake. Kutumia athari za kemikali ambazo hutokea katika ufumbuzi katika hali ya kujitegemea oscillatory, michakato ya oscillatory tabia ya matukio mengi ya kibiolojia ni mfano.
Miundo ya hisabati (maelezo ya muundo, miunganisho na mifumo ya utendakazi wa mifumo hai) hujengwa kwa msingi wa data ya majaribio au kuwakilisha maelezo rasmi ya dhana, nadharia au muundo wazi wa jambo lolote la kibiolojia na huhitaji uthibitishaji wa majaribio zaidi. Matoleo tofauti ya majaribio hayo huamua mipaka ya matumizi ya mifano ya hisabati na kutoa nyenzo kwa marekebisho yake zaidi. Kujaribu mfano wa hisabati wa jambo la kibiolojia kwenye kompyuta ya kibinafsi hufanya iwezekanavyo kutabiri asili ya mabadiliko katika mchakato wa kibiolojia chini ya hali ambayo ni vigumu kuzaliana kwa majaribio.
Mitindo ya hisabati hufanya iwezekane kutabiri katika visa vya mtu binafsi matukio fulani ambayo hapo awali hayakujulikana kwa mtafiti. Kwa mfano, mfano wa shughuli za moyo uliopendekezwa na wanasayansi wa Uholanzi van der Pol na van der Mark, kulingana na nadharia ya oscillations ya utulivu, ilionyesha uwezekano wa usumbufu maalum wa rhythm ya moyo, ambayo iligunduliwa baadaye kwa wanadamu. Mfano wa hisabati wa matukio ya kisaikolojia pia ni mfano wa msisimko wa nyuzi za ujasiri, ambao ulianzishwa na wanasayansi wa Kiingereza A. Hodgkin na A. Huxley. Kuna mifano ya kimantiki na ya hisabati ya mwingiliano wa neurons, iliyojengwa kwa misingi ya nadharia ya mitandao ya ujasiri, ambayo ilitengenezwa na wanasayansi wa Marekani W. McCulloch na W. Pits.
Kitabu hiki kina mihadhara juu ya modeli ya hesabu ya michakato ya kibaolojia na imeandikwa kwa msingi wa nyenzo za kozi zilizofundishwa katika Kitivo cha Biolojia cha Chuo Kikuu cha Jimbo la Moscow. M. V. Lomonosov.
Mihadhara 24 inaelezea uainishaji na sifa za mifumo ya maisha ya kuiga, misingi ya vifaa vya hisabati vinavyotumiwa kujenga mifano ya nguvu katika biolojia, mifano ya msingi ya ukuaji wa idadi ya watu na mwingiliano wa aina, mifano ya michakato ya multistationary, oscillatory na quasistochastic katika biolojia. Njia za kusoma tabia ya anga ya mifumo ya kibaolojia, mifano ya athari za biochemical ya autowave, uenezi wa msukumo wa ujasiri, mifano ya kuchorea ngozi za wanyama, na wengine huzingatiwa. Uangalifu hasa hulipwa kwa dhana ya uongozi wa nyakati, ambayo ni muhimu kwa mfano katika biolojia, na dhana za kisasa za fractals na machafuko ya nguvu. Mihadhara ya hivi karibuni imejitolea kwa njia za kisasa za uundaji wa hesabu na kompyuta wa michakato ya photosynthesis. Mihadhara hiyo imekusudiwa wahitimu, wanafunzi waliohitimu na wataalamu ambao wanataka kufahamiana na misingi ya kisasa ya uundaji wa hesabu katika biolojia.
Mienendo ya Masi.
Katika historia yote ya sayansi ya Magharibi, swali limekuwa ikiwa, kujua kuratibu za atomi zote na sheria za mwingiliano wao, inawezekana kuelezea michakato yote inayotokea katika Ulimwengu. Swali halijapata jibu lake lisilo na utata. Mechanics ya quantum ilianzisha dhana ya kutokuwa na uhakika katika kiwango kidogo. Katika mihadhara ya 10-12 tutaona kwamba kuwepo kwa aina za tabia za quasi-stochastic katika mifumo ya kuamua hufanya iwe vigumu kutabiri tabia ya baadhi ya mifumo ya kuamua katika ngazi ya jumla.
Muhimu kwa swali la kwanza ni la pili: swali la "kupunguzwa." Je, inawezekana, kujua sheria za fizikia, yaani, sheria za mwendo wa atomi zote zinazounda mifumo ya kibiolojia, na sheria za mwingiliano wao, kuelezea tabia ya mifumo ya maisha. Kimsingi, swali hili linaweza kujibiwa kwa kutumia mfano wa kuiga, ambao una kuratibu na kasi ya harakati ya atomi zote za mfumo wowote wa maisha na sheria za mwingiliano wao. Kwa mfumo wowote wa kuishi, mfano kama huo lazima uwe na idadi kubwa ya vigezo na vigezo. Majaribio ya kuiga kwa kutumia mbinu hii utendakazi wa vipengele vya mifumo hai - biomacromolecules - yamefanywa tangu miaka ya 70.
Maudhui
Dibaji ya toleo la pili
Dibaji ya toleo la kwanza
Hotuba ya 1. Utangulizi. Mifano ya hisabati katika biolojia
Hotuba ya 2. Miundo ya mifumo ya kibiolojia iliyoelezewa na mlingano wa tofauti wa mpangilio wa kwanza
Hotuba ya 3. Miundo ya ukuaji wa idadi ya watu
Hotuba ya 4. Miundo iliyoelezewa na mifumo ya milinganyo miwili inayojitegemea
Hotuba ya 5. Utafiti wa utulivu wa majimbo ya stationary ya mifumo isiyo ya mstari wa pili
Hotuba ya 6. Tatizo la vigezo vya haraka na polepole. Nadharia ya Tikhonov. Aina za bifurcation. Majanga
Hotuba ya 7. Mifumo ya mashirika mengi
Hotuba ya 8. Upungufu katika mifumo ya kibiolojia
Hotuba ya 9. Mifano ya mwingiliano wa aina mbili
Hotuba ya 10. Machafuko ya nguvu. Mifano ya jumuiya za kibiolojia
Mifano ya seti za fractal
Hotuba ya 11. Kuiga idadi ya viumbe hai
Hotuba ya 12. Mfano wa athari ya uwanja dhaifu wa umeme kwenye mfumo usio na mstari wa usafiri wa ioni ya transmembrane.
Hotuba ya 13. Mifumo ya kibiolojia iliyosambazwa. Mwitikio-usambazaji mlingano
Hotuba ya 14. Kutatua mlingano wa usambaaji. Utulivu wa majimbo ya stationary ya homogeneous
Hotuba ya 15. Uenezi wa wimbi la mkusanyiko katika mifumo yenye uenezi
Hotuba ya 16. Utulivu wa ufumbuzi wa stationary wa homogeneous wa mfumo wa milinganyo miwili ya aina ya mmenyuko-usambazaji. Miundo ya uharibifu
Hotuba ya 17. Mmenyuko wa Belousov-Zhabotinsky
Hotuba ya 18. Mifano ya uenezi wa msukumo wa ujasiri. Michakato ya wimbi la otomatiki na arrhythmias ya moyo
Hotuba ya 19. Vichochezi vilivyosambazwa na mofogenesis. Mitindo ya kuchorea ngozi ya wanyama
Hotuba ya 20. Mifano ya Spatiotemporal ya mwingiliano wa spishi
Hotuba ya 21. Kubadilika-badilika na usambazaji wa anga wa mara kwa mara wa pH na uwezo wa umeme kwenye utando wa seli ya mwani mkubwa Chara corallina.
Hotuba ya 22. Mifano ya usafiri wa elektroni ya photosynthetic. Uhamisho wa elektroni katika tata ya multienzyme
Hotuba ya 23. Mifano ya kinetic ya michakato ya usafiri wa elektroni ya photosynthetic
Hotuba ya 24. Mifano ya kompyuta ya moja kwa moja ya michakato katika membrane ya photosynthetic
Mawazo ya kisayansi asilia yasiyo ya mstari na ufahamu wa mazingira
Hatua za maendeleo ya mifumo ngumu.
Pakua e-kitabu bila malipo katika umbizo linalofaa, tazama na usome:
Pakua kitabu Mihadhara juu ya mifano ya hisabati katika biolojia, Riznichenko G.Yu., 2011 - fileskachat.com, upakuaji wa haraka na wa bure.