Ву Anastasia Kononenko

Модель имитирует эволюционный процесс на популяциях «организмов» без полового размножения. Это, кроме упрощения модели, позволяет имитировать механизм естественного отбора в чистом виде. Предполагается что естественный отбор имел место и до возникновения механизма скрещивания. Процесс биологической эволюции моделируется на квадратной сетке размером n x n. Каждая клетка сетки имеет условную «калорийность» (k) . На сетке могут быть расположены «особи», таким образом, что в каждой клетке может быть расположена только одна особь. Пример таблицы: http://citysoft.mosmap.ru/evolutcomp/tab200.gif Далее таблицу выводят в виде модели на компьютере: http://citysoft.mosmap.ru/evolutcomp/graf200_l.gif

Каждая особь имеет следующие числовые признаки: 1 - «сила» (S), особь с большим значением силы может «поглотить» любую особь с меньшим ее значением, 2 - «зона набора калорий» (L) или кратко «зона», определяющий величину пространства на котором особь может поглощать пустые клетки и других особей (не смог подобрать лучшего названия, можно назвать «зона охоты»), 3 - «плодовитость» (C), число потомков особи, 4 - «долголетие» (V), определяющее число циклов охота-размножение особи. 5 «Поколением» считается перебор всех особей, размешенных на сетке, с проведением для каждой из них цикла охота-размножение.

Для анализа динамики эволюции на всем протяжении эксперимента пользуются графиками «Изменение параметра эволюции». В каждом из этих графиков, по оси X расположены поколения (с интервалом 10) а по оси Y значения одного из параметров для всех видов данного поколения. Т.е. каждому поколению (ось X) соответствует m точек оси Y, где m – количество видов в данном поколении. Пример графика: http://citysoft.mosmap.ru/evolutcomp/vector1s.gif

Вывод: с помощью такого компьютерного моделирования можно составить графики видов, их число, выживаемость особей, и многое другое.

Также существует другой вид моделирования, так называемое пространственно-временное моделирование — это описание развития процессов одновременно в пространстве и во времени. В более простом случае динамику системы «как она есть» можно описывать только во времени: и такой подход обычно используется в химической кинетике или моделировании метаболических процессов. Пространственно-временное моделирование позволяет нам описывать природу в четырёх измерениях — в трёх пространственных измерениях и во времени. В качестве примера можно привести изучение молекулярной динамики в структурной биологии, а также экологические или эволюционно-биологические исследования. В виртуальных экспериментах можно контролировать и измерять все переменные. Поэтому мы можем померить всё, что нужно, и очень точно оценить все ключевые факторы и взаимодействия. В результате мы можем отдельно рассматривать сопряжённые процессы, которые в реальных экспериментах разделить невозможно. На внутриклеточном уровне примерами могут служить проникновение вирусного материала в клетку и его перенос, передача сигнала внутри клетки и диффузия белков в различных клеточных компартментах.

Примеры: http://biomolecula.ru/img/content/1084/Fig.1.png (А - Изображение трёхмерной компьютерной модели структуры эндоплазматического ретикулума (ЭР) живой клетки . Б - Крупный план модели ЭР демонстрирует сложность структуры этого внутриклеточного органоида.)

Вывод: Значение пространственно-временных моделей и численного компьютерного моделирования почти во всех областях биологии быстро растёт. Помимо анализа расчётных данных, в который входит обработка изображений, анализ нуклеотидных последовательностей, кодирующих гены и отдельные белки, кластеризация и компьютерное обучение, в современной биологии также используется мощный инструмент — компьютерное моделирование. В «виртуальных экспериментах» (in silico) на компьютере возможно контролировать все переменные и факторы воздействия, что позволяет нам критически анализировать биологические системы, разрабатывать физические модели для компонентов этих систем и разделять сопряжённые процессы, которые нельзя разделить в реальных экспериментах. Более того, пространственно-временное моделирование позволяет работать в масштабах времени и расстояний, недостижимых в экспериментах. Поэтому мы можем изучать системы крошечные, как атомы в молекуле белка, или огромные, как экосистемы целиком.

Источники: http://citysoft.mosmap.ru/evolutcomp/vector1s.gif http://biomolecula.ru/img/content/1084/Fig.1.png http://www.moluch.ru/conf/med/archive/52/2449/  

Назад: Задачи биологии, решаемые с помощью компьютерного моделирования