Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

пособие мат.моделирование

.pdf
Скачиваний:
185
Добавлен:
09.02.2016
Размер:
11.46 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Под общей редакцией доктора физико-математических наук, профессора

О. Э. Соловьевой

Рекомендовано методическим советом УрФУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по программам

бакалавриата и магистратуры по направлениям подготовки 010100 «Математика», 010200 «Математика и компьютерные науки», 201000 «Биотехнические системы и технологии», 100900 «Прикладные

математика и физика», 020400 «Биология», 011200 «Физика», по специальностям 200402 «Инженерное дело в медико-биологической

практике», 230401 «Прикладная математика»

Екатеринбург Издательство Уральского университета

2013

УДК 57:519.876.5(075.8) М34

Авторы:

О. Э. Со л о вье ва, доктор физико-математических наук, профессор; B.C. Мархасин, член-корреспондент РАН,

доктор биологических наук;

JI. Б. Кацнельсон, доктор физико-математических наук, профессор;

Т.Б. Су л ьма н, кандидат физико-математических наук, доцент;

А.Д. В а с и л ь е в а, аспирант; А. Г. Ку р с а н о в, аспирант

Рецензенты:

научный семинар лаборатории математического моделирования

вэкологии и медицине Института промышленной экологии УрО РАН (заведующий лабораторией доктор физико-математических наук,

профессор А. Н. В ар ак с и н); П. Б. Цы в ья н, доктор медицинских наук, профессор,

заведующий центральной научно-исследовательской лабораторией (Уральский государственный медицинский университет)

На обложке — фрагмент картины И. Босха «Сад земных наслаждений»

ISBN 978-5-7996-0975-7

© Уральский федеральный университет, 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Методы и инструменты математического моделирования

икомпьютерных наук играют решающую роль в развитии не только современных областей прикладной математики, но и теоретической биофизики, биологии, медицины, в том числе молекулярной и кле­ точной биологии, системной биологии, физико-химической биологии, генной инженерии, биомедицинской инженерии, физиологии, фунда­ ментальной медицины.

Учебное пособие «Математическое моделирование живых систем» предназначено для начального знакомства с современными направлениями исследований в прикладной математике, биофизике, биомедицинской инженерии, биологии, использующими методы математического моделирования и биоинформатики, а также с неко­ торыми классическими примерами математических моделей биоло­ гических процессов, использующих аппарат нелинейных динамиче­ ских систем, отражающих характерные особенности биологических процессов и демонстрирующих эффективность использования мате­ матических моделей для понимания механизмов функционирования биологических систем.

Курс «Математическое моделирование живых систем», для сопровождения которого в основном предназначено данное пособие, входит в список профильных дисциплин ряда направлений несколь­ ких институтов УрФУ (Институт математики и компьютерных наук, Физико-технологический институт, Уральский энергетический инсти­ тут). Он является принципиально мультидисциплинарным и пред­ полагает получение знаний и умений, а также овладение методами

иподходами из разных областей знания — математики, физики, био­ логии, компьютерных наук и информационных технологий.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для самосто­ ятельной работы студентов над лекционным материалом и подго­ товки к выполнению практических заданий. Изучение материала

з

пособия направлено на формирование мотивации к самостоятельным исследованиям в области математической биологии.

Всвязи с огромным разнообразием современных исследований

вобласти математической биологии и стремительным расширением областей применения математического моделирования в биологиче­ ских исследованиях данное учебное пособие не предполагает скольконибудь полного охвата всех существующих направлений математиче­ ской биологии. Задача его — познакомить читателя с рядом типовых биологических процессов (транспорт веществ, химическая кинетика, типы взаимодействий в биологических системах и др.) и способами их математической формализации, различными и вместе с тем наи­ более часто используемыми приемами моделирования сложных био­ логических систем и методами анализа моделей; обсудить примене­ ние различных вычислительных схем расчета моделей; познакомить

склассическими моделями в биологии и продемонстрировать значе­ ние математического и компьютерного моделирования для понима­ ния природы биологических процессов и функционирования биоло­ гических систем; познакомить с современным состоянием в области математического моделирования живых систем биологии; обсудить новые направления исследований в области математической биоло­ гии и биоинформатики, биоинженерии, интегративной биологии, системной биологии.

На отбор и изложение материала в настоящем учебном посо­

бии

повлияло знакомство авторов

с материалами учебных

кур­

сов

и монографиями А. Б. Рубина

[25], Г. Ю. Ризниченко [21,

22]

и А. А. Антонова [4], на которые имеются многочисленные ссылки в тексте пособия. Важными и полезными представляются также монографии Д. Мюррея (J. D. Murray) «Математическая биология», а также Д. П. Кинера и Дж. Снейда (J. P. Keener and J. Sneyd) «Мате­ матическая физиология» [56], содержащие обширный материал по теме пособия. Последние разделы настоящего пособия, связанные с моделированием электрической и механической функции сердеч­ ной мышцы, написаны на основе результатов собственных професси­ ональных научных исследований авторов, проводимых в Институте иммунологии и физиологии УрО РАН.

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних десятилетий наметился значительный прогресс в количественном (математическом) описании функций различных биосистем на различных уровнях организации жизни: молекулярном, клеточном, органном, организменном, популяци­ онном, биогеоценологическом (экосистемном). Жизнь определя­ ется множеством различных характеристик этих биосистем и про­ цессов, протекающих на соответствующих уровнях организации системы и интегрированных в единое целое в процессе функцио­ нирования системы. О моделях, базирующихся на существенных постулатах о принципах функционирования системы, которые описывают и объясняют широкий круг явлений и выражают зна­ ние в компактной, формализованной форме, можно говорить как о теории биосистемы.

Построение математических моделей (теорий) биологических систем стало возможным благодаря исключительно интенсивной аналитической работе экспериментаторов: морфологов, биохими­ ков, физиологов, специалистов по молекулярной биологии и др. В результате этой работы кристаллизованы морфофункциональ­ ные схемы различных клеток, в рамках которых упорядоченно в пространстве и во времени протекают различные физико-хими­ ческие и биохимические процессы, образующие весьма сложные переплетения.

Вторым очень важным обстоятельством, способствующим привлечению математического аппарата в биологию, является тщательное экспериментальное определение констант скоро­ стей многочисленных внутриклеточных реакций, определяющих функции клетки и соответствующей биосистемы. Без знания таких констант невозможно формально-математическое описание внутриклеточных процессов.

И наконец, третьим условием, определившим успех матема­ тического моделирования в биологии, явилось развитие мощных вычислительных средств в виде персональных компьютеров, суперкомпьютеров и информационных технологий. Это связано с тем, что обычно процессы, контролирующие ту или иную функ­ цию клеток или органов, многочисленны, охвачены петлями пря­ мой и обратной связи и, следовательно, описываются сложными системами нелинейных уравнений с большим числом неизвест­ ных. Такие уравнения не решаются аналитически, но могут быть решены численно при помощи компьютера.

Численные эксперименты на моделях, способные воспроиз­ водить широкий класс явлений в клетках, органах и организме, позволяют оценить правильность предположений, сделанных при построении моделей. Заметим, что, хотя в качестве постулатов моделей используются экспериментальные факты, необходимость некоторых допущений и предположений является важным теоре­ тическим компонентом моделирования. Эти допущения и предпо­ ложения являются гипотезами, которые могут быть подвергнуты экспериментальной проверке. Таким образом, модели становятся источниками гипотез, притом экспериментально верифицируе­ мых. Эксперимент, направленный на проверку данной гипотезы, может опровергнуть или подтвердить ее и тем самым способст­ вовать уточнению модели. Такое взаимодействие моделирования и эксперимента происходит непрерывно, приводя ко все более глубокому и точному пониманию явления: эксперимент уточняет модель, новая модель выдвигает новые гипотезы, эксперимент уточняет новую модель и т. д.

В настоящее время область математического моделирования живых систем объединяет ряд различных и уже устоявшихся тра­ диционных и более современных дисциплин, названия которых звучат достаточно общо, так что трудно бывает строго разгра­ ничить зоны их специфического использования. Это биофизика или математическая биофизика, изучающие физические основы биологических систем с использованием математического опи­ сания физических процессов; математическая биология или

6

теоретическая биология, которые могут охватывать любые обла­ сти моделирования живого, традиционно включают в себя популя­ ционную динамику, моделирование экосистем, климата; систем­ ная биология, традиционно обращающаяся к моделям сложных внутриклеточных систем, включая протеомику (науку о белках), метаболомику (науку о метаболических процессах); компьютер­ ная биология, которая также обращается к математическим моде­ лям сложных биологических процессов и систем, реализуемым в компьютерных экспериментах; биоинформатика, традиционно ассоциирующаяся с моделированием в геномике.

В настоящее время особенно бурно развиваются специализи­ рованные области применения математического моделирования живых систем — математическая физиология, математическая иммунология, математическая эпидемиология, направленные на разработку математических теорий и компьютерных моделей соответствующих систем и процессов.

Эти междисциплинарные исследования бесспорно являются приоритетными и в мировой, и в отечественной науке, объединяя усилия специалистов из различных областей знания — математи­ ков, биологов, физиков, химиков и специалистов по компьютер­ ным наукам.

Как всякая научная дисциплина, математическая (теорети­ ческая) биология имеет свой предмет, способы, методы и проце­ дуры исследования. В качестве предмета исследований выступают математические (компьютерные) модели биологических процес­ сов, одновременно представляющие собой и объект исследования, и инструмент для исследования собственно биологических объек­ тов. В связи с такой двоякой сущностью биоматематических моде­ лей они подразумевают использование имеющихся и разработку новых способов анализа математических систем (теорий и методов соответствующих разделов математики) с целью изучения свойств самой модели как математического объекта, а также использова­ ние модели для воспроизведения и анализа экспериментальных данных, получаемых в биологических экспериментах. При этом в качестве одного из наиболее важных назначений математических

моделей (и теоретической биологии в целом) является возмож­ ность предсказания биологических явлений и сценариев поведе­ ния биосистемы в определенных условиях и их теоретического обоснования до (или даже вместо) проведения соответствующих биологических экспериментов.

Основным методом исследования и использования слож­ ных моделей биологических систем является вычислительный компьютерный эксперимент, который требует применения адекват­ ных методов вычислений для соответствующих математических систем, алгоритмов вычислений, технологий разработки и реали­ зации компьютерных программ, хранения и обработки результатов компьютерного моделирования. Эти требования подразумевают разработку общих и специальных теорий, методов, алгоритмов

итехнологий компьютерного моделирования в рамках различных направлений математической биологии, что само по себе является составной частью данной научной дисциплины.

Наконец, в связи с основной целью использования биоматематических моделей для познания законов функционирования био­ логических систем, все стадии разработки и использования мате­ матических моделей предполагают обязательную опору на теорию

ипрактику биологической науки, и в первую очередь на резуль­ таты натурных экспериментов.

Учебное пособие «Математическое моделирование живых систем» включает несколько связанных друг с другом разделов, каждый из которых иллюстрирует важные особенности биоло­ гических систем, такие как интеграция процессов с существенно различными характерными масштабами величин и времен, муль­ тистационарность систем и возможность переключения между различными стационарными состояниями, цикличность во вре­ мени, наличие прямых и обратных связей между величинами и др. При этом в рамках курса демонстрируется широкая возможность использования сходных математических формализмов для описа­ ния биологических процессов различной природы.

Впособии приведен многочисленный иллюстративный мате­ риал, который должен облегчить читателю знакомство с особенно-

8

стями биологических объектов моделирования и визуализировать результаты численного моделирования.

Авторы надеются, что данное издание поможет освоить материал учебного курса и послужит стимулом к дальнейшему, более глубокому изучению и самостоятельному использованию математического моделирования в той или иной предметной области.

Дополнительные учебно-методические материалы по курсу «Математическое моделирование живых систем» содержатся на портале электронного обучения УрФУ http://eleam.urfu.ru/ и на портале информационно-образовательных ресурсов УрФУ http:// study.urfii.ru.

1. МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ БИОЛОГИИ

1.1. Методы моделирования биологических процессов и систем

1.1.1. Модель как динамическая система

При создании количественной модели любой системы или объекта требуется определить состояние объекта и предложить способ описания изменения этого состояния во времени.

Состояние объекта — это совокупность наиболее существен­ ных количественных признаков, переменных, характеризующих существование, поведение, эволюцию этого объекта или системы.

В биологических системах в качестве существенных пере­ менных могут выступать различные измеряемые величины: в биохимии — концентрации веществ, в микробиологии — число микроорганизмов или их биомасса, в экологии — численность вида, в биофизике мембранных процессов — мембранные потен­ циалы и т. д.

Изменение состояния системы во времени предполагает пере­ ходные процессы из одного стабильного состояния (например, стационарного, т. е. неизменного во времени, или периодического, т. е. циклически повторяющегося через определенные интервалы времени) в другое стабильное состояние. Такие переходы, как пра­ вило, бывают вызваны воздействием на систему, меняющим пара­ метры системы, или скачком, меняющим само состояние системы. Параметры системы — это постоянные (по крайней мере доста­ точно длительное время) количественные характеристики усло­ вий протекания процессов в системе. Например, внешними пара­ метрами, определяющими существование клетки, могут быть температура, ионный состав внеклеточной среды. Внутренними

ю