Галина
Юрьевна
Ризниченко

Моделирование и биоинформатика в современной биологии.
Классификация моделей. Основные понятия

Современная биология достигла значительных успехов в изучении молекулярной структуры биомакромолекул, молекулярных механизмов основных процессов в живой клетке. Изучены структуры метаболических сетей, обеспечивающих функционирование живых организмов. Информация о структуре генома различных организмов, о пространственной структуре отдельных макромолекул, о структуре метаболических сетей, о константах скоростей реакций, протекающих в живых системах, хранится и классифицируется в базах данных. Интеграция знаний о структуре и кинетических характеристиках отдельных элементов системы для понимания законов ее функционирования как целого осуществляется в виде математических моделей живых систем разной степени сложности. С помощью компьютеров и компьютерных сетей решаются следующие основные задачи:

  1. Хранение, структурирование и быстрый поиск информации.
  2. Моделирование. С помощью компьютеров возможно структурирование разнородной информации об изучаемых объектах в виде математических и компьютерных моделей. Изучение таких моделей в сравнении с данными экспериментов и наблюдений позволяет изучать механизмы взаимодействия элементов системы, проверять гипотезы относительно закономерностей, лежащих в основе организации сложных систем.
  3. Прогнозирование. Компьютер позволяет строить имитационные модели сложных систем, проигрывать сценарии и делать прогнозы поведения этих систем.
  4. Оптимизация. Любая человеческая деятельность требует постоянной оптимизации действий. В процессе эволюции сформировались биологические системы, которые оказываются оптимальными в том или ином смысле, например, в смысле наиболее экономичного использования энергии. Для того чтобы формализовать целевую функцию, то есть ответить на вопрос, что же является для системы оптимальным, необходимо сформулировать модель оптимизируемого процесса и критерии оптимизации. Компьютер позволяет проектировать и реализовать различные алгоритмы оптимизации.

Классификация моделей. Различаются качественные (базовые) модели, регрессионные зависимости, имитационные модели конкретных биологических систем.

Математический аппарат. Базовые модели обычно представляют собой системы дифференциальных или разностных уравнений относительно малой размерности, допускающие аналитическое и компьютерное качественное исследование. Такие модели позволяют ответить на вопросы: возможны ли в системе колебания, переключения режимов функционирования, пространственно неоднородные решения, квазистохастическое поведение.

Понятие переменных и параметров. Понятие стационарного состояния. Понятие устойчивости стационарного состояния и устойчивости решения. В моделях реальных систем реализуются только устойчивые стационарные режимы, которые называются аттракторами.

Иерархия масштабов и времен в биологических системах. Регуляторные сети.