Презентация на тему "Компьютерное моделирование биологических процессов"

Презентация на тему

"Компьютерное моделирование биологических процессов"

Презентацию выполнили ученики 10В класса: А.Тимаков и М.Нагаев
слайд 1:
Моделирование биологических и биохимических процессов - это исследование общих принципов и гипотез о механизмах некоторых процессов на более простых системах. Модели нужны для того, чтобы исследовать на них какие-то свойства моделируемого объекта, которые в силу его сложности не могут быть изучены непосредственно на этом объекте.
К основным этапам компьютерного моделирования относятся:

1) постановка задачи, определение объекта моделирования;

2) разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия;

3) формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы;

4) планирование и проведение компьютерных экспериментов;

5) анализ и интерпретация результатов..
Моделирование оказалось очень важным и действенным инструментом исследования механизмов функционирования ферментов, позволяющим в более простых и наглядных химических системах наблюдать общие принципы работы биокатализаторов (например, работы A.J.Kirby, А.К.Яцимирского) — эффекты сближения, ориентации и напряжения, полифункциональности, эстафетной передачи заряда и др.
Компьютерное моделирование позволяет исследовать структуру ферментов и их активных центров.
НА СЛАЙДЕ КАРТИНКИ ИЛИ КОРОТКОЕ ВИДЕО МОДЕЛЕЙ ФЕРМЕНТОВ

слайд 2:
Выделенные из листьев хлоропласты. На выделенных системах часто изучают процессы, происходящие в живой системе, в этом смысле фрагмент является моделью целой живой системы. Выделение более простой системы позволяет исследовать механизмы процессов на молекулярном уровне. При этом исключается регуляция со стороны более высоких уровней организации, в данном случае, со стороны растительной клетки, листа, наконец, целого растения. В большинстве случаев наблюдать процессы на молекулярном уровне в нативной (ненарушенной) системе не представляется возможным. Говорят, что изученные на выделенном хлоропласте первичные процессы фотосинтеза являются моделью первичных процессов фотосинтеза в живом листе. К сожалению, этот метод фрагментирования приводит к тому, что "…живой ковер жизни распускается по ниточкам, каждая ниточка досконально изучается, но волшебный рисунок жизни оказывается утрачен" (лауреат Нобелевской премии по биохимии Л. Поллинг).
НА СЛАЙТЕ КАРТИНКЕ ИЛИ КОРОТКОЕ ВИДЕО МОДЕЛЕЙ ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ ЛИСТЬЕВ ХЛОРОПЛАСТ

слайд 3:
Бислойная липидная мембрана. Еще "более модельным" примером является изучение процессов ионного трансмембранного переноса на искусственной бислойной липидной мембране. Понятно, что в реальных биологических объектах мембраны чаще всего не бислойные, а многослойные, содержат встроенные белки и другие компоненты, поверхность их не является плоской и обладает множеством других индивидуальных особенностей. Однако, чтобы изучить законы образования поры, через которую ион проходит сквозь мембрану внутрь клетки или органеллы, необходимо создать "чистую", "модельную" систему, которую можно изучать экспериментально, и для которой можно использовать хорошо разработанное наукой физическое описание.
Компьютерные модели содержат "знания" об объекте в виде математических формул, таблиц, графиков, баз данных и знаний. Они позволяют изучать поведение системы при изменении внутренних характеристик и внешних условий, проигрывать сценарии, решать задачу оптимизации. Однако каждая компьютерная реализация соответствует конкретным, заданным параметрам системы.

слайд 4 та же тема, что и на 3 картинки\видео про 3 слайд

слайд 5
Специфика моделей живых систем
Несмотря на разнообразие живых систем, все они обладают следующими специфическими чертами, которые необходимо учитывать при построении моделей.
1. Сложные системы. Все биологические системы являются сложными многокомпонентными, пространственно структурированными, элементы которых обладают индивидуальностью. При моделировании таких систем возможно два подхода. Первый - агрегированный, феноменологический. В соответствии с этим подходом выделяются определяющие характеристики системы (например, общая численность видов) и рассматриваются качественные свойства поведения этих величин во времени (устойчивость стационарного состояния, наличие колебаний, существование пространственной неоднородности). Такой подход является исторически наиболее древним и свойственен динамической теории популяций.
2. Размножающиеся системы (способные к авторепродукции). Это важнейшее свойство живых систем определяет их способность перерабатывать неорганическое и органическое вещество для биосинтеза биологических макромолекул, клеток, организмов. В феноменологических моделях это свойство выражается в наличии в уравнениях автокаталитических членов, определяющих возможность роста (в нелимитированных условиях ? экспоненциального), возможность неустойчивости стационарного состояния в локальных системах (необходимое условие возникновения колебательных и квазистохастических режимов) и неустойчивости гомогенного стационарного состояния в пространственно распределенных системах (условие неоднородных в пространстве распределений и автоволновых режимов).

3. Открытые системы, постоянно пропускающие через себя потоки вещества и энергии. Биологические системы далеки от термодинамического равновесия, и потому описываются нелинейными уравнениями. Линейные соотношения Онзагера, связывающие силы и потоки, справедливы только вблизи термодинамического равновесия.
4. Биологические объекты имеют сложную многоуровневую систему регуляции. В биохимической кинетике это выражается в наличии в схемах петель обратной связи, как положительной, так и отрицательной. В уравнениях локальных взаимодействий обратные связи описываются нелинейными функциями, характер которых определяет возможность возникновения и свойства сложных кинетических режимов, в том числе колебательных и квазистохастических.
Такие нелинейности при учете пространственного распределения и процессов переноса обусловливают паттерны стационарных структур (пятна различной формы, периодические диссипативные структуры) и различные типы автоволнового поведения (движущиеся фронты, бегущие волны, ведущие центры, спиральные волны и др.)
На уровне органа, организма, популяции живая система также является гетерогенной, и это ее основополагающее свойство необходимо учитывать при создании математической модели. Само возникновение пространственной структуры и законы ее формирования представляет одну из задач теоретической биологии. Один из подходов решения такой задачи ? математическая теория морфогенеза.

КАРТИНКИ/ВИДЕО МОДЕЛЕЙ ЖИВЫХ СИСТЕМ ПРИМЕРОВ С ПОДПИСЯМИ И СВЕРХУ ВСЕ ТОЖЕ :О
+ МОЖНО СТИХ В КОНЦЕ ЗАКИНУТЬ