Системная биология
Системная биология — междисциплинарная наука о жизни, изучающая саморегуляцию и целостность живых существ. Занимается выявлением функциональной организации живого, начиная с молекулярного уровня, далее поднимаясь через биологические каскады (петли обратной связи, триггеры) до масштаба тканей и выше.
Фактически, является разделом физиологии, задействующим инструментарий информатики и теории сложных систем, а также математики, физики и химии.
История[править]
Д’Арси Томпсон[править]
Томпсон искал математические преобразования, описывающие превращение одних биологических форм в другие (в ряду систематически близких форм); по его мнению, это позволило бы исследовать «законы превращения формы» как таковые и сделало бы биологию прогностической наукой. Впоследствии выяснилось, что эта задача разрешима лишь с учётом экологии (когда в биоценозе верно выделена гильдия, к которой относятся анализируемый вид или осваиваемая им адаптивная зона) и для «рабочих» органов (непосредственно используемых в жизненных отправлениях — клювы, лапы, крылья, черепа и пр.).
Л. фон Берталанфи[править]
Создатель общей теории систем, акцентировал внимание на изоморфизме законов в системах разной природы. Берталанфи боролся с механицизмом и логическим позитивизмом, вводил новое понимании редукционизма: важен уровень, к которому производится редукция, но он изменяется в зависимости от исследования.
Н. Винер[править]
Один из создателей кибернетики. Основное внимание уделял идее управления, утверждая, что процессы регулирования и информационного обмена обладают значительной общностью и можно сформулировать универсальные стратегии (правила) управления.
К. Уоддингтон[править]
Стал рассматривать внутриклеточные сети как эволюционно динамические системы, выдвинул идею построения теории динамических систем, регулирующихся через экспрессию генов и эпигенетику.
Р. Розен[править]
Разработал концепцию реляционной биологии и математическую модель «(M,R)-система».
У. Матурана и Ф. Варела[править]
Сформулировали идею аутопоэзиса — самовоспроизведения, характерного для жизни.
Метод[править]
Системная биология, как правило, использует массивы данных из других разделов биологии для создания и манипулирования механистических (то есть, математических и/или вычислительных) моделей тех или иных аспектов живого.
Два основных направления исследований:
- «сверху вниз» — аналитический разбор и построение законов на имеющихся данных; коррелятивный анализ; геномика
- «снизу вверх» — синтез моделей по теории; композиция; эпигеномика
Комбинирование направлений дает суть метода системной биологии: сбор количественных данных на некотором уровне сложности и применение их для описания следующего уровня.
Подходы в моделировании[править]
По формализмам[править]
Денотационные[править]
В их основе лежат системы дифференциальных уравнений — как ОДУ/УРЧП, так и стохастических. Данные — числовые параметры.
Операционные (симуляционные)[править]
Оперируют составными компонентами, формализмы:
- Булевы сети
- Сети Петри (обобщение булевых)
- Конечные автоматы («объекты»)
- исчисление процессов («функции»)
Встречаются гибридные модели.
Классические/неклассические[править]
Детерминистский[править]
Состояние системы задается вектором концентраций каждого компонента. Развитие системы записывается набором ОДУ, подчиняющихся обобщенному закону действующих масс.
Стохастический[править]
Состояние системы задается вектором наблюдений из выборки для случайной переменной концентрации по каждому компоненту. Динамика задается основным кинетическим уравнением. Для симуляции применяется алгоритм Гиллеспи (SSA или его вариация).
Для моделирования эволюции применяется процесс Орнштейн-Уленбека.
Результаты[править]
- Теорема Шинара-Файнберга
- Основное уравнение алгебры процессов
- NP-полнота задачи создания генной сети[1]