Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Изучение большинства природных явлений во многих случаях так или иначе связано со способностью систем к образованию и развитию сложных упорядоченных структур, причем примеры такой самоорганизации обнаруживаются как среди биологических, так и среди неорганических объектов. Строго однородные структуры (чистые кристаллы, ламинарные потоки жидкости и т.д.) встречаются достаточно редко. Гораздо чаще исследователям приходится иметь дело с пространственно - неоднородными системами, видоизменяющимися во времени и реагирующими на внешние воздействия нелинейным образом. Зачастую такие неоднородные, но тем не менее обладающие поддающейся описанию симметрией структуры возникают в изначально однородных средах: например, при морфогенезе, в динамике популяций и экосистем, возбудимых тканей, нейронных сетей и т.д. Спектр получаемых структур очень широк, - от диссипативных структур Тьюринга и автоволн до детерминированного хаоса и фракталов. Вопрос о механизмах возникновения таких структур, их разрушения и сценариях их переходов друг в цруга являются ключевыми для понимания многих биологических процессов, а зозможность математического моделирования соответствующих феноменов иожет предоставить хорошие шансы для прогнозирования некоторых явлений, зажных с точки зрения медицины, экологии и ряда других наук.
Диссертационная работа посвящена экспериментальным и теоретическим ісследованиям динамики процессов формирования и роста пространственных труктур в популяциях подвижных бактерий. Как известно, возникновение іространственно-временньїх популяционных структур в бактериальных «обществах связано с процессами деления микроорганизмов, их локальной оммуникацией, подвижностью и способностью скапливаться в местах, наиболее ілагоприятньїх для сущесвования (явление хемотаксиса). Все эти характеристики ависят от состояния клеток: стадий их клеточного роста , подвижности, дгезивных свойств, реакций на субстрат и т.д. Использование математических сомпьютерных) моделей для описания динамики образующихся надклеточных труктур позволяет выявить количественные параметры, которые несут эуднодоступную информацию о функциональном состоянии самих клеток.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целями диссертационной работы являются:
-
Экспериментальное исследование нарушения устойчивости в процессах структурообразования популяций подвижных бактерий.
-
Изучение фракталоподобного развития популяций.
-
Исследование динамики процессов формирования и распространения повторных бактериальных популяционных волн.
-
Впервые экспериментально получены фракталоподобные структуры на популяциях бактерий E.coli.
-
Экспериментально продемонстрирована возможность сосуществования фракталоподобных структур и симметричных кольцевых популяционных волн.
-
На основе микроскопических исследований динамики фрактального роста предложен механизм фракталообразования в бактериальных популяциях. В численных экспериментах на математической модели типа "клеточный автомат" , имитирующей растущую бактериальную популяцию, воспроизведены образование и рост фракталоподобных структур по предложенному механизму.
-
Исследованы процесс формирования и динамика распространения второй популяционной бактериальной волны на многокомпонентной среде. Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена независимость индукции процесса формирования второй популяционной волны от состояния бактериальной среды в центре инокуляции..
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты диссертационной работы могут быть использованы как для дальнейших теоретических исследований процессов структурообразования ( в частности при разработке математических моделей поведения сообществ при ухудшении условий окружающей среды), так и в практических приложениях (в различных областях медицины, эпидемиологии, экологии и т.д.)
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на семинарах Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, конференции "Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах " (Суздаль, 1995), конференции молодых ученых (Пущино, 1996), конференциях "Математические модели нелинейных возбуждений" (Тверь, 1994 и 1996).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 4
глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на страницах и
содержит рисунка.