Содержание к диссертации
стр.
В в в д в н и е 4
Глава I. АНАЛШ КИНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСШОВЕ ЭВМ ... 10
I. Постановка задачи 10
2. Методы разложения экспоненциальных функций.
Обзор литературы 22
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОШОВАНЙЕ И ИССЗДОВАНИЕ МЕТСЩА
АНАЛИЗА КИНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА МОДЕЛЬНЫХ КРИШ..34
I. Метод анализа 35
А. Случай двух компонент , 35
Б. Случай трех компонент 38
2. Некоторые вопросы реализации метода на Эйй ..... 41
3. Анализ модели для случая двух компонент 46
A, Сходимость метода 47
Б. Влияние оолаоти задания функции $ii) 49
B. Граница разрешения 52
Г. Влияние постоянной составляющей 54
Д. Влияние шума 59
Е. Анализ функции № - JU U+ Я*>^+ С
при воздействии шума 62
4. Анализ модели для случая трех компонент 64
A. Сходимость 64
Б. Влияние области задания функции ?(-t) 66
B. Граница разрешения 68
Г. Анализ функции ШИ^Чй2ЄМ*кЄ^с? ... 71
5. Заключение 73
стр.
Глава 3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛШ0^ЫФ1СЛШЖЬНЫЙ
КШШЕЕКС ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОЙ5АЩИ .ЗАРЕГИСТРИРО
ВАННОЙ НА ФОТОНОСЙТЕДЕ 77
І. Проблема ввода кинетической информации в ЭВМ.... 77
2. Структура и состав комплекса 80
3. Согласование ЭШ и автоматического микроденси-
тометра 89
4. Графопостроитель-принтер 93
5. Работа комплекса в системе сбора и обработки
спектральной и кинетической информации 103
Глава 4. ПРОГРАШНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ШСТМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ
СПЕКТРАЛЬНОЙ И КИНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОШВДИ 106
I. Структура программного обеспечения 106
2. Программа считывания координат линяй, зарегист
рированных на осциллограмме .112
3. Применение системы сбора и обработай информации
при исследовании кинетики восстановления цито-
хрома Р-450 микросом пенена крыс 120
4, Применение системы сбора и обработай информации
для анализа полутоновых изображений ,....127
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЭЛЖТРОШО-КОНФОРМАЩОННЫХ
ПЕРЕХОДОВ В ФОТОШНТЕТИЧЕСКИХ РЕАКЦИОННЫХ
ЦЕНТРАХ 142
ВЫВОДЫ 152
ЛИТЕРАТУРА 154
Введение к работе
При исследовании количественных закономерностей развития биологических процессов наглядно проявляются преимущества комплексного подхода, сочетающего в себе методы эксперимен -тальных исследований и математического моделирования» С одной стороны, результаты даже самых точных экспериментов далеко не всегда позволяют ответить на вопрос о том, каковы движущие силы, механизмы биологических процессов» С другой стороны,только сопоставление свойств математических моделей с данными экспе -римента служит необходимым условием проверки исходных гипотез, лежащих в основе анализируемых моделей. Само построение адекватных моделей возможно лишь с привлечением конкретных данных и представлений о первичных биофизических реакциях.
Так» математические модели биохимических циклов метаболизма основаны на детальном знании последовательности превращений веществ и оценке из экспериментальных данных значений концентраций и констант скоростей их взаимодействий.
Вместе с тем, наиболее целенаправленная и рациональная постановка эксперимента во многом определяется детальным ана -лизом биологической системы с целью выявления наиболее существенных факторов, ответственных за ее свойства. Это доступно прежде всего методам математического моделирования. Изучение и совершенствование каждого отдельного этапа в организации исследований биокинетики имеет важное самостоятельное значение.
При проведении экспериментальных работ по изучению моле -кулярной динамики биологических систем одним из наиболее рас -пространенных и информативных биофизических подходов является исследование релаксационных характеристик систем после выведения их из стационарного состояния. Развитие методов опектроско-шш и экспериментальной техники последних лет (методов высоко-чувствительной дифференциальной спектроскопии пикосекундного диапазона, методов изучения переходных процессов на основе устройств для быстрого смешивания химреагентов» скачка температуры» давления и т.д») способствовало еще более широкому рас -проотранению кинетического подхода при изучении биофизических процессов в биологических системах* Развитие этого подхода явилось одним из узловых моментов для постановки экспериментов и формирования на основе полученных данных современных представлений не только о пространственно-временной организации, но и о молекулярных механизмах первичных процессов фотосинтеза /1-5/. Однако, на современном этапе дальнейшее расширение возможностей такого рода кинетических исследований требует развития новых методов анализа, обеспечивающих с высокой степенью точ -ности оперативное определение численных значений кинетических параметров при обработке реальных сигналов, характеризующихся высоким уровнем шумов, нелинейными искажениями вследствие влияния регистрирующей аппаратуры и т.д. Дальнейшее повышение ин -формативности каждого отдельного эксперимента, более полное выявление скрытых количественных закономерностей уже невозможно без привлечения вычислительной техники и средств автомати - зации.
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 гг и на период до 1990 г указывается на необходимость расширения автоматизации проектно-конст -рукторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники ; совершенствования средств и систем сбора, передачи и обработки информации ; развития опережающими темпами быстродействующих управляющих и вычисли -тельных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним* Автоматизация научных исследований на базе вы -числительной техники и средств автоматики является необходимым фактором повышения эффективности и качества научных исоледова -ний*
Использование в научных исследованиях средств автоматики и вычислительной техники ооздает реальные предпосылки для і повышения информативности эксперимента. На основе при -менения ЭШ возможно получение качественно новых научных результатов, получение которых ранее было принципиально невозможно ; повышение точности. Существенно более точные результаты, получаемые из эксперимента позволяют во многих случаях перейти от качественной обработки информации к точным количественным закономерностям. На основе ЭШ обеспечиваются условия для более тесного взаимодействия теории и практики ; повышения производительности» Возможность выполнения ЭВМ большого объема рутинной, нетворческой работы экспериментаторов ведет к уменьшению научно-технического персонала при увеличении эффективности научных исследований ; архивизация. Возможность ЭШ собирать, хранить и отображать чрезвычайно большие объемы экспериментальной научной ин - формации ; быстрого и удобного отображения и документирования информации в нужной для экспериментатора форае ; органического объединения "физического" эксперимента,с - ? - одной стороны, и моделирования и численного эксперимента -с другой стороны.
Применение цифровой техники в биологии и, в частности, а биофизике имеет по сравнению с другими науками ряд специфических особенностей. Современный биологический эксперимент от -носится к той категории научных исследований, автоматизация которых на основе современных ЭШ является наиболее необходимой и наименее реализованной /6/. Это объясняется|во—первых> сложностью объектов исследования, многообразием их физических и химических характеристик, зачастую отсутствием формального описания ( модели ) исследуемых объектов. Эти особенности диктуют необходимость в создании автоматизированных систем сбора, обработки и управления, главным свойством которых является максимальная гибкость.
С другой стороны, тормозом к внедрению ЭШ в биологиче -ский эксперимент является как недостаточное количество про -фессиональных математиков и специалистов по эксплуатации ЭШ в штатах биологических лабораторий, так и трудность овладения новыми методами исследований специалистами-биологами, не имеющими необходимой подготовки в области ЭШ и программирования. Для исследователей, привыкших анализировать экспериментальные результаты и работу приборов с представлением выходных данных в аналоговой форае переход к цифровой форме мышления оказывается весьма затруднительным, В связи с этим большое значение имеет разработка многофункциональных систем сбора и обработки информации с развитым программным обеспечением, написан -ным в диалоговом режиме, что обеспечивает легкость общения с ЭШ пользователям, не являющимися специалистами в области математики и вычислительной техники.
Применение автоматизированных систем сбора и обработки информации на базе ЭШ, в особенности мини и микро ЭВМ, произво -димых большими сериями, недорогих и поэтому доетуяных широкому кругу исследовательских лабораторий,- одно из необходимых условий современного развития биофизических исследований. Это раз -витие неразрывно связано как с разработкой и совершенствованием численных методов обработки экспериментальных данных, так и развитием аппаратной части автоматизированных комялексов,включаю-щей в себя наряду с другими периферийными устройствами,устройства считывания экспериментальной информации. Следует отметить, что проблема ввода экспериментальных данных в ЭВМ создает определенные трудности, особенно, когда информация зарегистрирована на таких традиционных в биофизическом эксперименте носителях как фотопленка, бумага. В связи с этим создание простых автоматизированных устройств считывания экспериментальной информации с таких широкораспространенных в экспериментальных лабораториях носителей информации является самостоятельной проблемой, требующей непосредственного решения.
Целью данной работы является развитие современных автоматизированных систем обора, математической обработки и докумен -тирования экспериментальных данных по кинетике переходных про -цессов и применение математических методов анализа кинетических данных для исследования пространственно-временной организации и молекулярных механизмов первичных стадий фотосинтеза.
Основные задачи работы включали : - разработку и исследование возможностей метода численного количественного анализа кинетической информации,получаемой релаксационными методами в биофизических исследованиях ; разработку и создание универсального автоматизированного устройства считывания и ввода в ЭШ кинетической информации, зарегистрированной на фотоносителе ( в виде одиночных кривых или полутоновых изображений ) или на перфоленте ; создание на базе мини ЭВМ комплекса аппаратных и дрог -раммных средств, реализацию в диалоговом режиме системы мате -матической обработки и отображения экспериментальных данных по кинетике релаксационных процессов с апробацией возможностей комплекса на примере изучения влияния про* и антиоксидантов на кинетику анаэробного восстановления микросомального цито -хрома Р-450 ; - проведение с домощью разработанных методов детального исследования температурной зависимости кинетики темновой ре - комбинации фотохимически разделенных зарядов в фотосинтети - ческих реакционных центрах бактериального типа*
Решение этих вопросов создает предпосылки для активного внедрения методов численного анализа в практику биофизических исследований и имеет важное значение применительно к исследо -ванию кинетических закономерностей молекулярных механизмов фотосинтеза, включающих последовательные процессы переноса электрона с различными характерными временами»
Похожие диссертации на Методы анализа кинетической информации в биофизических исследованиях на основе ЭВМ.
