Введение к работе
Актуальность проблемы. Наиболее надегошм способом получения информации об особенностях функционирования биологических объектов является применение невозмущащих методов исследования. Один из таких методов состоит в анализе флуктуации физико-химических параметров системы. Его возмокности достаточно полно проявились в изучении шумов проводимости ионных каналов.
Грамицидиновые каналы в липидном бислое являются традиционным объектом исследования в биофизике ионного транспорта. Достаточно простая структура, легкость химической модификации, уста-новлонность основных физико-химических свойств, развитость теоретических подходов позволили в 80-х годах рассматривать эту систему в качестве удобной модели клеточных ионных каналов. В то ке время поведение грамицидиновых каналов в ансамбле, возможность их взаимодействия исследованы недостаточно.
В многолетних исследованиях, проводимых на физическом факультете МГУ и в Институте теоретической и экспериментальной биофизики в Пушино, коллективные эффекты обнаруяены во флуктуациях характеристик различных физико-химических систем. Их основным проявлением слу&ит устойчивость дискретных форм распределений амплитуд флуктуации на малых выборках. Наблюдаемые (макроскопические) флуктуации отражают переходы меяду конечным числом состояний системы.
Проблема выявления физических механизмов, обусловливающих воспроизводимость макроскопических состояний, еще далека от своего разрешения. Актуальными в этой связи являются исследования на феноменологическом уровне, в частности,- вопроса об эволюции во времени макросостояний системы, выделение устойчивых состояний, оценка характерных времен этой устойчивости. В результате такого исследования показано существование устойчивых состояний ансамбля грамицидиновцх .каналов в Сислое и найдены их временные параметры. Для целей анализа эволюции состояний во времени раз^ работаны новые количественные методы, применимые к исследованию флуктуации параметров различных систем.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось исследование устойчивости и эволюции состояний ансамбля грамицидиновых каналов в оислойной /липидной мембране (БЛМ). Гэ-'пбсредственной задачей работы являлось: ; . ' ' . ;..' :... '-
- г -
исследование вопроса о существовании устойчивых состояний ансамбля грамицидиновых каналов в БДИ, проявляющихся в воспроизводимости форы гистограмм амплитуд флуктуации;
исследование процессов возвращения системы в данное состояние, выявление характерных времен установления устойчивых маловыборочных распределений амплитуд флуктуации проводимости и времен сохранения такой устойчивости, сопоставление этих величин с характерными временами элементарных процессов в системе;
разработка новых одно- и многомерных методов анализа формы несостоятельных гистограмм и доказательство с их помощью достоверности сходства форм экспериментальных распределений;
выявление современными методами кластерного анализа небольшого числа типов формы несостоятельных гистограмм амплитуд флуктуации проводимости;
исследовшше характера случайных блуаданий системы в многомерном признаковом пространстве.
Научная новизна. До настоящего времени проблема существования устойчивых состояний ансачбля грамицидиновых каналов не исследовалась. В работе впервые установлено наличие сходных (воспроизводимых) распределений величин проводимости системы грамицидиновых каналов, построенных по малым выборкам, исследована их эволюция во времени, а такке получены оценки характерных времен устойчивости этих распределений.
Доказательство неслучайности наблюдаемого сходства потребовало разработки и применения особах статистических методов анализа несостоятельных гистограмм. В диссертации развит подход к обоснованию достоверности сходства дискретных форм гистограмм, использующий некоторые мери расстояния в пространстве плотностей распределения вероятностей. Впервые предложен многомерный подход к анализу форл несостоятельных гистограмм, в основе которого ле-ннт переход к описанию их точками в признаковом пространства. Методами современного кластерного анализа проведена классификация типов формы несостоятельных гистограмм, получаемых в экспериментах по исследованию флуктуации проводимости. Использование натуральной координаты и методов ортогонального проецирования позволило визуализировать случайные блуждания системы в признаковом пространстве и исследовать характеристики этого процесса.
Практическое значение работы. Обнаружение устойчивости со-етояний ансамбля грамицидиновых каналов вскрывает новые особен-
ности их функционирования и указывает на важность коллективных процессов в исследуемой системе. Полученные результаты представляют интерес и для биофизики ионных каналов клеточных мембран. Разработанные метода анализа форм несостоятельных гистограмм могут быть применены в различных прикладных исследованиях при работе с малыми выборками в условиях отсутствия априорной информации о вероятностных свойствах изучаемых процессов.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 5-й и 6-й научных конференциях "Флуктуациотше явления в физических системах" (Паланга, 1988 и 1991 гг.), 3-й Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" (Гродно, 1988 г.), Московском семинаре "Планирование эксперимента" (Москва, 1989 г.), 3-й Всесоюзной конференции "Математическое моделирование: нелинейные проблемы и вычислительная математика" (Звенигород, 1990 г.), Всесоюзном совещании-семинаре "Инженерно-физические проблемы новой техники" (Звенигород, 1990 г.), 1-й Всеарабской конференции по медицинской биофизике (Каир, 1991 г.), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1991 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ. ~~
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (152 наименования). Работа изложена на 178 страницах, содержит 29 рисунков и 2 таблицы .