生物系統(tǒng)的隨機動力學(xué)

前言

生命科學(xué)是研究生命現(xiàn)象及其活動規(guī)律的科學(xué)，廣義的生命科學(xué)還包括生物技術(shù)、生物與環(huán)境以及生物學(xué)與其他學(xué)科交叉的領(lǐng)域。生命科學(xué)所研究的范圍極其廣泛而復(fù)雜，因此，生物學(xué)在其發(fā)展過程中形成了許多分支學(xué)科。生命科學(xué)是21世紀(jì)最重要的研究領(lǐng)域之一，從研究生物的結(jié)構(gòu)和功能、系統(tǒng)和演化，再深入到研究生命的現(xiàn)象和本質(zhì)，體現(xiàn)了多學(xué)科的交叉和綜合，涉及生物、工程、農(nóng)林、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、海洋、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等許多領(lǐng)域。生命科學(xué)體現(xiàn)了各學(xué)科的同一性，都是以基因理論為指導(dǎo)，應(yīng)用分子生物技術(shù)，以序列語言來描述生命的本質(zhì)，以蛋白質(zhì)行為來解釋生命的過程，以細(xì)胞活動來演繹生命現(xiàn)象。生物實驗海量數(shù)據(jù)的積聚為系統(tǒng)地研究生物系統(tǒng)的運動規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，由此也誕生了一門新興的交叉學(xué)科——系統(tǒng)生物學(xué)（systems biology）。這個學(xué)科已越來越受到包括生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域工作者的高度重視。系統(tǒng)生物學(xué)不同于生物信息學(xué)，它是研究生物系統(tǒng)中所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質(zhì)、小分子等）的構(gòu)成，以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系的學(xué)科。系統(tǒng)生物學(xué)也不同于以往的實驗生物學(xué)（僅關(guān)心個別的基因和蛋白質(zhì)），它要研究所有的基因、蛋白質(zhì)和組分間的所有相互關(guān)系。系統(tǒng)生物學(xué)的研究目標(biāo)是對某一生物系統(tǒng)建立一個理想的模型，使其理論預(yù)測能夠反映出生物系統(tǒng)的真實性。從基因調(diào)控的觀點來看，生物系統(tǒng)是相互作用的網(wǎng)絡(luò)，這里，基因調(diào)控網(wǎng)中的蛋白質(zhì)常常調(diào)控它們自己的生成或調(diào)控相互作用網(wǎng)絡(luò)里其他蛋白質(zhì)的生成。后基因組學(xué)的研究很可能將集中于對這種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的剖析。盡管我們對蛋白。DNA反饋環(huán)路、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性等概念并不陌生，但生物實驗方面的最新進(jìn)展再次激發(fā)人們對基因調(diào)控的定量和定性分析的研究興趣，并使人們開始進(jìn)入強調(diào)基本細(xì)胞功能的基因調(diào)控過程的模型描述階段。依據(jù)近三十年非線性理論和隨機過程等領(lǐng)域的研究成果，目前開展基因調(diào)控網(wǎng)的定量和定性研究是適時的。在國家自然科學(xué)基金“十一五”發(fā)展規(guī)劃里也明確提到開展生物網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的研究。

內(nèi)容概要

本書從動力學(xué)的角度簡要地闡述近年來發(fā)展迅速的系統(tǒng)生物學(xué)，聚焦于生物網(wǎng)絡(luò)的隨機動力學(xué)，包括它們的設(shè)計和構(gòu)造、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬和理論分析。我們以若干典型生物模塊為基礎(chǔ)，以闡明和理解細(xì)胞內(nèi)部過程為目的，以描述生化分子運動的主方程為工具，從單細(xì)胞到多細(xì)胞，從確定性方程到隨機方程，系統(tǒng)而全面地介紹了生物系統(tǒng)在分子水平上的隨機動力學(xué)。    本書可供大學(xué)和科研院所的數(shù)學(xué)、物理、生物力學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)等方向的大學(xué)生、研究生、教師及有關(guān)的科研人員參考。

書籍目錄

《非線性動力學(xué)叢書》序前言第1章  生物網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識  1.1  基本概念    1.1.1  基因與基因表達(dá)    1.1.2  蛋白質(zhì)    1.1.3  細(xì)胞    1.1.4  簡單基因調(diào)控網(wǎng)的調(diào)控機制  1.2  轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)簡介  1.3  順式輸入函數(shù)：MM方程和Hill方程    1.3.1  一個壓制子與一個啟動子的結(jié)合    1.3.2  一個壓制蛋白和一個誘導(dǎo)子的結(jié)合：MM方程    1.3.3  誘導(dǎo)子的結(jié)合和Hill方程的協(xié)作性    1.3.4  Monod模型、Changeux模型和Wymann模型    1.3.5  由一個壓制子調(diào)控的基因的輸入函數(shù)    1.3.6  一個激活子對它的DNA位點的結(jié)合    1.3.7  Michadis.：Menten酶動力學(xué)    1.3.8  多維輸入函數(shù)  1.4  轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的典型模塊    1.4.1  自調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模塊    1.4.2  前饋環(huán)網(wǎng)絡(luò)模塊  1.5  基因表達(dá)水平上的細(xì)胞多樣性  參考文獻(xiàn)第2章  主方程及線性噪聲逼近  2.1  主方程    2.1.1  主方程的導(dǎo)出    2.1.2  生化反應(yīng)的動力學(xué)方程  2.2  F-P方程與LallgeVill方程    2.2.1  F-P方程    2.2.2  F-P方程與Langevin方程之間的關(guān)系  2.3  線性噪聲逼近    2.3.1  靜態(tài)線性噪聲逼近    2.3.2  動態(tài)線性噪聲逼近  2.4  有效穩(wěn)定性逼近    2.4.1  一般結(jié)果    2.4.2  算法    2.4.3  應(yīng)用實例  2.5  基因調(diào)控中的波動關(guān)系    2.5.1  一般理論    2.5.2  兩個例子  參考文獻(xiàn)第3章  隨機模擬方法  3.1  Gillespie算法    3.1.1  問題的描述    3.1.2  數(shù)學(xué)格式    3.1.3  算法步驟  3.2  化學(xué)LangeVin方程    3.2.1  化學(xué)主方程    3.2.2  化學(xué)Langevin方程及其算法  3.3  τ跳躍算法    3.3.1  基本算法    3.3.2  中點τ跳躍方法    3.3.3  改進(jìn)的τ跳躍算法    3.3.4  一般格式  3.4  快反應(yīng)的擬平衡近似法    3.4.1  快慢反應(yīng)的分離    3.4.2  應(yīng)用實例  3.5  精確的混雜隨機模擬法    3.5.1  快反應(yīng)的Langevin方程    3.5.2  算法步驟  3.6  延遲情形的Gillespie算法  參考文獻(xiàn)第4章  基因切換系統(tǒng)的隨機動力學(xué)  4.1  單基因雙穩(wěn)系統(tǒng)    4.1.1  模型及其動力學(xué)分析    4.1.2  加性噪聲的效果    4.1.3  乘性噪聲的效果  4.2  雙基因雙穩(wěn)系統(tǒng)    4.2.1  協(xié)作結(jié)合的基因開關(guān)：toggle switch    4.2.2  非協(xié)作結(jié)合的基因開關(guān)  4.3  連貫切換    4.3.1  隨機模型    4.3.2  內(nèi)部噪聲的效果    4.3.3  外部噪聲的效果    4.3.4  輸入弱信號的擴大  4.4  噪聲誘導(dǎo)的同步切換    4.4.1  基因調(diào)控網(wǎng)與數(shù)學(xué)模型    4.4.2  細(xì)胞內(nèi)噪聲的效果    4.4.3  細(xì)胞外噪聲的效果    4.4.4  內(nèi)外噪聲相互作用的效果    4.4.5  耦合強度的效果  4.5  公共噪聲的效果    4.5.1  基因調(diào)控網(wǎng)與數(shù)學(xué)模型    4.5.2  同質(zhì)情形    4.5.3  異質(zhì)情形  參考文獻(xiàn)第5章  基因振子的分類及生物節(jié)律  5.1  從切換到振動    5.1.1  單基因自調(diào)控模型    5.1.2  振動的產(chǎn)生  5.2  光滑振子    5.2.1  壓制振動子：repressilator    5.2.2  簡化的壓制振動子  5.3  松弛振子  5.4  隨機振子  5.5  果蠅和脈孢菌中的節(jié)律振子  5.6  分組的果蠅節(jié)律鐘中神經(jīng)傳遞元調(diào)庭的節(jié)律行為    5.6.1  模型    5.6.2  結(jié)果  參考文獻(xiàn)第6章  基因振子的同步與聚類  6.1  模擬生物鐘    6.1.1  模型    6.1.2  數(shù)值結(jié)果  6.2  快速閾值調(diào)幅機制    6.2.1  模型    6.2.2  數(shù)值結(jié)果和理論分析  6.3  光滑振子的同步、聚類    6.3.1  吸引耦合的效果    6.3.2  抑制耦合的效果    6.3.3  公共噪聲的效果  6.4  松弛振子的同步、聚類    6.4.1  吸引耦合的效果    6.4.2  抑制耦合的效果    6.4.3  公共噪聲的效果  6.5  隨機振子的同步、聚類    6.5.1  吸引耦合情形    6.5.2  抑制耦合情形  6.6  順式調(diào)控構(gòu)件驅(qū)動多細(xì)胞圖案    6.6.1  設(shè)計和模型    6.6.2  結(jié)果與分析  6.7  暫態(tài)重設(shè)機制    6.7.1  機制的刻畫    6.7.2  數(shù)值模擬  6.8  生物節(jié)律的人工控制    6.8.1  細(xì)胞間沒有細(xì)胞通信情形的控制    6.8.2  細(xì)胞間有細(xì)胞通信情形的控制  參考文獻(xiàn)第7章  噪聲信號的傳播  7.1  信號傳送過程中的功率譜和噪聲    7.1.1  單信號情形    7.1.2  耦合信號情形    7.1.3  一般情形  7.2  典型生化模塊中的噪聲傳播    7.2.1  三種典型生化反應(yīng)模塊    7.2.2  推拉網(wǎng)絡(luò)模塊    7.2.3  MAPK級聯(lián)和模塊性  7.3  代謝網(wǎng)絡(luò)中的噪聲傳播    7.3.1  單節(jié)點情形    7.3.2  線性通路    7.3.3  相互作用的通路  7.4  基因調(diào)控過程中的噪聲傳播  7.5  關(guān)于噪聲傳播的進(jìn)一步討論    7.5.1  格式化模塊    7.5.2  信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)中波動的關(guān)聯(lián)性    7.5.3  代謝網(wǎng)中波動的獨立性    7.5.4  超敏感效果的分析    7.5.5  反饋噪聲壓制的物理限制  參考文獻(xiàn)第8章  其他典型動力模型分析  8.1  模擬趨化現(xiàn)象的一般模型    8.1.1  理論分析    8.1.2  相的特征  8.2  延遲誘導(dǎo)的振動    8.2.1  情形1：延遲退化的蛋白質(zhì)    8.2.2  情形2：具有延遲產(chǎn)物的負(fù)反饋    8.2.3  情形3：具有聚合物的負(fù)反饋  8.3  公共噪聲誘導(dǎo)的同步與聚類    8.3.1  理論分析    8.3.2  聚類的控制    8.3.3  數(shù)值例子  8.4  組合調(diào)控的模式    8.4.1  數(shù)學(xué)模型    8.4.2  理論分析    8.4.3  數(shù)值結(jié)果  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 生物網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識本章主要介紹與生物網(wǎng)絡(luò)（重點是轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)）有關(guān)的基礎(chǔ)知識．首先，介紹幾個重要概念，包括基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、基因調(diào)控網(wǎng)及簡單基因調(diào)控網(wǎng)的調(diào)控機制或過程．其次，簡要地介紹轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括它的構(gòu)成元素．第三，重點介紹順式輸入函數(shù)，對此，我們考慮了幾種典型情形，導(dǎo)出相應(yīng)的輸入函數(shù)的分析表達(dá)．這方面的知識是本書建立簡化的確定性方程的基礎(chǔ)．第四，介紹轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的若干典型網(wǎng)絡(luò)模塊，包括自調(diào)控模塊和前饋環(huán)模塊等．最后，介紹細(xì)胞多樣性方面的知識，細(xì)胞多樣性是多細(xì)胞系統(tǒng)建模應(yīng)考慮的一個因素。1.1　基本概念生物體是一個復(fù)雜的多分子體系，它的基本單位是細(xì)胞（1立方毫米可有幾百萬個細(xì)胞），一個細(xì)胞內(nèi)可有數(shù)萬個基因，它們（1）分別控制不同的生化反應(yīng)；（2）產(chǎn)生無數(shù)種類的生命物質(zhì)；（3）保持物質(zhì)、能量、信息流動的有條不紊。 核酸是最重要的一類生物大分子，是遺傳信息的攜帶者．根據(jù)組成核酸的核苷酸中戊糖種類的不同（核酸是由核苷酸作為基本單位組成的線性聚合物），可將核酸分成兩大類：核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和脫氧核糖核酸（ribonucleic acid，RNA），DNA位于細(xì)胞核的染色體中，且具有雙螺旋結(jié)構(gòu)；RNA也具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，但與DNA的結(jié)構(gòu)有所不同。

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《生物系統(tǒng)的隨機動力學(xué)》是由科學(xué)出版社出版的。

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