Biomatika dan keabadian

Biomatika dan keabadian

Nick. Pahit
"Sains dan Kehidupan" №7, 2018

Kisah saintifik lain Nick. Gorky lihat dalam "Sains dan Kehidupan" № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, No. 11, 2011, No. 6, 2012, No. 7, 2012, No. 8, 2012, No. 9, 2012, No. 10, 2012, No. 12, 2012, No. 1, 2013, No. 11, 2013, No. 1, 2014, No. 2, 2014, No. 3, 2014, No. 7, 2014, No. 8, 2014, No. 10, 2014, No. 12, 2014, No. 1, 2015, No. 4, 2015, No. 5, 2015, No. 6, 2015, No. 7, 2015, No. 9, 2015, No. 1, 2016, No. 2, 2016, No. 3, 2016, No. 6, 2016, No. 8, 2016, No. 11, 2016, No. 2, 2017, No. 4, 2017, No. 6, 2017, No. 7, 2017, No. 10, 2017, No. 12, 2017.

Kepala buku baru itu adalah Nick. Bitter "Undiscovered Worlds", yang diterbitkan pada musim panas tahun ini, rumah penerbitan "Astrel" di St Petersburg.

Julien Lametri. Ukiran oleh Achilles Ovres (awal abad ke-20). Ilustrasi: Wikimedia Commons / PD

Selama bertahun-tahun di dunia saintifik ada pendapat bahawa makhluk hidup tidak boleh digambarkan dengan kaedah mekanik, fizik, atau matematik – mereka terlalu rumit dan mempunyai tingkah laku yang tidak menentu. Salah satu yang pertama menafikan kenyataan ini ialah doktor Perancis dan ahli falsafah Julien Lametrie. Pada tahun 1747, Lema menulis buku Man-Machine, yang kemudian menjadi terkenal. Di dalamnya, saintis itu menerangkan hujah-hujahnya memihak kepada hakikat bahawa organ-organ tubuh manusia tertakluk kepada undang-undang saintifik, serta mekanisme lain. "Jadi, kita mesti membuat kesimpulan yang berani bahawa manusia adalah mesin …" – menulis Lametri. Pada masa yang sama, dia sedarberapa banyak organisma hidup berbeza dengan mekanisme mudah dan menyatakan: "Manusia adalah mesin rumit yang sangat mustahil untuk membuat idea yang jelas tentang hal itu …"

Dalam kehidupan saintis, pandangan materialisinya dianggap sebagai sesat. Buku beliau dibakar oleh Pasitan, dan dia sendiri terpaksa melarikan diri dari Perancis dan bersembunyi di tanah asing sehingga akhir hidupnya. Walau bagaimanapun, karya Lametri menjadi harbingers dari permulaan fizik dan matematik yang kelihatan jauh dari ilmu – biologi disiplin ini. Para penyelidik menemui keseragaman serat saraf dengan wayar elektrik, mula memahami biofizik penguncupan otot dan kemungkinan mekanikal struktur kerangka.

Vito Volterra. Ilustrasi: Consiglio Nazionale delle Ricerche

Lebih jauh lagi. Matematik secara beransur-ansur menembusi bukan sahaja kepada struktur organisma yang berasingan, tetapi juga kepada komuniti mereka. Sudah pada abad kedua puluh, lebih tepatnya, pada tahun 1931, ahli matematik dan ahli fizik Itali, Vito Volterra menerbitkan buku "The Mathematical Theory of the Struggle for Existence" di Paris. Di dalam pendahuluan, beliau menulis bahawa "skop kajian ini merangkumi semua manifestasi perjuangan antara individu di sesebuah komuniti tertentu; keuntungan dari beberapa adalah akibat kematian orang lain, dan keuntungan dan kematian dapat dianggarkan secara numerik."Mereka boleh dikira menggunakan persamaan pembeza dan integer pembezaan yang kompleks, yang dipanggil persamaan Volterra, yang merupakan persamaan matematik di mana kedua-dua perbezaan dan integral fungsi tidak diketahui hadir.

Berikut adalah contohnya. Apabila anda memilih beri dalam bakul yang besar, kelajuan pengumpulan bergantung kepada jumlah mereka di padang rumput, dengan kelajuan pergerakan tangan dan gerakan di lapangan. Kadar buah dalam bakul boleh dinyatakan dengan persamaan kebezaan. Dan jumlah buah beri dalam bakul digambarkan oleh masa pengambilan kadar pengumpulan. Sekiranya kita mengambil kira bahawa apabila bakul berkumpul di dalam bakul, pergerakan merentasi padang rumput melambatkan, apabila keletihan berkumpul dan bakul menjadi lebih berat, ternyata bahawa aktiviti mudah seperti memilih beri dijelaskan oleh persamaan pembezaan integro.

Vito Volterra menunjukkan bahawa persamaan ini menerangkan, sebagai contoh, turun naik kitaran bilangan pemangsa dan herbivora. Ada kalanya pemburu mendermakan banyak kulit bunny, tetapi sedikit bulu trot. Dan sebaliknya: kelimpahan makanan membantu pertumbuhan pesat bilangan lynx, yang mengurangkan jumlah hares.Pada masa itu, pemburu mendapat banyak kulit lynx, dan arnab disewa kurang daripada biasa. Dan ketika, akibat kelaparan, ternak dari lynx berkurang, hares lagi membiak. Matematik ternyata menjadi satu cara yang kuat untuk mengetahui alam semula jadi yang mampu menerangkan secara tepat, dengan persamaan, perjuangan untuk kewujudan beribu-ribu familia yang bersembunyi di pokok-pokok yang menunggu hares, dan ratusan ribu ekor harim berjalan di sepanjang jalan hutan mengelak pertemuan dengan lynx. Proses yang sama berlaku dalam komuniti biologi lain, contohnya, di antara ikan dan ikan predator yang memakan alga dan plankton.

Singa bangga tidak tahu bahawa hubungan mereka dengan herbivora mematuhi matematik. Foto oleh Natalia Domrina

Alfred Lotka. Foto: Wikimedia Commons / PD

Pada separuh pertama abad kedua puluh, ahli matematik, ahli fizik dan demografik Amerika Alfred Lotka menjalankan analisis matematik yang sama mengenai turun naik bilangan penduduk manusia dan membuat sumbangan penting kepada pembangunan persamaan yang menerangkan sistem sedemikian dan kemudiannya dipanggil persamaan Lotka-Volterra.

Sains biomatika yang dibentuk pada abad ke-20, yang menganggap penerapan kaedah matematik dan algoritma dalam biologi, boleh merangkumi lebih banyak objek daripada Volterra, termasuk objek dan fenomena tubuh manusia.Sekiranya biomatika dapat menerangkan semua proses penting dalam tubuh manusia, kita boleh menguruskannya.

Dalam buku ketiga trilogi "Astrovityanka"* Penyelesaian matematik untuk keabadian dicadangkan:

"Untuk badan Homo sapiens sistem persamaan tensor-tensor-kumpulan yang sangat kompleks telah dikumpulkan. Penyelesaian matematik sistem persamaan ini menggambarkan semua proses kehidupan yang berlaku di dalam tubuh manusia. Mendapatkan "keputusan hidup" ini adalah satu tugas yang kompleks, tetapi masalah yang lebih merosakkan adalah "keputusan keabadian". Untuknya, perlu untuk mencari dan mengenakan sistem persamaan asal – iaitu, pada organisma itu sendiri – keadaan sedemikian di mana proses hidup dalam seseorang tidak akan terhad pada masa, contohnya, pembahagian sel tidak akan pudar selepas beberapa dekad dalam sawan apoptosis, ia akan berterusan selama-lamanya. "

Grafik interaksi pemangsa dan preys dalam model Lotka-Volterra. Rajah: Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Berikut adalah contoh fakta bahawa proses biologi, baik dalam penyakit dan dalam organisma yang sihat, mematuhi undang-undang fizik dan matematik.Parasit malaria memanjat di dalam sel darah – eritrosit, mengalir di sana, memakan nutrien, dan pada masa yang sama menyediakan jalan keluar untuk anak yang baru dilahirkan. Apabila momen "kelahiran" tiba, proses biomekanik berlaku, dan erythrocyte, yang telah berubah menjadi beg putaran, di mana lusin parasit melawan, bertukar terbalik seperti sarung tangan, membuangnya. Ejen penyebab malaria tidak mengetahui fizik dan matematik, tetapi mereka "tahu bagaimana" untuk mengawal proses fizikal dan mekanikal. Evolusi telah membangunkan mereka kebolehan khas yang diperlukan untuk menembus sel yang solid dan mempersiapkannya untuk eversi. Dan ini adalah proses yang sangat sukar, dengan mengambil kira sifat elastik membran sel dua lapisan, ketegangan permukaan dan banyak lagi faktor lain. Anda boleh mengalahkan parasit malaria, jika anda memahami dengan terperinci proses pembiakannya dan mengubah sifat erythrocyte itu supaya ia berfungsi, dan parasit tidak dapat memerintahkannya lagi.

Nyamuk malaria (Anopheles stephensi) – vektor parasit manusia plasmodia malaria. Foto: Jim Gathany / Wikimedia Commons / PD

Virus, yang bukan organisma hidup, tetapi molekul yang agak rumit, menjadi "keropok" yang sangat baik.Mereka "tahu" bagaimana untuk memecahkan ketahanan sel dan menembusi dalam untuk pembiakan. Mereka boleh dihalang hanya dengan mengkaji secara terperinci mekanisme penembusan virus ke dalam sel …

Setiap sel tubuh manusia adalah serupa dengan bandar kubu bebas dengan organisasi yang berkesan untuk bekalan sumber dan pembuangan sisa. Ia mempunyai pusat kawalan, dinding kubu, jalan raya. Sel-sel bandar dapat membiak sendiri dengan mengurangkan dua sel yang lengkap. Di lebuh raya tubular di bandar-bandar ini, beban bergerak ke arah yang betul – molekul kompleks yang dibungkus ke dalam "avtomobilchiki" sfera, yang bergerak bukan oleh motor, tetapi oleh "kaki" yang pelik. Mereka bergantian dari permukaan tiub dan menolak "kereta kecil" ke hadapan.

Kawah dengan garis pusat lebih dari 50 km di bahagian jauh Bulan, dinamakan sempena Vito Volterra. Foto: NASA / Wikimedia Commons / PD

Sel ini penuh dengan nanomachine – peranti mekanikal yang dihasilkan daripada molekul individu. Untuk memindahkan nanomachine boleh menggunakan motor elektrik yang memutar flagellum, yang terdapat dalam banyak bakteria, dan mengubahnya menjadi kapal selam mikroskopik.Dalam benteng sel terdapat pusat kunci – inti, di mana pustaka genetik disimpan, terdapat stesen dan stesen penyusun, di mana kenderaan intraselular dibongkar, dan kargo dihantar lebih jauh untuk tujuan yang dimaksudkan. Lajur khas menyokong dinding yang kuat yang membiarkan "mereka sendiri" ke dalam bandar, tetapi melindunginya daripada musuh. Persekitaran di dalam sel-sel adalah berbeza dari luar, ia dipilih supaya penduduknya berasa selesa dan bekerja. Di dalam bandar terdapat beberapa kilang. Sesetengah menghasilkan tenaga yang tersimpan dalam bentuk molekul khas, yang lain menghasilkan protein kompleks yang diperlukan untuk sel.

Proses pembuatan molekul yang diperlukan, sebagai contoh, untuk pertumbuhan dinding sel, sangat kompleks: pelbagai organel sel-sel bersatu, bertukar maklumat dan bersambung untuk menghasilkan molekul yang dikehendaki, dan kemudian menyimpulkan lagi. Sel-sel berasingan digabungkan dalam organ-organ.

Di dalam tubuh manusia segalanya diatur dalam tahap yang paling sesuai. Seseorang adalah supermachine yang terdiri daripada banyak bandar sel, di mana terdapat "pengawal", melindungi dia dari jangkitan luar, dan "tukang-tukang" yang menyembuhkan kerosakan yang diterima.

Pada peringkat perkembangan sains ini, biologi menerangkan kehidupan sel dan organisma secara keseluruhan, tidak mengetahui sepenuhnya apa yang berlaku di dalamnya, bagaimana atau mengapa. Tetapi tahap pemahaman kita semakin berkembang kerana kejayaan biomatika, biofisika, biokimia dan sebilangan sains lain.

Julien Ofre de Lametri (1709-1751) – Doktor Perancis dan ahli falsafah Pencerahan – seorang pemikir yang bijak yang melihatnya di dalam mesin yang kompleks tetapi boleh dipahami.

Vito Volterra (1860-1940) – Ahli matematik dan fizik Itali. Memohon kaedah matematik untuk mengkaji sistem biologi, khususnya sistem "predator – mangsa".

Alfred James Lotka (1880-1949) – Ahli matematik dan demografik Amerika. Pengarang bersama model Lotka – Volterra dalam bidang dinamika populasi biologi.


* Nick. Pahit. Astrovityanka. SPb: Rumah Penerbitan AST, Astrel, 2008.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: