Інформаційні технології в біології

У результаті була створена гнучка, легка для використання програма з наступними характеристиками:

1) Вона робить можливим застосування будь-якого програмного забезпечення MATLAB, що реалізує функції визначення та розв’язання диференційних рівнянь;

2) Розширюючи певні файли, програма виступає як моделююче середовище взагалі, але не вимагає глибоко знання MATLAB;

3) Вона готова переводити результати в захищений та придатний до подальшої машинної обробки формат;

4) В разі необхідності вона може бути розвинена до потреб.

Технологічні виробництва часто пов’язані із забрудненням довкілля та у процеси довкілля та втручанням у процеси біогенної міграції атомів. Починаючи з періоду індустріалізації (останні 150 років) концентрація вуглекислого газу в атмосфері істотно зросла і продовжує підвищуватися на 0,45% щорічно, переважно внаслідок спалювання палива, вирубування лісів та інших змін у землекористуванні. Відповідно до результатів моделювання при такому розвиткові подій вже до 2010 року концентрація вуглекислого газу в атмосфері зросте майже втричі, середня температура біля поверхні Землі збільшиться на 5,5 0С, а біологічна продуктивність рослин різко зменшиться. У вказаній ситуації людство має обдумувати кожен крок, незалежно від того, стосується це використання нових земель під сільськогосподарські угіддя чи розробки нафтового родовища. Для прийняття оптимальних рішень необхідно оцінити вуглецевий баланс кожного регіону, тобто підраховувати кількість карбону, що викидається в атмосферу внаслідок життєдіяльності біоти й антипогенного впливу та асимілюється рослинами даного регіону. На підставі цих результатів можна корегувати господарську діяльність, щоб звести баланс до нуля. Для оцінки такого балансу застосовують математичні моделі біохімічного циклу карбону. Подібні роботи було здійснено протягом 90-х років ХХ ст науковцями США, України та Росії для різних регіонів цих країн.

При створенні математичної моделі слід мати на увазі, що об’єктом дослідження є жива система, здатна пристосовуватися до умов довкілля для підтримання гомеостазу не тільки пристосовуватися, а й змінювати його. Математичне моделювання дає цікаві результати пристосування рослинного світу до змін навколишнього середовища. Так, була змодельована ситуація, за якої з підвищенням температури біля поверхні землі може настати момент, коли кількість виділеного дихання карбон переважатиме кількість поглиненого в процесі асиміляції. Це призведе до втрати рослинами енергії, і вони загинуть.

Проблеми, що стосуються очищення стічних вод від різного роду забруднень, є не менш актуальними, ніж проблеми очищення атмосфери. Карбон і нітроген є органогенними елементами, які відіграють надзвичайно важливу роль у метаболізмі та підтриманні гемостазу живих організмів. Саме тому повернення цих елементів є дуже актуальним. Використання культури анаеробних бактерій та дріжджів для очищення стічних вод є ефективним та економічним методом, що поєднує вилучення нітрогену та карбону із забрудненої води з продукуванням корисного харчового матеріалу. Бактеріальні ферменти перетворюють органічний нітроген та карбоновмісні субстрати на анонімний нітроген та жирні кислоти різного складу, що містять субстрати, придатні до засвоєння дріжджами, які в той же час перетворюють ці поживні речовини тільки на клітинний білок. Згаданий метод очищення дає також цікаву можливість очищення та біологічної переробки нітрогену та карбону на форму мікробної біомаси у двох біореакторах.

Для моделювання цього процесу застосовували штучні нейромережі. Було створено нейромережеву модель очищення стічних вод за допомогою культури анаеробних бактерій та дріжджів для того, щоб частково вилучити карбон та нітроген із забрудненої води. Згадана модель використовує вихідні показники рН, амонію, біомаси та концентрації субстрату для того, щоб представити динаміку поведінки процесу. Вона також пояснює вплив деяких параметрів та технологічних умов на процеси очищення. Було показано. Що нейромережа точно відображає динаміку біологічних видів дріжджового реактора в цьому процесі та розрахунок впливу масляної кислоти, амонію та рН на всю продуктивність очищення. Визначення оптимальної структури нейромережі (кількість нейронів, приховані шари, вибір досліджуваних алгоритмів тощо) дозволило проаналізувати низку різноманітних впливів на параметри процесу очищення. Корисність такого підходу була продемонстрована експериментально.

Подібні статті

Рослинність евтрофних боліт
Актуальність. В епоху широкомасштабного впливу людської цивілізації на навколишнє середовище проблема вивчення закономірностей генезису, динаміки боліт і заболочених земель як важливого біоенергетичного компонента та носія значного обсягу ...

Природний відбір
Приро́дний відбі́р (або добір) — процес, завдяки якому сприятливі спадкові характеристики стають більш загальними в наступних поколіннях популяції організмів, що розмножуються, а несприятливі спадкові характеристики стають менш з ...