Экспериментальные методы системной биологии

 

Для верификации создаваемых моделей системная биология работает с самыми различными типами экспериментальных данных, описывающих как отдельные составляющие, так и систему в целом. Зачастую в качестве исходной информации для формулировки гипотез и выводов используются данные, полученные в других областях биологии: биохимии, биофизики, молекулярной биологии. Тем не менее, существует ряд специфичных методов, прочно ассоциируемых с системной биологией. Эти методы характеризует большое количество экспериментальных измерений, а также одновременное детектирование многих характеристик, что стало возможным с появлением автоматизированных потоковых методик экспериментов.

 

Примерами таких методов могут являться:

· Геномика: высокопроизводительные методы секвенирования ДНК, включая изучение вариабельности в различных клетках одного организма.

· Эпигеномика/Эпигенетика: изучение факторов транскрипции, не кодируемых в ДНК (метилирование ДНК, и т. д.).

· Транскриптомика: измерение экспрессии генов, используя ДНК-микрочипы и другие методы.

· Интерферомика: измерение взаимодействия транскрибируемых РНК.

· Протеомика/Транслатомика: измерение уровня белков или пептидов с использованием двумерного гель-электрофореза, масс-спектрометрии или многомерных методик измерения белков.

· Метаболомика: измерение концентраций так называемых малых молекул, метаболитов.

· Гликомика: измерение уровня углеводов.

· Липидомика: измерение уровня липидов.

 

Кроме представленных методов измерения уровня молекул, существуют также более сложные методы, позволяющие измерять динамику характеристик во времени и взаимодействие между компонентами:

· Интерактомика: измерение взаимодействий между молекулами (например, измерение белок-белковых взаимодействий: PPI).

· Флаксомика: измерение динамики потоков и концентраций во времени (как правило метаболитов).

· Биомика: системный анализ биома

 

Многие перечисленные методики в настоящее время все ещё активно развиваются как в направлении увеличения точности и информативности измерений, так и в способах численной обработки получаемых данных.

 

Инструменты системной биологии

 

Исследования в области системной биологии чаще всего заключаются в разработке механистической модели сложной биологической системы, то есть модели, сконструированной на основе количественных данных об элементарных процессах, составляющих систему.

Метаболический или сигнальный путь может быть описан математически на основе теорий ферментативной или химической кинетики. Для анализа полученных систем могут применяться математические методы нелинейной динамики, теории случайных процессов, либо использоваться теория управления.

Из-за сложности объекта изучения, большого количества параметров, переменных и уравнений, описывающих биологическую систему, современная системная биология немыслима без использования компьютерных технологий. Компьютеры используются для решения систем нелинейных уравнений, изучения устойчивости и чувствительности системы, определения неизвестных параметров уравнений по экспериментальным данным. Новые компьютерные технологии оказывают существенное влияние на развитие системной биологии. В частности, использование исчисления процессов, автоматических средств поиска информации в публикациях, вычислительная лингвистика, разработка и наполнение общедоступных баз данных.

В рамках системной биологии ведется работа над созданием собственных программных средств для моделирования и универсальных языков для хранения и аннотации моделей. В качестве примера можно привести SBML, CellML (расширения XML для записи моделей), а также SBGN (язык графического представления структуры взаимодействий элементов биологических систем).

 

 

 

Биогеоценология.

 

Биогеоценология (от био..., гео..., греч. koinó s – общий и ló gos – слово, учение), наука о взаимосвязанных и взаимодействующих комплексах живой и косной природы – биогеоценозах и их планетарной совокупности – биогеосфере. Зародилась биогеоценология в недрах геоботаники, но впоследствии развивалась на стыке биологической и географической наук, отражая комплексный уровень изучения живой природы.

 

Биогеоценология, как самостоятельная наука возникла в начале 20 столетия. Но зачатки следует искать гораздо раньше. Для этого надо обратиться к истории развития естественной науки, истории экологических идей, ибо ничто так не учит, как учит история. Эти науки – науки о природе – развивались непрерывно, но неравномерно на протяжении всей своей истории.

 

 

Можно выделить следующие этапы в становлении и развитии естественных наук, и биогеоценологии в частности:

1. Первый этап – отражает примитивные знания, накапливаемые людьми, в т.ч. первобытными, в процессе тесного общения с природой и ведения натурального хозяйства. Период начался за много веков до новой эры и завершился в первые века до новой веры.

2. Второй этап – накопление фактического материала, но уже античными учеными, средневековый застой. Период: I-III век до н.э. – XIV век н.э.

3. Третий этап – продолжение сбора и первые попытки систематизация колоссального фактического материала, накопленного с началом великих географических открытий и колонизацией новых стран – в эпоху Возрождения. Период: с IV по XVIII век включительно.

4. Четвертый этап – связан с крупными ботанико-географическими открытиями, способствовавшими развитию экологического мышления и углублению экологических исследований, систематизация накопленного материала начало изучения взаимосвязей; выделены экология растений и экология животных; определение понятия «экология» (1866). Период: с конца XVIII – до второй половины (1866 г.) XIX века.

5. Пятый этап – доминирование исследований аутэкологического направления – изучение естественной совокупности видов, непрерывно перестраивающихся применительно к изменению факторов среды, т.е. факториальной аутэкологии; определение понятия «биоценоз» (1877), «экосистема» (1936) и «биогеоценоз» (1942). Период: со второй половины (1866 г.) XIX до середины (1936 г.) XX века.

6. Шестой этап отражает новый – системный, подход к исследованиям природных систем, формирование биогеоценологии и общей экологии, как самостоятельных фундаментальных биологических наук, доминирование синэкологического направления; изучение процессов материально-энергетического обмена, развитие количественных методов и математического моделирования. Период: 40-70 гг. XX века.

Специфика этого этапа – мнение о примате конкурентных отношений в биоценозах и принижение значимости эволюционных факторов, господство парадигмы дискретности.

7. Седьмой этап – «экологизация» всех отраслей науки; становление экологических наук, учитывающих деятельность Человека, т.е. социальной и политической направленности. Возрастание интереса к изучению популяций (демэкология), динамики формирования биогеоценозов в связи с антропогенными нарушениями; сокращение описательных и расширение комплексных стационарных исследований. Одно из главных направлений – организация долговременного экологического мониторинга разных уровней (наземного, регионального, глобального и пр.). Период: с 80-х годов XX века по настоящее время.

Специфика 7 этапа – отказ от примата конкурентных взаимоотношений в ценозе[6]; в фитоценологии[7] смена парадигмы дискретности на парадигму континуальности (непрерывности); развитие методов и теории экологического мониторинга.

 

В последнее десятилетие произошло объединение ряда тенденций последних периодов. Учеными признается как континуальность, так и дискретность растительного покрова – в природе есть и то и это, формируется новая парадигма – биологического разнообразия.

 

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: