مدلسازی در زیست شناسی

[ali salehzadeh]

مدلسازی (Modeling) ابزاری ریاضیاتیست که در تمام علوم جای خود را باز کرده و تقریبا تمام علوم به شکل نوین خود از این ابزار استفاده میکنند. مدلسازی در شیمی و فیزیک سابقه بسیار طولانی دارد. برام بنویسید که اصلا چرا ما دست به مدلسازی می زنیم؟ جایگاه این ابزار ریاضیاتی در زیست شناسی کجاست؟ چه کاربردهایی داره؟ با یک مثال زیستی نحوه استفاده از این ابزار مفید را شرح دهید.

منتظر نظراتتون هستم.

 

[Wizard]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

به نام خداوند دانا و توانا

​

سلام بر همگی

البته از استاد صالح زاده عذر می خواهم و خوب اگر قرار بود که من در نوشته هایم اشتباهی نداشته باشم. الان یک راهبر بودم و خوب دوست دارم جناب استاد و بقیه

ایرادات من رو بگیرند.


مدل سازی یکی از کار های مهم است. البته در آمار نوشته شده ولی ...

ترجیح می دهم توضیح دیگری داشته باشم.

یک بیان ساده. مدل سازی: بیان مسأله به زبان ریاضی را مدل سازی می گویند. این تعریف خوبی بود که معلم آمار و مدل سازی که معلم هندسه ی ما هم بود گفت و من در

جزوه ام نوشتم.

حالا این یعنی چه؟

برای توضیح دادن من حرف هایم رو بخش بخش می کنم تا اگر کسی مایل نبود همه ی مطالب را بخواند به سراغ بخش مورد نظر برود.


مثال ریاضی

============================
مساله ی زیر را می خواهیم مدل سازی کرده. حل کنیم(( توضیحات به رنگ سبز))

علی از شهر A می خواهد به شهر B برود. و برای این کار باید از شهر C بگذرد. از شهر A به شهر C

2 راه است و 3 راه از شهر C به B چند حالت برای رفت علی از شهر A به شهر B وجود دارد.

حالا فرایند مدل سازی را انجام می دهیم (( کار اصلی را Q و کار هایی که باید انجام شوند تا Q انجام شود به صورت Q[SUB]n[/SUB]و...و Q[SUB]2[/SUB]وQ[SUB]1[/SUB]

نام گذاری می کنیم و n همانطور که می دانید یعنی تعداد کار هایی که داریم))

Q= جابجایی از شهر A به شهر B

Q[SUB]1[/SUB]= جابجایی از شهر A به شهر C

Q[SUB]2[/SUB]= جابجایی از شهر C به شهر B

تعداد حالت های Q[SUB]1[/SUB] و Q[SUB]2[/SUB] را می نویسیم
Q[SUB]1[/SUB]=2
Q[SUB]2[/SUB]=3
مساله را مدل سازی کردیم. الان برای حل مساله ی قهوه ای رنگ لازم نیست که وقتمان را بی خودی هدر بدهیم و مساله را بار ها و بارها بخوانیم.

تمام مساله ی بالا را به زبان ریاضی تعریف کردیم. یعنی بجای اینکه بگوییم علی از A می خواهد به B برود . گفتیم یک کار مثل Q داریم. مدل سازی مساله های ریاضی

کار را راحت تر می کند. من می تونستم بگم علی بجای اینکه بخواهد از شهر A به B برود . بگویم علی می خواهد شلوار و پیراهن بپوشد. او دو نوع شلوار و سه نوع پیراهن

دارد. حالا چند حالت برای نوع پوشیدن علی هست. راه حل این مساله دقیقا با راه حل مساله ی بالا یکی است. ولی چون متن مساله متفاوت هست . ممکن است شما

فکر کنید این مساله راه حل متفاوتی دارد. یکی از کاربرد های مدل سازی همین هست. که راه حل را کاملا مشخص می کند

از داده های بالا استفاده می کنیم

Q[SUB]1[/SUB]و Q[SUB]2[/SUB] باید با هم انجام شوند تا که Q انجام شود. پس مطابق اصل ضرب که هرگاه برای انجام یک کار اصلی باید دو کار فرعی را انجام دهیم(( به ترتیب مثل عبور از شهر ها یا

بدون ترتیب مثل پوشیدن پیراهن و شلوار)) تعداد حالات کار های فرعی را در هم ضرب می کنیم.


Q[SUB]1[/SUB]=2
Q[SUB]2[/SUB]=3
Q=2*3=6

تعداد حالات علی برای جابجایی از شهر A به شهر B برابر 6 هست.

کاربرد مدل سازی را در مسأله ی بالا دیدید.

==================================================================================
کاربرد مدل سازی در زیست.
==================================================================================

نمونه ی قشنگ مدل سازی در مبحث زیست شناسی همان اسکلت هایی است که در آزمایشگاه های زیست مشاهده می کنید.

یک معلم برای اینکه بخواهد . ساختار اسکلت را بدون وجود دستگاه های دیگر به دانش آموزان نشان دهد. نمی تواند از اسکلت های واقعی استفاده کند. و شاید معلم فقط

بخواهد در مورد مفصل ها و نوع حرکتشان حرف بزند. بنابراین. اگر یک وسیله ی دیگری باشد که معلم از روی آن بتواند نوع حرکت مفصل ها را نشان دهد . به آن وسیله مدل می گویند

.

بعضی از جراحان برای اینکه بتوانند بهتر جراحی کنند. از قبل روی وسیله ی دیگری اعمال جراحی را انجام می دهند. خوب این استفاده از مدل است.

اما مدل سازی:

اساسا در زیست مشاهده مستقیم و با خود مساله هست!!(( تشریح و ... :151:))

ولی خوب خوب نیست که همیشه هم با خود مساله باشد. یعنی صرف نمی کند. ما برای همین مثلا اندازه ی شش یک ماهی را در نظر می گیریم. بعد یک ماهی را یک مدتی که

نمیرد(( توجه کنید . نمیرد.)) بیرون آورده و بعد داخل آب می بریم و واکنش های بدنش را مشاهده می کنیم. حالا مثلا ما می گوییم با توجه به اندازه ی شش x و ضربان قلب y

ماهی فلان واکنش را ایجاد کرد که موجب تولید ماده ی Z شده و اگر Z از مقداری بالاتر برود . ماهی مرده است. در مدتی که ماهی بیرون بود تمامی عوامل X و Y و Z همچنین

زمانی که بیرون بوده را در نظر گرفته. حالا بجای اینکه ماهی را بکشیم. با یک تابع مشخص ماهی را از خطر مرگ نجاب می دهیم. ممکن هست در تابع ما مشکلاتی پیش بیاید.

خوب این طبیعی است ما در علم فیزیک هم داریم که اگر جسم بر کانون باشد تصویر در بینهایت تشکیل می شود. ولی می بینیم که وقتی در واقعیت این کار را می کنیم.

جسمی در نقطه ی کانون قرار دارد. تصویرش در یکجای دور تشکیل می شود. به علاوه ما بعضی موقع ها در فیزیک مساله را بدون وجود نیروی اصطحکاک حل می کنیم

در صورتی که در واقعیت اصطکاک هم وجود دارد و اتفاقا تاثیر بسزایی دارد




=========
در کل وقتی شما مساله ای را که مربوطه به یک شی خاصی هست. با یک شی ای شبیه به شی اولیه حل کنید. در واقع

مدل سازی کردید

و خوب من دستم در کار نیست، شما زیست شناسان عزیز بگویید

با تشکر

 

[Mahdikiaee]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

براي ساختن وسايل مختلف از قبيل ماشين و انواع موتور هاي مكانيكي و ... اگر بدون مدل سازي قبلي دست به توليد انبوه بزنيم ممكنه خيلي ضرر كنيم.چون با مدلسازي ميشه مشكل هاي شي مورد نظر رو پيدا كنيم و اصلاح كنيم و بعد از آزمايش نهايي ، توليد انبوه رو شروع كنيم.
يه توضيح ساده :چالش بزرگی که در حال حاضر دانشمندان در زیست شناسی سامانه ها (Systems Biology) با آن روبرو هستند، بهره‌برداری از انبوهی از داده ها و اطلاعات در سطوح مختلف سلولی و فرآیندهای رشد و نمو موجودات زنده و ادغام و تحلیل این اطلاعات به منظور درک بهتر برهمکنش سطوح مختلف زیستی می‌باشد.
برای دستیابی به این هدف، باید روش های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود. بدین ترتیب، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعاتی کارآمد و مفید از این داده‌های خام که در پایگاه‌های داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از داده‌های خامی که در پایگاه‌های داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک می‌کنند.
مثالش:نرم‌افزار Cell Designer برای ایجاد شبکه های واکنش ها به کار می‌رود.
 
 Cell Designer اشکال متفاوتی برای انواع مولکول ها مثل پروتئین ها، گیرنده‌ها، کانال های یونی، متابولیت های کوچک و … به صورت پیش فرض در نظر گرفته است. همچنین نمادهایی برای واکنش های مختلف مثل فسفریلاسیون و تغییرات دیگر مولکولی وجود دارد. همچنین نرم‌افزار علائم خاصی برای برخی از انواع واکنش ها مثل کاتالیز، انتقال عامل، سرکوب و فعال کردن مهیا کرده است.
Cell Designer قالب SBML را می‌پذیرد و بنابراین می‌توان از طریق اینترنت، مدل هایی که با این استاندارد نوشته شده‌اند را استفاده کرد و این مدل ها را به صورت یک درختواره نشان داد. با کلیک روی هر بخش از این درختواره می‌توان عناصر آن را در یک پنجره جدید مشاهده با جزئیات بیشتر ملاحظه کرد.
 

 

[farima kh]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

خوب شخصا در مورد مدل سازی هیچی نمیدونم اما خوب تو مساتل با ریاضی خیلی برخورد داشتم میگم اگر کسی نمیدونه لطف کنید خوتون یک توضیح بدید ما هم با هاش اشنا بشیم

 

[ali salehzadeh]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

من اگه نتونم چیزی را مدل کنم یعنی درک صحیحی از آن پدیده ندارم!!!

مدلسازی بیان ریاضیاتی یک پدیده طبیعی است. این امر به ما کمک می کند تا حالات مختلف اون پدیده را درک کنیم و بتونیم حرکتهای بعدیش را پیشبینی کنیم. به گستردگی دنیای ریاضیات، مدلسازی های مختلفی هم داریم. گراف ها یکی از بخش های ریاضیات گسسته است که می توان ازش کمک گرفت. آنالیز شبکه های اجتماعی، شبکه های کامپیوتری و حتی شبکه های زیستی. از آمار نیز میشه کمک گرفت؛ بیان پدیده های تصادفی و .... از معادلات دیفرانسیل نیز برای پدیده های پویا استفاده میکنند.

شبیه سازی (Simulation) به چه معناست؟
در واقع به اجرای مدل ریاضیاتی در محیط کامپیوتر شبیه سازی میگن.

این مدلسازی ها چه کمکی میکنه؟
اگر شما تونستید یک پدیده را بخوبی مدل کنید یعنی اینکه تمام اتفاقاتی که در اون حالت میوفته را فهمیدید، و این امر تا زمانی پیش میره که مدل شما 100% توان پیشگویی وقایع را داشته باشه.

یک مثال ساده؛
شما در ذهن خودتون حرکت یک اتوموبیل را مدل میکنید. میدونید که باید چه زمانی ترمز بگیرید تا اتوموبیل کاملا بایسته. اگر اتوموبیلتان عوض شه، مدل شما نیز عوض میشه.

به نظر شما آیا سلول را میشه مدل کرد؟ آیا میشه فهمید کی سرطانی میشه؟ کی میخواد انسولین ترشح کنه و یا کی زمان آپوپتوزیزشه؟

منتظر نظراتتون هستم

 

[ghazaalqsm]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

به نظر من سلول نميشه مدل سازي كرد چون سلول ها به هم ديگه وابستن وتغييري كه رو سلول ايجاد ميشه فقط به خود اون سلول مربوط نميشه!

 

[ali salehzadeh]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

چه جواب هوشمندانه ای.
خب، اگه ما بیایم و ارتباطات سلولی را هم مدل کنیم، اونوقت چی؟

 

[ghazaalqsm]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

الان مسخرم كردين؟:2:
بازم نميشه عوامل خارجي هم اثر دارن!

 

[ali salehzadeh]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

چرا مسخرت کنم، آخه خیلی خوب جواب دادی. اما میشه اثرات خارجی را هم مدل کرد. اگه گفتی چه شکلی؟؟

 

[ghazaalqsm]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

اون عوامل محيطي اصلي كه رو فعاليت سلولها بيشترين اثر رو دارن در نظر بگيريم و ثرات هر كدومم بررسي كنيم و تو مدلمون اثر بديم!
البته فك كنم جوابم غلطه بيشتر فك ميكنم اگه به جواب منطقي تري رسيدم ميگم!:53:

 

[ghazaalqsm]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

اقاي صالح زاده من به هيچ جوابي نرسيدم!
اگه ميشه خودتون بگين چطوري اثرات خارجي رو ميشه مدل كرد!

 

[ali salehzadeh]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

باشه، تمام اتفاقاتی که درون سلول میوفته وابسته به غلظت ترانسکریپت ها، پروتئین ها، متابولیت ها و روابطی هست که بین اونا برقراره ( از نظر ریاضی). در کنار این مساله از نظر ترمودینامیک ما سیستم ها را تعریف میکنیم و برای هر سیستمی ی مرز داریم، اینکار را برای سلول هم میتونیم انجام بدیم که مرز آن همان غشای سلولی است. حالا اگه سرعت ورود و خروج مواد (بسته به نوع انتقال؛ دیفیو/زن یا پمپاژ یا .....) را داشته باشیم میتوان میزان تاثیر محیط خارج سلولی را بر رخدادهای سلولی مدل کرد

 

[bh2ao]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

مدلسازی (Modeling) ابزاری ریاضیاتیست که در تمام علوم جای خود را باز کرده و تقریبا تمام علوم به شکل نوین خود از این ابزار استفاده میکنند. مدلسازی در شیمی و فیزیک سابقه بسیار طولانی دارد. برام بنویسید که اصلا چرا ما دست به مدلسازی می زنیم؟ جایگاه این ابزار ریاضیاتی در زیست شناسی کجاست؟ چه کاربردهایی داره؟ با یک مثال زیستی نحوه استفاده از این ابزار مفید را شرح دهید.

منتظر نظراتتون هستم.

كاهي لازمه اثرات جيزي رو بر روي جيز ديكه اي ببينيم يا بخوايم براي شناخت بيشتر ي جيز و عوامل موثر براون مي تونيم با ايجاد ي فضاي ساختكي از اون جيز ب مطالعه ي دقيق تر اون ببردازيم.........و فك مي كنم علت استفاده از ان اينه ك برخي جيزا يا خيلي كوجيكن ويا دسترسي ب ان كم و يا نا ممكنه وبرا جمع اوريه اطلاعات بيشتر از ان مدلي ساخته و اون مدل رو درشرايط ازمايشكاه يا طبيعت مورد بررسي قرار مي دن....

 

[bahar##]

پاسخ : مدلسازی در زیست شناسی

زیست شناسی سامانه‌های سلولی (Cell Systems Biology) تلاشی است برای درک سازوکارهای اجزا عملیاتی سلول یا یک موجود کامل و فرآیندهای رشد و توسعه آنها، که از طریق پیش­بینی خصوصیات این سازوکارها و فرآیندها با استفاده از داده‌های عددی به دست آمده و تحلیل برهمکنش عناصر متعدد این سامانه‌ها کسب می‌شود. این اطلاعات به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با مطالعه و درک دینامیک (پویایی) سلولی و عمل سازواره‌ها بتوانند الگوهای تنظیم سلولی را مدلسازی نموده و اطلاعاتی از شبکه های مسیرهای ترارسانی پیام­ها (Signal Transduction) که برای اعمال فیزیولوژیکی و رشد و توسعه موجودات زنده لازم است، کسب نمایند. برای دستیابی به این هدف، باید روش­های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود چرا که تاکنون بخش اعظم زیست شناسی به جای تمرکز در خلق الگوهای شبیه­ سازی شده کمی، اکتشافی و توصیفی بوده است.تاکنون هیچ برنامه‌ای که بتواند فرآیندهای زیستی را به طور دقیق مدلسازی نماید ساخته نشده است. البته استانداردهای جدیدی نیز لازم است تا با طراحی و تجزیه و تحلیل آزمایش­ها، خطاهای موجود در کار با مجموعه‌های عظیم داده‌ها را به حد قابل قبولی برساند.