Исследование отношений между структурой и функцией эволюционно возникших систем с помощью нейросетевой модели

• Автор: Барцева, Ольга Дмитриевна
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 124 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА СООТВЕТСТВИЯ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ СИСТЕМ, ВОЗНИКШИХ ЭВОЛЮЦИОННЫМ ПУТЕМ.

1.1 Экспериментальные данные о соотношении структуры и функции

БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

1.2 Феноменологические модели инструмент исследования сложных систем

1.3 Сети как способ описания сложных систем.

1.4 Нейронные сети

1.5. Эволюционный процесс как поиск экстремума функции приспособленности.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1. Алгоритмическое обеспечение генерации нейросетевых модельных объектов с заданной функцией
2.2 Сгандартные мегоды оценки сходства структур НМО.
2.3 Методы поиска локальной и дискретной симметрий
2.4. Контрастирование НМО.
2.5. Получение структур нейросетей, сформированных под действием мутационного давления.
2.6. Обозначения нейросетей, используемые в работе
2.7. Описание программного пакета, используемого в работе.
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬГЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СРАВНЕНИЮ СТРУКТУР НМО
3.1 Результаты сравнения структур НМО при помощи статистических и алгебраических методов
3.2 Оценки сходства структур НМО, получгпшые вычислением евклидова
расстояния
Результаты и выводы главы.
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ КЛАСТЕРОВ.
4.1 Локальная симметрия структур НМО, выполняющих одинаковые функции.
4.2 Дискретная симметрия. Число кластеров, формируемых структурами
Результаты и выводы главы.
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭКВГГОАЛЕНТНОСТИ СТРУКТУР НМО, ВЫПОЛНЯЮЩИХ ОДИНАКОВЫЕ ФУНКЦИИ.
5.1 Применение симметричных преобразований к НМО, выполняющим одну и ту же функцию
5.2 Анализ минимальных структур, обеспечивающих выполнение данной
функции.
Результаты и выводы главы.
ГЛАВА 6. АНАЛОГИИ МЕЖДУ СВОЙСТВАМИ НМО И ДРУГИМИ СИСТЕМАМИ, ВОЗНИКШИМИ ЭВОЛЮЦИОННЫМ ПУТЕМ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Существование функционального инварианта структуры нейросети означает эквифинальность исходов процесса обучения вне зависимости от конкретной траектории его реализации. Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Сибирском Конгрессе по Прикладной и Индустриальной математике ИНПРИМ, IX Международном симпозиуме Реконструкция гомеостаза, VII Всероссийском семинаре Информатика и се приложения, III Всероссийском семинаре Моделирование неравновесных систем Симпозиуме Гомеостаз, Конференции, посвященной летию со дня рождения А. А.Ляпунова, Новосибирск, IV Всероссийском семинаре Моделирование неравновесных систем. ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА СООТВЕТСТВИЯ СТРУКТУРЫ И ФУНКЦИИ СИСТЕМ, ВОЗНИКШИХ ЭВОЛЮЦИОННЫМ ПУТЕМ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Экспериментальные данные о соотношении структуры и функции биологических систем. Центральной проблемой теоретической биологии и биофизики сложных систем, по мнению М. Волькенштейна, является проблема развития, имеющая филогенетический и онтогенетический аспекты Волькенштейн, . Одной из граней проблемы развития является проблема эволюции. Однако эту проблему невозможно обсуждать без обсуждения проблемы соответствия структуры и функции, поскольку результатом эволюции является выполнение определенной функции, а изменения происходят в структурах, выполняющих эту функцию. По мнению Дж. Бернала биология методологически отличается от других естественных наук тем, что в фокусе внимания находятся прежде всего функционирование курсив Дж. Бернала и эволюция систем. Структура здесь имеет значение только в связи с функцией и происхождением. Происхождение, структура и функция теперь уже не могут быть разделены. Аналогичное мнение высказывал и Т. Добжанский Все в биологии имеет смысл только в контексте эволюции цит. , , стр. Возможно, наиболее полно суть этой проблемы отражена в следующем высказывании Каждая отдельная система, возникающая в результате мутаций и отбора, непредсказуема в отношении своей структуры тем не мснсс неизбежным результатом всегда является процесс эволюции это закон. Эйген, . Таким образом, из этого высказывания следует, что соответствующая функция в результате эволюционного процесса возникает неизбежно, а конкретный вид структуры, выполняющей эту функцию, непредсказуем. Прикладной аспект этой проблемы, важный для белковой инженерии и экологии, может быть сформулирован следующим образом Можно ли по известной структуре предсказать функцию биологической системы, и наоборот, построить или реконструировать структуру, выполняющую данную функцию В настоящее время известны многочисленные примеры выполнения одной и той же функции различными структурами. Например, в лабораторных экспериментах было показано, что при случайном синтезе полипептидов возникает много каталитических функций, иногда очень специфических, например, химотрипсиноподобная функция у полипептидов с беспорядочной структурой. Эти продукты нс образуются воспроизводимым образом. И даже, если некоторые функции возникают воспроизводимо, их носителями оказываются совершенно различные и неродственные структу ры Фокс, . Известно, что имеется много типов ферментов, катализирующих реакции с использованием молекулярного кислорода, причем эти ферменты структурно неродственны. Также существует много типов ферментов, катализирующих гидролиз пептидной связи. Каждое из семейств этих ферментов имеет особый механизм и структуру Уайт, . Другим указанием на неоднозначное соответствие структуры и функции биологических макромолекул являются теория нейтральности М. Кимуры Кимура, Кппига, . Из проведенного им анализа экспериментальных данных и разработанной им теории нейтральности следует, что большая часть мутационных замещений в ходе эволюции обусловлена случайным закреплением нейтральных или почти нейтральных мутаций. Наличие нейтральных мутаций говорит о неоднозначном соответствии функции биологических макромолекул их структуре. Идейно близки к концепции М. Кимуры исследования по изучению отображения нуклеотидной последовательности в фенотип, использующие вычислительную модель мутационного процесса РНК длиной нуклеотидов.