Оглавление
Список сокращений ................................................................................................ 7
Введение ................................................................................................................... 8
Актуальность работы ........................................................................................... 8
Цели и задачи работы: ....................................................................................... 11
Научная новизна ................................................................................................. 13
Положения, выносимые на защиту .................................................................. 15
Теоретическая и практическая значимость работы ........................................ 16
Апробация результатов ..................................................................................... 17
Список публикаций автора по теме диссертации ........................................... 22
1. Обзор литературы: о проблемах и перспективах моделирования
эволюционно-биологических процессов ............................................................ 29
1.1. Уровни биологической организации и их взаимосвязь .......................... 29
1.1.1. Молекулярно-генетический уровень организации............................ 31
1.1.2. Клеточный уровень организации ........................................................ 37
1.1.3. Тканевый/органный уровень организации ......................................... 40
1.1.4. Организменный уровень организации ................................................ 48
1.1.5. Популяционный уровень организации ............................................... 49
1.1.6. Экологический/биоценотический уровень организации .................. 55
1.2. Заключение по литературному обзору ..................................................... 58
2. Моделирование микробных сообществ .......................................................... 60
2.1. Методика моделирования микробных сообществ, основанная на
концепции супериндивида ................................................................................ 62
2.2. Расширенная версия ГЭК для моделирования пространственно
распределённых сообществ............................................................................... 67
3
2.2.1. Моделирование пространственно-распределённой среды обитания
........................................................................................................................... 67
2.2.2. Моделирование протока ....................................................................... 69
2.2.3. Моделирование диффузии ................................................................... 69
2.2.4. Моделирование хемотаксиса ............................................................... 71
2.2.5. Факторы пространственного перераспределения и энергетические
резервы клеток ................................................................................................ 73
2.3. Моделирование питания и синтез питательных веществ ....................... 74
2.3.1. Моделирование потребления питательных веществ ........................ 74
2.3.2. Моделирование синтеза питательных веществ ................................. 75
2.4. Моделирование генетического разнообразия популяции ...................... 76
2.5. Моделирование фаговой инфекции .......................................................... 81
2.6. Программный комплекс «Гаплоидный эволюционный конструктор» . 83
2.6.1. Общая архитектура ПК ГЭК ................................................................ 83
2.6.2. Организация потока вычислений ПК ГЭК ......................................... 85
2.6.3. Модули высокопроизводительных вычислений с параллелизацией
по генетическому разнообразию сообщества .............................................. 86
2.6.4. Модули высокопроизводительных вычислений с параллелизацией
по пространственной структуре среды обитания сообщества ................... 92
2.6.5. Модули интеграции ПК ГЭК с существующими средствами
моделирования генных сетей и базами данных ......................................... 102
2.6.6. Графический интерфейс пользователя ПК ГЭК и веб-приложения
......................................................................................................................... 108
2.7. Содержательные биологические результаты, полученные с
использованием ПК ГЭК ................................................................................. 113
4
2.7.1. Компьютерное моделирование эволюции микробной популяции:
преодоление локальных минимумов при достижении пика на ландшафте
приспособленности ....................................................................................... 113
2.7.2. Моделирование формирования и конкуренции популяций
подвижных микроорганизмов с различными адаптационными
стратегиями в периодически изменяющейся среде .................................. 132
2.7.3. Моделирование эволюции в популяциях подвижных
микроорганизмов с различными адаптационными стратегиями в
периодически изменяющейся среде ............................................................ 153
2.7.4. Моделирование эволюции в системе «прокариотическое
сообщество – бактериофаг» ......................................................................... 163
2.8. Методика моделирования микробных сообществ, основанная на
агентно-ориентированной концепции ........................................................... 178
2.8.1. Описание внутренних метаболитов клетки ..................................... 181
2.8.2. Описание генной сети общего метаболизма клетки ....................... 182
2.8.3. Описание генной сети транспортных процессов клетки ................ 183
2.8.4. Описание генной сети клеточного деления ..................................... 183
2.8.5. Описание генной сети хемотаксиса .................................................. 184
2.8.6. Моделирование жизненного цикла и деления клетки .................... 184
2.8.7 Программный комплекс Microcosm ................................................... 185
2.8.9. Верификация программного комплекса Microcosm ........................ 188
2.9. Заключение к главе 2 ................................................................................ 189
3. Моделирование популяций диплоидных организмов ................................. 193
3.1. Методика моделирования популяций сложноорганизованных
диплоидных организмов .................................................................................. 193
5
3.2. Программный комплекс «Диплоидный эволюционный конструктор»
............................................................................................................................ 201
3.2.1. Модули поддержки высокопроизводительных вычислений ПК ДЭК
......................................................................................................................... 207
3.2.2. Графический интерфейс пользователя ПК ДЭК ............................. 220
3.3. Содержательные биологические результаты, полученные с
использованием ПК ДЭК ................................................................................ 222
3.3.1. Верификация ПК ДЭК на классических задачах генетики
популяций ...................................................................................................... 223
3.3.2. Исследование инбридинга и аутбридинга в популяциях диплоидных
организмов ..................................................................................................... 225
3.3.3. Моделирование популяционно-генетических и миграционных
процессов в популяциях древних людей на территории Евразии ........... 227
3.3.4. Модель эволюции генной сети с отрицательными обратными
связями при разных типах отбора ............................................................... 231
3.4. Заключение к главе 3 ................................................................................ 235
4. Моделирование эволюции популяций с учётом социальных факторов ... 238
4.1. Методы моделирования биологических популяций с учётом
социальных факторов ...................................................................................... 240
4.1.1. Модель «Агрессор — Защитник» ................................................... 240
4.1.2. Расширенная модель «Агрессор - Защитник» ............................... 241
4.1.3. Основные режимы динамики модели «агрессор — защитник» .. 246
4.2. Модель распространения генетической глухоты в популяциях людей с
разными социально-демографическими структурами ................................. 252
4.2.1. Итерационный цикл модели PGD-S ............................................... 259
4.2.2. Стратегия выбора партнеров (СВП) ............................................... 259
6
4.2.3. Программный комплекс PGD-S ...................................................... 263
4.2.4. Моделирование трендов распространения глухоты в программе
PGD-S 265
Заключение к главе 4 ....................................................................................... 267
Заключение .......................................................................................................... 268
Выводы ................................................................................................................. 272
Список литературы ............................................................................................. 275
Приложение 1. Язык описания моделей ГЭК .................................................. 316
Приложение 2. Система плагинов ДЭК ............................................................ 323
Приложение 3. Язык описания моделей ДЭК .................................................. 324
Приложение 4. Сценарий моделирования популяционно-генетических и
миграционных процессов в популяциях древних людей на территории
Евразии ................................................................................................................. 326
Приложение 5. Общая архитектура программного комплекса PGD-S ......... 329
