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物理化学学报 2010年第2期26卷 487-494页

作者：施建成董涛广西师范学院化学与生命科学学院南宁530001

研究了钙离子振荡体系在高、低两种不同频率信号作用下所产生的振动双共振(VBR)及其控制方法.结果表明:系统对低频信号响应的幅值随高频信号振幅的变化产生了振动双共振现象,并且低频信号的频率越低,振幅越大,系统通过振动双共振对微弱... 详细信息

研究了钙离子振荡体系在高、低两种不同频率信号作用下所产生的振动双共振(VBR)及其控制方法.结果表明:系统对低频信号响应的幅值随高频信号振幅的变化产生了振动双共振现象,并且低频信号的频率越低,振幅越大,系统通过振动双共振对微弱低频信号的放大倍数越大.体系离霍普夫(Hopf)分岔点的距离越近(控制参数域值越小),体系发生振动双共振所需要的最大高频信号幅值越往大的方向漂移,同时体系振动双共振的强度越小.细胞内钙波形成过程中的反馈机制对体系振动双共振的增强和减弱起着重要的作用,即正反馈机制对体系振动双共振强度起增强的作用,而负反馈机制却起减弱的作用.另外,体系中引入噪音所产生的随机共振不仅削弱振动双共振的强度而且还影响振动峰的个数,也发现存在极限噪音强度使体系产生不同的振荡行为,极限噪音强度之下,体系产生VBR现象,而极限噪音强度之上,体系则发生单峰振荡共振现象.

关键词：钙离子体系振动双共振随机共振噪音外信号

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钙离子体系中显式阵发振荡随机共振

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北京理工大学学报 2007年第12期27卷 1039-1041页

作者：王莹李前树北京理工大学化学物理研究所北京100081

采用介观的化学朗之万方程研究了内噪音对于钙离子阵发振荡行为的影响.模拟结果显示,体系的信噪比值在某一内噪音强度下,即某一细胞体积下达到最大.这一行为与随机共振现象相似,称之为显式阵发振荡随机共振.若采用相关时间度量阵发振荡... 详细信息

采用介观的化学朗之万方程研究了内噪音对于钙离子阵发振荡行为的影响.模拟结果显示,体系的信噪比值在某一内噪音强度下,即某一细胞体积下达到最大.这一行为与随机共振现象相似,称之为显式阵发振荡随机共振.若采用相关时间度量阵发振荡的相关性,则阵发振荡的相关时间也会在某一细胞体积下达到最大.

关键词：钙离子体系化学朗之万方程内噪音阵发振荡

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钙离子和耦合钙离子体系的动力学行为研究及对转录因子的调控机制

钙离子和耦合钙离子体系的动力学行为研究及对转录因子的调控机制

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作者：张秀芝广西师范学院

学位级别：硕士

非线性动力学研究的内容是系统在远离平衡态的条件下进行的非平衡非线性过程以及在这些非线性过程中形成的各种非线性动力学行为的特征、机理及其相互转变的规律。随机共振是非线性系统中的一种反直观现象和非线性现象,它是指非线性系... 详细信息

非线性动力学研究的内容是系统在远离平衡态的条件下进行的非平衡非线性过程以及在这些非线性过程中形成的各种非线性动力学行为的特征、机理及其相互转变的规律。随机共振是非线性系统中的一种反直观现象和非线性现象,它是指非线性系统、输入的信号和噪声之间存在某种匹配时,输入的信号能够得到放大且在某一噪声强度时信噪比能够达到极大值。它在物理、化学、生物、数学以及社会学等领域都有广泛的应用。随后研究发现,在某些具有内禀振荡的非线性体系中,没有外信号时也能发生类似的现象,被称为相干共振。细胞是生物体的基本结构和功能单位。Ca是细胞内最重要的第二信使之一,对细胞内及细胞间的信息传递起着重要的作用,而且由于其高度的非线性,存在着丰富的动力学行为,一直受到人们的广泛关注,同时它对转录因子的调控也成为人们研究的前沿之一。为了解释Ca的振荡行为及对转录因子的影响,人们建立了许多有关Ca动力学模型及转录因子动力学模型,本文就是在这些模型的基础上做了一些新的尝试和研究。主要内容如下: 1.利用数值模拟的方法研究了循环噪声对Ca体系的积极影响。结果表明:在循环噪声的作用下,再注入噪声分数为ε=1时,随着噪声延迟时间的增加,Ca体系表现出多重相干共振现象(Coherent Multiresonance,CMR),且再注入噪声分数ε的正负不能改变相干共振的强度,只能改变相干共振极值的位置,但ε取值的大小对相干共振振幅有重要影响。若加入外信号,相干共振的峰值随着振幅的增大而增大,但不改变共振峰的个数;若振幅一定时,随着频率的变化相干共振的变化比较复杂。振幅和频率的改变,均使第一个相干共振的极值较大,说明在形成第一个相干共振峰时更容易使噪声能量集中在信号低频区域。 2.研究了循环噪声作用下一维线性双向耦合Ca的动力学行为,发现体系的一端受到循环噪声扰动产生的Ca信号可以延着耦合体系进行有效的传递,并随着噪声延迟时间的改变产生周期性的Ca振荡。体系距离Ho|¨pf分叉点距离越近,体系发生共振的强度越大。同时发现噪声再注入分数为负值时体系亦发生周期循环始于不同相位的Ca2+振荡,且噪声强度较小时第一个共振峰分裂为较小的两个峰。另外,循环噪声再注入分数的大小也可以作为调控耦合Ca的一种追加方式。 3.研究发现:加入时间延迟后的Ca模型增大了Ho|¨pf分岔点的振荡区域,增加了Ca体系的不稳定性。进一步的研究表明:时间延迟的存在与延迟时间τ=0相比较,距离Ho|¨pf分岔点相同距离的稳态时,在内噪声或外噪声的作用下延迟时间的加入均可引起耦合Ca体系的相干共振,延迟存在时相干共振因子CM对应的极大值与无延迟时相比较基本相同,但延迟的存在增加了体系相干共振的抑制,即延迟存在时相干共振因子CM极大值对应的噪声强度与无延迟时比较大得多。 4.研究四种构形的耦合细胞如何通过噪音对Ca振荡的扰动来实现转录因子活性的有效调控。结果表明:随着噪音强度的变化,在最佳噪音强度之处转录因子的振荡产生了相干共振的动力学现象。说明细胞可通过噪音对细胞中Ca振荡的扰动而实现转录因子的最有效调控。当只有一种噪音源(内或外噪音)时,耦合细胞的构形对转录因子活性的影响大于噪音的影响,此时受噪音扰动的细胞与其它细胞平均距离距离越近,转录因子的振荡频率越高,规整度越大,越有利于信号的传递。而当不同噪音源作用于体系时,噪音的协同作用对转录因子活性的影响强于耦合细胞构形的影响。

关键词：钙离子体系细胞耦合相干共振时间延尺转录因子拓扑构形

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生物基因调控系统和钙离子振荡体系的动力学行为研究

生物基因调控系统和钙离子振荡体系的动力学行为研究

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作者：董涛广西师范学院

学位级别：硕士

非线性科学的研究涵盖数学、物理、生物、医学、地学、工程学、经济学、以及社会学等诸领域。非线性动力学研究的内容是系统在远离平衡态的条件下进行的非平衡非线性过程以及在这些非线性过程中形成的各种非线性动力学行为的特征、机理... 详细信息

非线性科学的研究涵盖数学、物理、生物、医学、地学、工程学、经济学、以及社会学等诸领域。非线性动力学研究的内容是系统在远离平衡态的条件下进行的非平衡非线性过程以及在这些非线性过程中形成的各种非线性动力学行为的特征、机理及其相互转变的规律。非线性动力学的研究对上述领域的研究具有非常重要的意义。生物体就是一个典型的远离平衡态的非线性体系。生物为了生存,无时无刻不在与环境进行着物质、能量和信息的交流。生物体细胞中各种信息的交流和传递控制着生物体的生长、发育、繁殖、代谢、应激等各种生命活动过程。而生物体生存的环境中充满了各种噪声和信号,可以肯定的是,细胞中各种信息的交流和传递受到各种噪声和信号的影响是不可避免的。因此,研究噪声和外信号对细胞信息交流和传递的影响就成为非线性科学研究的前沿之一。本论文重点研究了噪声和外信号对生物体细胞中基因调控系统和钙离子振荡系统的影响作用,我们的研究结果将会有助于更好地理解基因调控和钙离子振荡体系的动力学机制。主要内容如下:首先,研究了外界扰动对生物基因调控系统的影响作用。采用Hasty等人提出的合成基因网络模型研究了系统同时被加性噪声和乘性噪声调控时的动力学行为。研究发现噪声对基因调控开关具有调节作用;在合适的参数条件下噪声能够诱导系统出现显式内信号随机共振、隐式内信号随机共振和双重内信号随机共振现象。引入外周期信号后,发现通过调节外周期信号的振幅或频率可以增强或抑制系统的内信号随机共振强度,这表明可以通过调节外周期信号的振幅或频率对系统的内信号随机共振强度进行调节。其次,研究了噪声扰动方式对基因调控系统内信号随机共振的影响。受上述研究的启发,进一步研究了另外四种不同的噪声扰动方式对基因调控系统动力学行为的影响,结果显示:处于不同的噪声扰动方式下的基因调控体系,在噪声的诱导下,同样能够出现相应的显式内信号随机共振、隐式内信号随机共振和双重内信号随机共振现象。通过对比研究找到了系统发生内信号随机共振和双重内信号随机共振的最佳的噪声扰动方式,即在合成基因网络模型CI蛋白质降解速率γx和Lac蛋白质的降解速率γy上都引入乘性噪声的噪声扰动方式,提出了一种调节系统内信号随机共振和双重内信号随机共振的新方案。再次,研究了生物基因调控系统的振动共振。结果表明:处于稳定态的系统在高、低两种不同频率信号作用下可以发生振动共振现象;并且不同振幅或频率的低频信号都可以通过振动共振得到不同程度的放大;不同的控制参数下系统发生振动共振的最佳高频振幅与相应的高频信号频率的比值为不同的常数值,这一经验规律的发现,为寻找不同高频信号频率下系统发生振动共振所需的最佳高频信号振幅提供了便利;并进一步讨论了噪声的引入对系统振动共振的影响。最后,研究了钙离子体系的振动双共振控制。研究发现:在高、低两种不同频率信号作用下系统对低频信号响应的幅值随高频信号振幅的变化产生了振动双共振现象;并且系统通过振动共振可以把不同频率或振幅的微弱低频信号加以放大。我们还研究了体系距离分岔点的远近(在第一个霍普夫(Hopf)分岔点附近)和细胞内钙波形成过程中的正反馈和负反馈机制对体系振动双共振的影响以及噪声引入后体系的振动双共振和随机共振的相互作用关系,提出了控制体系振动双共振和随机共振的方法。

关键词：非线性体系合成基因网络钙离子体系内信号随机共振振动共振

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