Красноярск
Krasnoyarsk
Красноярск
Krasnoyarsk
В начале статьи обсуждается уровень необходимой феноменологичности сложных моделей. При работе со сложными системами, к которым, безусловно, относятся живые организмы и экологические системы, с необходимостью приходится использовать феноменологическое описание. Приведена иллюстрация феноменологического подхода, который ухватывает наиболее существенные даже не закономерности, а общие принципы или паттерны взаимодействий, причем конкретные значения параметров не могут быть вычислены из первых принципов, а определяются эмпирически. Также эмпирически и прагматически выбирается соответствующая интерпретация. Однако для моделирования более широкого круга ситуаций возникает необходимость понижать уровень феноменологии, переходить на более детальное описание системы, вводя взаимодействие между выделенными элементами системы. Формулируются требования к модели системы, совмещающей экологический, метаболический и генетический уровни описания клеточной культуры. Разработана математическая модель динамики кворум-эффекта в процессе роста накопительной культуры люминесцентных бактерий при разных концентрациях питательного субстрата. Модель содержит четыре блока, описывающие экологический, энергетический, кворумный и люминесцентный аспекты развития культуры. Модель продемонстрировала хорошее соответствие экспериментальным данным, полученным в ходе выполнения работы. При анализе модели отмечены три странности в поведении культуры, которые, предположительно, могут изменить представление о некоторых процессах, имеющих место при развитии культуры люминесцентных бактерий. Полученные результаты позволяют предположить наличие некоторой дополнительной системы контроля люминесцентной реакции через пути синтеза ФМН · Н2 или алифатического альдегида. В этом случае обобщенное описание вклада энергетического метаболизма в люминесценцию только через АТФ является слишком сильным упрощением. В результате анализа результатов сопоставления модельной динамики с экспериментом возникло расхождение между измеряемой в эксперименте концентрацией субстрата (пептона) и его эффективным действием на рост популяции бактерий. Это расхождение, по-видимому, указывает на то, что пептон не является ведущим субстратом и рост лимитируют биогены, содержащиеся в дрожжевом экстракте, концентрация которого в этих экспериментах не изменялась. Отмеченные расхождения между ожиданиями и результатами обработки экспериментальных данных вместе с предположениями о причинах этих расхождений задают направление дальнейших экспериментальных и теоретических исследований механизмов кворум-эффекта в культуре люминесцентных бактерий.
At the beginning of the paper, the level of necessary phenomenology of complex models is discussed. When working with complex systems, which of course include living organisms and ecological systems, it is necessary to use a phenomenological description. An illustration of the phenomenological approach is given, which captures the most significant general principles or patterns of interactions; the specific values of the parameters cannot be calculated from the first principles, but are determined empirically. An appropriate interpretation is also chosen empirically and pragmatically. However, in order to simulate a wider range of situations, it becomes necessary to lower the level of phenomenology, switch to a more detailed description of the system, introducing interaction between selected elements of the system. The requirements for a system model combining ecological, metabolic and genetic levels of cell culture description are formulated. A mathematical model of quorum sensing dynamics during the growth of batch culture of luminescent bacteria at different concentrations of the nutrient substrate has been developed. The model contains four blocks describing ecological, energy, quorum and luminescent aspects of bacterial culture growth. The model demonstrated good agreement with the experimental data obtained. When analyzing the model, three oddities in the behavior of the culture were noted, which presumably can change the idea of some processes taking place during the development of a culture of luminescent bacteria. The results obtained suggest the presence of some additional control system for the luminescent reaction via the synthesis pathways of FMN · Н2 or aliphatic aldehyde. In this case, the generalized description of the contribution of energy metabolism to luminescence only through ATP is too strong a simplification. As a result of comparing the model dynamics with the experiment, a discrepancy arose between the concentration of the substrate (peptone) measured in the experiment and its effective influence on the bacterial population growth. This discrepancy seems to indicate peptone is not the leading substrate, and growth is limited by nutrients contained in the yeast extract, the concentration of which did not change in these experiments. The discrepancies noted between the expectations and the results of experimental data processing, together with the assumptions about the causes of these discrepancies, set the direction for further experimental and theoretical studies of quorum sensing mechanisms in a culture of luminescent bacteria.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.