Publications

ПУБЛИКАЦИИ

An iterative approach to complicated models of intracellular control. Intraneuronal injection of cyclic AMP.

Итеративный подход к моделированию внутриклеточного управления. Внутринейронная инъекция сАМР

An iterative approach to complicated models of intracellular control. Intraneuronal injection of cyclic AMP.

1992

Biological membranes

1992

Биологические мембраны

1992

Biological membranes

V. 9, № 9, 992-1000

V. 9, № 9, 992-1000

Abstract

Abstract

АННОТАЦИЯ

АННОТАЦИЯ

А new approach to numerical integration of high-dimension systems of differential equations is proposed.

The main idea оf the method is to divide the whole system of model equations into а number of sybsystems (blocks). Calculations are performed consequently: the output data of оnе block аrе used as the input оf the nехt block. Numerical integration is organized as аn iterative procedure. The SIВ-method is applied to the model of the neuron, describing the effects of membrane permeability changes. The mathematical model based оn the experimental studies of the еffect of intraneural injection of сАМР is а complete system of two diffusion equations and nonlinear ordinary differential equations. The model developed describes the fast mechanism of membrane permeability control. It is assumed that the mеmbrane permeability cllanges аrе controlled bу the intraneuronal system. The сАМР molecules, binding to the R subunit of protein kinase associated with the microtubular protein МАР2, activate the system. The observed delay in the response seems tо bе due to the microelectrode destroying part of the cytoskeleton. The calculations that take into account this assumption correspond completely to the experimental data. The SIВ-method appears to bе very useful in the description of ап intracellular control system. This method mау also bе used to study соmрlех biological and сhеmicаl systems when а large number of stimulations is reguired (for instance, distributed chemical systems with diffusion).

Предлагается новый подход к интегрированию систем дифференциальных уравнений большой размерности. Основная идея этого метода состоит в разбиении всей системы уравнений модели на подсистемы (блоки). Вычисления ведутся последовательно: данные на выходе одного блока используются в качестве входных данных следующего блока. Численное интегрирование организовано в виде итеративного процесса. Метод SIВ (Split Into Вlocks) применен к модели нейрона, описываюшей эффекты изменения прводимости мембраны. Математическая модель, основанная на экспериментальном исследовании сАМР, представляет собой попную замкнутую сисrему, состоящую из двух уравнений диффузии и системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Разработанная модель описывает быстрый механизм управления проницаемостью мембраны нейрона. Было высказано предположение, что изменением проницаемосrи мембраны управляет внутринейронная сисrема. Мопекулы сАМР, связываясь с R-субъеднницей протеинкиназы, ассо-
циированной с микротубулярным белком МАР2, активируют управляющую систему Наблюдаемая задержка ответа на инъекцию сАМР связана, по-видимому, с тем, что микроэлектрод в момeнт инъекции разрушает некоторую часть цитоскепета клетки. Расчеты, учитывающие это предположение, полностью совпадают с экспериментальными данными.

SIВ-метод может оказаться полезным для описания внутриклеточной управляющей системы. Кроме того, этот метод может быть использован для изучения сложных биологических и химических систем, где требуется большое число расчетов (например, распределенные химические системы с диффузией).

Предлагается новый подход к интегрированию систем дифференциальных уравнений большой размерности. Основная идея этого метода состоит в разбиении всей системы уравнений модели на подсистемы (блоки). Вычисления ведутся последовательно: данные на выходе одного блока используются в качестве входных данных следующего блока. Численное интегрирование организовано в виде итеративного процесса. Метод SIВ (Split Into Вlocks) применен к модели нейрона, описываюшей эффекты изменения прводимости мембраны. Математическая модель, основанная на экспериментальном исследовании сАМР, представляет собой попную замкнутую сисrему, состоящую из двух уравнений диффузии и системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Разработанная модель описывает быстрый механизм управления проницаемостью мембраны нейрона. Было высказано предположение, что изменением проницаемосrи мембраны управляет внутринейронная сисrема. Мопекулы сАМР, связываясь с R-субъеднницей протеинкиназы, ассо-
циированной с микротубулярным белком МАР2, активируют управляющую систему Наблюдаемая задержка ответа на инъекцию сАМР связана, по-видимому, с тем, что микроэлектрод в момeнт инъекции разрушает некоторую часть цитоскепета клетки. Расчеты, учитывающие это предположение, полностью совпадают с экспериментальными данными.

SIВ-метод может оказаться полезным для описания внутриклеточной управляющей системы. Кроме того, этот метод может быть использован для изучения сложных биологических и химических систем, где требуется большое число расчетов (например, распределенные химические системы с диффузией).

А new approach to numerical integration of high-dimension systems of differential equations is proposed.

The main idea оf the method is to divide the whole system of model equations into а number of sybsystems (blocks). Calculations are performed consequently: the output data of оnе block аrе used as the input оf the nехt block. Numerical integration is organized as аn iterative procedure. The SIВ-method is applied to the model of the neuron, describing the effects of membrane permeability changes. The mathematical model based оn the experimental studies of the еffect of intraneural injection of сАМР is а complete system of two diffusion equations and nonlinear ordinary differential equations. The model developed describes the fast mechanism of membrane permeability control. It is assumed that the mеmbrane permeability cllanges аrе controlled bу the intraneuronal system. The сАМР molecules, binding to the R subunit of protein kinase associated with the microtubular protein МАР2, activate the system. The observed delay in the response seems tо bе due to the microelectrode destroying part of the cytoskeleton. The calculations that take into account this assumption correspond completely to the experimental data. The SIВ-method appears to bе very useful in the description of ап intracellular control system. This method mау also bе used to study соmрlех biological and сhеmicаl systems when а large number of stimulations is reguired (for instance, distributed chemical systems with diffusion).

chaimatics

Chaimatics

Discovery of links between the biology, physics and mathematics, and founding a new area of studies focused on computations in living systems are his life achievements. Efim Liberman gave the name of “Chaimatics” to this new area of science

I

DNA is the text of a code written for molecular computers of living cells. The notion of “Text” is intrinsically opposite to a random sequence of symbols, and it can exist only inside the system of language. In this case, it is a genetic language, which is isomorphic to a natural language

II

Computations conducted in a living cell are real physical actions, and free energy and time must be spent for completing them. As all living organisms are comprised of cells, this statement is applicable to any control processes implemented in the biosphere

III

Molecular computations are limited by the microscopic scale of a cell and inevitable impact of the computations on formulation of a problem begin solved. The Chaimatics grew from the recognition of the computation reality as the quantum mechanics grew from the recognition of the measurement reality.

IV

A cell creates а quantum computing tool for solving complex problems. This tool utilizes hypersound quanta, and uses the cell cytoskeleton as the computing environment. In such a computer, a price of elementary computation converges to the physical limit, which is Planck’s constant

Chaimatic's statements are simple, but they require a change in the traditional vision, rooted in scientific practice

Read a book

Chapter I

The journey of life in science

chaimatics

хаиматика

хаиматика

Итогом жизни в науке стало установление связей между биологией, физикой, математикой и новая область исследования, посвященная вычислениям в живых системах. Ефим Либерман дал имя новой науке: «Хаиматика»

I

ДНК – это текст программы для молекулярных компьютеров клеток. «Текст» по определению не случайная последовательность знаков и может существовать только внутри языковой системы. В данном случае это генетический язык, изоморфный естественному языку

II

Вычисление в живой клетке является реальным физическим действием и требует затрат свободной энергии и времени. Поскольку все живые организмы состоят из клеток, это относится ко всему управлению, которое осуществляется в биосфере

III

Молекулярные вычисления ограничены микроскопическим объемом клетки и принципиальной возможностью влияния вычисления на условия решаемой задачи: квантовая механика возникла из осознания реальности измерения, Хаиматика - из реальности вычисления

IV

Для решения сложных задач клетка создает устройство квантового вычисления, использующего кванты гиперзвука и клеточный цитоскелет, как вычисляющую среду. Цена вычисления в таком компьютере стремится к физическому пределу – постоянной Планка

Утверждения Хаиматики просты, но они требуют изменения традиционных представлений, принятых в научной практике

Читать книгу

Глава I

Как все начиналось

хаиматика