• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Model teoretyczny wskazuje na wpływ szumu na segmentację

    27.10.2011. 17:17
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Wbrew powszechnemu przekonaniu to nie geny kontrolują powstawanie periodycznych struktur w zarodkach, tylko proste zjawiska fizyczno-chemiczne. To spostrzeżenie poczynione w toku nowych badań prowadzonych we Francji i w Polsce, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Europhysics Letters. Naukowcy zaprezentowali model teoretyczny, który pogłębia wiedzę na temat oddziaływania szumów wewnętrznych i termodynamicznych systemu na proces segmentacji. Odkrycia, jak twierdzą naukowcy, przeczą intuicji w kontekście początkowych spostrzeżeń.

    Naukowcy z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Uniwersytetu im. Pierre'a i Marie Curie, współpracujący z Instytutem Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN), twierdzą, że na początkowym etapie embriogenezy kręgowców wykształcają się w ich mezodermie grzbietowej periodyczne segmenty zwane somitami. Z czasem przekształcają się w kręgi i wyrostki ościste. Model zaprezentowany przez zespół pokazuje, jak szumy wewnętrzne występujące w każdym systemie fizycznym oddziałują na formowanie się takich struktur.

    "Jesteśmy przekonani, że prawa fizyki i chemii mogą tłumaczyć zjawiska biologiczne i ewolucję żywych organizmów" - powiedział dr hab. Bogdan Nowakowski z IChF PAN. "Z tego powodu podjęliśmy próbę teoretycznego odwzorowania jednego z elementów embriogenezy kręgowców: formowania się periodycznych struktur w somitogenezie. Zrobiliśmy to rozważając najprostsze schematy reakcji chemicznych z udziałem zaledwie kilku składników."

    Zdaniem naukowców reakcje oscylujące niezrównoważonych zjawisk zachodzą w roztworach wodnych odpowiednich reagentów o różnych stężeniach. Dodanie do roztworu składnika powoduje wytrącenie układu ze stanu równowagi termodynamicznej. Następnie pojawiają się w cieczy propagujące fronty chemiczne. Z powodu ich obecności zachodzą cykliczne zmiany barwy roztworu. Naukowcy podkreślają, że jeżeli reakcja zachodzi w cienkiej warstwie roztworu, np. na szalce Petriego, można zaobserwować ciągle powstające i rozchodzące się barwne kręgi.

    Model zaproponowany przez zespół jest jasny i prosty - twierdzą naukowcy. W sumie w jego skład wchodzą trzy reakcje chemiczne i cztery substancje, których parametry można regulować, aby wywoływać reakcje powodujące wyraźne oscylacje przestrzenne stężeń składników roztworu. W ich wyniku w układzie pojawiły się periodyczne, stabilne w czasie struktury, nazywane przez ekspertów "strukturami Turinga".

    "Nasz model jest pracą czysto teoretyczną, sygnałem pokazującym, że za część zjawisk zachodzących podczas somitogenezy mogą odpowiadać naprawdę proste mechanizmy" - mówi dr hab. Nowakowski, który wraz z kolegami potwierdził wpływ wewnętrznego szumu na analizowany proces.

    W naturze, zdaniem zespołu, szum jest konsekwencją nieciągłej, cząsteczkowej budowy materii. To nieunikniony efekt stochastyczny pojawiający się w każdym układzie fizycznym. W modelu teoretycznym szum można odpowiednio wprowadzić lub usunąć. To oznacza, że teoretycy mogą dokonać rzeczy nieosiągalnych dla eksperymentatorów - porównać nieistniejący w przyrodzie układ bez szumu z układem z szumem i ocenić, jak fluktuacje termodynamiczne wpływają na proces segmentacji.

    "Zazwyczaj zakłada się, że przypadkowy szum zakłóca istniejący porządek" - zauważa dr Nowakowski. "Nasze symulacje dały przeciwny wynik. Po wprowadzeniu szumu do modelu periodyczne struktury zaczęły pojawiać się znacznie szybciej, zaraz po przejściu frontu chemicznego."

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Rezonans stochastyczny to zjawisko, w którym odpowiedź układu dynamicznego na zewnętrzny sygnał osiąga wartość optymalną w obecności szumu o pewnym konkretnym natężeniu. Szum może niekiedy poprawić, nie zaś wyłącznie pogorszyć własności niektórych urządzeń. Zjawisko to dotyczy układów nieliniowych, które mogą posiadać kilka stabilnych stanów. Sygnał pozbawiony szumów nie powoduje przejścia pomiędzy stanami (na przykład przejścia urządzenia w stan detekcji sygnału). Sygnał z małym szumem może powodować przejścia pomiędzy stanami zgodnie z sygnałem (na przykład detekcja sygnału może nie być trwała). Istnieje pewien optymalny poziom szumu (zapewniający na przykład detekcję sygnału). Zbyt wielki poziom szumu powoduje jednak że sygnał zaczyna „ginąć” w szumie (detekcja sygnału przestaje być stabilna ze względu na znaczny poziom szumu). Szum śrutowy (niem. Schrotrauschen) – fluktuacje zachodzące w układach zawierających odpowiednio mało cząstek mogących nieść energię. Przykładem może być szum związany z przepływem prądu elektrycznego, związany z ziarnistą naturą ładunku elektrycznego. Szum śrutowy jest szumem białym i charakteryzuje się normalnym rozkładem wartości chwilowych oraz stałą gęstością widmową energii. Pomiary szumu śrutowego pozwalają na wyznaczenie wielkości ładunku elementarnego. Reakcje równoległe – elementarne reakcje chemiczne, które zachodzą równocześnie w tym samym środowisku, czego wynikiem jest powstawanie mieszaniny produktów reakcji prostych. Równanie reakcji złożonej z dwóch lub wielu reakcji równoległych jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych.

    Konwersja – stosowane w technologii chemicznej określenie procesów jednostkowych, mających na celu zmianę właściwości przekształcanych materiałów w wyniku różnych reakcji chemicznych, prowadzonych w aparatach zwanych konwertorami (zwykle w wysokiej temperaturze, pod wysokim ciśnieniem lub z użyciem katalizatorów). W czasie konwersji zachodzą różne reakcje chemiczne, np.: Szum elektryczny - każdy niepożądany sygnał, który występuje na wyjściu lub w jakiejś części układu elektronicznego. Szum ogranicza minimalną wartość sygnału użytecznego, który będzie do rozróżnienia na wyjściu układu, ogranicza zatem czułość na wejściu układu. Oprócz szumów powstających wewnątrz układu może szum dostawać się też z zewnątrz w postaci zakłóceń.

    Biotransformacje - katalizowane przez enzymy reakcje chemiczne, w których następuje przekształcenie określonego(nych) fragmentu(ów) substratu. Biotransformacje u mikroorganizmów można porównać do "biokatalizatorów", które przeprowadzają przemiany prowadzące do otrzymania pożądanego produktu. Są to procesy wykorzystujące najczęściej tylko jeden enzym i nie dostarczają komórce energii ani potrzebnych związków. Biotransformacje zachodzą też w formach przetrwalnikowych mikroorganizmów dzięki braku zaangażowania jakichkolwiek szklaków metabolicznych w proces. Jednym z ważniejszych problemów przy stosowaniu biotransformacji jest występujące ograniczenie przepuszczalności substratów i produktów przez błony cytoplazmatyczne lub też wydzielenie odpowiedniego enzymu z komórki. Dlatego też opracowanie specyficzne sposoby postępowania zależą od charakteru mikroorganizmu (np. środki powierzchniowo czynne). Reakcja złożona – reakcja chemiczna, w której można wyodrębnić dwie lub więcej różnych reakcji elementarnych, nazywanych również prostymi lub izolowanymi (np. rozpad określonych związków chemicznych lub reakcje zachodzące w wyniku zderzenia cząsteczek dwóch lub trzech związków, wchodzących w skład mieszaniny reagentów). Równanie reakcji złożonej jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych. Opisy kinetyki opiera się również na znajomości równań kinetycznych reakcji elementarnych.

    Współczynnik błędów modulacji (ang. Modulation Error Ratio - MER) - parametr sygnału transmisji danych (np. sygnałów telewizyjnych). Wartość MER zależy od wielkości i rodzaju szumu zakłócającego sygnał (szum fazowy, amplitudowy). MER należałoby traktować nie jako miarę jakości sygnału, lecz jako miarę odstępu od całkowitego zaniku sygnału. Nieuwzględnienie tego parametru może powodować okresowe zanikanie sygnału cyfrowego w wyniku pojawiających się zakłóceń lub pogorszenie pogody. Zapewnienie odpowiedniego odstępu od tzw. klifu cyfrowego pozwala na uniknięcie tego typu sytuacji. Model deterministyczny to model matematyczny, który danemu na wejściu zdarzeniu jednoznacznie przypisuje konkretny stan. Opis modelu nie zawiera żadnego elementu losowości. Oznacza to, że ewolucja układu w modelu deterministycznym jest z góry przesądzona i zależy wyłącznie od parametrów początkowych lub ich wartości poprzednich.

    Reakcja charakterystyczna – w chemii analitycznej reakcja chemiczna umożliwiająca łatwą identyfikację określonego indywiduum chemicznego (atomu, jonu, grupy funkcyjnej, grupy związków chemicznych). Reakcje charakterystyczne prowadzą zwykle do zmiany barwy roztworu lub jego zmętnienia.

    Błysk helowy – proces zachodzący w jądrze gwiazdy mało- lub średniomasywnej (tzn. o masie mniejszej od ok. 2,3 masy Słońca), na późnym etapie jej ewolucji, podczas którego zachodzą reakcje termojądrowe przekształcające hel w węgiel (tzw. proces 3-α). Zjawisko to ma miejsce w temperaturze T>10 K i gęstości plazmy ρ=10 – 10 g/cm³ i ma gwałtowny przebieg. Błysk helowy jest związany z nagłym uwalnianiem znacznych ilości energii.

    Funkcje termodynamiczne reakcji chemicznej – wartości zmian termodynamicznych funkcji stanu (np. Δh, Δg), które następują w układzie, w którym zachodzi reakcja, przy czym liczba postępu tej reakcji jest równa jedności (λ = 1). Wartości termodynamicznych funkcji reakcji wskazują, czy może ona zachodzić jako proces samorzutny (decydują o powinowactwie chemicznym) i są związane z ciepłem reakcji i wykonywaną pracą. Teoria zderzeń – teoria chemii fizycznej zakładająca, że reakcje chemiczne zachodzą na skutek zderzeń reagujących ze sobą cząsteczek.

    Higrometr chlorolitowy jest to higrometr, który działa na zasadzie pomiaru temperatury nasyconego roztworu chlorku litu. Wzrostowi stężenia roztworu odpowiada spadek ciśnienia pary wodnej nad jego powierzchnią. Proces ten zachodzi aż do chwili nasycenia roztworu i wydzielenia z niego kryształków soli, w tym stanie zmiany ciśnienia pary powodowane są tylko zmianami temperatury. Nadmierne dopasowanie, przeuczenie, przetrenowanie, overfitting – różne, stosowane w statystyce nazwy tego samego zjawiska, zachodzącego gdy model statystyczny ma zbyt dużo parametrów w stosunku do rozmiaru próby na podstawie której był konstruowany. Absurdalne i fałszywe modele mogą świetnie pasować do danych uczących gdy model ma wystarczającą złożoność, jednak będą dawały gorsze wyniki, gdy zastosujemy je do danych, z którymi się nie zetknęły podczas uczenia.

    Dekonwolucja Wienera jest zastosowaniem filtru Wienera w celu oddzielenia szumu, który podlega splotowi z pierwotnym sygnałem. Jest ona dokonywana w domenie częstotliwości. Metasomatoza - proces polegający na częściowym lub całkowitym zastępowaniu pierwotnych substancji skał ,przez inne składniki chemiczne. Migrujące wzdłuż spękań, uskoków,szczelin substancje chemiczne roztworów lub gazów (wtedy nazywamy proces pneumatolizą) wchodzą w reakcje z minerałami budującymi skałę, tworząc nowe minerały. Podczas reakcji uwalniają się natomiast inne pierwiastki, które z kolei ulegają migracji. Procesy metasomatyczne powodują niekiedy granityzację skał, czyli upodobnienie się skał do granitów pod względem struktury i składu mineralnego.

    Szum akustyczny – dźwięk, którego widmo jest w większości zakresu słyszalności zrównoważone, tzn. nie występują w tym widmie gwałtowne "piki" (maksima), które słyszalne mogłyby być jako dźwięczące rezonanse o określonej wysokości tonu. Przez analogię dla widma optycznego fali elektromagnetycznej, szum o całkowicie płaskim widmie sygnału akustycznego nazywa się szumem białym (światło białe to de facto szum elektromagnetyczny mieszaniny wszystkich możliwych barw o całkowicie płaskim widmie w zakresie widzialnym), natomiast szumy o widmie z przewagą częstotliwości niskich nazywa się szumem różowym (światło o przewadze niskich częstotliwości też jest różowe) lub niekiedy szumem /f. Szum o jeszcze większej przewadze częstotliwości niskich nazywa się szumem czerwonym (znowu przez analogię do światła, które nabiera barwy czerwonej, gdy ma jeszcze większą przewagę niskich częstotliwości).

    Dodano: 27.10.2011. 17:17  


    Najnowsze