模型生物学

[目的]探寻中医学全息论的本质。[方法]从中医承载的哲学元素,推导中医理论统一的哲学思维模型、数学模型及数学模型公式,并在人体脏腑演化律及手掌脏腑定位中证明方法的正确性。[结果]任何相对独立的生物结构单元(全息元或全息胚),具有统一的思维模型、数学模型及数学模型公式潜在。[结论]传统中医全息论的本质,就是任何生物全息元潜在着统一的思维模型、数学模型及数学模型公式。

一类浮游生物时滞模型的全局Hopf分支

本文利用吴建宏等人建立的一般泛函微分方程的全局Hopf分支理论,以时滞为参数,研究了三维浮游时滞模型的稳定性及Hopf分支的全局存在性,通过数值模拟验证了理论分析的正确性,并得出结论,即营养物质输入率极大地影响了周期解的周期。

个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

双眼视感知觉生物模型在儿童近视眼检查的应用

应用一系列不同时空频率相关联的双眼视感知觉双眼视生物模型在儿童近视检查过程中,初步探讨儿童近视脑视觉双眼时空信息处理不平衡程度以及对儿童近视发展的影响。方法 选择在沧州眼科医院小儿眼科就诊的儿童近视患者共800例,进行屈光度和眼轴检查,对其进行不同空间频率的立体视功能生物模型检查和不同时间频率的中心凹抑制生物模型检查。结果 检查结果显示,96%患者近距离(低空间频率)立体视达标,76%患者远立体视(高空间频率)不达标,45%患者有中心凹交替抑制(高时间频率), 27%患者存在中心凹抑制(低时间频率)。结论 双眼视觉信息处理的能力取决于大脑对双眼视网膜图像的空间和时间频率的敏感程度,如果在正视化的过程中,眼睛的结构变化影响大脑对时儿童近视眼空感知的灵敏度,而视网膜神经节细胞有许多种类,它们的形态和功能选择性不同,这些结构上的差异意味着不同类型神经节细胞可能受到近视发展的不同影响,导致部分神经元导向的功能异常。初步检查结果表明,儿童近视在高空间频率的立体视上存在缺损(双眼视高级通路),以及在双眼整合过程中存在中心凹交替抑制,这可能是一些脑视觉层面的近视发展的原因。

蔡家川流域人工刺槐生物量模型的构建与比较

利用蔡家川流域不同立地条件下48株刺槐样木生物量的实测数据,以胸径、树高、冠幅、冠长及胸径、树高的复合因子为自变量,构建生物量异速生长模型、多元线性模型和相容性生物量模型。采用决定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)、估计标准误差(SEE)、总相对误差(TRE)、平均相对误差(ARE)和平均百分比误差(MPE)等6个指标对模型进行拟合度和精确度的检验。结果表明:以胸径(D_(BH))、树高(h)的复合因子构建的生物量模型估测效果较好。3种模型的检验指标均在可接受的范围内,均适用于蔡家川流域刺槐生物量的预测。其中,多元线性模型对树枝、树叶生物量预测效果最佳,预测精度为90.11%和89.72%;相容性生物量模型对总树干、根系和总生物量的预测精度高达91.38%、90.83%、93.90%,并且解决了各器官生物量与总生物量的相容性问题。构建的模型中,相容性生物量模型的估测效果最好,多元线性模型和生物量异速生长模型次之。

参数优化方法对微生物模型预测土壤有机碳时空演变的影响

准确把握土壤有机碳(SOC)的时空演变规律对于土壤资源的高效持续利用、发挥土壤生态系统服务功能,以及应对气候变化等均具有重要意义。以江苏省南部为研究区,以明确表达微生物分解作用的微生物模型MIMICS为对象,以模型参数敏感性分析为切入点,分析了不同参数优化方法对MIMICS模型预测苏南农田表层(0~20 cm)SOC时空演变动态的影响。结果表明,批处理和点对点两种参数优化方法下,MIMICS模型均能较好地模拟1980-2015年苏南农田表层SOC密度先增加后减少的总体趋势;采用考虑模型参数空间异质性的点对点参数优化方法时,MIMICS模型预测精度最高,其预测误差(RMSE)较采用默认参数值时分别降低22.2%(2000年独立验证)和14.7%(2015年独立验证),但2015年SOC密度预测精度依然偏低(R^(2)=0.13,RMSE=1.22kg·m^(-2))。上述结果表明进一步改进微生物模型的结构、提高模型输入数据的精度及分辨率,将是微生物模型建模区域尺度SOC时空动态所面临的重要挑战。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

6种阔叶树种幼苗生物量分配特征及模型构建

以福建省上杭白砂国有林场闽楠、南岭栲、米老排、青冈、云山青冈和木荷2年生幼苗为研究对象,采用全株收获法获取6种树种幼苗根、茎、叶及整株的生物量,比较其分配特征和地上、地下生物量的异速生长关系,建立不同树种幼苗各器官及整株生物量的回归估测模型。结果表明:(1)不同树种幼苗整株生物量差异显著,依次为青冈>米老排>南岭栲>云山青冈>木荷>闽楠。(2)不同树种幼苗各器官生物量分配差异显著,其中青冈根生物量占比最大(39.9%),米老排茎生物量占比最大(45.0%),闽楠叶生物量占比最大(49.2%)。(3)不同树种幼苗地下生物量与地上生物量比值均小于1,表明幼苗生物量更多地分配到茎和叶。除木荷外,其余树种地上、地下生物量均遵循显著的等速生长关系。(4)不同树种幼苗生物量回归估测模型多为幂函数模型,其次为三次多项式模型。6种树种幼苗整株生物量在不同器官分配上存在差异,同时幼苗地上、地下生物量间呈现出等速生长规律。各树种幼苗生物量回归估测模型拟合效果较好,可在相同或相似立地条件下估算不同树种幼苗生物量。

预测微生物学模型在乳及乳制品中的应用

乳及乳制品营养成分丰富,是微生物生长的良好培养基,在生产加工过程中极易受到污染,因此乳及制品中微生物污染情况、生长规律以及源头控制研究备受关注。预测微生物学模型基于数学算法,是挖掘微生物动态规律、解析微生物对食品品质变化影响的重要技术支撑,在乳及乳制品质量安全保障中发挥重要作用。文章综述了乳及乳制品中微生物污染现状及目前存在的预测微生物模型种类,从微生物生长预测、货架期预测、微生物产毒预测等模型应用角度对预测微生物学模型进行介绍,并对近年来预测微生物学模型在乳及乳制品中的应用进行总结,为预测微生物学在乳及乳制品安全方面应用提供借鉴与参考。

天然活性成分改善睡眠的效果、作用机制及其生物评价模型

睡眠作为一项人体必需的生理活动,在人类健康中起着重要作用。但是随着现代生活节奏的加快和精神压力的增加,我国失眠的人数逐年升高。与治疗失眠的精神类化学药物相比,食品中具有改善睡眠功效的天然活性成分安全性较高,且不易出现耐药性和药物依赖性,同时也符合人们日常饮食需求。本文主要介绍具有改善睡眠功效的天然活性成分,如活性肽类、氨基酸类、皂苷类、黄酮类、益生元等,阐述其改善睡眠的效果及其作用机理,并进一步综述评价天然活性成改善睡眠效果的生物评价模型,以及其在食品中应用的研究进展,以期为这些天然活性成分的高值化利用及食品开发提供参考。

库布齐沙漠沙柳人工林生物量模型研究

为了更准确地估算沙柳(Salix psammophila )人工林的生物量,本研究以库布齐沙漠沙柳人工林为研究对象,以形态参数(株高H、平均基径D、分枝数B、冠幅直径C)及其组合因子(冠幅面积S、植株体积V、株高与分枝数乘积HB)为自变量,将各器官及全株生物量作为因变量,选取一元线性函数、二次函数、三次函数、对数函数、幂函数和指数函数构建沙柳各器官及全株生物量模型并进行筛选。结果表明,沙柳各器官及全株生物量最优模型均为幂函数模型,以株高与分枝数乘积为自变量构建的根生物量和以植株体积为自变量构建的枝、叶、全株生物量幂函数模型精度最高、误差最小,生物量模型分别为。模型的构建为库布齐沙漠地区沙柳人工林的生物量测定和碳储量估算提供了有效的科学手段。

预测抓握力和振动传递的手-臂系统生物动力学模型

针对手-臂的振动问题,提出了一种手-臂混合模型来计算不同抓握力下叉车方向盘传递给手-臂的振动。该模型由肩膀、上臂、前臂和手组成,通过具有刚度和阻尼的关节连接。手部模型包含手掌和五个手指,每个手指的远端、近端和掌指端通过旋转关节相互连接,在手指关节上施加力矩来模拟抓握手柄时的主动肌肉力。通过调整模型材料参数以匹配手和手臂在抓握手柄时的接触压力和振动。将标定后的模型应用于某叉车方向盘对手臂系统振动传递率进行预测,结果表明所建立的考虑抓握力和手与手柄接触条件的模型能够预测车辆驾驶员手臂系统的振动传递。

常微分方程中的生物数学模型及其在教学中的应用

常微分方程作为数学课程中的一门重要基础课程,在提高学生综合素质方面具有举足轻重的作用。文章基于以学生为中心的教学理念和金课“两性一度”的建设要求,针对传统常微分方程教学中存在的问题,以两种群Lotka-Volterra生态模型和人口预测模型为研究对象,探索了生物数学模型在教学中的具体应用,旨在帮助学生更好地掌握该课程的基础理论,激发学生对该课程的学习兴趣,提高学习效率,并培养学生解决问题的能力。

基于生物动力学模型的^(18)F-FDGPET扫描患者个体化累积活度分布评估

目的:利用生物动力学模型,在基于单个时间点PET图像的基础上,实现进行^(18)F-FDGPET扫描患者的个体化累积活度分布计算评估。方法:首先,构建目标器官的生物动力学隔室模型,并将各隔室内的活度变化描述为微分方程组。然后,使用每例患者特定时间点的PET图像数据,采用模拟退火算法对模型系数进行优化,计算各个器官的累积活度情况,分析患者不同排尿情况下对膀胱累积活度的影响。最后,考虑放射性核素在组织器官中分布的异质性,计算人体全身累积活度分布图,并与现有方法进行对比,评估本研究提出方法的准确性。结果:在本研究分析的11例病例中,生物动力学模型的计算结果总体上与实验数据具有良好的一致性,平均差异小于15%。同时,在不同排尿情况下,患者膀胱的累积活度平均值差异最高可达2.4倍,表明强制患者排尿对于降低辐射影响有积极意义。与ICRP128号出版物中获得的生物动力学数据比较显示,脑部和心脏部分器官存在较大差异,标准偏差分别为61.0%和46.3%。结论:基于构建的生物动力学模型能够准确合理地计算PET患者个体化的累积活度分布,提出的评估方法将为进行PET扫描的每例患者的内照射辐射剂量学评估提供有价值的参考。

基于集成生物圈模型的南岭不同植被类型碳收支研究

广东南岭保存着世界上同纬度带上最完整的亚热带植被,森林资源丰富,具有巨大的固碳潜力。然而,目前该地区不同森林植被类型的碳收支年积累量特征及月动态规律尚不明确。选择广东南岭国家级自然保护区内沟谷常绿阔叶林、山地常绿阔叶林、针阔叶混交林和山顶常绿阔叶矮林4种典型森林植被为研究对象,运用集成生物圈模型(IBIS)对其2020年总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)、净生态系统生产力(NEP)和土壤异养呼吸(Rh)进行模拟,利用样地调查数据对NPP模拟结果进行验证,分析该地区不同植被类型的碳收支年积累量特征及月变化特征。研究结果表明,2020年南岭不同植被类型GPP、NPP、NEP和Rh的平均值分别为1.709、0.718、0.596和0.123 kg C m^(-2)a^(-1),4种植被类型中GPP最高的是沟谷常绿阔叶林,NPP、NEP最高的是山地常绿阔叶林,山顶常绿阔叶矮林的GPP、NPP和NEP均相对较低。南岭不同植被类型全年各月均表现出碳汇(NEP>0),逐月NPP和NEP均表现为双峰变化规律,但不同植被类型的两个峰值所在月份不一致;逐月Rh呈夏季高、冬季低的单峰曲线,夏季时沟谷常绿阔叶林的Rh最高,山顶常绿阔叶矮林的Rh最低。经验证,IBIS模型较好地模拟南岭不同植被类型碳收支情况,模拟值解释了93%的实际碳收支情况,模型对各植被类型的模拟平均相对误差在1.16%-6.07%之间。该研究可为我国亚热带地区南岭森林生态系统的固碳能力评价和森林生态系统资源的管理提供重要参考价值。

生物-心理-社会模型视角下泌乳启动影响因素及干预策略的研究进展

泌乳启动是新生儿获取乳汁的关键时期。泌乳启动失败是导致产妇母乳喂养失败的重要原因之一,对母婴健康构成严重威胁。本文阐述了泌乳启动的定义,并基于生物-心理-社会模型的视角,对泌乳启动的相关影响因素及干预策略进行了综述,以期引起临床医务人员对泌乳启动的关注,进而促进产妇泌乳,提高母乳喂养率。

生物学模型与课堂教学有机整合的实践

本研究利用实验法、问卷调查法、个案访谈法及课堂实例分析等方法,对初一年级的学生进行了生物学模型教学的研究,通过对一些数据及实例的分析得知,生物学模型的使用有助于学生提高听讲率,有助于知识的理解,有助于构建生物学概念间的联系,对于教师丰富课堂教学,提高课堂效率等都有积极意义。生物学模型的运用要得当,要根据教学内容来选择,与其他教学手段相得益彰,与课堂教学有机整合,否则会使课堂无法掌控,效果也不明显。

基于有丝分裂和减数分裂的生物模型构建和教学分析

高中生物学习细胞分裂方式主要有两种:有丝分裂和减数分裂,有丝分裂和减数分裂是高中生物学科中的两个重要概念,主要涉及体细胞数量增多和生殖细胞(卵细胞和精子)的形成过程。根据对应《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》),明确提出“科学思维”是指尊重事实和证据,崇尚严谨和务实的求知态度,运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。学生应该在学习过程中逐步发展科学思维,如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法,探讨、阐释生命现象及规律,审视或论证生物学社会议题。具体到学业要求中:观察处于细胞周期不同阶段的细胞,结合有丝分裂模型,描述细胞增殖的主要特征,运用模型或视频观察模拟减数分裂过程中染色体的变化。而实际教学过程中很多一线生物教师仍在教学过程中一味的“照本宣科”,只告诉学生有丝分裂和减数分裂的过程,不仅没有构建模型帮助学生理解具体的过程,更不能体现对于学生批判性思维和创造性思维能力的培养。笔者在教学中通过构建细胞分裂模型来帮助学生学习和理解有丝分裂和减数分裂的过程,既提升了学生的动手以及解决问题的能力,激发了学习兴趣,又培养了学生的科学思维,取得了明显的学习效果。

大熊猫国家公园荥经片区大熊猫可食竹生物量模型

2023年4月在大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)国家公园荥经片区不同森林类型下随机抽样,测量记录不同的大熊猫可食竹的生长指标和生物量,通过回归的方法建立大熊猫可食竹生物量模型。结果表明:除冷箭竹(Arundinaria faberi)叶外,以高度和基径为自变量的泥巴山筇竹(Qiongzhuea multigemmia)、短锥玉山竹(Yushania brevipaniculata)和八月竹(Chimonobambusa szechuanensis)不同构件生物量模型均具有统计学意义,其中泥巴山筇竹秆生物量模型和地上生物量模型的拟合效果相对最佳。研究结果对大熊猫国家公园荥经片区大熊猫可食竹生物量调查、种群恢复与栖息地现状评估具有一定的参考价值。