Вопрос 36: Моделирование перемещения бактерий

Страница 79 методы, если алгоритм нужен

Метод моделирования перемещения бактерий (Bacteria Foraging Optimization – BFO) эффективно применяется для решения задач оптимизации. Однако математические модели, разработанные для данного метода, даже по мнению их разработчиков [7] являются неполными. Поэтому необходимо доработать известные математические модели BFO для более адекватного моделирования эволюционных процессов жизнедеятельности бактерий.

Одной из наиболее изученных бактерий является бактерия E. Coli [8], которая живёт в кишечнике большинства млекопитающих (в том числе и в кишечнике человека). Бактерия E. Coli при соответствующих условиях может самовоспроизводиться (расщепляться) за 20 мин. Движение бактерии E. Coli обеспечивается шестью или более жгутиками, вращающимися с частотой 100...200 об/с, каждый из которых управляется своим собственным биологическим «мотором». Бактерия E.Coli чередует свои действия: то перемещается прямолинейно (со скоростью 10...20 мкм/с), то кувыркается (изменение направления). Когда жгутики вращаются по часовой стрелке (или против часовой стрелки), они работают, как пропеллеры, и, следовательно, E. Coli может плыть или кувыркаться.

Примерная схема движения бактерии выглядит следующим образом: когда «мотор» работает в одну сторону, все жгутики у бактерии складываются и вращаются вместе, и бактерия движется прямолинейно. В конце пробега бактерия останавливается, «мотор» переключается и начинает работать в другую сторону. Жгутики растопыриваются и «бултыхаются» независимо друг от друга. Бактерия при этом переориентируется в пространстве случайным образом. После этого «мотор» опять переключается и начинает работать в ту сторону, в которую жгутики работают вместе, и возникает следующий отрезок прямолинейного движения.

Хемотаксис – это двигательная реакция бактерии в ответ на появление в среде аттрактанта (аттрактант – вещество, привлекающее бактерий) или репеллента (репеллент – вещество, отпугивающее бактерий) [9]. В естественных условиях аттрактантами являются вещества, полезные для бактерий, а репеллентами – те, которые бактериям вредны.

При наличии пространственных изменений концентрации аттрактантов или репеллентов частота кувырканий, а следовательно, и длина свободного пробега бактерии изменяются. Длина свободного перемещения бактерии, плывущей в сторону возрастающей концентрации аттрактанта, увеличивается, а при движении в сторону возрастающей концентрации репеллента уменьшается. Таким образом, можно выделить следующие хемотаксические действия бактерии E. Coli:

– если бактерия находится в нейтральной среде, то чередуются кувырки и передвижения, за счёт чего выполняется поиск;
– если бактерия перемещается по градиенту аттрактанта, то перемещение продолжается в этом же направлении. Таким образом, обеспечивается поиск более благоприятной окружающий среды;
– если происходит перемещение в направлении, противоположном градиенту репеллента, то обеспечивается избегание неблагоприятной окружающей среды.

Таким образом, бактерия может перемещаться в областях с полезными веществами и в то же время избегать опасных веществ. Сенсоры, используемые E. Coli, – белковые рецепторы, которые являются очень чувствительными (незначительное изменение в концентрации полезных веществ может вызвать существенное изменение в поведении бактерии).

От рецепторов сигналы поступают на метилакцептирующие белки, которые собирают все сигналы от рецепторов, и результирующий сигнал выходит на «мотор» жгутика, который управляет движением бактерии в зависимости от соотношения полезных и опасных веществ в окружающей среде.

Бактерии часто умирают или расстворяются, и это должно учитываться при моделировании их деятельности. Мутации у E. Coli происходят в нормальных условиях приблизительно 10-7 ген в поколение.

E.Coli могут формировать сложные устойчивые пространственновременные структуры в некоторых полутвердых полезных средах. Бактерии могут поглощать питательные вещества по их радиусу, начиная от внешней границы заканчивая серединой, даже в случае, если бактерии были изначально размещены в центре питательных веществ. Кроме того, при определённых условиях они могут скрывать притягивающие сигналы от клетки к клетке, засчёт чего они группируются и защищают друг друга. Таким образом, эти бактерии могут группироваться в колонии.

Алгоритм на странице 79