ชีววิทยาของระบบ ชีววิทยาของระบบเกี่ยวกับความชรา

ชีววิทยาของระบบคืออะไร และมีโอกาสอะไรบ้างในการศึกษาเซลล์? ชีววิทยาของระบบช่วยให้เราเข้าใจกลไกของมะเร็งและหลักการรักษาได้ดีขึ้นอย่างไร การพัฒนาด้านยารักษาโรคมะเร็งในปัจจุบันมีอะไรบ้าง? วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตมิคาอิล เกลฟานด์ พูดถึงเรื่องนี้

เทคโนโลยีการหาลำดับใหม่ เทคโนโลยีใหม่ในการกำหนดลำดับของนิวคลีโอไทด์ในจีโนมสามารถนำมาใช้ได้จริงไม่เพียงแต่เพื่อศึกษาจีโนมเท่านั้น แต่ยังเพื่อศึกษาว่าเซลล์มีโครงสร้างอย่างไร ปฏิสัมพันธ์แต่ละอย่างในเซลล์ และใน ปีที่ผ่านมามีเทคนิคการทดลองหลายอย่างปรากฏขึ้นซึ่งขึ้นอยู่กับการพิจารณาลำดับของนิวคลีโอไทด์ในชิ้นส่วนของจีโนม แต่ในกรณีนี้คุณไม่ได้ศึกษาจีโนม แต่เป็นปฏิสัมพันธ์ทุกประเภทที่เกิดขึ้นในเซลล์ สาขานี้เรียกว่าชีววิทยาของระบบ - ในแง่ที่คุณมองเซลล์เป็น ทั้งระบบ: ไม่ใช่สำหรับยีนหรือโปรตีนตัวเดียว แต่สำหรับโปรตีนและปฏิกิริยาทั้งหมดในคราวเดียว

ทำไมจีโนมถึงเหมือนกัน แต่เนื้อเยื่อและเซลล์ต่างกัน? คำตอบ: เพราะว่ายีนต่างกันทำงานในพวกมัน เรามียีนเข้ารหัสโปรตีน 25,000 ยีน และยีนอาร์เอ็นเอด้วย และเป็นไปไม่ได้ที่ยีนทั้งหมดในแต่ละเซลล์จะทำงานพร้อมกันได้ และความเป็นเอกเทศของเซลล์และเนื้อเยื่อนั้นถูกกำหนดโดยยีนที่ทำงานอยู่ในนั้นและยีนใดที่เงียบ และคุณสามารถดูได้ว่ายีนใดทำงาน ข้อมูลใดที่อ่าน และการอ่านนี้เกิดขึ้นอย่างเข้มข้นเพียงใด คุณสามารถดูว่าโปรตีนชนิดใดมีปฏิกิริยากับ DNA ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวกับการวิเคราะห์โครงสร้างเชิงพื้นที่ คุณนำเซลล์จำนวนมาก เย็บโปรตีนทางเคมีไปยัง DNA โปรตีนเหล่านั้นที่มีปฏิกิริยากับ DNA ในปัจจุบันจะถูกเย็บอย่างแน่นหนา จากนั้นคุณตัด DNA ดึงโปรตีนที่เย็บเข้ากับมัน และกำหนดลำดับที่ขยายออกไปพร้อมกับสิ่งเหล่านี้ โปรตีน คุณเปรียบเทียบกับจีโนม และเห็นว่าโปรตีนที่คุณดึงมานั้นมีความเกี่ยวข้องกับจีโนมในกลุ่มของสถานที่ดังกล่าว ด้วยความเข้มข้นดังกล่าว

ในแง่หนึ่ง เราเริ่มเข้าใจมากขึ้น เป็นครั้งแรกที่เราสามารถเริ่มคิดว่าเซลล์มีโครงสร้างโดยรวมอย่างไร ไม่ใช่สิ่งที่ดูเหมือน ไม่ใช่สิ่งที่เราเห็นภายใต้กล้องจุลทรรศน์ แต่ปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลเป็นอย่างไร กลไกทั้งหมดถูกจัดเรียงอย่างไร เส้นทางการส่งสัญญาณ การทำงานของยีน การเปิด/ปิด ในทางกลับกันก็ชัดเจนว่าเราไม่เข้าใจมากแค่ไหน พูดตรงๆ เราฉลาดขึ้นมาก และถ้าเทียบกันก็โง่มากขึ้น เพราะเราเห็นว่าบางสิ่งที่เราคิดว่าเราเข้าใจได้ค่อนข้างดี บางสิ่งที่จำเป็นต้องทำให้เสร็จเพียงเล็กน้อย กลับกลายเป็นว่ายังมีอะไรมากกว่านั้นอีกมาก มี. ความเข้าใจผิดเกี่ยวกับชีววิทยาของเราเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ชีววิทยาของระบบ- การสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์และคณิตศาสตร์ของระบบชีววิทยาที่ซับซ้อน แนวทางทางเทคนิคที่เกิดขึ้นใหม่คือชีวการแพทย์และชีวภาพ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ชีววิทยาของระบบเป็นสาขาวิชาสหวิทยาการทางชีววิทยาที่มุ่งเน้นไปที่ปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนภายในระบบทางชีววิทยา โดยใช้แนวทางแบบองค์รวม (แบบองค์รวมแทนที่จะเป็นการลดขนาดแบบดั้งเดิม) เพื่อการวิจัยทางชีววิทยาและชีวการแพทย์ โดยเฉพาะตั้งแต่ปี พ.ศ. 2543 เป็นต้นมา แนวคิดนี้ได้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพในบริบทที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น โครงการจีโนมมนุษย์เป็นตัวอย่างของการคิดเชิงระบบประยุกต์ในชีววิทยา ซึ่งนำไปสู่แนวทางการทำงานร่วมกันแบบใหม่ในการแก้ไขปัญหาทางชีววิทยาด้านพันธุศาสตร์ เป้าหมายที่ครอบคลุมประการหนึ่งของชีววิทยาระบบคือการสร้างแบบจำลองและค้นหาคุณสมบัติที่เกิดขึ้น คุณสมบัติของเซลล์ เนื้อเยื่อ และสิ่งมีชีวิตที่ทำงานเป็นระบบ คำอธิบายทางทฤษฎีเป็นเพียงวิธีการใช้งานที่เป็นไปได้เท่านั้นซึ่งอยู่ภายใต้ขอบเขตของชีววิทยาของระบบ โดยทั่วไปแล้วจะเกี่ยวข้องกับเครือข่ายเมตาบอลิซึมหรือเครือข่ายการส่งสัญญาณของเซลล์

ทบทวน

ชีววิทยาของระบบสามารถมองได้จากหลายแง่มุม:

• ในด้านการศึกษา โดยเฉพาะการศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของระบบชีวภาพ และปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ก่อให้เกิดการทำงานและพฤติกรรมของระบบนั้นได้อย่างไร (เช่น เอนไซม์และสารเมตาบอไลต์ในวิถีทางเมแทบอลิซึม)
• เป็นกระบวนทัศน์ ซึ่งมักจะกำหนดไว้ในทางตรงกันข้ามกับกระบวนทัศน์แบบลดทอน (reductionist paradigm) ( องค์กรทางชีววิทยา) แม้จะสอดคล้องกันโดยสิ้นเชิงก็ตาม วิธีการทางวิทยาศาสตร์- ความแตกต่างระหว่างสองกระบวนทัศน์ถูกกล่าวถึงในเครื่องหมายคำพูดเหล่านี้:

• เนื่องจากชุดของโปรโตคอลการปฏิบัติงานที่ใช้ในการวิจัย กล่าวคือ ทฤษฎีที่ประกอบด้วยวงจร การสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์หรือการคำนวณเพื่อเสนอสมมติฐานที่ทดสอบได้เฉพาะเกี่ยวกับระบบทางชีววิทยา การตรวจสอบการทดลองจากนั้นใช้คำอธิบายเชิงปริมาณของเซลล์หรือกระบวนการของเซลล์ที่ได้รับมาใหม่เพื่อปรับปรุงแบบจำลองหรือทฤษฎีการคำนวณ เนื่องจากเป้าหมายคือการสร้างแบบจำลองปฏิสัมพันธ์ในระบบ วิธีการทดลองที่ชีววิทยาของระบบส่วนใหญ่แสวงหาจึงเป็นแบบทั่วทั้งระบบและพยายามทำให้สมบูรณ์ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังนั้นจึงมีการใช้วิธีถอดเสียง เมแทบอลิซึม โปรตีโอมิกส์ และวิธีการปริมาณงานสูงเพื่อรวบรวมข้อมูลเชิงปริมาณสำหรับการสร้างและตรวจสอบแบบจำลอง
• วิธีประยุกต์ทฤษฎีระบบไดนามิกกับ อณูชีววิทยา- แท้จริงแล้ว การใส่ใจต่อพลวัตของระบบที่ศึกษาคือความแตกต่างทางแนวคิดหลักระหว่างชีววิทยาของระบบและชีวสารสนเทศศาสตร์
• เป็นปรากฏการณ์ทางสังคมวิทยาที่กำหนดโดยกลยุทธ์ในการดำเนินการบูรณาการข้อมูลที่ซับซ้อนเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ในระบบทางชีววิทยาจากแหล่งทดลองต่างๆ โดยใช้เครื่องมือและบุคลากรแบบสหวิทยาการ

มุมมองที่หลากหลายนี้แสดงให้เห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าชีววิทยาของระบบหมายถึงกลุ่มของแนวคิดที่ทับซ้อนกันอย่างห่างไกล แทนที่จะเป็นสาขาเดียวที่กำหนดไว้อย่างดี อย่างไรก็ตาม คำนี้ได้รับความนิยมและแพร่หลายมาตั้งแต่ปี 2550 โดยมีประธานและสถาบันชีววิทยาระบบกระจายไปทั่วโลก

เรื่องราว

ชีววิทยาของระบบมีรากฐานมาจาก:

• การสร้างแบบจำลองเชิงปริมาณของจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ ซึ่งเป็นสาขาวิชาที่เจริญรุ่งเรืองระหว่างปี 1900 ถึง 1970
• การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของพลวัตทางประชากร
• การจำลองได้พัฒนาเพื่อศึกษาสรีรวิทยาและ
• ทฤษฎีการควบคุมและไซเบอร์เนติกส์

นักทฤษฎีคนหนึ่งที่ถือได้ว่าเป็นหนึ่งในบรรพบุรุษของชีววิทยาเชิงระบบคือ ลุดวิก ฟอน แบร์ทาลันฟฟี่ ซึ่งมีทฤษฎีระบบทั่วไปของเขา หนึ่งในการจำลองเชิงตัวเลขครั้งแรกในเซลล์ชีววิทยาได้รับการตีพิมพ์ในปี 1952 โดยนักประสาทสรีรวิทยาชาวอังกฤษและผู้ได้รับรางวัลโนเบล Alan Lloyd Hodgkin และ Andrew Fielding Huxley ผู้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายศักยภาพในการดำเนินการที่แพร่กระจายไปตามแอกซอนของเซลล์ประสาท แบบจำลองของพวกเขาอธิบายการทำงานของเซลล์ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบโมเลกุลที่แตกต่างกันสององค์ประกอบ ได้แก่ โพแทสเซียมและโซเดียมแชนเนล และด้วยเหตุนี้จึงสามารถมองได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของชีววิทยาระบบคอมพิวเตอร์ ในปี 1960 เดนิส โนเบิล ได้พัฒนาเครื่องกระตุ้นหัวใจด้วยคอมพิวเตอร์รุ่นแรก

การศึกษาอย่างเป็นทางการเกี่ยวกับชีววิทยาของระบบซึ่งเป็นสาขาวิชาเฉพาะ ริเริ่มโดยนักทฤษฎีระบบ มิไฮโล เมซาโรวิช ในปี พ.ศ. 2509 โดยมีการประชุมสัมมนาระดับนานาชาติในเมืองคลีฟแลนด์ รัฐโอไฮโอ ในหัวข้อ "ทฤษฎีระบบและชีววิทยา"

ในคริสต์ทศวรรษ 1960 และ 1970 มีการพัฒนาแนวทางต่างๆ มากมายในการศึกษาระบบโมเลกุลที่ซับซ้อน เช่น การวิเคราะห์การควบคุมเมตาบอลิซึม และทฤษฎีระบบทางชีวเคมี ความก้าวหน้าทางอณูชีววิทยาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1980 ประกอบกับความกังขาต่อชีววิทยาเชิงทฤษฎี ซึ่งต่อมาสัญญาว่าจะมีมากกว่าความสำเร็จ ทำให้การสร้างแบบจำลองเชิงปริมาณของกระบวนการทางชีววิทยากลายเป็นสาขาวิชาที่ค่อนข้างเล็ก

อย่างไรก็ตาม การถือกำเนิดของฟังก์ชันจีโนมิกส์ในทศวรรษ 1990 ส่งผลให้มีข้อมูลคุณภาพสูงจำนวนมาก ในขณะที่พลังในการประมวลผลเพิ่มสูงขึ้น ทำให้แบบจำลองที่สมจริงมากขึ้นเป็นไปได้ ในปี 1992 และปี 1994 บทความต่อเนื่องเกี่ยวกับเวชศาสตร์ระบบ พันธุศาสตร์ของระบบ และการพัฒนาทางชีววิทยาของระบบโดย B. Ts. Zeng ได้รับการตีพิมพ์ในประเทศจีน และบรรยายเกี่ยวกับทฤษฎีระบบชีวภาพและแนวทางการวิจัยระบบในการประชุมนานาชาติครั้งแรกเกี่ยวกับสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรม ที่กรุงปักกิ่ง ปี 1996 ในปี 1997 กลุ่มของ Masaru Tomita ได้ตีพิมพ์แบบจำลองเชิงปริมาณครั้งแรกของการเผาผลาญของทั้งหมด ( สมมุติฐาน) เซลล์

ประมาณปี 2000 หลังจากที่ Systems Biology Institutes ก่อตั้งขึ้นในซีแอตเทิลและโตเกียว ชีววิทยาของระบบก็ถือกำเนิดขึ้นจากความเคลื่อนไหวในตัวเอง โดยได้รับแรงกระตุ้นจากความสำเร็จของโครงการจีโนมต่างๆ การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของข้อมูลจาก omics (เช่น จีโนมิกส์และโปรตีโอมิกส์) และความก้าวหน้าในการทดลองเทคโนโลยีขั้นสูง

• ทรานสคริปโตมิกส์

: การวัดการแสดงออกของยีนของสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือทั้งเซลล์โดย DNA microarrays หรือการวิเคราะห์การแสดงออกของยีนตามลำดับ

• อินเทอร์เฟโรมิกส์

: ปัจจัยการแก้ไขการถอดเสียงระดับสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ (เช่น การรบกวน RNA)

• ทรานส์อะตอมมิกส์/โปรตีโอมิกส์

: การวัดระดับสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ของโปรตีนและเปปไทด์ผ่านเจลอิเล็กโตรโฟรีซิสสองมิติ แมสสเปกโตรเมทรี หรือวิธีการระบุโปรตีนหลายมิติ (ระบบ HPLC ขั้นสูงควบคู่กับแมสสเปกโตรเมทรี) สาขาวิชาย่อย ได้แก่ ฟอสโฟโปรตีน ไกลโคโปรตีน และวิธีการอื่นๆ เพื่อตรวจหาโปรตีนที่เปลี่ยนแปลงทางเคมี

• เมแทบอลิซึม

: การวัดระดับสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ของโมเลกุลขนาดเล็กที่เรียกว่าสารเมตาบอไลต์

• ไกลโคมิกส์

: การวัดระดับคาร์โบไฮเดรตในสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์

• ลิโดมิกส์

: การวัดระดับไขมันในสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์

นอกเหนือจากการระบุและการหาปริมาณโมเลกุลข้อมูลข้างต้นแล้ว วิธีการเพิ่มเติมยังวิเคราะห์พลวัตและการโต้ตอบในเซลล์อีกด้วย ซึ่งรวมถึง:

• อินเทอร์แอคโทมิกส์

: การศึกษาระดับสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล แม้ว่าระเบียบวินัยระดับโมเลกุลที่จัดตั้งขึ้นในปัจจุบันในสาขาการวิจัยนี้คือปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีน (PPI) นิยามการทำงานไม่ได้ขัดขวางการรวมสาขาวิชาโมเลกุลอื่นๆ ดังที่ได้นิยามไว้ที่นี่

นิวโรอิเล็กโทรไดนามิกส์

: สิ่งมีชีวิต ฟังก์ชั่นการคำนวณของสมองเป็นระบบไดนามิก กลไกทางชีวฟิสิกส์ขั้นพื้นฐาน และการคำนวณที่เกิดขึ้นใหม่โดยปฏิกิริยาทางไฟฟ้า

• ฟลักซ์โซมิกส์

: การวัดระดับสิ่งมีชีวิต เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ของการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกของโมเลกุลเมื่อเวลาผ่านไป

• ไบโอไมโครมิเตอร์

: การวิเคราะห์ระบบชีวนิเวศ

• สมิติโอมิกส์

: การวิเคราะห์ระบบความสัมพันธ์ของสัญญาณของสิ่งมีชีวิตหรือระบบชีวภาพอื่น ๆ

• ชีววิทยาของระบบมะเร็งเป็นการประยุกต์ใช้ที่สำคัญของแนวทางชีววิทยาเชิงระบบ ซึ่งสามารถแยกแยะวัตถุประสงค์เฉพาะของการศึกษาได้ (การกำเนิดเนื้องอกและการรักษามะเร็ง) โดยทำงานร่วมกับข้อมูลเฉพาะ (ตัวอย่างผู้ป่วย ข้อมูลปริมาณงานสูงโดยเน้นเป็นพิเศษเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะของจีโนมมะเร็งในตัวอย่างเนื้องอกของผู้ป่วย) และเครื่องมือ (เส้นเซลล์มะเร็งที่เป็นอมตะ แบบจำลองเมาส์ของการเกิดเนื้องอก แบบจำลองซีโนกราฟต์ วิธีการจัดตำแหน่ง Next Generation ที่ใช้ยีน siRNA , การแสดงที่น่าสับสน, การสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของผลที่ตามมาของการกลายพันธุ์ทางร่างกายและความไม่แน่นอนของจีโนม) เป้าหมายระยะยาวชีววิทยาของระบบมะเร็ง - ความสามารถในการวินิจฉัยโรคมะเร็งได้ดีขึ้น จำแนกมะเร็ง และคาดการณ์ผลลัพธ์ของการรักษาที่นำเสนอได้ดีขึ้น ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการรักษามะเร็งเฉพาะบุคคลและผู้ป่วยมะเร็งเสมือนจริงในระยะยาวที่คาดหวัง ความพยายามที่สำคัญในด้านชีววิทยาระบบคอมพิวเตอร์ของโรคมะเร็งได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างหลายระดับที่สมจริง ในซิลิโกแบบจำลองเนื้องอกต่างๆ

การตรวจสอบมักจะรวมกับวิธีการสร้างรูปคลื่นขนาดใหญ่ รวมถึงการใช้ยีน (RNAi, การแสดงออกที่ผิดของยีนประเภท wild และยีนกลายพันธุ์) และวิธีการทางเคมีโดยใช้ไลบรารีโมเลกุลขนาดเล็ก หุ่นยนต์และเซ็นเซอร์อัตโนมัติช่วยให้สามารถทดลองในวงกว้าง รวมถึงรับและสะสมข้อมูลได้ เทคโนโลยีเหล่านี้ยังคงเกิดขึ้นใหม่และปัญหามากมายต้องเผชิญกับความจริงที่ว่ายิ่งปริมาณข้อมูลที่ผลิตมากขึ้น คุณภาพก็จะยิ่งต่ำลง นักวิทยาศาสตร์เชิงปริมาณที่หลากหลาย (นักชีววิทยาเชิงคำนวณ นักสถิติ นักคณิตศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ วิศวกร และนักฟิสิกส์) กำลังทำงานเพื่อปรับปรุงคุณภาพของแนวทางเหล่านี้ และสร้าง ปรับแต่ง และทดสอบแบบจำลองอีกครั้งเพื่อสะท้อนการสังเกตได้อย่างแม่นยำ

แนวทางชีววิทยาเชิงระบบมักเกี่ยวข้องกับการพัฒนาแบบจำลองเชิงกลไก เช่น การสร้างระบบไดนามิกขึ้นใหม่จากคุณสมบัติเชิงปริมาณของส่วนประกอบพื้นฐาน ตัวอย่างเช่น เครือข่ายเซลลูลาร์สามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้โดยใช้วิธีการที่มาจากจลนศาสตร์เคมีและทฤษฎีการควบคุม เนื่องจากพารามิเตอร์ ตัวแปร และข้อจำกัดในเครือข่ายเซลลูลาร์มีจำนวนมาก จึงมักใช้วิธีการเชิงตัวเลขและการคำนวณ (เช่น การวิเคราะห์สมดุลหลอมละลาย)

ชีวสารสนเทศศาสตร์และการวิเคราะห์ข้อมูล

ด้านอื่น ๆ ของวิทยาการคอมพิวเตอร์ วิทยาการสารสนเทศ และสถิติก็ถูกนำมาใช้ในชีววิทยาของระบบเช่นกัน ประกอบด้วย:

• แบบจำลองการคำนวณรูปแบบใหม่ เช่น การใช้แคลคูลัสกระบวนการในการจำลองกระบวนการทางชีววิทยา (แนวทางที่รู้จักกันดี ได้แก่ แคลคูลัสสุ่ม π, BioAmbients, สารยึดเกาะเบต้า, BioPEPA และแคลคูลัส Brane) และการสร้างแบบจำลองตามข้อจำกัด
• การบูรณาการข้อมูลจากวรรณกรรมโดยใช้วิธีการดึงข้อมูลและการวิเคราะห์ข้อความเชิงลึก
• การพัฒนาฐานข้อมูลออนไลน์และพื้นที่เก็บข้อมูลสำหรับการแยกข้อมูลและแบบจำลอง แนวทางบูรณาการฐานข้อมูลและการทำงานร่วมกัน ซอฟต์แวร์ผ่านการเชื่อมโยงซอฟต์แวร์ เว็บไซต์ และฐานข้อมูล หรือการกล่าวอ้างทางการค้าโดยไม่เสียค่าใช้จ่าย
• การพัฒนาวิธีการที่ถูกต้องทางวากยสัมพันธ์และความหมายเพื่อแสดงแบบจำลองทางชีววิทยา

• ชีววิทยาระบบ - สหวิทยาการ ทิศทางทางวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นที่จุดตัดของชีววิทยาและทฤษฎี ระบบที่ซับซ้อนมุ่งเน้นการเรียนรู้ ปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนในระบบสิ่งมีชีวิต คำนี้ถูกใช้ครั้งแรกในบทความปี 1993 โดย W. Zieglgänsberger และ TR โทลเลอ. คำว่า "ชีววิทยาของระบบ" เริ่มแพร่หลายหลังปี พ.ศ. 2543

  สร้างแนวทางใหม่ในการตีความผลลัพธ์ทางชีววิทยาของศตวรรษที่ 21 แทนที่จะเป็นลัทธิลดขนาดแบบดั้งเดิมสำหรับชีววิทยาในศตวรรษที่ผ่านมา และแนวทางใหม่ดังกล่าวในปัจจุบันถูกกำหนดโดยคำว่า องค์รวม และ ลัทธิบูรณาการในภาษาอังกฤษ บูรณาการ) ความสนใจหลักในด้านชีววิทยาของระบบนั้นจ่ายให้กับสิ่งที่เรียกว่าคุณสมบัติฉุกเฉิน ซึ่งก็คือคุณสมบัติของระบบชีวภาพที่ไม่สามารถอธิบายได้เฉพาะในแง่ของคุณสมบัติของส่วนประกอบเท่านั้น

  การทำความเข้าใจชีววิทยาในระดับระบบทำให้สามารถเข้าใจโครงสร้าง ไดนามิก และหน้าที่ของทั้งเซลล์แต่ละเซลล์และสิ่งมีชีวิตโดยรวมได้แม่นยำยิ่งขึ้น มากกว่าเมื่อพิจารณาแต่ละส่วนของเซลล์หรือสิ่งมีชีวิต

  ชีววิทยาของระบบมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับชีววิทยาทางคณิตศาสตร์

แนวคิดที่เกี่ยวข้อง

ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ซึ่งวิธีหลักในการทำความเข้าใจธรรมชาติคือการสร้างแบบจำลองปรากฏการณ์ทางทฤษฎี (โดยหลักคณิตศาสตร์) แล้วเปรียบเทียบกับความเป็นจริง ในสูตรนี้ ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเป็นวิธีการศึกษาธรรมชาติที่เป็นอิสระแม้ว่าเนื้อหาของธรรมชาตินั้นจะเกิดขึ้นโดยคำนึงถึงผลการทดลองและการสังเกตธรรมชาติก็ตาม

NeuroNet (อังกฤษ: NeuroNet, NeuroWeb, Brainet) หรือ Web 4.0 เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่เสนอในการพัฒนาเวิลด์ไวด์เว็บ ซึ่งปฏิสัมพันธ์ของผู้เข้าร่วม (คน สัตว์ ตัวแทนอัจฉริยะ) จะดำเนินการบนหลักการของ การสื่อสารประสาท ตามการคาดการณ์ ควรมาแทนที่ Web 3.0 ประมาณปี 2030-2040 หนึ่งในตลาดสำคัญที่ได้รับเลือกเพื่อการพัฒนาภายใต้กรอบความคิดริเริ่มเทคโนโลยีแห่งชาติของรัสเซีย

“วิทยาศาสตร์ชีววิทยาเชิงระบบ”

การแนะนำ
ความพยายามครั้งแรกในการประยุกต์ทฤษฎีระบบกับชีววิทยาเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 ดังนั้นในปี พ.ศ. 2475 วอลเตอร์ แคนนอน คณบดีภาควิชาสรีรวิทยา มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ในหนังสือของเขาที่ชื่อ "ปัญญาแห่งร่างกาย" ได้อธิบายคำว่า "สภาวะสมดุล" ว่าเป็นความสามารถของสิ่งมีชีวิตในการรักษาปริมาณทางสรีรวิทยาจำนวนมากให้คงที่ ระดับแม้ว่าสภาวะจะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง สภาพแวดล้อมภายนอก- ในปี พ.ศ. 2486 นักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกัน นอร์เบิร์ต วีเนอร์ และผู้ร่วมเขียนเสนอว่าผลตอบรับเชิงลบอาจมีบทบาทสำคัญในการรักษาเสถียรภาพของระบบสิ่งมีชีวิต ดังนั้นจึงเชื่อมโยงแนวคิดเรื่องการควบคุมและการปรับให้เหมาะสมที่สุดกับพลวัตของระบบชีวภาพ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีความสนใจใน แนวทางที่เป็นระบบในด้านชีววิทยามีสาเหตุมาจากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการหาลำดับ และเป็นผลให้ถอดรหัสจีโนม ทรานสคริปโตม และโปรตีโอมของมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ความพร้อมใช้งานของทรัพยากรคอมพิวเตอร์อันทรงพลัง (ซูเปอร์คอมพิวเตอร์) และการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตความเร็วสูงยังอำนวยความสะดวกในการเข้าถึงข้อมูลอณูชีววิทยาจำนวนมหาศาล และทำให้เกิดความเป็นไปได้ในการวิเคราะห์ ซึ่งส่วนใหญ่กลายเป็นพื้นฐานสำหรับชีววิทยาระบบสมัยใหม่ การพัฒนาอย่างแข็งขันของสาขาชีววิทยานี้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเห็นได้จากข้อเท็จจริงดังต่อไปนี้: จำนวนบทความที่ส่งไปยัง Pub med และมีวลี "ชีววิทยาของระบบ" เพิ่มขึ้นจาก 140 ในปี 2546 เป็นมากกว่า 10,000 ในปี 2556 (Afonnikov D.A. , มิโรโนวา วี.วี., 20141).

ข้อมูลทั่วไป
ชีววิทยาของระบบเป็นสาขาวิทยาศาสตร์แบบสหวิทยาการที่มีการพัฒนาอย่างแข็งขันซึ่งมีการวิเคราะห์ที่ซับซ้อน ระบบชีวภาพโดยคำนึงถึงลักษณะหลายองค์ประกอบการมีอยู่ของโดยตรงและ ข้อเสนอแนะรวมถึงความหลากหลายของข้อมูลการทดลอง หัวข้อการวิจัยในสาขานี้อาจรวมถึงระบบควบคุมยีน เมแทบอลิซึม ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของเซลล์และปฏิสัมพันธ์ของประชากรเซลล์
ปัจจุบันชีววิทยาของระบบมีทั้งเทคนิคการทดลองเฉพาะและคลังแสงทางทฤษฎีที่หลากหลาย การสร้างแบบจำลองทางชีววิทยาของระบบเป็นเครื่องมือพื้นฐานสำหรับทั้งการวิเคราะห์และบูรณาการข้อมูลการทดลอง และการคาดการณ์เกี่ยวกับพฤติกรรมของระบบภายใต้สภาวะที่ไม่ใช่การทดลอง
วิธีการและวิธีการมากมายของชีววิทยาระบบเชิงทฤษฎีสามารถนำมาใช้โดยตรงสำหรับปัญหาเชิงปฏิบัติในด้านเภสัชวิทยาและอุตสาหกรรมชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากจำเป็นต้องอธิบายและทำนายพฤติกรรมของระบบเมตาบอลิซึมหรือระบบเซลล์ที่ซับซ้อนในเชิงปริมาณ หรือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของระบบ แบบจำลองชีววิทยาของระบบจะกลายเป็นทางเลือกเดียวในการค้นหาแบบสุ่มที่มีราคาแพงโดยใช้เทคนิคการทดลองที่ซับซ้อน

เรื่องราว
ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดขึ้นของชีววิทยาของระบบคือ:

การสร้างแบบจำลองเชิงปริมาณของจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เป็นสาขาที่เกิดขึ้นระหว่างปี 1900 ถึง 1970
การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการเติบโตของประชากร
การสร้างแบบจำลองทางสรีรวิทยาประสาท
ทฤษฎีระบบไดนามิกและไซเบอร์เนติกส์
ผู้บุกเบิกชีววิทยาระบบถือได้ว่าเป็น Ludwig von Bertalanffy ผู้สร้างทฤษฎีทั่วไปของระบบผู้เขียนหนังสือ " ทฤษฎีทั่วไประบบทางฟิสิกส์และชีววิทยา" ตีพิมพ์เมื่อปี พ.ศ. 2493 หนึ่งในแบบจำลองเชิงตัวเลขแรกๆ ในทางชีววิทยาคือแบบจำลองของนักประสาทสรีรวิทยาและผู้ได้รับรางวัลชาวอังกฤษ รางวัลโนเบลฮอดจ์กินและฮักซ์ลีย์ จัดพิมพ์ในปี 1952 ผู้เขียนได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายการแพร่กระจายของศักยภาพในการดำเนินการตามแนวแอกซอนของเซลล์ประสาท แบบจำลองของพวกเขาอธิบายกลไกของการแพร่กระจายที่เป็นไปได้ว่าเป็นอันตรกิริยาระหว่างองค์ประกอบโมเลกุลที่แตกต่างกันสองส่วน ได้แก่ โพแทสเซียมและช่องโซเดียม ซึ่งถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของชีววิทยาระบบคอมพิวเตอร์ ในปี 1960 ตามแบบจำลองของ Hodgkin และ Huxley เดนิส โนเบิล...