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本文主要是依照个人经验而谈,在学习工作中经常碰到一些重复性劳动,若是能有一批可靠的程序来实现,那就善莫大焉了。如果大家能推荐已有的好软件,那是最好了。
第一类是进行参数拟合的软件,在利用常微分方程对生物系统进行建模的时候,经常会碰到调节参数这样的问题。对于一个系统,通常会有要调节的目标,要么是让系统在不同输入条件下的输出和实际数据吻合,要么是让系统某些变量的动态变化符合实际情况,凡此种种。而对于参数,某些参数可能是实验中已测得的,范围比较固定,也有一些是自由参数,调节这些自由参数就可以使得系统趋向于真实的表现。这看起来是有些枯燥而且随意的工作,但其实是有意义的。在可调参数较少而拟合目标合理的情况下,这样得到的系统是能够较好地反映实际生物体系的情况的。现在有不少软件其实集成了这种功能,但我还没有发现做的比较易用的,碰到需要都是自己手工调节,其实是手动的模拟退火,一个一个参数的调节,和有些代谢工程的优化工作有点相似,十分费时费力。
第二类是分岔分析的软件,这和我们的工作背景有关系。分岔分析是非线性动力学中比较基本的技术。对于非线性系统,一般存在一定数目的稳态,而在参数变化时稳态的变化,包括稳态的产生和消灭,就对应着动力学系统的分岔。搞清了系统的分岔行为,其实就搞清了系统在不同条件下的宏观行为。能够进行分岔分析的软件,其实就是能够在参数变化,包括单参数变化和参数联合变化时,跟踪系统稳态变化的软件。这种软件不是没有,我们组比较熟悉的有一个XPPAUT,是某个大学开发的,但界面不太友好,而且对高维系统比较乏力。
第三类是图像处理软件。举一个例子就是很多做荧光显微镜实验的人都会碰到的问题,就是查细胞的问题,这部分还是各人各扫门前雪的状况。在荧光显微镜下,细胞可以被逐个分辨出来,并且可以检测细胞荧光表达随时间的变化。但如何自动化地读取有关细胞荧光的数据,这就是很大的问题。第一个是要让程序能够将细胞分辨出来,然后独出对应像素的值,对于简单的单细胞生物这能做到,但细胞还有结构,对于真核细胞,有些时候蛋白要进核出核,核内核外浓度不一样,这有多一层问题。对于动物细胞更加麻烦,有时细胞形状不规则,边界就不清楚,程序编到半自动化,还要人去告诉那里有细胞。第二,如果涉及动态观察,如何追踪细胞。甚至对于一些生长周期比较快的,如芽殖酵母,如何确定“母子关系”,这些都是问题。对于这个问题,国内国外不少大组有自己的软件,但没什么统一的广泛使用的程序。
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