Фрактальность в живой природе.

[Vladimirkox]

создать базу данных и уже с её помощью анализировать свойства двойной спирали ДНК, например

Лучше - мат.модель по конформации ДНК, ИМХО. Вон tac на neuroscience.ru, в теме "Сворачивание РНК" выложил какую-то( лично - не тестировал) программу с элементами ИИ, для расчетов конформаций   .

Двойная спираль ДНК раньше считалась очень гомогенной структурой, параметры которой от последовательности почти не зависят.

А теперь, обнаружилась фрактальность стуктуры при расположении ДНК в ядре, чтоб хромосомы при митозе не запутывались. Выявили - через сшивки близлежащих участков бифункционалами, инфа была на ленте.ру., ссылку на неё давал в dxde.ru см.выше.
P.S.
Добавлю список литературы, для интересующихся:
Манфред Шредер "Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая"
Пайттен Рихтер "Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем"
Б.Мандельброт "Фрактальная геометрия природы"
Ричард М.Кроновер "Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории"

С.П.Кузнецов "Динамический хаос" учебник.

[Alexeyy]

Сергей

Возникла такое предположение, что темп ДНК-музыки для быстро эволюционирующих фрагментов ДНК будет отличаться на слух от темпа медленно эволюционирующих участков ДНК. Во всяком случае, по-моему, логично, что фрактальная структура ДНК должна зависеть от темпа эволюции.

Нет желания это проверить?

Примерно этим я сейчас как раз и занимаюсь, но только уже без музыки.

Вы бы всё-таки попробовали и с музыкой? Может оказаться, что на слух можно будет быстро определять некоторые характерные моменты, что, возможно, поможет в разработке более точных методов. А вдруг что-то получится? Подозреваю, что у вирусов имеется некоторое характерное сумбурное звучание. Не удивительно: они очень эклектично (косвенно содержат в себе информацию о разных организмах, которых заражают) эволюционируют.  Та мелодия, которая получилась для вируса гриппа это подтверждает.
Попробуйте что-нибудь ещё?
Например, какие-то друге вирусы.

[Сергей]

Лучше - мат.модель по конформации ДНК, ИМХО. Вон tac на neuroscience.ru, в теме "Сворачивание РНК" выложил какую-то( лично - не тестировал) программу с элементами ИИ, для расчетов конформаций  .

Точно просчитать конформацию ДНК с помощью мат.моделей пока не получается, что не удивительно: исходные коэффициенты берутся из данных по кристаллам, а как ведет себя ДНК в растворе толком никто не знает – данных ЯМР пока мало, да и в основном они для коротких олигонуклеотидов.

Может оказаться, что на слух можно будет быстро определять некоторые характерные моменты, что, возможно, поможет в разработке более точных методов.

Проблема в том, что уши и мозг человека слишком чувствительные устройства, и настроены на выделение полезных сигналов из шума путем сравнения поступающих сигналов с уже имеющимися в памяти. В такой системе неизбежно возникают явления внутреннего резонанса, и даже в число белом шуме будут слышаться голоса или мелодии.

Надежнее вначале четко выделить разные уровни информационного содержания ДНК и подавить сигналы более ранних уровней. Тогда может, что-то и получится.

[Vladimirkox]

исходные коэффициенты берутся из данных по кристаллам, а как ведет себя ДНК в растворе толком никто не знает

ИМХО - всё гораздо хуже, в ядре - смесь раствора ДНК и "осадка", судя по концентрации. Значит - идут процессы "перекристаллизации", непрерывно.

Нет ли данных о том, что рассматривают Британцы в свой нейтронный микроскоп?

[Alexeyy]

Проблема в том, что уши и мозг человека слишком чувствительные устройства, и настроены на выделение полезных сигналов из шума путем сравнения поступающих сигналов с уже имеющимися в памяти. В такой системе неизбежно возникают явления внутреннего резонанса, и даже в число белом шуме будут слышаться голоса или мелодии.

Надежнее вначале четко выделить разные уровни информационного содержания ДНК и подавить сигналы более ранних уровней. Тогда может, что-то и получится.

Да, человек настроен на выделение сигнала путем сравнения с эталоном. И один из этих эталонов - это фрактальность сигнала. Т.е. музыка. И эта настройка происходила очень долго. НЕ факт, что первые варианты программного способа выделения окажутся во всех отношениях более лучшими.
Фрактальную структуру имеет также и текстовая информация (например, книга). Можно сказать и более обще: кодирование информации в живой природе имеет  фрактальную структуру. Будь то человеческие знаки или геном. Думаю, что вряд ли это случайность: по-видимому, природа фрактальной кодировки того и другого (геномного и знакового кода) – общая. А если так, то шаблоны восприятия человеком создаваемых им информационных фракталов (текст, музыка) вполне могут содержать те же шаблоны, что и в генетическом коде.
И если это действительно так, то это может стать мощным эвристическим инструментом исследования некоторых фрактальных особенностей генома по слуху.
Попробуйте «набить» некоторую базу для геномнгой музыки? Надеюсь, это не очень сложно и не очень трудоёмко?

[Alexeyy]

Сергей, получилось ли у Вас, нет выявить фрактальную структуру генома с точностью до букв и слов?
Под буквами имеются в виду некоторые геномные образования, а под словами - образования следующего, более высокого фрактального уровня из предыдущих образований (т.е. в зависимости от уровня рассмотрения слова могут быть буквами и наоборот).

Иначе говоря, удалось ли Вам, нет составить программу подсчета количества слов данной длинны из данного набора букв для заданного участка генома?

[Ван]

Alexeyy

Если преобразования последовательности происходят по фрактальной закономерности в том порядке, о котором писал я, то от фрактальной зависимости в ДНК мало что осталось.

[Сергей]

Сергей, получилось ли у Вас, нет выявить фрактальную структуру генома с точностью до букв и слов?
Под буквами имеются в виду некоторые геномные образования, а под словами - образования следующего, более высокого фрактального уровня из предыдущих образований (т.е. в зависимости от уровня рассмотрения слова могут быть буквами и наоборот).

Alexeyy, фракталы – это простейшая математическая модель, отражающая иерархию природных уровней. Наш мир обладает свойством дискретности: на каждом пространственно-временном уровне имеются устойчивые, повторяющиеся и самоподдерживающиеся образования, как-то элементарные частицы, атомы, молекулы и т.д. Фракталы подчёркивают это свойство, но ничего не говорят о конкретном устройстве каждого уровня.

Для выявления дискретности в информационных процессах сначала надо определиться с понятием информации. В самом общем случае это сохранение структуры путем создания оттиска. Устойчивое сохранение структуры возникло только после появления жизни. Так что можно сказать, что информация – это способ существования репликатора. Процессы матричного синтеза – это граница биологических процессов, возникающих, когда появляются периодические макромолекулы, состоящие из большого числа звеньев, для которых и возможны стерические взаимодействия поверхностей, обуславливающие процессы узнавания и копирования.

Если принять такие определения, то самыми первыми, элементарными информационными процессами являются процессы копирования биологических макромолекул.

Если согласны с этими положениями, тогда можно двинуться дальше и попытаться вычленить уровни кодирования информации в ДНК. И потом уже, вычленив отдельно каждый уровень, пытаться строить на их основе звукоряд, или сравнивать их с информационными процессами, протекающими в мозгах или в обществе.

[Alexeyy]

Если согласны с этими положениями, тогда можно двинуться дальше и попытаться вычленить уровни кодирования информации в ДНК. И потом уже, вычленив отдельно каждый уровень, пытаться строить на их основе звукоряд, или сравнивать их с информационными процессами, протекающими в мозгах или в обществе.

Да, в общем-то, вроде бы, согласен. Собственно мой вопрос и касался уровней кодирования в ДНК, их статистически-эвристического выделения. Что-то удалось сделать, как-то программным образом выделять уровни кодирования, нет?

[gleb]

Господа, всем доброго здравия!
Фракталы... Свойство природы, как живой, так и нет. Что еще скажешь?
Вот не увидел тута у вас, для чего нужна такая структура, какие выгоды дает?
Может отсюда пойти плясать? А тут вроде ясно все: и складчатость коры, и ветвление сосудов... и структура застройки любимой столицы.

[Vladimirkox]

Вот не увидел тута у вас, для чего нужна такая структура, какие выгоды дает?

Показываю ещё раз , sonic86 из dxdy.ru написал: "Запись информации о фрактальтности объекта позволяет экономить место на носителе информации", я - добавил:"Использование такого метода кодировки на последовательности нуклеотидов может быть закреплено естественным отбором и приведет к неизбежному самоподобию биологических структур более высокого уровня. Нарушение самоподобия возможно  при "непрогнозируемом" воздействии окружающей среды."

[Alexeyy]

Для выявления дискретности в информационных процессах сначала надо определиться с понятием информации. В самом общем случае это сохранение структуры путем создания оттиска. Устойчивое сохранение структуры возникло только после появления жизни.

Позволю себе сделать замечание: не так всё очевидно, как кажется на первый взгляд. Так периодические фазовые переходы, например, воды в лед и обратно, вследствие колебаний потока энергии (а они, при наличие потока энергии, в естественных условиях возникают всегда), есть ни что иное, как саморепликация фазовых состояний с устойчивым сохранением структуры (молекулярной структуры строения фазового состояния).

Сергей, судя по всему, Вы программным образом научились выявлять, по крайней мере, некоторые, уровни организации генома. Сергей, не могли бы вы сказать, как соотносится количество разных элементов на каких-либо двух соседних уровнях организации генома, которые вы исследовали? Является ли это число постоянным или меняется по мере увеличения рассматриваемого участка генома. Мне кажется, что количество разных элементов более высокого уровня растет значительно медленнее, чем количество разных элементов предыдущего уровня и не выходит с ростом на насыщение. Не можете по этому поводу что-либо сказать?

Может, этим вопросом уже кто занимался?
А то и, глядишь, известен эмпирический закон для соотношения количества разных элементов разных (соседних) уровней в зависимости от их (элементов) количества ?

[Сергей]

Может, этим вопросом уже кто занимался?
А то и, глядишь, известен эмпирический закон для соотношения количества разных элементов разных (соседних) уровней в зависимости от их (элементов) количества ?

Попробую сформулировать.

Уровни информационного содержания ДНК и их физический смысл.

1. Первый уровень – это копирование самой молекулы ДНК – получение оттиска с каждой из её цепей. Кодировщиком, по сути, выступает сама цепь ДНК. Фермент сшивает звенья второй цепи и увеличивает точность копирования. Наиболее быстрое и точное копирование было бы, если бы цепи состояли из двух мономеров: один в одной цепи, второй – во второй, или равномерное чередование двух звеньев в каждой из цепей. Звеньев, как мы знаем, четыре, и чередуются они не равномерно. Именно благодаря этой вырожденности и появляется возможность кодировки на более высоких уровнях.

2. Узнавание определённых участков двойной спирали белками и другими лигандами. Можно выделить два крайних варианта: а) образование решетки водородных связей между выступающими в бороздки ДНК участками оснований и функциональными группами аминокислот; б) узнавание белком вариаций спирали ДНК (разные пары оснований имеют несколько различающуюся геометрию) образование Ван-дер-Ваальсовских контактов и электростатических взаимодействий. Обычно наблюдается комбинация этих двух крайних вариантов.

3. Нарушения двойной спирали. Участки с высоким содержанием АТ-пар легче расплетаются – это важно для точек начала репликации и транскрипции. При наличии внешнего напряжения участки с последовательностями чередующихся GC пар образуют левую спираль, а полиндромы – крестообразные структуры. Кластеры из G в теломерах образуют квадруплексы, а последовательности с ассиметричным расположением пуринов-пиримидинов – триплексные структуры.

4. Наконец, триплетный белковый код. Именно из-за его вырожденности возможно присутствие регуляторных сигналов уровней 2 и 3 внутри кодирующей белок последовательности.

Таким образом, присутствие разных уровней кодирования сигналов возможно благодаря их взаимной вырожденности. По аналогии с текстом книги можно сказать, что нуклеотиды – это буквы, участки, узнаваемые белками – слова. Мы сейчас занимается анализом уровня 2б. Тут вырожденность проявляется в том, что узнаваемые белками сходные по физическим характеристикам участки образуются при разных комбинациях «букв»:

В настоящее время на основе расшифрованных первичных последовательностей геномов различных классов организмов достигнуты большие успехи в анализе функциональной роли их отдельных участков. Тем не менее, применяемые алгоритмы не позволяют находить все потенциальные функциональные области ДНК. Это связано с тем, что многие белки узнают не конкретные последовательности нуклеотидов, а вариации трехмерной структуры ДНК, например форму сахарофосфатного остова и бороздок ДНК или легкость, с которой спираль ДНК способна изгибаться в сторону определенной бороздки. В этом направлении сейчас ведутся интенсивные исследования. Большой консорциум институтов с помощью методов молекулярной динамики проводит вычисление конформаций всех возможных тетрануклеотидов (NAR, v.38, 299-313, 2010), составляются базы данных конформаций на основе анализа структур кристаллов олигонуклеотидов и их комплексов с белками и низкомолекулярными лигандами (NAR, v.36, 3690-3706, 2008), группой Туллиуса создана база данных локальных конформаций на основе расщепления большого набора олигонуклеотидов гидроксильными радикалами и с её помощью анализировалась функциональная роль некодирующей области генома человека (Science, v.324, 389-392, 2009).

Во вложенном файле статья Туллиуса.

[Alexeyy]

Сергей,
Не знаете, не было ли попыток выявить фрактальную структуру ДНК, с её разными уровнями, чисто программным статистическим образом?
Экспериментально выявить какой набор последовательностей нуклеотидов каким соответствует "словам" - задача не из лёгких и далека от завершения.
Под программным, статистическим выявлением, например, "слов" в последовательности нуклеотидов имелось в виду, примерно, следующее.
Задаётся некоторая длинна слова и рассматривается всевозможный набор последовательностей 4-х нуклеотидов этой длинны. Часть из этих последовательностей, схожих, но "немного" отличающихся можно отождествить как одно и то же слово (например, все последовательности, которые отличаются количеством букв не более чем на 10 процентов можно в программе задать как тождественные). Далее, последовательно, анализируется последовательность нуклеотидов ДНК на предмет выявления слов данной длинны. Далее то же самое можно сделать со словами, рассматривая их как буквы и т.д.
   Такое, наверно, никто программным образом не пытался сделать? Наверно, было не зачем?
   Мне приходит на ум то предположение, что такая игра могла бы оказаться полезной в том плане, что обнаруживала бы фрактальную структуру лишь при определенных характерных интервалах длинн слов (предложений и т.д.). Хотя в реальности слова могут состоять из разного количества букв, но, возможно, существуют некоторые характерные значения длинн слов. Так что упомянутая игра, возможно, могла бы оказаться не совсем гаданием на кофейной гуще. Возможно, оно бы показало, что характерная длина слов (предложений и т.д.), при которой появляется фрактальная структура совпадает с выявленной экспериментально. В таком случае есть надежда, что анализ фрактальной структуры генома описанным методом тыка при таких характерных длинах слов (предложений и т.д.), возможно, сможет дать некоторые статистически полезные характеристики фрактала генома. Которые, такими образом, удастся оценить ещё даже не зная полного набора слов и (т.д.). А это, по-моему, уже что-то.

Эти характеристики можно было бы сравнивать с аналогичными характеристиками других фракталов живой природы и на основе их схожести строит гипотезы общеэволюционного характера. Которые бы как-то связывали эволюцию генома с эволюцию других биологических фракталов.

Меня, в первую очередь, интересует фрактальная структура биоразнообразия. В связи с чем, собственно, и задал Вам вопрос относительно количественной связи количества разных структурных элементов генома разного уровня.

Таких попыток установления связи при той или иной форме вычленения структурных элементов генома разного уровня никто ещё не пытался делать?



В качестве справки-затравки:
"Совсем недавно другой коллектив исследователей опубликовал работу, в которой был исследован еще один аспект пространственного расположения ДНК в ядре. Ученые показали, что петли нуклеиновых кислот упакованы по фрактальному принципу"
(из научно-популярной заметки http://originweb.info/news/2010/01/13_golod_prevratil_hromosomi_v_sprinterov.html )
Похоже, что это какая-то новость. В пересказе научно-популярного портала, весть, конечно, сомнительная. Но мало ли... Может кто в курсе...

[Vladimirkox]

"Совсем недавно другой коллектив исследователей опубликовал работу, в которой был исследован еще один аспект пространственного расположения ДНК в ядре. Ученые показали, что петли нуклеиновых кислот упакованы по фрактальному принципу"
(из научно-популярной заметки http://originweb.info/news/2010/01/13_golod_prevratil_hromosomi_v_sprinterov.html )
Похоже, что это какая-то новость. В пересказе научно-популярного портала, весть, конечно, сомнительная. Но мало ли... Может кто в курсе...

Возможно, ДНК использовал трехмерную кривую Гильберта, чтоб хромосомы не запутывались. Сшивки близлежащих петель ДНК - корректно,показательно ИМХО.