| 12. |
Приоритет Стратегии НТР России |
Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания |
| 16. |
Аннотация |
Предлагаемые научные исследования проводятся в рамках научного направления Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова (кафедра биофизики биологического факультета), возглавляемого академиком РАН А.Б. Рубиным, и направленного на решение актуальных проблем современности по исследованию растительного мира и мониторинга окружающей среды на основе современных подходов биофизики и математического моделирования.
Актуальность проекта обусловлена необходимостью решения проблем контроля состояния и функционирования биологических систем в современных условиях, исследования динамических процессов в биологических системах при воздействии внешних факторов окружающей среды. В этом плане исследование фотосинтеза растительных организмов при поглощении солнечной энергии является, актуальным как для изучения жизнедеятельности биологических систем в различных средах, так и для экологического мониторинга окружающей среды, что представляет собой актуальнейшую задачу.
Предлагаемые исследования позволят получить новые теоретические знания о важнейших биологических процессах и будет иметь важное практическое применение благодаря созданию новых методов исследования окружающей среды и мониторинга экологической ситуации. Предлагаемые подходы и методики представляются универсальными для различных районов России, включая арктические области, где мониторинг экологической ситуации представляется критическим.
Научная новизна проекта состоит в создании принципиально нового подхода исследования биологических процессов растительных организмов и мониторинга окружающей среды на основе математического моделирования биологических процессов и детального анализа экспериментальных наблюдений. Современное развитие вычислительных технологий и вычислительных систем высокой и сверхвысокой производительности открывают широкие возможности новых подходов и детального моделирования сложных процессов в различных областях и является одним из определяющих факторов развития и прогресса современных научных исследований в биологии.
В этом плане важнейшей задачей в современной биологии является создание адекватных математических моделей биологических процессов, которые должны быть основаны на современных знаниях об организации и функционировании биологических систем в комплексных экологических средах. Математические модели в совокупности с экспериментальными наблюдениями могут использоваться для изучения динамических характеристик биологических систем в различных условиях, в частности, при различных неблагоприятных воздействиях. В этом плане фотосинтез растительных организмов является одним из фундаментальных процессов, характер которых определяет жизнедеятельность биологических организмов в окружающей среде и характеризует реальное состояние окружающей среды, и может использоваться для экологического мониторинга.
Целью проекта является разработка комплекса математических моделей, объединенных в мультимасштабную модель, с помощью которой будет проведен всесторонний анализ функционального состояния фотосинтетического аппарата растений и водорослей по данным оптических измерений. В структуру математической модели будут включены описание фотосинтетических реакционных центров, компоненты цепей электронного транспорта и центрального метаболизма растительной клетки. Отдельные блоки модели будут включать процессы, протекающие на разных пространственных и временных масштабах и представляют собой систему из нескольких десятков дифференциальных уравнений, содержащих в неявном виде малые параметры, специфичные для определенных биологических процессов. На основе теории сингулярных возмущений будет проведен анализ детальных математических моделей и последующая редукция, вывод компактных математических моделей для практических применений. Параметры редуцированных моделей связаны с параметрами полной модели и могут быть идентифицированы и оптимизированы по данным оптических измерений для различных экологических условий.
Для верификации математических моделей и получения характеристик динамического поведения переменных будут использованы данные как полевых измерений, полученных в процессе экологического мониторинга, так и полученные в лабораторных условиях, в которых с помощью физических или химических воздействий будет возможно направленно модифицировать функциональное состояние тестовых биосистем и зарегистрировать динамику изменения характеристик флуоресценции хлорофилла и поглощения света в спектральных областях, соответствующих отдельным переносчикам фотосинтетической цепи. Предварительная обработка данных экологического мониторинга методами машинного обучения позволит выделить кластеры с типичным для каждого из них набором параметров, отражающим функциональное состояние, с учетом «усредненного» по всем входящим в кластер биообъектам.
Использование комплексных математических моделей позволит производить широкий спектр исследований по анализу биофизических процессов как в плане фундаментальных исследований так и широкого класса прикладных задач, в частности мониторинг экологической ситуации в различных областях Российской Федерации. На основе предлагаемых моделей будут предложены и апробированы методы оценки динамики состояния растений и микроводорослей под действием стрессовых факторов в биотехнологии и при экологическом мониторинге наземных, а также пресноводных и морских водных систем по данным оптических измерений в различных регионах, включая Арктические области. В отличие от существующих классических методов мониторинга природных водоемов путем определения обилия клеток фитопланктона, предлагаемый подход с использованием математического моделирования и автоматической регистрации состояния фотосинтетического аппарата оптическими методами позволит в режиме реального времени проводить непрерывный экологический мониторинг, наблюдая динамику изменения состояния водоемов. Проводя одновременную математическую обработку получаемой информации и ее анализ с помощью разработанных математических моделей можно выявить механизмы действия внешних экстремальных факторов (антропогенных загрязнений) на структурно-функциональное состояние фотосинтетического аппарата. |