基于GreenLab原理构建油松成年树的结构-功能模型

 林木的结构-功能模型(functional-structural tree modeling, FSTMs)是基于器官级组件构建的将植物结构和功能结合起来的一类模型, 在应用于成年树时需要解决拓扑结构复杂性和年轮分配模式普适性的问题。该文以18年生和41年生的油松 (Pinus tabulaeformis)成年树为研究对象, 将GreenLab模型应用到成年树的模拟中。采用破坏性取样, 实测了2株油松成年树的形态结构, 利用子结构模型解决成年树拓扑结构复杂性的问题, 引入年轮影响系数λ, 将全局分配模式和Pressler模式结合起 来, 解决年轮分配模式在不同年龄和环境条件下不同的问题。模型的直接参数通过实测数据获得, 隐含参数利用非线性最小二乘法拟合反求获得。通过实测数据与模拟数据的对比、模拟数据与经验模型模拟数据的对比, 对模型的模拟效果进行了评估, 发现节间总重、针叶总重、树高、树干节间重观测值和模型模拟值建立的回归方程的决定系数为0.84–0.98, 结构-功能模型与经验模型对总生物量模拟的决定系数为0.95, 表明该模型能较真实地反映油松的结构和生长过程。     

利用回归模型筛选出近天然的抗原-抗体对接模拟结构

在抗原-抗体分子对接模拟所生成的大量计算生成构象中筛选出近天然结构,即接近真实情况的抗原-抗体结合模式。借鉴QSAR原理,定义抗原-抗体接触面描述符并利用Discovery Studio 4.5软件平台计算出各对接模拟构象的接触面描述符和能量参数。构造训练集数据进行回归分析,建立预测对接模拟构象是否是近天然结构的数学模型。通过测试集和实际应用情况检验该数学模型。通过回归分析所建立的数学模型能够在成百上千的抗原-抗体对接模拟构象中有效筛选出其中的近天然结构,在测试集验证和4G7抗体结合模式预测应用中具有良好的表现,验证了该数学模型的有效性和实用性。经验性的抗原-抗体接触面特征如氢键密度、氨基酸对偏好性指数等以及能量参数能够共同有效表征近天然结构,所建立的数学模型有效增强了通过分子对接预测抗原-抗体结合模式的可行性。     

基于植株拓扑结构的生物量分配的玉米虚拟模型

依据植物结构—功能相互作用机理,建立了能模拟玉米生长发育与形态结构建成的虚拟模型。该模型的重要部分为基于植株拓扑结构的生物量分配模块。叙述了该模块的构建原理,以2000年田间试验数据提取了玉米的发育、生物量生产和生物量分配参数。模型模拟了2001年的玉米生长发育与生物量分配过程,模拟结果与田间试验结果比较吻合。应用该模型模拟了2001年玉米不同生育阶段植株的生物量分配和各器官生物量积累动态。     

基于净生产力生态足迹模型的工业碳排放效应、影响因素与情景模拟

以不同类型城市东营和滨州为例,采用基于净生产力的生态足迹模型测度2005—2014年两市工业碳排放效应,利用弹性系数模型对工业碳排放生态足迹及其影响因素进行对比,通过情景模拟分析了基准和低碳情景下两市的可持续低碳发展潜力。研究结果显示:(1)东营碳排放总量和碳排放强度明显高于滨州,两市的碳排放生态足迹总体上都处于上升趋势,年均增长率分别为12.79%和6.16%,这与两市工业化发展阶段不同有关;(2)2005—2008、2008—2011和2011—2014,东营工业碳排放生态足迹当量主导影响因素组合变化为"耕地面积-土地城镇化率-能源结构系数"转化为"耕地面积-人口规模-能源结构系数"到"耕地面积-人口规模-第二产业比重";滨州2005—2014年的主导因素组合一直为"人口规模-土地城镇化率-能源结构系数";(3)通过情景模拟分析2020年东营、滨州的低碳发展潜力:基准和低碳情景下,滨州生态赤字分别为东营的10倍和2.6倍;就"减排"潜力而言,滨州远远高于东营,但实现低碳情景是工业GDP增长从现阶段20.6%骤降到6.5%为代价,对产业结构调整升级要求很高。对东营而言,低碳情景的实现不仅要将能源利用效率提高一倍,更要保证大量重要"碳汇"资源的恢复与重建。     

基于智能体模型的土地利用动态模拟研究进展

土地利用动态变化是全球变化和可持续发展研究的基础,对区域水循环、大气循环、环境质量、气候变化及陆地生态系统生产力等具有重要影响,也是造成生物多样性衰减的最主要原因.目前,建立于复杂性科学基础上的的智能体模型(ABM)成为土地利用动态模拟的重要方法.智能体模型能模拟个体或群体的行为及决策模式,从而能将政府、城市规划、房地产开发商、住户等社会群体及个人对土地利用产生的影响进行模拟,同时能对不同社会经济政策对土地动态影响进行模拟.智能体模型在元胞自动机基础上,加入了人为因素的智能体概念,从而能更好地模拟土地动态.在分析总结了智能体模型的相关概念和组织结构,并分析了其在土地利用动态、城市动态模拟及生态过程模拟等方面的应用与元胞自动机的关系,比较了常用的智能体模型的主要软件,最后概括了智能体模型优点、发展趋势及存在的主要问题.     

基于“天河二号”的水产病原生物信息分析平台构建及其在水产病原分析中的应用

作为生命科学的关键组成,生物信息学已被广泛地应用于基因组学、转录组学和蛋白质组学中。然而,生物信息分析平台的构建需要高性能计算机而非普通的个人电脑,从而极大地限制了生物信息学在水产科学中的应用。本研究基于"天河二号"超级计算机,构建了水产病原生物信息分析平台。该平台由基因组与转录组测序数据分析、蛋白质结构预测和分子动力学模拟3个功能模块组成。为了验证该平台的实用性,以水生动物病原微生物为例进行了生物信息学分析。通过Blast检索、GO和Inter Pro注释,鉴定了约氏黄杆菌(Flavobacterium johnsoniae)M168株的功能基因并对其进行了注释。通过同源模建,构建了草鱼呼肠孤病毒(Grass carp reovirus,GCRV)HZ-08的5个小节段的蛋白结构模型。对嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)外膜蛋白A进行了分子动力学模拟,并观察了平衡过程中系统温度、总能量、均方根偏差和环区构象的变化。以上结果均显示本研究成功建立了在"天河二号"超级计算机上运行的水产病原生物信息分析平台。此项研究将为其他学科生物信息分析平台的构建提供思路和线索。     

蛋白质结构与功能研究中的分子模拟技术

分子模拟技术为蛋白质的研究提供了一种崭新的手段,在理论上解决了结构预测和功能分析以及蛋白质工程实施方面所面临的难题。它在蛋白质的结构预测和模建工作中占有举足轻重的地位,实现了生物技术与计算机技术的完美结合。本文简要阐述了该技术的基本步骤和工作原理,并以目前应用最广的生物大分子领域的商品化分子模拟软件Accelrys公司基于Linux系统开发的InsightII为例,介绍了相关程序模块的功能和作用,同时结合该技术在蛋白质的结构预测和模建、结构与功能关系分析、分子设计等过程中的开发与应用,加以具体说明和展望。     

通过分析来自Pyrococcus abyssi的腈水解酶中带电基团位置变化探讨蛋白耐热机制

蛋白含带电侧链基团的氨基酸的位置对蛋白质的热稳定性有很大的影响,目前,往往采用蛋白质结构模型"静态"分析这一影响。本文以1株耐热的腈水解酶作为研究对象,构建并异源表达了该酶,对其酶学性质进行初步分析。利用Discovery Studio对该酶进行同源建模,得到空间结构。将此空间结构利用Gromacs软件在不同温度下进行分子动力学(MD)模拟,使用Macrodox软件计算蛋白质所有带电氨基酸残基的包埋率与溶剂可接触性面积(SA),发现在不同温度下,部分氨基酸带电基团的SA值会发生显著变化。说明通过静态分析并不一定能够得到非常准确的结果,而应进行动态分析。     

分子动力学模拟与分子生物力学

生物大分子的微观结构动力学决定其生物学功能,其力学-化学耦合规律是分子生物力学的重点关注方向。分子动力学模拟是耦合生物大分子力学-化学性质微观结构动力学基础的有效手段,其结果可用于预测结构-功能关系、指导实验设计和诠释实验结果。本文简要介绍了分子动力学模拟的方法学特点、基本工作原理及其在分子生物力学中的应用,并展望了未来可能的发展方向和应用前景。     

分子动力学模拟HPV(16, 18)E6蛋白

目的:对人乳头瘤病毒HPV16,18中E6蛋白结构进行分子模拟和分析,寻找可以作为蛋白-配体相互作用的关键结构区域。方法:以HPV16 E6蛋白为模板,对HPV18 E6蛋白进行同源建模,对构建的HPV18 E6模型以及晶体结构模型HPV16 E6进行分子动力学模拟,通过微观上的loop环分析和宏观上的整体运动分析研究了HPV18 E6与HPV16 E6在溶剂环境下结构变化的异同。结果:发现靠近N端loop环在蛋白-配体结合过程中能介导控制配体、水、离子进出的"门控"的作用,解释了两个蛋白在水溶剂中的运动构象的变化。结论:本研究解释了HPV16 E6与HPV18 E6两个蛋白在溶剂中的运动机制,并发现了loop环在其中扮演"门控"的作用,解释了两个蛋白在水溶剂中的运动构象的变化,该发现能够为基于两个蛋白为靶点的药物设计提供理论依据。     

不同景观结构下麦田地面甲虫和蜘蛛物种多样性及优势种分布的时空动态

【目的】揭示在不同景观结构下,麦田地面甲虫和蜘蛛物种多样性及优势种分布的时空动态,为实际小麦生产过程和害虫种群控制提供理论上的依据和方法。【方法】采用地面陷阱法调查,对不同景观结构下地表甲虫和蜘蛛物种多样性的田间分布和时间动态进行分析与模拟。【结果】所得银川平原4种不同景观结构下麦田生境中地表甲虫和蜘蛛17科,92种,计5 683头。蜘蛛和步甲分别占总个体数的15.61%、31.15%。对不同景观结构下地表甲虫和蜘蛛物种多样性的田间分布和时间动态进行分析与模拟,得出:复杂景观结构较简单景观结构的调查区,表现出明显较高的物种多样性。步甲在5月上旬多样性指数最大,随后出现先降后升的趋势;蜘蛛在6月下旬多样性指数最大,之后一直呈现下降趋势。其原因主要是灌水影响了部分地表甲虫和蜘蛛活动所致。【结论】通过绘制了毛青步甲Chlaenius pallipes和星豹蛛Pardosa astrigera种群密度的田间分布图,可看出复杂景观结构调查区较简单景观结构调查区二者种群数量明显较高。     

基于温度副本交换分子动力学模拟方法研究温度致H1小肽结构变化特征

采用GROMOS43A1力场,用温度副本交换分子动力学模拟方法研究水溶液中H1小肽在4个不同温度下的结构特征.选择H1小肽的初始构象分别为α螺旋和β折叠片,完成了两组独立的36个温度副本交换的分子动力学模拟,一组从α螺旋出发的模拟用来对该小肽的结构特征进行研究,另一组从β折叠片出发的模拟用于验证构象采样的收敛性,每个副本的模拟时间为300ns,共计模拟时间长达21.6μs.在此基础上,研究了H1小肽在温度300K、330K、350K和370K下的结构特征,分析了其主链二面角分布、天然氢键数、β转角的形成概率以及不同温度下偏好采样构象的变化特征等.模拟结果表明,在4个不同温度下,均能够采样到同β折叠片结构的Cα原子均方根偏差最小为0.05nm的构象类,该构象类在4个不同温度300K、330K、350K和370K下分别包含了全部构象的39%、23%、13%和11%.GROMOS43A1力场在刻画小肽的结构方面具有一定的精度,但是在描述氢键方面仍需要加强,H1小肽在不同温度下结构特征的比较能够为分子力场的优化提供重要的帮助.     

用数学方法探究基因频率变化的活动设计

利用不同颜色的纸片模拟不同的"自然环境"和"猎物",让学生充当"捕食者"参与活动,以小组合作的方式来探究基因频率变化。实验结果表明,以小组合作的方式让学生进行数据统计、计算分析、绘制图表、交流讨论,能使其很好地理解种群、种群基因库和基因频率3个基本概念,使其深刻体验自然选择下种群基因频率的变化,并学会基因频率的计算方法。     

白骨壤次生木质部生态解剖学研究

测量了深圳红树林鸟类自然保护区8个不同白骨壤(Avicennia marina)种群采样点土壤的盐分、p H值和养分,应用生物显微技术和电镜技术观察了白骨壤次生木质部的结构形态,不同样地白骨壤次生木质部均具有:(1)纤维状导管;(2)螺旋雕纹和附物;(3)薄壁细胞含淀粉粒;(4)内含韧皮部。依据结构-功能解剖学的研究结果,这些特化结构均有利于提高白骨壤在"生理干旱"生境下栓塞修复能力,增进水分输导的安全性。对白骨壤次生木质部数量特征和土壤理化因子作逐步回归分析,结果表明:随土壤盐度和土壤有机质含量增大,在遭受"生理干旱"越来越严重的情况下,白骨壤能形成更高的复孔率,相邻两导管接触壁平均厚度增加,这可能是适应异质生境的结果。     

基于信息管理的一种虚拟森林景观构建及应用探讨

在分析不同尺度的森林可视化建模内容和技术特点的基础上,提出了一个基于信息管理的虚拟森林景观构造原理和技术体系.把过程建模技术与树木形态结构描述结合,提出了一种交互式、参数化的树木动态建模方法,给出了相应的绘制方法和几何体简化算法以实现加速实时绘制,并以福建省漳浦县为例,建立了典型树种的几何模型库.利用森林调查和遥感动态空间数据,借助地理信息系统ArcObiect组件、图形环境OpenGL和Visual C⁺⁺语言,开发了虚拟森林管理原型系统,实现森林二维/三维交互漫游、查询分析、森林生长仿真模拟,其真实感与模拟精度满足实际森林资源管理需求.最后给出了系统的典型用户界面以及在考虑竞争条件下马尾松自然生长模拟和人工间伐前后的虚拟景观对比的应用例子.     

Gizmos软件在高中生态系统教学中的应用研究

新课程改革遵循"以学生发展为本"的理念,大力倡导建立自主、合作、探究的学习方式。中学生物课程中的生态系统是一个抽象、复杂的系统,而且其变化过程在短时间内很难模拟或演示。Gizmos是一款在线模拟软件,它给高中生提供了一个可以模拟演示生态系统的平台。本文研究了在生物教学中运用Gizmos软件来模拟生态系统的具体操作流程及策略,并探讨了软件在应用中的优势和局限。     

扁豆过敏原Len c 3蛋白B细胞抗原表位预测及同源建模

目的:通过应用生物信息学软件模拟、分析预测扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构、性质及B细胞抗原表位,为探索基于扁豆过敏原Len c 3抗原表位的改造提供依据。方法:从Uniprot蛋白质数据库中得到扁豆过敏原Len c 3的氨基酸序列,通过生物信息学软件Swiss-Model及Swiss-PdbViewer 4.0模拟和分析扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构,使用DNAStar软件对其B细胞抗原表位进行模拟、分析预测。结果:扁豆过敏原Len c 3蛋白为疏水性蛋白,在氨基酸残基第7-26位有一跨膜区,Ramachandran图评估扁豆过敏原Len c 3蛋白的三维结构显示其空间构象稳定,Len c 3蛋白潜在的B细胞抗原表位为35-36,48-50,66-71,87-90。结论:本研究通过对扁豆过敏原Len c 3蛋白进行生物信息学分析获得了该过敏原的结构、性质及潜在的B细胞抗原表位,为进一步了解和掌握扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构功能以及抗原性改造、单克隆抗体制备、表位疫苗设计等提供重要的线索。     

模拟打制实验及其在丁村角页岩石器研究中的应用

模拟打制是史前考古研究中的重要实验考古方法之一,对于正确认识考古标本的类型和技术、解读当时人类的认知水平和知识积累具有不可取代的作用。本文简要回溯了模拟打制实验的发展史,并评述其应用现状。模拟打制实验在欧美有较长的发展与应用历史,但最终趋向了不同的发展方向。传统的模拟打制实验研究在欧洲得到了更加深入的继承和发展,而美国在上世纪90年代后期逐渐发展起了以定量控制、数理统计为核心的实验方法。本文以近期在山西丁村开展的角页岩模拟打制实验为例,介绍传统的模拟打制实验的基本流程和内容,包括实验的内容设计、实施及记录和分析等。本次实验结果肯定了硬锤锤击技术在丁村角页岩石核剥片和修理中的广泛应用,并在一定程度上否定了以往对使用碰砧法的推测。文章最后对模拟打制实验存在的问题和应用前景作了讨论和展望。     

扁豆过敏原LenC3蛋白B细胞抗原表位预测及同源建模

目的：通过应用生物信息学软件模拟、分析预测扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构、性质及B 细胞抗原表位, 为探索基于扁豆过敏原Len c 3 抗原表位的改造提供依据。方法：从Uniprot 蛋白质数据库中得到扁豆过敏原Len c 3的氨基酸序列,通过生物信息学软件Swiss-Model及Swiss-PdbViewer 4.0 模拟和分析扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构,使用DNAStar软件对其B细胞抗原表位进行模拟、分析预测。结果：扁豆过敏原Len c 3蛋白为疏水性蛋白,在氨基酸残基第7-26 位有一跨膜区,Ramachandran 图评估扁豆过敏原Len c 3蛋白的三维结构显示其空间构象稳定,Len c 3蛋白潜在的B细胞抗原表位为35-36,48-50,66-71,87-90。结论：本研究通过对扁豆过敏原Len c 3蛋白进行生物信息学分析获得了该过敏原的结构、性质及潜在的B 细胞抗原表位,为进一步了解和掌握扁豆过敏原Len c 3蛋白的结构功能以及抗原性改造、单克隆抗体制备、表位疫苗设计等提供重要的线索。     

生物膜细管形成过程的研究*

我们都知道磷脂双亲分子在水或者油溶液中会形成各种不同的形状。现在我们探讨的是一种细的管状生物膜泡。它通常是指在磷脂双亲分子形成膜泡后,我们对它在显微镜下进行的一系列使用光镊施加拉力操作而形成的细的管状结构。实验显示,膜泡形成的管状结构在生物学中是普遍存在的。本文主要研究怎样应用数值计算的方法进行模拟细的管状膜泡,从而得到一些长短,粗细不同的管状生物膜泡。我们从极小曲面悬链面的角度出发,研究管状膜泡的形成结构特点。最后我们认为管状膜泡的形成不同形状是与对膜泡施加拉力、细管的半径、以及管子的长度等因素有着密切的联系。