WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОФИЗИКИ, ГЕНЕТИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Материалы Всероссийского семинара памяти ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ

БИОФИЗИКИ, ГЕНЕТИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ

И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Материалы Всероссийского семинара

памяти профессора Ю.П.Волкова

7 декабря 2012 года

Саратов 2013

УДК 681.2:535.015:579.6:577.2:004.94:621.37

ББК 28.4

22.3 34.9 С56

Редакционная коллегия:

д.т.н., проф. Бровкова М.Б. (председатель) к.ф.-м.н., доц. Мантуров А.О. (ответственный редактор) к.ф.-м.н. Данилова Т.В.

к.т.н. Егоров И.В.

к.т.н., доц. Мантурова И.А.

к.ф.-м.н. Хороводова Н.Ю.

С56 Современные проблемы биофизики, генетики, электроники и приборостроения:

материалы Всероссийского семинара памяти профессора Ю. П. Волкова, 7 декабря 2012 г., г. Саратов / Саратовский гос. техн. ун-т имени Гагарина Ю.А. Саратов: СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2013. – 45 с.

ISBN 978-5-9758-1456-2 В сборнике опубликованы труды участников Всероссийского семинара памяти профессора Ю. П. Волкова «Современные проблемы биофизики, генетики, электроники и приборостроения», состоявшегося 7 декабря 2012 года в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Сборник ориентирован на специалистов в области радиоэлектроники, радиофизики, биофизики, биологии, медицины, приборостроения. Материалы представлены в авторской редакции.



Издание сборника осуществлено при финансовой поддержке ГК «Центр Инновационных Технологий» (г. Саратов).

ISBN 978-5-9758-1456-2 УДК 681.2:535.015:579.6:577.2:004.94:621.37 ББК 28.4+22.3+34.9 © Коллектив авторов © СГТУ имени Гагарина Ю. А.

© Мантуров А.О. (оформление)

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РЕЛЬЕФА НАНОРАЗМЕРНОЙ ПРОВОДЯЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ С ФОТОННЫМ ЭЛЕМЕНТНЫМ АНАЛИЗОМ МАТЕРИАЛА

Акчурин Г.Г.1, Акчурин Г.Г.2, Волков Ю.П.3 1-СГУ им. Н.Г.Чернышевского, 2-ИТПМУ РАН, 3-СГТУ им. Гагарина Ю.А.

В основе метода измерения профиля проводящей поверхности лежит туннельный эффект, связанный с волновыми свойствами наночастиц, в частности электронов в зоне проводимости для полупроводников или электронного газа в металле, энергетическая плотность заселения уровней в которых подчиняется статистике Ферми-Дирака. При приближении к анализируемой проводящей поверхности металлического зонда с наноострием на расстояние, составляющее несколько ангстрем, при подаче напряжения(порядка вольта) на зонд у электронов, обладающих волновыми свойствами, возникает вероятность преодоления потенциального энергетического барьера, т.е. эффект туннелирования электронов из анализируемой наноповерхности, при этом величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между острием зонда и поверхностью. При расстояниях порядка единиц ангстрем типичное значение туннельного тока составляет наноамперы. Если освещать поверхность под зондом оптическим излучением с энергией фотонов hv или, соответственно, (hс/), большей работы выхода электронов из металла или энергетической ширины запрещенной зоны (Е g) для полупроводниковой поверхности, возникает внешний или внутренний фотоэффект, изменяющий туннельный ток за счет фотоэффекта. При этом величина дополнительного тока будет пропорциональна плотности оптической мощности и при размере оптического пятна, создаваемого фотонным кристаллом или одномодовым световодом, возможно достижение фототока значения, соизмеримого с туннельным.





Таким образом, при перестройке зондирующей длины волны от ИК диапазона к УФ диапазону, определяется пороговая длина волны, соответствующая появлению дополнительного локального фототока и, соответственно, определение элементного состава материала под зондом с пространственным наноразмерным разрешением из рабочей формулы Еg =1238/ гр, А =1238/ гр, где гр- граничная длина волны в нм, Е g и А- ширина запрещенной зоны для зондируемого полупроводника или работа выхода для металла в электрон-вольтах в данной точке поверхности.

Типичная величина работы выхода для металлов изменяется от 2 до 4 эВ, поэтому для создания фотоэффекта можно использовать перестраиваемые УФ светодиоды, излучение которых вводится в оптическое волокно и облучает зондируемую нанообласть.

Литература

1. Патент RU 2 426 135 C1. Авторы: Акчурин Гариф Газизович, Акчурин Георгий Гарифович, Волков Юрий Петрович. Опубл. 10.08.2011 Бюл. № 22.

2. G.Binnig, H.Rohrer. Scanning tunneling microscopy // Helv. Phys. Acta, v. 55, № 6, p.

726 – 735 (1982).

3. В.Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород, 2004,С.110.

ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА НЕРЕЗКОГО МАСКИРОВАНИЯ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

–  –  –

Разработка новых алгоритмов реконструкции изображений в вычислительной томографии сохраняет свою актуальность в связи с появлением новых практических приложений в этой области, таких как, например, теневая томографическая микроскопия [1]. В частности, предложен итерационный малоракурсный алгоритм реконструкции изображения, основанный на методе регуляризации Тихонова (т.н. TVалгоритм [2,3]). Преимуществом данного подхода является использование TV-нормы в качестве нормы регуляризации, что позволяет эффективно устранять шум, неизбежно возникающий в процессе получения проекций, а также повышать разрешение результирующего изображения, не снижая его качество. Однако при значительном снижении количества ракурсов резкость результирующего изображения, получаемого с помощью данного алгоритма, все же снижается.

В настоящей работе предложен алгоритм итерационной реконструкции томографического изображения по малоракурсным данным, позволяющий на основе применения метода нерезкого маскирования, существенно улучшить разрешение восстанавливаемого изображения. Представлена практическая реализация предлагаемого алгоритма. Описаны результаты применения данного алгоритма на тестовом изображении.

Литература

1. Пат.№2413204 РФ МПК G01N Способ Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления / Юдаков М.А, Волков Ю.П., Мантуров А.О. Опубл. 27.02.2011 г.

2. Rudin L. I., Osher S., Fatemi E. Nonlinear total variation based noise removal algorithms. - Physica D. 1992. Vol. 60, P. 259-268.

3. Jia X., Lou Y., Li R., et al. GPU-based Fast Cone Beam CT Reconstruction from undersampled and Noisy Projection Data via Total Variation. - Medical Physics. 2010.

Vol. 37. P. 1757-1760.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС

СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ АТОМАРНОГО

РАЗРЕШЕНИЯ (ДЛЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИНЖЕНЕРНЫХ РАБОТ)

–  –  –

Комплекс реализует аналитико-измерительные функции туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, оптической микроскопии ближнего поля.

Основные сферы применения комплекса связаны с его использованием при создании принципиально новых производственных технологий, перспективных материалов, при проведении фундаментальных и прикладных исследований:

• В физике твердого тела: получение спектральных характеристик объектов, включая изучение люминисценции молекул; исследование структуры пленок Ленгмюр-Блоджет, исследование фуллеренных структур.

• В электронике: исследование и формирование наноструктур с заданными свойствами методами нанотехнологий, включая возможность манипулирования отдельными атомами, создания устройств со сверхплотной записью информации, и др.

• В материаловедении: исследование физико-технических параметров перспективных композитных материалов (стеклопластик, магнитопластик, базальтопластик), свойств сплавов, дефектов конструкций; в микробиологии, медицине: визуализация поверхностей биологических объектов (клетки, вирусы, ДНК); исследование срезов клеток и тканей; исследование локализации белков на поверхности и внутри клеток.

• В области образования: оснащение университетских лабораторий наукоемким оборудованием, позволяющим создавать учебные практикумы в различных областях науки и техники, для различных специальностей.

В указанных направлениях авторами проекта опубликовано более 90 научных публикаций в ведущих отечественных и зарубежных журналах («Радиотехника и электроника», «Письма в ЖТФ», «ЖТФ», «Заводская лаборатория», «Арр1. Surf.

Science»), изданы две монографии.

Основные технические характеристики Разрешающая способность комплекса в различных видах зондовой микроскопии составляет:

• В режиме туннельной микроскопии разрешение в плоскости объекта сканирования — до 2 Ангстрем; в перпендикулярном объекту направлении — до 0,1 Ангстрем.

• В режиме атомно—силовой микроскопии разрешение в плоскости объекта сканирования — до 2 Ангстрем, в перпендикулярном объекту направлении — до 1 Ангстрем.

• В режиме оптической микроскопии ближнего поля — до 20-30 Ангстрем.

Величины диапазонов сканирования составляют:

• для туннельной микроскопии, мкм — 100х 100х4

• для атомно-силовой микроскопии, мкм — 100х 100х4

• для оптической микроскопии ближнего поля, мкм — 100х 100х4 Система оптической микроскопии и ближнего поля позволяет работать во всех известных режимах, в том числе, в режиме туннельной фотонной микроскопии, в режиме безапертурной оптической микроскопии ближнего поля с металлическим измерительным острием.

Комплекс обеспечивает многомодовость режимов работы, позволяя одновременно вести регистрацию механических, электрических, квантовых параметров исследуемых объектов с получением топографии поверхности.

Программное обеспечение комплекса обеспечивает дружеский многооконный интерфейс (среда Windows) и возможность графического представления экспериментальной информации. Строятся двух- и трехмерные изображения, реализуется псевдоподсветка, поворот изображения, изменение масштаба, изменяется положение источника освещения, возможно выделение заданного участка, предусмотрен Фурье-анализ экспериментальных данных, вычитание наклона поверхности и др.

Габариты измерительной части комплекса не превышают 300 х 300 х 200 мм, масса не более 10 кг.

Комплекс имеет модульную структуру в конструктивном отношении и в отношении программного обеспечения, позволяющую оперативно адаптироваться к новым функциональным задачам.

В состав комплекса входит встроенный компьютер, управляющий режимами зондовой микроскопии, который подключается к любому внешнему компьютеру через локальную сеть Ethernet, что позволяет управлять работой комплекса с любого удаленного компьютера (в том числе через Internet) работающего в любой операционной системе.

Одно из преимуществ комплекса перед известными аналогами (отечественными (НТ-МДТ, Фемтоскан) и зарубежными (Nanoscope, Explorer System, Veeco, Aurora, Park Sсiеntific Instruments) заключается в том, что в нем впервые реализовано сочетание рекордных характеристик по многофункциональности и разрешающей способности с возможностью работы в обычных комнатных условиях (без применения специальных амортизаторов, массивных столов, виброгасителей и т.п.) и возможностью быстрой модификации и подключения новых измерительных головок.

СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ДИНАМИКИ РЕПЛИКАЦИИ ДНК

–  –  –

Важнейшим методом современных молекулярно-генетических исследований является полимеразная цепная реакция (ПЦР), в ходе которой при помощи молекулы ДНК-полимеразы создается копия исходной молекулы ДНК. В ряде практических приложений ПЦР, в число которых входит проблема секвенирования последовательности ДНК, требуется знать динамические характеристики процесса копирования, а именно иметь возможность оценивать скорость копирования в зависимости от ряда параметров, определяющих ход реакции — концентраций рабочих растворов, характеристик используемой ДНК-полимеразы и др.

В настоящей работе предложена математическая модель, позволяющая получить оценки некоторых характеристик процесса репликации ДНК. Модель построена на базе модели клеточного автомата [1], представленного двумерной регулярной решеткой ячеек, состояние которых соответствует пространственному распределению молекул нуклеиновых кислот. Предлагаемая модель позволяет исследовать динамику процесса копирования, а также перемещение молекулы полимеразы и прикрепления комплиментарных нуклеиновых кислот из окружающего раствора.

Таким образом, предлагаемая в работе модель позволяет определить поведение системы при разных концентрациях нуклеиновых кислот в растворе, что, в свою очередь, требуется для определения порядка следования нуклеиновых кислот в нити ДНК, в ходе наблюдения за процессом ее репликации, например, в задаче секвенирования ДНК.

Литература

1. Т. Тоффоли, Н. Марголус, Машины клеточных автоматов, М.: «Мир», 1991.

ОПТИМАЛЬНЫЙ АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НАХОЖДЕНИЯ

НАИБОЛЬШЕЙ ОБЩЕЙ ПОДПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

–  –  –

Задача нахождения наибольшей общей подпоследовательности – задача поиска последовательности, которая является подпоследовательностью нескольких последовательностей (обычно двух). Часто задача определяется как поиск всех наибольших подпоследовательностей. Это классическая задача информатики, которая имеет приложения, в частности, в задаче сравнения текстовых файлов (утилита diff), а также в биоинформатике, называемая выравниванием ДНК последовательностей. В частности, одной из задач генетических исследований является поиск сходства структур известных ДНК последовательностей. Так как длины ДНК последовательностей достигают миллионов нуклеотидов, то нахождение выравнивания является весьма трудоемкой задачей.

Спектр задач, в которых требуется выполнять выравнивание, весьма обширен:

реконструкция эволюции организмов, поиск активного центра, моделирование 3D структуры белка, выявление паттерна функциональных семейств и сигналов в ДНК и многие другие. Наконец, выравнивание ДНК начинает широко применяться при обработке результатов секвенирования.

В настоящей работе рассмотрены принципы динамического программирования [1], а также известные подходы к решению задачи наибольшей общей подпоследовательности (алгоритмы Нидельмана-Вунша [2] и Миллера-Майерса [3]).

Предлагается альтернативный алгоритм для нахождения наибольшей общей подпоследовательности, оптимизированный для реализации в многопоточной среде или для обсчета на графических процессорах [4].

Литература

1. Д. Грин, Д. Кнут Математические методы анализа алгоритмов. — Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 120 с.

2. S.B. Needleman and C.D. Wunsch, A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins, Journal of Molecular Biology, 48 (1970) 443-453.

3. E.W. Mayers and W. Miller, Optimal alignments in linear space, Computer Applications in the Biosciences, 4(1) (1988) 11-17.

4. Jason Sanders, Edward Kandrot (2010) «CUDA by Example: An Introduction to GeneralPurpose GPU Programming» - Addison-Wesley Professional – 312

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦ

НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА

–  –  –

Активное развитие высокотехнологичного протезостроения в мире привело к появлению все более совершенных конструкций протезов и протезируемых систем.

Проектирование и изготовление их осуществляется не только с использованием жестких, но и на базе упругих элементов (тросовые и ременные передачи и др.).

На первоначальном этапе проектирования подобных устройств особое внимание уделяется математическому моделированию их движения, которое должно быть проведено в соответствии с законами и принципами движения человека.

Динамику перемещения нижних конечностей человека целесообразно рассматривать в комплексе, т.е. наряду с методами позволяющими изучить и исследовать динамику детерминированных элементов его строения (например: кости и суставы) можно применять методы, позволяющие исследовать законы движения его упругих элементов (мышцы и сухожилия).

В процессе движения человека участвуют следующие группы мышц:

1. Для движения относительно тазобедренного сустава: брюшная – подвздошная, большая и малая ягодичные мышцы;

2. Для движения относительно тазобедренного сустава: двуглавая и четырехглавая мышцы бедра;

3. Для движения относительно коленного сустава: икроножная мышца, наружные и передние мышцы голени.

Обычно мышцы, осуществляющие сгибание, - флексоры – находятся спереди, а производящие разгибание – экстензоры – сзади от сустава. Только в коленом и голеностопном суставах передние мышцы, наоборот, производят разгибание, а задние сгибание [1].

При моделировании сокращения и растяжении мышц нижних конечностей человека можно принять следующее допущения:

1. Учитывая малые величины прогиба, растяжения и сжатия четырехглавой мышцы бедра, брюшной – подвздошной мышцы, наружной и передней мышц голени в процессе рассмотрения динамики сокращения и растяжении мышц нижних конечностей человека ими можно пренебречь. Тогда мышцы, отвечающие за сгибание и разгибание свободных сочленений нижних конечностей человека относительно суставов, будут распределены следующем образом: относительно голеностопного сустава – икроножная мышца; относительно коленного сустава – двуглавая мышца бедра; относительно тазобедренного сустава – большая и малая ягодичные мышцы.

2. Большая и малая ягодичные мышцы представлены в виде одной мышцы ягодичной.

3. Примем, что форма поперечного сечения икроножной и двуглавой мышцы бедра имеет форму круга, а форма поперечного сечения ягодичной мышцы – прямоугольная.

4. Примем, что на конце мышцы сосредоточен точечный груз массой равной сумме свободных сочленений нижних конечностей человека.

Кинематические схемы деформации сокращения мышц нижних конечностей человека представлены на рис.1.

–  –  –

Литература

1.Биология для поступающих в ВУЗы / под. редакцией В.Н.Ярыгина.-М.: «Высшая школа», 2001.-492 с.

2.Саад Загхлюл Саид Аль-Кхаиит. Динамический анализ различных геометрических форм исполнения звеньев робота. / Саад Загхлюл Саид Аль-Кхаиит// Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки.-2009-№3-С.14-18.

3.Дьяков И.Ф. Метод конечных элементов в расчетах стержневых систем /Дьяков И.Ф., Чернов С.А., Черный А.Н.-Ульяновск:УлГТУ, 2010.-133с.

РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОСКОПИЯ С ТОМОГРАФИЧЕСКИМИ

МЕТОДАМИ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

–  –  –

В настоящее время в России и за рубежом проводятся интенсивные исследования и разработки в области рентгеновской микроскопии. Это вызвано тем, что оптическая микроскопия дальнего поля достигла предела разрешения дифракционного предела, равного примерно 0,2-0,3 мкм, и дальнейшее повышение разрешающей способности требует перехода на более коротковолновое излучение.

Рентгеновское излучение имеет меньшую длину волны, поглощается тонкими биологическими тканями, без поглощения проходит через воздух и воду, отличается относительно малой дозой радиационного воздействия. В середине прошлого века были созданы рентгеновские источники излучения, отличающиеся высокой интенсивностью, непрерывным спектром излучения (от ультрафиолетового до жесткого рентгеновского диапазона), малой угловой расходимостью (тысячные доли радиана). Кроме того, созданы цифровые рентгеновские детекторы с высоким пространственным разрешением, позволяющие получать изображение в течение нескольких секунд, а также рентгенооптические элементы, позволяющие еще больше повысить качество и разрешение получаемых изображений.

Известны две основные оптические схемы современной рентгеновской микроскопии: контактная и проекционная. Контактная микроскопия состоит в экспонировании регистрирующего устройства (матрицы) через образец, находящийся непосредственно на его поверхности. При проекционной микроскопии из точечного источника расходятся лучи, в которые непосредственно вблизи источника помещается исследуемый объект, а на удалении располагается регистрирующая матрица.

В 2009-2011 годы под руководством и при непосредственном участии профессора Волкова Ю.П. были проведены работы по проектированию и созданию томографического рентгеновского микроскопа [1-3]. В созданном микроскопе срез исследуемого объекта сканируется излучением, проходящим через щель, причем после каждого сканирования щель поворачивается на малый угол, и сканирование повторяется снова. Собранная таким образом информация далее обрабатывается томографическими методами, что позволяет восстановить изображение исследуемого объекта. В результате указанных работ был создан экспериментальный образец (рис.

1,2), имеющий следующие технические характеристики:

• Разрешающая способность не хуже 50 нм

• Длина волны используемого в осветителе излучения, 5 нм

• Размеры исследуемого объекта, 10х10х1 мм

• Размеры области сканирования 1х1 мм.

• Время обработки и восстановления данных 30 мин.

• Размеры 500х500х300 мм, масса 30 кг.

• Питание от сети 220В, потребляемая мощность 300 Вт

• Время готовности к работе с момента включения основного питания составляет 10 мин.

–  –  –

Микроскоп обеспечивает работу в томографическом и проекционном режимах. Для восстановления изображения объекта в томографическом режиме используется алгоритм Радона. Изображения, полученные в томографическом и проекционном режимах, показаны на рисунках 3-5.

Рис. 3 Изображение порошка фосфорно- Рис.4. Изображение вольфрамовой вольфрамовой кислоты на лавсановой проволоки диаметром 60 мкм, пленке, полученное с помощью полученное с помощью рентгеновского фотоматрицы в проекционном режиме микроскопа. Ускоряющее напряжение (разрешение составляет 6 мкм) 16,4 кВ, проекционное увеличение х12 Рис. 5. Изображение порошка фосфорно-вольфрамовой кислоты на лавсановой пленке, полученное в режиме томографической реконструкции. Слева приведено полученные микроскопом томографические данные, справа - восстановленное с помощью обратного преобразования Радона изображение (разрешение ~ 50 нм) Литература

1. Пат. №2413204 РФ МПК G01N Способ томографического исследования микроскопических объектов и сканирующий микроскоп для его осуществления / Юдаков М.А, Волков Ю.П., Мантуров А.О. Опубл. 27.02.2011 г.

2. T.V. Danilova, Y.P. Volkov, A.O. Manturov, M.A. Yudakov. The influence of light scattering on edge scanning optical microscopy resolution //Proceedings of Microscopy Conference 2011, 28 August – 2 September 2011, Kiel, Germany.

3. T.V. Danilova, Y.P. Volkov, A.O. Manturov, M.A. Yudakov. The model of the optical tomographic microscope resolution //Proceedings of 21st International Conference «Microwave & Telecommunication Technology» 12-16 September 2011 Sevastopol, Crimea, Ukraine.

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ МИКРООБЪЕКТОВ

–  –  –

Получение изображений микрообъектов является задачей актуальной для различных областей и уровней деятельности человека. Изображения биологических микрообъектов интересны в рамках серьезных научных исследований, но также полезны и при обучении студентов и школьников. В настоящий момент существует ряд методов микроскопии, позволяющих получать и фиксировать изображения биологических объектов с высоким (до 0.15 нм) разрешением. Однако приборы с такими техническими характеристиками дороги и сложны в использовании.

Вместе с тем, для обучения студентов и школьников нет необходимости в приборах с высокой разрешающей способностью. Для учебных задач полезным и интересным является увеличение получаемого изображения по сравнению с объектом всего в несколько десятков раз. Такое увеличение может быть достигнуто при использовании распространенных моделей оптических линзовых микроскопов, стоимость которых не превышает 5-10 тыс. руб. В связи с этим также интересной представляется задача исследования возможности фотографирования биологических объектов через микроскоп.

Поскольку главным критерием данного проекта являлась низкая стоимость и доступность аппаратуры, были использованы следующие технические средства:

микроскоп МБС-9; фотокамера Panasonic DMC-S3 Lumix с 4-кратным оптическим трансфокатором, максимальным размером кадра 1280х720 точек.

Рис.1. Фотография, полученная без Рис.2. Фотография, полученная при микроскопа (масштаб - 100%). 32-кратном увеличении микроскопа Увеличение достигается за счет и 4-кратном оптическом увеличении оптической системы фотоаппарата фотоаппарата (масштаб – 10 %) В качестве биологического объекта рассматривался Малый мучной хрущак (Tribolium confusum) - жук, опасный вредитель продуктов размола зерна.

В проекте рассматривался ряд задач:

• получение через микроскоп фотографии максимально возможного качества, используя возможности микроскопа, а также возможности оптического трансфокатора фотокамеры;

• улучшение качества фотографии, полученной через микроскоп, методами цифровой обработки изображений;

• сравнение фотографии, полученной через микроскоп, с фотографиями, полученными с использованием только возможностей фотокамеры (трансфокатора и фотоматрицы).

На рисунках 1-4 представлены полученные изображения.

–  –  –

Литература

1. Сердюк И.Н., Заккаи Н., Заккаи Дж. Методы в молекулярной биофизике.

Структура. Функция. Динамика. Учебное пособие. – М., Издательство КДУ, 2010. с.

2. Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.:

Техносфера, 2005. – 336 с

ОТ МОДЕЛИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО НЕФРОНА К МОДЕЛИ

ПАРНЫХ НЕФРОНОВ: ОСОБЕННОСТИ КАРТИНЫ СИНХРОНИЗАЦИИ

–  –  –

В настоящее время большой интерес вызывает изучение явлений синхронизации в поведении систем взаимодействующих нефронов [1]. Нефрон является функциональной единицей почки, при этом почки человека содержат около

1.2 миллионов таких единиц. Регуляция потока крови в отдельном нефроне осуществляется с помощью двух разных, но взаимосвязанных механизмов:

1) механизм канальцево-клубочковой обратной связи, приводящий к установлению периодических колебаний давления и потока жидкости в нефроне с периодом около 30-40 с. Наличие таких колебаний неоднократно обнаруживалось в экспериментах на крысах [2];

2) миогенный (или вазомоторный) механизм, приводящий к возникновению колебаний, связанных с периодическими сокращениями гладких мышечных клеток афферентной артериолы. Для почек крысы период миогенных колебаний обычно составляет 6–8 с, что примерно в пять раз меньше периода колебаний, обусловленных наличием канальцево-клубочковой обратной связи.

Построение модели нефрона основано на описании этих двух механизмов регуляции кровотока, поступающего в нефрон. Существует несколько моделей нефрона, каждая из которых обладает своей спецификой. В данной работе проводится исследование модели индивидуального нефрона, предложенной Барфредом [3]. Эта модель наиболее точно описывает основные процессы авторегуляции, происходящие в нефроне, и, благодаря ее относительной простоте, больше подходит для проведения детального численного исследования.

В результате численного исследования динамики в модели индивидуального нефрона были построены карты динамических режимов и двумерная бифуркационная диаграмма на плоскости параметров «время задержки Т, связанное с прохождением жидкости по петле Генле, – параметр усиления канальцево-клубочковой обратной связи », показывающие распределение быстрых (миогенных) мод и медленных мод, обусловленных механизмом канальцево-клубочковой обратной связи. Обнаружено, что в случае, когда параметр усиления довольно мал (10), колебания индивидуального нефрона сходятся к устойчивой неподвижной точке. При 10 неподвижная точка теряет устойчивость и происходит бифуркация Хопфа, при этом возникают колебания давления и потока жидкости в нефроне. Из-за присутствия нелинейности в основных уравнениях, модель нефрона демонстрирует также наличие каскада бифуркаций удвоения периода. Линии удвоения периода колебаний хорошо видны на карте динамических режимов, на которой показаны различные области синхронизации n:1 (за 1 период медленных колебаний происходит n быстрых (миогенных) колебаний).

Нефроны образуют древовидную структуру вокруг общего подводящего кровеносного сосуда, при этом одна и та же часть афферентной артериолы совместно используется парой нефронов. В связи с этим при построении модели парных нефронов учитывалась васкулярная (или сосудистая) связь. Мало изученной является ситуация, когда взаимодействующие системы имеют существенно разные степени возбуждения. Такая ситуация очень характерна для биологических систем, когда клетки и функциональные единицы находятся на разной степени зрелости или развиваются под влиянием различных внешних условий. Неидентичность характерна также для нефронов почки. Помимо разных размеров нефронов (например, разных длин петель Генле), что связано с их расположением в поверхностных или глубинных слоях почки, нефроны характеризуются еще большим разнообразием по уровню активности.

Было проведено исследование взаимной подстройки динамики колебаний пары нефронов, обладающих разными уровнями активности и разными собственными частотами.

В ходе проведенного анализа было показано, что система такого типа, за исключением областей классической синхронизации, ограниченных линиями седлоузловых бифуркаций, может находиться в так называемой области «широкополосной синхронизации» [4], когда более возбужденный нефрон подавляет автономную динамику менее возбужденного нефрона и навязывает ему свои колебания. Область широкополосной синхронизации представляет собой полосу конечной ширины по параметру связи, простирающуюся в область больших значений расстройки нефронов Рис.1. Двумерная бифуркационная диаграмма, построенная для модели парных нефронов. Значения параметров: Т1 = 16 с, 1 = 12, 2 = 18. SN – линии седлоузловых бифуркаций, Т – линии бифуркаций рождения тора, H – линии бифуркаций Хопфа, TOD – область гибели колебаний, - параметр связи (больших значений времени задержки Т2, связанного с прохождением жидкости по петле Генле в нефроне с бльшим уровнем активности 2) (рис. 1). Сверху область широкополосной синхронизации ограничена линией обратной бифуркации Хопфа. За этой линией более возбужденный нефрон прекращает совершать колебания. Было показано также, что если разница уровней активности (амплитуд колебаний) двух нефронов слишком мала, область широкополосной синхронизации исчезает, и при этом возникает единственная бифуркационная линия, в которой обратная бифуркация рождения тора возникает одновременно с обратной бифуркацией Хопфа. Это происходит, когда более возбужденный нефрон обладает достаточной степенью возбуждения для того, чтобы подавить собственные колебания менее возбужденного нефрона, но недостаточной для того, чтобы навязать ему свои колебания.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-02-31465.

Литература

1. N.-H. Holstein-Rathlou, O.V. Sosnovtseva, A.N. Pavlov, W.A. Cupples, C.M. Srensen, and D.J. Marsh. Nephron blood flow dynamics measured by laser speckle contrast imaging // Am. J. Physiol. Ren. Physiol., 2011, vol. 300, pp. F319-F329.

2. N.-H. Holstein-Rathlou. Synchronization of proximal intratubular pressure oscillations:

evidence for interaction between nephrons // Pflgers Arch., 1987, vol. 408, pp. 438-443.

3. M. Barfred, E. Mosekilde, and N.-H. Holstein-Rathlou. Bifurcation analysis of nephron pressure and flow regulation // Chaos, 1996, vol. 6, pp. 280-287.

4. A.P. Kuznetsov and J.P. Roman. Properties of synchronization in the systems of nonidentical coupled van der Pol and van der Pol–Duffing oscillators. Broadband synchronization // Physica D, 2009, vol. 238, pp. 1499-1506.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНХРОНИЗАЦИИ В СВЯЗАННЫХ

АВТОГЕНЕРАТОРАХ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ И ИЗУЧЕНИЕ РЕЖИМА

ШИРОКОПОЛОСНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

–  –  –

Исследование эффектов синхронизации связанных автогенераторов является актуальной проблемой современной теории синхронизации и радиофизики. В недавних работах [1-3] был обнаружен интересный эффект «широкополосной синхронизации», проявляющийся в наличии синхронизации связанных автоколебательных систем при сколь угодно большой расстройке их собственных частот колебаний. Необходимым условием при этом является наличие неидентичности связанных систем по степени возбуждения. Однако в данных работах исследовались системы с конечным числом степеней свободы. В то же время значительный интерес вызывает исследование динамики систем с бесконечным числом степеней свободы, а именно распределенных автоколебательных систем. Это связано с тем, что для таких систем характерна чрезвычайно разнообразная и сложно устроенная картина динамических режимов в пространстве управляющих параметров, детальное исследование которой представляет непростую задачу. Кроме того, численное моделирование нелинейной динамики таких систем представляет довольно трудоемкую задачу, что обусловлено большой размерностью вектора состояний системы.

Важным классом распределенных автоколебательных систем являются системы с запаздывающей обратной связью. Эффекты синхронизации в автоколебательных системах с запаздыванием все еще остаются мало изученными. Как показали результаты работ [4, 5], в подобных системах возникает ряд особенностей картины синхронизации по сравнению со случаем конечномерных систем, что является следствием конкуренции мод (влияния амплитудного взаимодействия). В связи с этим представляет очевидный интерес обобщение обнаруженного эффекта «широкополосной синхронизации» на распределенные автоколебательные системы с запаздыванием и выявление основных закономерностей широкополосной синхронизации в системах связанных автогенераторов с запаздыванием в зависимости от степени неидентичности их параметров возбуждения.

В работе проводилось исследование двух связанных генераторов ван дер Поля с запаздыванием, динамика которых описывается следующими уравнениями, полученными в рамках метода медленно меняющихся амплитуд:

i A1+ A1= 1 e i [(1k )(1 A1 (t1)2) A1 (t1)+k (1A2 (t1)2 ) A2 (t1)], A1+ (1) i A2+ A2=2 e i [(1k )(1 A2 (t1)2) A2 ( t1)+k (1 A1(t1)2) A1 (t1)] A 2 Здесь A1, 2 – медленно меняющиеся комплексные амплитуды, 1, 2 – параметры возбуждения первого и второго генераторов соответственно, – параметр диссипации, – набег фазы в цепи обратной связи, k – параметр связи, – параметр частотной расстройки. Правые части уравнений (1) зависят от значений амплитуды в запаздывающий момент времени t 1 (всегда можно выбрать такую нормировку переменных, в которой время запаздывания равно единице). Интегрирование уравнений (1) проводилось методом Рунге–Кутты 4-го порядка, адаптированным для систем с запаздыванием [6]. Анализ свойств колебательных режимов проводился с использованием широкого арсенала методов нелинейной динамики, таких как расчет спектров, построение фазовых портретов и карт динамических режимов.

В ходе исследования было обнаружено, что при отсутствии частотной расстройки между генераторами и при идентичных параметрах возбуждения, 1 = 2 =, отвечающих за величину амплитуды колебаний генератора, на плоскости параметров «величина связи – параметр возбуждения» имеются области полной синхронизации в режимах стационарной генерации (с одинаковыми и с разными установившимися амплитудами колебаний автогенераторов), автомодуляции и хаотической генерации, области лаг-синхронизации в режимах автомодуляции различных периодов, а также области отсутствия синхронизации в режиме хаотической генерации.

При введении неидентичности по параметрам возбуждения наблюдается исчезновение области полной синхронизации и области стационарной генерации, в которых амплитуды колебаний первого и второго автогенераторов одинаковы, происходит расширение областей лаг-синхронизации.

При учете частотной расстройки в случае идентичных параметров возбуждения на плоскости параметров «частотная расстройка – величина связи» появляется область гибели колебаний при больших величинах параметра связи, что типично для систем, способных демонстрировать эффект широкополосной синхронизации.

Если ввести неидентичность параметров возбуждения, то на плоскости параметров «частотная расстройка – величина связи» появляется режим широкополосной синхронизации, однако граница этой области в отличие от случая конечномерных систем является волнистой, что обусловлено конкуренцией мод в исследуемой распределенной системе с запаздыванием.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-02-31493.

Литература Кузнецов А.П., Емельянова Ю.П., Селезнев Е.П. Синхронизация связанных автоколебательных осцилляторов с неидентичными параметрами // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2010. Т. 18, № 2. С. 62-78.

2. Емельянова Ю.П., Кузнецов А.П. Синхронизация связанных автогенераторов Вандер-Поля и Кислова–Дмитриева // ЖТФ. 2011. Т. 81, вып. 4. С. 7-14.

3. Емельянова Ю.П., Кузнецов А.П., Тюрюкина Л.В. Динамика трех неидентичных по управляющим параметрам связанных осцилляторов ван дер Поля // Изв. вузов.

Прикладная нелинейная динамика. 2011. Т. 19, № 5. С. 76-90.

4. Рыскин Н.М., Шигаев А.М. Сложная динамика простой модели распределенной автоколебательной системы с запаздыванием // ЖТФ. 2002. Т. 72, №7. С. 1-8.

Usacheva S.A., Ryskin N.M. Forced synchronization of a delayed-feedback oscillator // 5.

Physica D. 2012, Vol. 241, No. 4. P. 372-381.

6. Хайрер Э., Нерсетт С., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи. М.: Мир, 1990. 512 с.

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР «ЯДРО-ОБОЛОЧКА» НА ОСНОВЕ

НАНОРАЗМЕРНЫХ АГРЕГАТОВ ФЛАВОНОИДОВ

–  –  –

Развитие современных биотехнологий в совокупности с нанотехнологиями значительно расширяет возможности фармацевтики и медицины. Создание структур «ядро – оболочка» на основе биосовместимых материалов является задачей решаемой многими научными коллективами [1,2].

Формирование структур «ядро – оболочка» чаще всего ведется методом последовательной адсорбции полиэлектролитов на поверхность твердого ядра [3,4].

В качестве ядра может быть использовано любое твердое вещество, нерастворимое в воде и имеющее размеры от нескольких микрон до нескольких десятков нанометров.

Для формирования оболочки применяются биосовместимые полиэлектролиты обладающие низкой токсичностью значение LD50 у которых обычно превышающим 3 г/кг.

В данной работе велась отработка технологии формирования субмикронных агрегатов флавоноидов с последующей их стабилизацией полиэлектролитом.

Наноагрегаты флавоноидов формировались из прополиса при помощи технологии высокоэффективной экстракции при различных температурных режимах, их структура и размеры контролировались при помощи методов атомносиловой микроскопии и динамического рассеянья света. Полученные агрегаты стабилизировались полидиметилдиаллиламмоний йодидом сахарозы путем формирования полиэлектролитной оболочки на поверхности агрегата. Формирование полиэлектролитной оболочки контролировалось при помощи измерения электрокинетического потенциала, а так же по характеристическим пикам в спектрах комбинационного рассеяния.

В ходе выполнения работы был определен оптимальный интервал температур, в котором достигается максимальный выход активных веществ из исходного сырья, а так же показано что введение полиэлектролитных стабилизаторов в состав среды, в которую ведется экстракция, значительно повышает выход экстрагируемого вещества.

Данные показатели контролировались по величине оптической плотности экстрактов и по массе сухого остатка.

Использование технологических режимов, определенных в ходе исследований, позволяет повысить массу сухого остатка в экстракте до 12 мг/мл, что в 6 раз превосходит стандартные методики экстракции и сохранить размер агрегатов порядка 100 нм, что невозможно в обычных технологических процессах.

Литература

1. Алексеева О. К. Углеродные нанотрубки в биологии // ПерсТ, 2009, Т. 16, вып. 4, с. 5-8.

2. Ghafari P., Christine St-D.H., Power M.E. et al. Impact of carbon nanotubes on the ingestion and digestion of bacteria by ciliated protozoa – Nature Nanotechnology, 2008, № 3, p. 347-351.

3. Srivastava S., Kotov N.A. Composite Layer-by-Layer (LBL) assembly with inorganic nanoparticles and nanowires // Acc. Chem. Res. 2008. Vol. 41. № 12. P. 1831-1841.

4. Ozin G. A., Arsenault A. C. Nanochemistry (A Chemical Approach to Nanomaterials.) – RCSPublishing, 2005 printed by Sun Fung Offset Binding Company Ltd, China, 628 p.

МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ МНОГОМЕРНЫХ ТОРОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ

–  –  –

Квазипериодические колебания представляют собой широко распространенный в науке и технике класс колебаний [1-4].Одной из проблем изучения многочастотных колебаний является их диагностика. Для систем малой размерности и с двумя независимыми частотами наиболее простой способ определения квазипериодического режима является сечение Пуанкаре, в котором можно наблюдать замкнутую инвариантную кривую. Когда размерность системы и количество независимых частот увеличивается, требуются альтернативные подходы. Это может быть подсчет полного спектра показателей Ляпунова. Наличие в спектре показателей Ляпунова дополнительных нулевых экспонент свидетельствует о наличии в системе квазипериодических колебаний соответствующей размерности. Данный метод диагностики имеет ряд недостатков: 1) процесс расчета полного спектра показателей Ляпунова с хорошей точностью занимает достаточно длительное время; 2) метод не применим к экспериментальным данным, т.к. по временным реализациям достаточно надежно фиксируется только старший показатель Ляпунова. Таким образом, вопрос разработки методов диагностики многочастотных колебаний в эксперименте является актуальным и малоисследованным.

Наблюдать фазовый портрет квазипериодических колебаний в эксперименте также наиболее удобно в сечении Пуанкаре. Наиболее просто это реализуется в неавтономных системах, в которых в качестве сечения Пуанкаре используют стробоскопическое сечение. В эксперименте оно реализуется следующим образом.

Сигнал внешнего воздействия от стандартного генератора гармонических колебаний поступает на исследуемую систему. Этот же сигнал поступает на вход внешнего запуска импульсного генератора. Динамические переменные исследуемой системы поступают на входы X и Y осциллографа, работающего в режиме x-y, то есть без развертки, и в результате на экране осциллографа формируется изображение проекции фазового портрета на соответствующую плоскость. Короткие импульсы, следующие с частотой гармонического сигнала стандартного генератора, с выхода генератора импульсов поступают на вход внешней подсветки изображения осциллографа.

В результате на экране наблюдается фазовый портрет, на фоне которого более яркими точками отмечено его стробоскопическое сечение. В случае двумерного тора в сечение Пуанкаре наблюдается замкнутая кривая, по изменениям которой при вариации управляющих параметров, можно судить об эволюции квазипериодических колебаний. Если кривая преобразуется в набор дискретных точек, то имеет место синхронизация на торе, если наблюдается формирование изломов, то можно делать предположение о рождении странного нехаотического аттрактора. Если кривая размывается, то возможно, либо рождение трехмерного тора, либо переход к хаосу. В случае двумерного тора, подсветка фазового портрета на экране осциллографа представляет собой выборку двух значений динамических переменных в некоторый определенный момент времени. Для исследования эволюции трехмерного тора в эксперименте необходимо построить двумерное сечение Пуанкаре. В этом случае необходимо условие, когда две гармонические составляющие внешней силы одновременно достигают некоторых заданных фаз воздействия. Для реализации этого условия в эксперименте используется схема совпадений.

В настоящей работе представлено детально описание схемы, позволяющей различать многомерные колебания с различным количеством независимых частот, а также результаты наблюдения многомерных торов. Все исследования проводились на примере нелинейного колебательного контура RLD, возбуждаемого сигналом, представляющим сумму трех гармонических составляющих A1sin1t, A2sin2t и A3sin3t.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-02-31465) Литература

1. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Основы теории сложных систем. М.-Ижевск:

Институт компьютерных исследований, 2007. 620 с.

2. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. 508 с.

3. Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М:

Наука, 1980. 360 с.

4. Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971. 896 с.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БАКТЕРИЙ

КИШЕЧНОЙ ПАЛОЧКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ

БИОТИЧЕСКОЙ И АБИОТИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ МЕТОДОМ АТОМНОСИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

–  –  –

Анализ современных литературных данных показывает нарастающий интерес к использованию методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) при исследовании микроорганизмов. Совокупность методов АСМ (контактный, прерывистый и др.) способствуют решению широкого диапазона задач, направленных на углубленное изучение многих свойств микроорганизмов, включая морфофункциональный анализ микроорганизмов в условиях неблагоприятного действия факторов внешней среды, в том числе антибактериальных препаратов. Атомно-силовая микроскопия позволяет получать комплексную достоверную количественную информацию о физической природе процессов, протекающих в биологических объектах.

Целью данного исследования явилось определение степени физических показателей силовых характеристик, возникающих при взаимодействии кантилевера АСМ с поверхностью бактериальных клеток при неблагоприятном воздействии на них определенных факторов окружающей среды.

Исследования проводились на модели бактерий кишечной палочки (Eicherichia coli M-17). В качестве неблагоприятных факторов абиотической природы взяты градиенты этилового спирта в концентрации 70 мг/мл, растворы соляной кислоты (0,1 М р-р) и гидрокарбоната натрия (2% р-р). В качестве фактора биотической природы рассматривали воздействие антибиотика («Цефазолин-АКОС» (Синтез, Россия)) в концентрациях от 10 до 50 мкг/мл. Временная экспозиция действия факторов составляла 30 и 60 минут.

В результате проведенного комплексного исследования с помощью контактного метода атомно-силовой микроскопии (метод модуляции силы и метод латеральных сил) представлена информация о влиянии факторов внешней среды на микроорганизмы на основе физических показателей – силы адгезии бактерий.

Установлены оптимальные параметры проведения сканирования объектов исследования при проведении данного вида анализа, концентрация и соотношение объемов реагентных смесей. Полученные количественные значения силовых характеристик бактерий представлены в виде базы данных, результаты которых отражены на рисунке (рис.1).

Уровень сил в норме без воздействия негативных факторов во всех случаях составил 15 нН. Так, при воздействии градиентов спиртов, соляной кислоты и антибиотика степень адгезии увеличивалась до определенного порядка – 33-38, 14-26 и 18-20 нН соответственно, а после падала до более низких показателей, что предположительно связано со степенью поддержания клеткой жизнеспособности при увеличивающихся концентрации негативных факторов. Падение силы адгезии соответствует началу гибели клеток и их последующего разрушения. Что касается фактора ощелачивания среды (до уровня сил адгезии равной 19-22 нН), то он явился наименее агрессивным из рассмотренных, так как по своей степени наиболее приближен к комфортным для клеток микроорганизмов условиям развития.

Таким образом, полученные данные о физических показателях силовых характеристик, в нашем случае, силы адгезии между зондом и поверхностью бактерий (измеряемых в наноньютонах), показали степень ответной реакции микроорганизмов на изменения окружающей их среде.

Рис. 1. Силовые характеристики бактерий в условиях действия неблагоприятных факторов среды (степень агрессии фактора выражена в концентрации мг/мл)

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕРВНЫХ КЛЕТОК

–  –  –

Нервная клетка или нейрон — это структурно-функциональная единица нервной системы.

Эта клетка имеет сложное строение, содержит ядро, тело клетки и отростки (аксон и дендриты, рис.1) [1]:

–  –  –

В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Все нейроны между собой взаимосвязаны.

Изучение нервных клеток и, соответственно, ранняя диагностика болезней головного мозга крайне затруднена из-за того, что:

во-первых – отростки нервной клетки, по которым передается возбуждение и информация от тела нейрона к исполнительному органу – это тончайшие структуры, расположенные, в том числе, и внутри головного мозга. Например, аксон (отросток нервной клетки по которому передается нервный импульс) может иметь диаметр 0,3мкм. И добраться до таких тонких структур, чтобы их исследовать, практически невозможно; во-вторых - один нейрон может иметь связи со многими (до 20-и тысяч) другими нейронами. И затронув один, можно погубить десятки тысяч других нейронов.

В настоящее время известны неизлечимые болезни головного мозга. Примером, может служить болезнь Альцгеймера. Ее можно распознать только после появления ряда симптомов (потеря памяти, раздражительность и агрессивность, колебания настроения, нарушение способности говорить и понимать сказанное). Постепенная потеря функций организма ведёт к смерти. Это запущенная стадия заболевания появляется тогда, когда умирают нейроны и их связи, отвечающие за память [3].

Процесс гибели нервной клетки характеризуется как резким уменьшением диаметра аксона, так и истончением миелиновой оболочки [2]. Поэтому, актуальным для исследования указанных патологий может быть разработка математической модели, позволяющей рассчитать физические свойства аксона, такие как его диаметр и толщина мембраны (для миелинизированных волокон).

По определению, мембрана - это слой молекул класса лепидов и белков. Это оболочка аксона. Миелинизированное нервное волокно – это волокно, содержащее мембрану и ламели (спиралевидные швановские клетки) вокруг нее. Количество ламелей варьируется от 10-160. Безмякотное (немиелинизированное волокно) содержит только мембрану.

Используя метод интегрирования, метод неопределенных коэффициентов, ДСМ-метод, в работе была разработана математическая модель, позволяющая рассчитать физические свойства аксона, такие как его диаметр (для всех типов волокон) и толщину миелиновой оболочки (только для миелинизированных нервных волокон). Для расчета диаметра аксона используется параболическая функция зависимости скорости прохождения нервного импульса от диаметра нервного волокна. Для расчета толщины миелиновой оболочки используется линейная функция зависимости толщины миелиновой оболочки от диаметра нервного волокна.

Входными данными для модели является измеряемая с помощью электромиографа скорость нервного импульса. Электромиограф – прибор, предназначенный для проведения исследований биоэлектрической активности мышц и нервных структур. Электромиограф реализует, в том числе и методику расчета скорости проведения импульсов по двигательным и чувствительным нервам.

В чем же новизна модели?

В 1937 году Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер разделил нервные волокна человека на группы по типам волокна и на основании проведенных экспериментальных исследований заключил, что скорость, с которой импульсы проходят по аксонам, приблизительно равна величине их диаметра в микрометрах, умноженной на 6.

Полученный результат измеряется в м/c:

(1) V =6d где d - диаметр аксона. При этом он заметил, что к волокнам типа С (безмякотные волокна, диаметр их до 1 мкм) подходит формула (2):

(2) V = d где d - диаметр аксона.

Но эти формулы не подходят для описания результатов других экспериментальных исследований. Например, согласно [4], для немиелинизированного волокна гигантского аксона кальмара, величина диаметра которого 1 мм, скорость проведения нервного импульса составляет 125 м/c. Подставив значение диаметра в формулу (2) в микрометрах, получаем значение скорости равной 31,6 м/c.

Таким образом, данные формулы справедливы только для некоторых типов нервных волокон. В свою очередь, разработанная математическая модель позволяет рассчитать диаметр аксона, как в миелинизированных волокнах, так и в безмякотных.

Также, с помощью модели, возможно рассчитать и толщину мембраны. При этом, полученные результаты в ходе моделирования оказались максимально приближены к результатам измерений как Эрлангера- Гассера (в настоящее время их классификация считается наиболее полной), так и к экспериментальным данным, приведенным в [4], в частности и для гигантского аксона кальмара (Таблица 1).

В Таблице 1 представлены волокна 6-ти типов, классифицированные Эрлангом и Гассером, и нервное волокно гигантского аксона кальмара. Также, представлены величины диаметров аксонов (минимальные и максимальные значения) для этих типов волокон, полученные экспериментальным путем (столбец 3 Таблицы).

Приведены величины диаметров аксонов, полученные в ходе применения математической модели физических свойств нервных клеток (столбец 4 Таблицы).

Из Таблицы 1 видно, что относительная погрешность во всех случаях не более 9%. Это говорит о том, что разработанная модель позволяет достаточно точно предсказывать результаты, известные из эксперимента.

Таблица 1. Результаты применения модели физических свойств нервных клеток

–  –  –

Литература

1. Савельев А. В. Источники вариаций динамических свойств нервной системы на синаптическом уровне //Искусственный интеллект, НАН Украины. — Донецк, Украина, 2006. — № 4. — С. 323-338 Коломеец Н.С., Уранова Н.А. Патология олигодендроглии и миелинизированных 2.

аксонов в гиппокампе при шизофрении (ультраструктурно-морфометрическое исследование)//Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. -№8, 2008.С.11-19 Waldemar G, Dubois B, Emre M, et al (January 2007). «Recommendations for the 3.

diagnosis and management of Alzheimer's disease and other disorders associated with dementia: EFNS guideline». Eur. J. Neurol. 14 (1): e1–26.

4. Электронная физическая энциклопедия http://femto.com.ua/ (Ходжкин А., Нервный импульс, пер. с англ., М., 1965; Катц Б., Нерв, мышца и синапс, пер. с англ., М., 1968; Ходоров Б. И., Проблема возбудимости, Л., 1969; Тасаки И., Нервное возбуждение, пер. с англ., М., 1971; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмад-жев Ю. А., Теория возбудимых сред, М., 1981.)

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНО-ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В УСЛОВИЯХ

СОВМЕСТНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ НУТАЦИИ

И РЕЗОНАНСНОГО САМОВОЗДЕЙСТВИЯ

–  –  –

Нелинейная динамика лазерных систем изучается довольно давно (см., например, [1]), однако динамика частотно - модулированных лазерных пучков ранее не изучалась. В данной работе анализируется нелинейно динамического анализа влияние резонансного самовоздействия и нестационарной оптической нутации на характеристики протяжённого лазерного пучка с модуляцией частоты.

Основу численной модели составляет система уравнений Максвелла-Блоха, включающая уравнения Блоха (2,3) (см., например, [2]), описывающих отклик нелинейно-оптической среды, и уравнение Максвелла (параболическое волновое уравнение) (1), описывающее пространственно-временную эволюцию распространяющегося поля:

–  –  –

В ходе численных экспериментов было установлено, что общим свойством рассматриваемой системы является переход к циклу периода 2Т, а затем – к циклу периода 4Т через бифуркацию удвоения периода при изменении управляющих параметров - начальная интенсивность задаваемого сигнала и амплитуда модуляции в диапазоне значений от 0.1 до 30.

Относительная стабильность рассматриваемой системы объясняется тем, что частотно-модулированный пучок, распространяющийся в двухуровневой среде с насыщением поглощения или усиления представляет собой нелинейную диссипативную систему, где диссипацию вызывает поглощение и дифракционное расплывание пучка.

Литература

1. Ханин Я.И. Основы динамики лазеров. –М.: Наука. Физматлит, 1999.-368с.

2. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики / Шен И.Р.; пер. с англ. –М.: Наука. 1989.

–560с.

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ МОДЕЛЬ РАСПРОСТАНЕНИЯ ДВУХ

МОДУЛИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКОЙ ТРЕХУРОВНЕВОЙ СРЕДЕ

–  –  –

Задачи, связанные с изучением распространения мощного лазерного излучения в условиях резонанса уже много лет привлекают к себе внимание исследователей.

Данные эффекты необходимо учитывать при оптическом зондировании атмосферы, стабилизации частоты лазеров, а также при оптимизации распространения лазерного сигнала в волоконно-оптических линиях связи и линиях задержки.

Большинство теоретических моделей нелинейной оптики строятся на основе описания отклика среды через нелинейную поляризацию и нелинейную восприимчивость среды на основе формализма матрицы плотности [2]. При рассмотрении распространения лазерного излучения в среде к этому описанию добавляется решение параболического волнового уравнения для поля. Очевидно, что тот же самый подход можно использовать для описания не только пространственных, но и временных зависимостей поля, так как они достаточно медленны и сравнимы с атомными временами релаксации.

Основой такой математической модели служат уравнения для распространяющихся пучков (1 – 2) и порождаемого ими побочного поля (3), а также формулы (4 – 5) для комплексных амплитуд входных полей (накачки и зондирующего сигнала).

–  –  –

Рис.1. – схема энергетических уровней среды Таким образом, предложена математическая модель пространственновременного поведения и динамики заселённостей уровней трёхуровневой системы под действием мощного лазерного излучения, модулированного по частоте. Решение уравнений, приведенных в данной статье, может быть основано на сочетании метода расщепления по направлениям для решения волнового уравнения и метода Рунге– Кутты 4 порядка для вычисления поляризации среды.

Литература

1. Агапьев Б.Д. Когерентное пленение населенностей в квантовых системах. / Б.Д.

Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов, Ю.В.Рождественский // УФН, 1993, т. 163, №9, с. 1-36.

2. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики / Шен И.Р.; пер. с англ. –М.: Наука. 1989. – 560с. (Y.R. Shen The principles of nonlinear optics /A Wiley-Interscience Publication, John Wiley&Sons, Inc. N.Y., 1984)

3. Пластун И.Л. Исследование влияния нестационарных когерентных эффектов и резонансного самовоздействия на характеристики лазерного пучка, модулированного по частоте /И.Л. Пластун, В.Л. Дербов // Компьютерная оптика. 2009. Т.33, №3, с.233-239 – ISSN 0134-2452.

БИОРТОГОНАЛЬНЫЕ МОДЫ ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

–  –  –

Бездисперсионная инфракрасная спектроскопия (NDIR) получила широкое применение для детектирования состава жидкостей и газов [1]. В качестве оптического фильтра в NDIR-спектроскопии могут быть использованы фотонные кристаллы с дефектом периодической структуры. Фотонно-кристаллический волновод (ФКВ) обеспечивает большую эффективную длину распространения излучения, что улучшает чувствительность датчиков. Однако, интегральный коэффициент пропускания ФКВ может существенно отличаться от величины, предсказываемой законом Бугера. Это связано с модовыми свойствами волновода. Для направленных мод эффективная длина распространения превышает фактическую длину световода [2].

В работе пропускание фотонно-кристаллического волокна рассчитывалась при помощи разложения поля по биортогональным модам. Уравнения для мод ФКВ имеют вид [3].

–  –  –

Рис.2. Профили интенсивности на различных длинах волн. Слева направо – 0,67 мкм, 0,82, мкм, 1,3 мкм, 1,55 мкм. Вводимое поле – гауссов пучок с плоским волновым фронтом и радиусом перетяжки 0 = 8 мкм

–  –  –

Литература

1. Photonic crystal slot waveguide absorption spectrometer for on-chip nearinfrared spectroscopy of xylene in water, Wei-Cheng Lai et. al., Appl. Phys. Lett. 98, 023304 (2011);

2. Снайдер A., Лав Д. Теория оптических волноводов. M.: Радио и связь, 1987

3. Joannopulos J.D. et. al., Photonic Crystals. Molding the Flow of Light, Princeton Univ.

Press, 2008, 305.

СЦЕНАРИИ ПЕРХОДА К ХАОСУ И ГИПЕРХАОСУ В СИСТЕМЕ ДВУХ

ОСЦИЛЛЯТОРОВ ТОДЫ С ПРОТИВОФАЗНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

–  –  –

Связанные осцилляторы играют важную роль в различных областях науки [1].

Одним из фундаментальных нелинейных явлений, возникающих при взаимодействии автоколебательных осцилляторов, является синхронизация. В этом случае на плоскости параметров частотная расстройка осцилляторов – сила связи возможны захват частот и квазипериодические колебания внутри и снаружи языка Арнольда соответственно. Однако можно отойти от классической постановки задачи о синхронизации двух автоколебательных систем и рассмотреть динамику взаимодействующих неавтоколебательных осцилляторов с внешним воздействием. На первый взгляд динамика диссипативных осцилляторов с внешним воздействием кажется достаточно простой. Однако в ряде работ [2-4] было выявлено, что в таких системах возможны довольно сложные колебания, такие как квазипериодические и хаотические. В работе [5] представлены результаты радиофизического эксперимента, где была обнаружена возможность реализации квазипериодических колебаний в системе двух противофазно возбуждаемых нелинейных контуров.

В настоящей работе исследуется динамика двух связанных осцилляторов Тоды с противофазным возбуждением в численном эксперименте:

x + x +exp( x)1= f sin ( t )+ ( y x ), (1) y + +exp( y )1= f sin( t)+ ( x y ) y Здесь x, y – динамические переменные первого и второго осцилляторов, – коэффициент диссипации, – коэффициент связи, f и – амплитуда и частота внешнего сигнала.

В работе проведено численное исследование системы (1): изучена плоскость параметров (, f) при фиксированных параметрах =0.1 и =1, произведен численный бифуркационный анализ, выявлены основные характерные линии бифуркаций, проведен анализ полного спектра показателей Ляпунова. В системе (1) обнаружена возможность реализации квазипериодических режимов, что соответствует результатам, полученным в [5].

Помимо квазипериодических колебаний в системе также выявлены хаотические, причем хаотические колебания могут быть двух видов:

хаос с одним положительным показателем Ляпунова и с двумя положительными показателями Ляпунова, так называемый гиперхаос. В работе изучены характерные сценарии перехода к хаосу и основные бифуркации, в результате которых рождается хаотический аттрактор с одним и двумя положительными показателями Ляпунова.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-02-31465) Литература

1. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. М.: Техносфера, 2003. 508 с.

2. Geist K., Lauterborn W. // Physica D, 1991, vol. 52, pp. 551-559.

3. Kozlowski J., Parlitz U., Lauterborn W. // Phys. Rev. E 51, 1995, p. 1861.

4. Kuznetsov A., Seleznev E., Stankevich N. // Commun in Nonlin Sci Num Simul, 2012.

5. Астахов В.В., Безручко Б.П., Кузнецов С.П., Селезнев Е.П. // Письма в ЖТФ, том 14, вып. 1, 1988.

ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА СТОХАСТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

С ЭЛЕМЕНТАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Сайкин А.И, Чурикова А.А.

СГТУ им. Гагарина Ю.А.

e-mail: saikin007@mail.ru, anchur1@yandex.ru При анализе вычислительных систем, работающих как с постоянными, так и с переменными коэффициентами мультипрограммирования, в качестве математической модели сети систем массового обслуживания (СМО) с очередью и ожиданием.

Точные методы расчета характеристик существуют только для сетей с простейшими входными потокам и временами обслуживания заявок, распределенными по экспоненциальному закону.

Однако для сетей, в которых время обслуживания распределено по произвольному закону или же входной поток не является простейшим, точных методов расчета характеристик сети пока не найдено. Для общих случаев с произвольно распределенным временем следования заявок во входном потоке и произвольно распределенным временем обслуживания используются приближенные методы расчета характеристик: метод псевдосостояний, диффузионная аппроксимация или статистическое имитационное моделирование. Но эти методы требуют или громоздких вычислений, или же дают результаты с большой погрешностью, что особенно проявляется для сетей реальной размерности.

В данной работе рассматривается приближенный метод расчета характеристик сети СМО, который отличается от прочих в первую очередь своей простотой и достаточной точностью.

Идея метода состоит в применении формулы Поллачека-Хинчина при расчете характеристик искомой сети, которая выведена для одиночной СМО с простейшими входными потоками и произвольно распределенным временем обслуживания заявок к неэкспоненциальной сети СМО.

Для разомкнутой сети СМО в однородный поток заявок, поступающих в сеть из источника, вводится дополнительный поток заявок, который делает входной поток неоднородным, но и простейшим. Задачу подбора такого дополнительного потока решить достаточно сложно, но с помощью статистического имитационного моделирования это можно сделать практически всегда [1]. Допустим, что входной поток обобщённых заявок во всех узлах сети стал простейшим. После чего, можно рассчитать характеристики узлов сети с помощью формулы Поллачека-Хинчина по обобщённым заявкам и пересчитать их в характеристики сети по заявкам заданного типа комбинаторными методами. Таким образом, приближенный метод для разомкнутой сети основывается на двухмоментной аппроксимации распределения времени обслуживания и времени поступления заявок и указанных допущениях.

Идея предлагаемого метода для замкнутой сети СМО состоит в том, что сначала рассчитывается одним из известных способов замкнутая, однородная, т.е.

обслуживающая заявки только одного типа, экспоненциальная сеть СМО с заданными параметрами [1], определяется реальная интенсивность поступления заявок в каждый узел экспоненциальной сети. Т.к. заданная сеть неэкспоненциальная, то для определения результатов необходимо продолжить процесс вычисления, применяя предлагаемый метод. К каждому узлу при найденных интенсивностях поступления и заданных интенсивностях обслуживания заявок применяется формула Поллачека

–  –  –

75,000 300,000 200,000 50,000 100,000 25,000 СМО СМО 0,000 0,000 Рис. 1. Относительная погрешность длины очереди в узле при применении различных моделей, причем ось l – относительная погрешность длины очереди в процентах, ось СМО- номер узла в сети: а) результаты для разомкнутой сети, б) результаты для замкнутой сети Из полученных результатов следует, что использование экспоненциальной модели, основанной на одномоментной аппроксимации распределения времени обслуживания и времени поступления заявок, приводит к большим погрешностям.

Точность данного метода лучше, чем при замене неэкспоненциальной модели экспоненциальной, т.е. двухмоментная аппроксимация улучшает результаты. Кроме того, предлагаемый метод для замкнутых сетей, в отличие от метода ПоллачекаХинчина, который не учитывает количество заявок, циркулирующих в сети, не искажает свойства линейности замкнутой сети СМО.

По этой причине метод может быть распространен на сети произвольной конфигурации с произвольным количеством узлов [2].

Литература

1. Сайкин А.И., Чурикова А.А. Приближенный метода расчета характеристик разомкнутой неэкспоненциальной сети систем массового обслуживания. – Вестник Саратовского государственного технического университета, №3(57) Выпуск1. 2011, с.

188-195

2. Чурикова А.А. Вычисление нормирующего множителя для замкнутой экспоненциальной сети большой размерности. С.: XXLLL Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23, Том 9, Секция 10, 2010. с. 196-198

ФОРМИРОВАНИЕ ВНЕКЛЕТОЧНЫХ НЕЙТРОФИЛЬНЫХ ЛОВУШЕК

В КРОВИ ЧЕЛОВЕКА

–  –  –

В 2004 году группой немецких ученых из института инфекционной биологии имени Макса Планка [1] был открыт новый механизм киллинга бактерий, более эффективный, чем фагоцитоз. Было доказано, что активированные нейтрофилы формируют во внеклеточном пространстве ловушки, состоящие из ядерного хроматина (ДНК, гистонов) и содержимого лизосомальных гранул, которые захватывают и убивают патогенные бактерии в условиях полного фармакологического подавления фагоцитарной реакции. В настоящее время исследованы различные индукторы образования нейтрофильных ловушек. Одним из таких индукторов является липополисахарид грамотрицательных бактерий (ЛПС). Для визуализации этих структур применяют методы люминесцентной и электронной микроскопии. В работе используют нейтрофилы, выделенные из периферической крови. Способы окраски варьируют, в частности, Долгушин И.И. [2] предлагает окрашивать фиксированные спиртом нейтрофилы раствором акридинового оранжевого.

Цель работы – обнаружение формирования внеклеточных ловушек нейтрофилами в крови человека с использованием люминесцентной микроскопии.

В качестве индуктора стимуляции нейтрофилов применяли стандартный препарат ЛПС Escherichia coli (Sigma, Германия). ЛПС добавляли в дефибринированную кровь человека in vitro и инкубировали до 4-х часов при температуре 37 С. В контрольные образцы вместо ЛПС добавляли физиологический раствор в том же объеме.

Для визуального обнаружения нейтрофильных ловушек использовали метод люминесцентной микроскопии. Клетки крови окрашивали раствором флуорохрома — акридинового оранжевого (АО). Высушенные мазки просматривали под люминесцентным микроскопом Axio Lab.A1 (Zeiss, Германия) с видеокамерой AxioCam Erc 5s под иммерсией при увеличении х1000.

По результатам наших исследований в мазках крови человека бактерицидные гранулы нейтрофилов окрашиваются в красный цвет, хроматин — в зеленый. Хорошо заметные сетеподобные структуры из зеленых нитей хроматина с вкраплениями красно-желтых «пятен» ферментов бактерицидных гранул стали хорошо заметны через 1, 3 и 4 ч наблюдения (рис.1).

Необходимо отметить, в некоторых случаях активированные нейтрофилы образовывали группы. Экспериментально доказано, что на нитях ДНК нейтрофильных ловушек происходит адсорбция тромбоцитов и эритроцитов, что ведет к образованию тромбов. Формирование ловушек, таким образом, рассматривается в настоящее время как ранее неизвестное звено между инфекцией, воспалением и тромбозом [3].

В контрольных образцах крови подобных образований не наблюдали.

Дальнейшие исследования, направленные на изучение процесса формирования нейтрофильных ловушек в крови человека и животных под влиянием различных инфекционных агентов может представлять интерес с точки зрения расшифровки механизмов пато- и иммуногенеза инфекционных заболеваний.

Рис.1. Люминесцентная микроскопия (окрашивание клеток крови человека флуорохромом акридиновым оранжевым, х1000). Образование внеклеточной ловушки нейтрофила под воздействием липополисахарида кишечной палочки.

Зеленым цветом окрашены нити ДНК, красным – протеолитические ферменты Литература

1. Долгушин И.И., Андреева Ю.С. Способ обнаружения нейтрофильных ловушек.

Патент 2384844 РФ, опубл. 20.03.2010 г.

2. Brinkmann V., Reichard U., Gosemann C., Fauler B., Uhlemann Y., Weiss D Neutrophil extracellullar traps kill bacteria // Science – 2004. – V.303. – P.1532-1535.

3. Fuchs T.A., Brill A., Duerschmied D., Schatzberg D., Monestier M., Myers D.D., Wrobleski S.K., Wakefield T.W., Hartwing J.H. and Wagner D.D. Extracellular DNA traps promote thrombosis // PNAS – 2010. – V.107. – P.15880-15885

ПРИМЕНЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОГО АНАЛИЗА

ДЛЯ ПОИСКОВ ЦЕНТРОВ ВНИМАНИЯ

ПРОИЗВЕДЕНИЙ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНОГО ИСКУССТВА

–  –  –

Целью данной работы является поиск смысловых акцентов в произведениях изобразительного искусства, используя различные методы фрактального анализа.

Для этого был создан программный продукт, позволяющий производить совместный анализ тремя различными методами:

- метод покрытия;

- метод яркости;

- метод триангуляции;

Применение фрактального анализа для решения различный задач науки и техники является быстро развивающейся областью науки, тем не менее, его применение для анализа произведений искусства в России практически не исследовалось. Эти исследования могли бы заинтересовать психологов и искусствоведов, например, для оценки психологического воздействия произведений искусства на человека. За рубежом подобные исследования проводились, например, в Оригонском университете (США), Ричардом Тейлором по произведениям Поллока (Pollock, Mondrian and Nature: Recent Scientific Investigations).

В результате анализа различных произведений изобразительного искусства были получены достаточно интересные результаты. Было установлено, что применение методов фрактального анализа позволяют находить центры внимания, узлы золотого сечения и другие смысловые акценты на изображениях. Также использование методов фрактального анализа показало их эффективность при решении задачи распознавания объектов на изображениях со сложной структурой.

Основой метода яркости является формула:

I cp D= (1) +2 I max где Iср – средняя яркость пикселя, Imax –максимальное значение яркости.

В основе методов покрытия и триангуляции лежит построение графика зависимости измеряемых в каждом из методов показателей в двойном логарифмическом масштабе и нахождение итоговой фрактальной размерности, исходя из угла наклона касательной к этому графику.

На рисунках 1 и 2 представлены некоторые результаты проведенного в ходе работы анализа. Применяя метод триангуляции к картине «Большая волна в Каганава», автором которой является Хокусай Кацусика, был точно установлен центр внимания, расположенный на гребне волны. Также, был обнаружен один из узлов золотого сечения на данной картине. Анализ картины «Голова» Павла Филонова позволил продемонстрировать преимущества подхода, применяемого в работе, при котором каждое изображение анализировалось всеми доступными методами, а полученные результаты сравнивались. Это позволило, сравнивая картину изменения фрактальной размерности на изображении, применяя метод яркости и метод покрытия, установить приблизительное место расположения головы, изображенной на данном произведении (рис 2).

Рис. 1. Результаты анализа картины «Большая волна в Каганава» методом триангуляции Рис. 2. Результат анализа картины «Голова» методом яркости (слева) и методом покрытия (справа) В результате проведения работы можно сделать вывод об эффективности применения методов фрактального анализа для решения поставленных в работе задач по поиску смысловых центров. Также удалось получить результаты, не входившие в первоначальную задачу данной работы, но, тем не менее, представляющие интерес для рассмотрения и проведения дальнейших исследований. Также хотелось бы отметить, что добавление новых методов, улучшение точности работы имеющихся и разработка новых подходов к фрактальному анализу произведений изобразительного искусства и изображений вообще, позволит получить новые результаты, что делает данную работу интересной для дальнейшего развития.

ОГЛАВЛЕНИЕ

–  –  –

Сайкин А.И., Чурикова А.А. Приближенные методы расчета стохастических сетей с элементами имитационного моделирования…………….………………. 38 Шмелькова Т. П., Кравцов А.Л. Формирование внеклеточных нейтрофильных ловушек в крови человека…………...………………………….. 40 Щербаков Р.В., Пластун И.Л.. Применение фрактального анализа для поисков центров внимания произведений изобразительного искусства………………… 42

–  –  –

д.т.н., проф. Бровкова М.Б. (председатель редакционной коллегии) к.ф.-м.н., доц. Мантуров А.О. (ответственный редактор)

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОФИЗИКИ, ГЕНЕТИКИ,

ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

–  –  –

Издательские услуги (международный стандартный номер книги) ISBN:

ООО Издательство «Научная книга»

Похожие работы:

«СОВЕТ МОНАШЕВСКОГО СЕЛЬСКОГО ПОСЕЛЕНИЯ МЕНДЕЛЕЕВСКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН РЕШЕНИЕ КАРАР №7 от 05.10.2015 г. Об утверждении Положения о бюджетном процессе в муниципальном образовании "Монашевское сельское поселение Менделеевского муниципального района Республики Татарстан" В соответствии с Федера...»

«ОКП 43 7254 КОНТРОЛЛЕР ДОСТУПА КД-СКОП Паспорт СПМТ.425728.001ПС 1 Основные сведения об изделии и технические данные 1.1 Контроллер доступа КД-СКОП (далее по тексту контроллер) – составная часть сигнализационного комплекса охраны периметра ав...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины Б.4 "Физическая культура" для бакалавров 27080...»

«КРИВОНОГОВ ЛЕОНИД ЮРЬЕВИЧ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ КРИТИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЙ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ АКТИВНОСТИ ПАЦИЕНТА Специальность 05.11.17 Приборы, системы и изделия медицинского назначения ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора техническ...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСТ Р 51617-2014 УСЛУГИ ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКВАР...»

«1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное бюджетное учреждение "САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВ...»

«Информатика, вычисл. техника и управление 8 ТРУДЫ МФТИ. 2016. Том 8, № 4 УДК 519.237.8 Г. И. Турканов1, Е. В. Щепин1,2 Московский физико-технический институт (государственный университет) Мате...»

«Автоматизированная система охранно-пожарной сигнализации Сертификат соответствия №С-RU.АБ03.В.00017 Бортовой комплект Приток-БК-05 Руководство по эксплуатации ЛИПГ.421451.036 РЭ Приток-БК-05 ЛИПГ.421451.036 РЭ СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.2 ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ...»

«М-2 МОДЕМ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЛИНИЙ Техническое описание © 1998-2005 Зелакс. Все права защищены. Редакция 04 М-2Р от 02.11.2005 Россия, 124365 Москва, г. Зеленоград, ул. Заводская, дом 1Б, строе...»

«ЖУРНАЛ КОРПОРАТИВНЫЕ ФИНАНСЫ №4(8) 2008 38 Исследование взаимосвязи показателя EVA и стоимости компании на российском рынке капитала Романов В.С. 18, Кукина Е.Б.19 В академической литературе достаточно широко распространена концепция EVATM20 как механизм, используемый в пос...»

«СОГЛАСОВАНО Заместитель руководителя ГЦИ СИ ФГУП " BlfflHNI им. Д.И. Менделеева", |. /,' B.C. Александров ' " Ape 2005 г. ‘" 'у/ / / ”1 ' / Внесены в Государственный реестр средств измерении Системы термолюминесцентные дозиметрические Регистрационный № *| 5 OS ДТУ-01М В зам ен № Вьшус...»

«2 СОДЕРЖАНИЕ 1. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) В СТРУКТУРЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ 4 ПРОГРАММЫ 2. ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ (МОДУЛЮ) 4 3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) С РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПО СЕМЕСТРАМ 4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (МОДУЛЯ) (МОДУЛЯ) 5 5. ФОНД О...»

«Эксплуатация и техническое обслуживание консоли Р80 Информация о версии ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ КОНСОЛИ Р80 P/N 303135-192 rev E © April 2015 Precor Incorporated. Все права защищены. Технические характеристики могут изменяться без уведомления. Данный документ применим...»

«Руководство по эксплуатации Бортовой учетный компьютер Оглавление 1. Назначение 2. Технические характеристики 3. Комплект поставки 4. Устройство и принцип работы 5. Подключение БУК 6. Правила эксплуатации Подготовка прибора к эксплуатации 6.1. Установка БУК 6.2.7. Конфигурирование БУК 8. Правила работы с БУК 9. Тр...»

«'•'* сэмз СВЕРДЛОВСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНШЬНЫЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗЯВВД ПРОИЗВОДСТВО И ПРОДАЖА ХЛЕБОПЕКАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ earn. ащтсш ЖШРНМИНШНЬШ мшиитш зящ Свердловский Экспериментальный Механический Завод более 50 лет занимается производ­ ством и поставками хлебопекарного оборудов...»

«Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов ШИМ для управления 3-фазным инвертором напряжения А.Б. Виноградов, Д.Б. Изосимов Введение Вопросам построения энергетически эффективных ШИМ для управления трехфазным инвертором напряжения (рис.1) было посвящено довольно много работ, среди ко...»

«Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева № 3(105) УДК 140.08 Н.С. Шиловская ОТ ГУМАНИЗМА К АНТРОПОЦЕНТРИЗМУ И ОБРАТНО Нижегородский государственный педагогический университет им. Козьмы Минина Статья посвящена разграничен...»

«ГОСТ 10700-97 Группа К54* * В Указателе Государственные стандарты, 2002 год приводится группа К52. Примечание КОДЕКС. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ МАКУЛАТУРА БУМАЖНАЯ И КАРТОННАЯ Технические условия Waste paper and board. Specifications МКС 85.060 ОКП 54 2210 Дата введения 2003-01-01 Предисловие 1 РАЗРАБОТАН МТ...»

«78 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2006. Т. 47, N6 УДК 536.483 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ НЕ-II НА ШАРЕ А. П. Крюков, А. Ф. Медников Московский энергетический институт (технический университет), 111250 Москва E-mails: KryukovA...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт ЭНИН Направление подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника Кафедра ЭЭС БАКАЛАВРСКАЯ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Новосибирский государственный университет Юридический факультет 53-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ "СТУДЕНТ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС" Программа Секция "Государство и право" Новосибирск Нау...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕ...»










 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.