группа биоинформатики и моделирования биологических

ГРУППА БИОИНФОРМАТИКИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Руководитель группы - к. т. н., вед.н.с., Петросян В. Г.,
E-mail:petrosyan@sevin.ru, postmaster@sevin.ru,
webmaster@sevin.ru
Основные направления исследования - изучение организации и
функционирования биологических систем разного уровня на основе
методов и средств информатики:
• разработка методологических подходов для изучения эволюции
живой природы на основе количественных методов оценки
генетической структуры популяции и филогенетических связей
таксонов видового и надвидового уровней;
• исследование устойчивости экологических систем;
• компьютерное моделирование процессов получения, накопления,
обработки и систематизации данных по биоразнообразию России;
• создание новых информационных технологий на основе
результатов исследований живой природы.
Разработаны методологические основы анализа структуры
биосистем
различных
уровней организации на основе
интервальных оценок показателей: гетерозиготности, между- и
внутипопуляционного индексов сходства/различия, времени
дивергенции видов, генетического расстояния, генетического и
генного разнообразия, меры подразделенности популяций,
доминирования мономорфных и полиморфных локусов, группового
и индивидуального индексов использования ресурсов, разнообразия
сообществ на основе множественных, иерархических и сплайновых
индексов, альфа-, бета- и гамма -разнообразия.
Разработана фактографическая информационная система
(BIOSYSTEM 96) и специальный класс математических моделей,
предназначенных для накопления, обработки и представления
данных по разнообразию биосистем различных уровней
организации.
П
А
Р
А
М
Е
Т
Р
Ы
Р
А
З
Н
О
О
Б
Р
З
И
Я
ХОРОЛОГИЧЕСКАЯ
СТРУКТУРА
ПОПУЛЯЦИЙ
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
СТРУКТУРА
ПОПУЛЯЦИЙ
СТАТИЧЕСКАЯ И
ДИНАМИЧЕСКАЯ
СТРУКТУРА
СООБЩЕСТВ
ИНТЕГРИРОВАННАЯ ПРОБЛЕМНО- ОРИЕНТИРОВАННАЯ БАЗА ДАННЫХ
БД1
БД2
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ
ФАКТОГРАФИЧЕСКАЯ
ИНФОРМАЦИОННАЯ
СИСТЕМА
БД3
БДN
МЕТОДЫ И МОДЕЛИ АНАЛИЗА
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Рис. 1.
Функциональная схема информационных
потоков при модельных исследованиях структуры
биосистем.
Разработан единый комплексный подход, включающий
концепцию обобщенного гена, декомпозиционный принцип
исследования структуры биоценозов, методы несмещенных
оценок и множественный анализ системных параметров
популяций и сообществ, информационную систему и
проблемно ориентированные базы данных, который позволяет
эффективно исследовать статические и динамические свойства
биосистем различных уровней организации.
Показано, что
генетическая
структура популяций
позвоночных животных, отличающихся по происхождению,
эволюционной истории, условиям среды обитания, уровню
инбредности, включая двуполые и однополые виды, адекватно
определяется по набору полиморфных RAPD-, мини- и
микросателлитных маркеров ДНК. В частности показано, что
генетическая структура популяций близкородственных видов
европейской (C. capreolus) и сибирской (C. pygargus) косули
характеризуется высокой микрохромосомной изменчивостью,
полиморфизмом ядерных RAPD- локусов ДНК, действием
стабилизирующего
отбора,
высокой
эффективной
численностью
и
стабильными
межпопуляционными
миграциями
генов.
Показатели
внутрипопуляционной
гетерозиготности (от 0,18 до 0,042) ранжируются в
упорядоченный ряд с востока на запад. Калибровочные оценки
темпов молекулярной эволюции семейства Cervidae и
модифицированные генетические дистанции по Джуксу Кантору определяют бифуркацию сибирской косули на два
подвида (С. pygargus, C. tianschanicus) в интервале 229 - 462,3
тыс. лет. Время видообразования сибирской и европейской
косуль – 1,375 – 2,75 млн. лет.
Выявлено,
что
внутрипопуляционная
изменчивость
партеногенетических видов ящериц рода Darevskia (D. dahli, D.
armeniaca, D. unisexualis) Армении в значительной степени
обусловлена мутационными процессами, происходящими в геноме
– нестабильных микросателлитных (GATA)4, (GACA)4 и (TCC)50
– локусах. Разработанные модели позволили вычленить
мутационную
составляющую
генетической
изменчивости
исследованных популяций. Анализ межпопуляционного генного
разнообразия на основе изменчивости M13, (GACA)n и (TCC)n
локусов указывает на дифференциацию популяций D. dahli
северо-западной и северо-восточной Армении (FST=0,0272;
P=310-13) и генетическую однородность армянской и
интродуцированной на Украину популяций D. armeniaca,
характерную для одного клона (FST =0, P=1).
Рис. 3. ДНК - фингерпритинг трех популяций D. unisexsualis (111-Лчап, 12-21-Кучак, 22-40-Такляру. Стрелками показаны
фрагменты ДНК, специфичные для популяций. Маркерные
фрагменты (т.п.н.) - ДНК фага X, рестрицированная Hind III и
EcoRI.
Рис. 2. RAPD – PCR спектры ДНК сибирской и европейской
косуль 1-9- Курганская область, 10-14 – Дальний Восток, 15-19
Франция; б: 1-10 Курганская обл., 11-14 – Дальний Восток; 1518 Франция.
Разработанные методы, модели и программы позволили
показать, что адаптивный характер хорологической структуры
популяций крупных млекопитающих- лося (A. alces ) и белого
медведя (U. maritimus) - в зоне бореальных лесов и акваторий
арктических
морей
формируется
неоднородностью
пространственного размещения кормовых ресурсов и видовыми
особенностями
питания,
общими
свойствами
видоспецифических местообитаний и степенью привязанности к
ним, селективно-групповым и индивидуальным способами
использования ресурсов, характером распределения особей в
пространстве, межсезонными повторяющимися направлениями
и внутрисезонными стереотипными путями перемещений,
адаптивными особенностями сезонной и суточной активности в
зависимости от репродуктивного статуса.
Рис. 4. Пример космического снимка территории Висимского
заповедника и охранной зоны со спутника Landsat MSS.
Показано, что структурные характеристики модельных
сообществ растений и животных, полученные с помощью
системных параметров •– и •–разнообразия, таксономических,
экологических,
географических
характеристик
видов,
множественного,
иерархического
и
сплайн-индексов
разнообразия, позволяют выявлять особенности формирования
динамических и статических свойств биоценозов в зависимости
от биотических, абиотических и антропогенных факторов.
Группой созданы пилотные версии реляционных баз данных
в среде INTERBASE SQL-сервер и информационных систем
пяти типов: Информационная система по биоразнообразию
позвоночных животных России (www.sevin.ru/vertebrates/);
"Красная книга России" – информационно - поисковая системa
(www.sevin.ru/redbooksevin/);
информационно-поисковая
система
по
фауне-флоре
заповедников
России
(www.sevin.ru/natreserves/);
портал
координационноинформационного центра по доступу к генетическим ресурсам
(www.sevin.ru/rusgenres/).
Установлено множество серверов (WEB, FTP, SMTP, POP3,
IMAP4, LDAP и др.) и осуществляется динамическая поддержка
их функционирования. Разработаны новые сервера на основе
клиент-серверной технологии для сбора данных, поступающих
от отечественных и международных организации в интересах
ИПЭЭ РАН.
Информационная система и база
данных по разнообразию позвоночных
животных России. База данных включает
виды и подвиды 295 пресноводных рыб,
29
земноводных,
84
–
пресмыкающихся, 739 - птиц и 310 –
млекопитающих. Совместная разработка
ИПЭЭ РАН, ЗИН РАН, Зоомузея МГУ,
Минпромнауки РФ.
URL: www.sevin.ru/vertebrates/
WEB-сайт на основе интегрированной
базы данных по фауне и флоре
заповедников России.
URL: www.sevin.ru/natreserves/.
Информационно-поисковая система и
база данных по редким и исчезающим
видам Российской Федерации. Состоит
из двух частей - "Красная книга
Российской Федерации (животные)" 434 вида и "Красная книга РСФСР
(растения)" - 533 вида.
URL: www.sevin.ru/redbooksevin/
Электронная библиотека
РАН и ОБН.
URL: www.sevin.ru/sevinlib/
ИПЭЭ
В рамках проекта “Фундаментальные
основы управления биологическими
ресурсами”
разрабатывается
информационный портал и WEB-сайт по
биологическим ресурсам РФ.
URL: www.sevin.ru./rusbiores/.
Web-портал
и
база
данных
координационного центра по доступу к
генетическим
и
биологическим
коллекциям Российской Федерации.
Совместная разработка ИПЭЭ РАН,
Минпромнауки
РФ.
URL:
www.sevin.ru/rusgenres/
Фундаментальная
экология
(Информационно-образовательный
сайт). Совместная разработка Кафедры
общей
экологии
Биологического
факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
и ИПЭЭ РАН.
URL: www.sevin.ru/fundecology/
WEB-сайт Поволжского
экологического журнала.
URL:www.sevin.ru/volecomag