Informacija

Ką mutacijų aprašymuose reiškia raidės „p“ ir „c“?


Pavyzdys:

NM_000525.3 (KCNJ11):c. 67A> G ( p. Lys23Glu) IR Nuolatinis naujagimių cukrinis diabetas

Ar „p“ reiškia „polimorfizmas“?

Ką reiškia raidė „c“?


Remiantis HGVS gairėmis, naudojama etaloninė seka turi būti naudojama raidžių priešdėliu. Priimtini priešdėliai yra:

  • "G." genomo atskaitos sekai
  • "M." mitochondrijų atskaitos sekai
  • "C." koduojančiai DNR etaloninei sekai
  • "N." nekoduojančiai DNR etaloninei sekai
  • "R." RNR atskaitos sekai (nuorašui)
  • "P." baltymų atskaitos sekai

Ką mutacijų aprašymuose reiškia raidės „p“ ir „c“? - Biologija

Tarpinė suma (elementai) .00

Ar turite reklamos kredito kodą? Įveskite jį atsiskaitymo metu!

Populiariausi jūsų naujojo teleskopo priedai!

Pradėkite čia, kad surastumėte tobulą
teleskopas tau!

NAUJIENA: „Nature DX ED“ žiūronai

„Celestron“ apdovanojimą pelnęs „Nature DX“ žiūronas iš esmės patobulintas, pridėjus ED objektyvus.

NAUJIENA: „Elements ThermoTank 3“

Kelyje, darbo vietoje, klasėje ar tiesiog sėdėdami namuose atsipalaidavę - „Celestron Elements ThermoTank 3“ padės jūsų rankoms skrudinti.

NAUJIENA: „ThermoTorch 5“ elementai

Šis tvirtas „3 viename“ įrenginys turi tikrą taktinį 3 režimų žibintuvėlį, rankų šildytuvą ir nešiojamą maitinimo bloką, skirtą įkrauti asmeninę elektroniką kelyje.


Koronaviruso genomas

Koronavirusas yra riebi membrana, supakuota į genetines instrukcijas, kad galėtų padaryti milijonus savo kopijų. Instrukcijos užkoduotos 30 000 RNR „raidžių“ - a, c, g ir u - kurias užkrėsta ląstelė skaito ir paverčia daugybe viruso baltymų.

RNR instrukcijos, kaip pagaminti ORF1a baltymą

Koronaviruso genomo pradžia

Koronaviruso genomo pradžia


Kas yra MTHFR mutacija?

Metilentetrahidrofolato reduktazė arba MTHFR yra fermentas, skaidantis aminorūgštį homocisteiną. Šį fermentą koduojantis MTHFR genas gali mutuoti, o tai gali sutrikdyti fermento gebėjimą normaliai veikti arba visiškai jį inaktyvuoti.

Žmonės turi du MTHFR genus, paveldėdami po vieną iš kiekvieno iš tėvų. Mutacijos gali paveikti vieną (heterozigotinį) arba abu (homozigotinį) šių genų.

Yra du įprasti tipai arba variantai MTHFR mutacija: C677T ir A1298C.

Mutacijos MTHFR genų atsiranda maždaug 25% ispanų kilmės žmonių ir 10–15% Šiaurės Amerikos kaukaziečių.

Šios mutacijos retais atvejais sukelia aukštą homocisteino kiekį kraujyje, o tai gali prisidėti prie daugelio sveikatos būklių, tokių kaip:

Šiame straipsnyje apžvelgiame MTHFR mutacijas, įskaitant susijusias sveikatos sąlygas, diagnozę ir gydymo galimybes. Taip pat aptariame, kaip MTHFR mutacijos gali turėti įtakos nėštumui.

Diagnozuodamas MTHFR mutaciją, gydytojas gali ištirti asmens ligos istoriją.

Mutacijos MTHFR genas gali paveikti organizmo gebėjimą apdoroti aminorūgštis, būtent homocisteiną, o tai gali turėti neigiamų pasekmių sveikatai.

Sąlygos, su kuriomis siejami tyrėjai MTHFR Genų mutacijos apima:

    Tai yra neįprastai aukšto homocisteino kiekio kraujyje ar šlapime terminas - neurologinė būklė, turinti įtakos koordinavimui
  • periferinė neuropatija, neurologinė būklė, pažeidžianti nervus, būklė gimimo metu, kai galva yra mažesnė nei įprasta, nenormalus stuburo kreivumas, o tai reiškia, kad žmogui trūksta sveikų raudonųjų kraujo kūnelių
  • širdies ir kraujagyslių ligos, tokios kaip kraujo krešuliai, insultai ir širdies priepuoliai
  • psichikos sveikatos ir elgesio sutrikimai, tokie kaip depresija ir dėmesio deficito hiperaktyvumo sutrikimas (ADHD)

Simptomai skiriasi tiek tarp individų, tiek priklausomai nuo mutacijos tipo. Žmonės paprastai nežino, kad turi MTHFR mutacija, nebent jie patiria sunkių simptomų arba neatliekami genetiniai tyrimai.

Turint vieną ar du MTHFR mutacijos gali šiek tiek padidinti homocisteino kiekį kraujyje. Ši būklė vadinama homocistinemija.

Homocisteinas yra amino rūgštis, kurią organizmas gamina skaidydamas maisto baltymus. Didelis homocisteino kiekis gali pažeisti kraujagysles ir sukelti kraujo krešulių susidarymą. Žmonėms, turintiems aukštą homocisteino kiekį, paprastai yra mažas vitamino B-12 kiekis.


Neurosporos ir kitų gijinių grybų chromosomų pertvarkymai

Davidas D. Perkinsas, „Genesikos pažanga“, 1997 m

Pertvarkymo fonas Neurospora

Grybelinės citogenetikos pradininkė buvo Barbara McClintock 1944 m. Per 10 savaičių vizitą Stanfordo universitete G. W. Beadle kvietimu (McClintock, 1945). Anksčiau, kai McClintockas ir Beadle buvo Kornelio studentai, ji sukėlė revoliuciją kukurūzų citogenetikoje, naudodama Bellingo (1927 m.) Skvošo techniką, paruošdama mikrosporocitus tyrimui, o tai yra informatyvesnis ir patogesnis metodas nei tradicinis įterpimas ir skirstymas. Ji pritaikė metodą Neurospora asci ir pavyko parodyti, kad septyni Neurospora chromosomas galima atskirti pagal jų dydį ir morfologiją, nors (kaip dabar žinome) jų DNR kiekis yra dviem laipsniais mažesnis nei kukurūzų.

Jos pirmoje Neurospora McClintockas aprašė kariotipą pachiteno ir postmeotinės metafazės metu ir parodė, kad mejozė iš esmės yra tokia pati kaip ir augaluose bei gyvūnuose. Ji taip pat ištyrė tris tariamus abipusius translokacijas, nustatė I fazės keturvalentes ir susijusią atskyrimą struktūriniuose heterozigotuose pagal ascosporinio aborto modelius tiesiniame ascije. Vėlesniais metais buvo atlikti citologiniai ir genetiniai tyrimai Neurospora perkėlimus pratęsė jos mokiniai Singletonas (1948) ir Šv. Lorensas (1953), taip pat Barry (1960b, 1967) ir Phillipsas (1967). Norėdami įvertinti McClintocko darbą su Neurospora, žr. Perkins (1992a).

Anksčiau naudotos pertvarkos Neurospora tyrimai buvo aptikti dėl netikėtų genetinių sąsajų. Tačiau nuo to laiko pertvarkymai paprastai buvo pripažinti netinkamais, nes dalis askoros kryžių Pertvarkymas × Normalus yra nepigmentuoti (vadinami „baltais“), priešingai nei struktūriškai homozigotinių kryžių askosporos, kurios beveik visos yra juodos. Pigmentacijos sutrikimas atsiranda dėl trūkumų, atsirandančių dėl meiotinės rekombinacijos. Dėl to sustoja subrendimas ir ankstyva bet kurios askoros, kuri gauna nepakankamą genomą, mirtis. Ne tik heterozigotiškumą, susijusį su pertvarkymu, vizualiai signalizuoja nepigmentuotos askopos, bet ir pigmentines bei nepigmentuotas sporas, kurios atsiranda skirtingo pobūdžio aberacijoms būdingais modeliais ir dažniais.

„McClintock“ metodas buvo naudojamas linijiniu būdu, kai atidaroma perithecija. Chromosomų pertvarkymą taip pat galima aptikti tikrinant askosporas, kurios yra nušautos iš bręstančios perithecijos. Sporos išmetamos kaip netvarkingos aštuonių grupių grupės, kilusios iš atskirų sluoksnių. Pertvarkymo tipą paprastai galima spręsti iš santykinių nesutvarkytų asci dažnių su skirtingu nepigmentuotų, nutrauktų askopų skaičiumi (Perkins, 1966, 1974). Buvo nustatyti šimtai pertvarkymų Neurospora naudojant šį metodą. Jie buvo patvirtinti genetiškai, o jų lūžio taškai buvo nustatyti.

The Neurospora pertvarkymai buvo panaudoti daug.

Ryšio grupių ir genų priskyrimas citologiškai atskiriamoms chromosomoms ir chromosomų segmentams (St. Lawrence, 1953 Phillips, 1967 Barry, 1967 Perkins and Barry, 1977).

Intrageninės rekombinacijos poliškumo tyrimas (Murray, 1968).

Tai rodo, kad rekombinatorius veikia tik cis (Gaudyklė ir angelas, 1974).

Padermių, turinčių daug perkėlimų, naudojimas, siekiant padidinti ryšių aptikimo efektyvumą (Perkins ir kt., 1969 ).

Sukurkite balansavimo priemonę ir naudokite ją, kad ištirtumėte gamtos padermes, ar nėra seksualinės fazės recesyvinių mirtinų ar kenksmingų alelių (Leslie, 1985).

Sukurta apibrėžto turinio dubliavimas ir trūkumai (žr. Perkins, 1974 Perkins ir Barry, 1977). (Sąvokos „dubliavimasis“ arba „segmentinis dubliavimasis“ bus naudojamos žymėti chromosomų segmentą, kuris yra dvi netipinės kopijos, arba padermę, kurioje yra toks segmentas. Dubliavimo padermė taip pat gali būti vadinama „daliniu diploidu“.)

Pasikartojimą generuojančių pertvarkymų naudojimas genų, centromerų ir ryšių grupių galų atvaizdavimui (Perkins, 1974, 1986 Perkins ir Barry, 1977, kiti pavyzdžiai, žr. Davis, 1979 Metzenberg ir kt., 1985 ). (Tjo tikslus metodas yra analogiškas ištrynimo kartografavimui faguose. Kartografavimo pagal dubliavimo aprėptį pagrindas parodytas 1 paveiksle.)

Figūra 1 . Pavyzdys, kaip genai ir lūžio taškai atvaizduojami pagal dubliavimo vidurkį. Gyvybingų palikuonių genotipai asciose iš įterpimo translokacijos kryžiaus (juodieji centromeriai) × normalus (balti centromeriai), kai normalios sekos tėvas turėjo vieną recesyvinį žymeklį (d) perkelto segmento viduje ir kitą recesyvinį žymeklį (b) už segmento ribų . Perkeltas segmentas pavaizduotas nesuporuotas su jo nenustatytu homologu. Dvi viršutinės diagramos parodo tėvų ditypio ir nemotyvinio ditypinio centromerų ir lūžio taškų atskyrimo pasekmes, neperžengiant jų. Kryžminimas bet kuriame tarpiniame regione tarp centromerų ir lūžio taškų sukelia tetratipo tipo asci, kurio sudėtis parodyta apatinėse dviejose diagramose. Pasikartojantys palikuonys yra D/d heterozigotai, fenotipiškai D +. Trūkstami produktai yra nepastebimi. Gyvybingų palikuonių dominuojantis: recesyvinis fenotipinis santykis yra 1: 2 b, kuris nėra padengtas, ir 2: 1 d, kuris yra padengtas. Kvaziterminalinių perkėlimų lūkesčiai būtų panašūs. Šie santykiai taikomi žymenims, kurie nėra rekombinuojami su perkėlimo lūžio tašku. Perėjimas tarp b ir perkėlimo pakeistų B: b santykį į lygybę. Įterpimo ar kvaziterminalinio perkėlimo su 60% tetratipų atveju tikėtini netvarkingi asko tipai būtų 20% 8B: 0 W, 60% 6B: 2 W, 20% 4B: 4 W, 0% 2B: 6 W ir 0% 0B : 8 W.

Pasikartojimų naudojimas genams, kurie lemia vegetatyvinį nesuderinamumą, nustatyti (Newmeyer ir Taylor, 1967 Perkins, 1975 Perkins ir kt., 1993a Mylyk, 1975, 1976 Arganoza ir kt., 1994 Stiklas ir Kuldau, 1992 Leslie, 1995). (Jei D ir d 1 paveiksle buvo aleliai tokioje vietoje, dubliavimo palikuonių heterozigotiškumą signalizuotų būdingas nenormalus fenotipas.)

Dominavimo ir dozavimo poveikio nustatymas reguliavimo tyrimuose (Metzenberg ir kt., 1974 Metzenberg ir Chia, 1979). Demonstruojant dominavimo skirtumus tarp lytinių ir vegetatyvinių fazių ( Turnas, 1977).

Transgeninės padėties poveikio, dėl kurio atsiranda nuo aktyvatoriaus nepriklausomai, teigiamai reguliuojamų genų išraiškos, pagrindas (Versaw ir Metzenberg, 1996).

Įvairumo tipo padėties efekto paieška (Johnson, 1979).

Mutagenams jautrių mutantų poveikio chromosomų stabilumui nustatymas (Schroeder, 1970, 1986 Newmeyer ir Galeazzi, 1977, 1978).

Centromerio - lūžio taško atstumo ir nesuderinamumo su translokacijos keturvalenčiais santykio nustatymas (Perkins ir Raju, 1995).

Tiriant branduolio organizatorių (NOR), jo vietą genetiniame žemėlapyje, rekombinaciją NOR viduje ir tarp NOR ir išstumtų rDNR blokų, rDNR pakartotinio skaičiaus pokyčius, rDNR polinkį lūžti ir pertraukų ribojimą naujais telomerais ( Phillips, 1967 Barry ir Perkins, 1969 Perkins ir kt., 1980, 1984, 1986, 1995a Rodland ir Russell, 1982, 1983 Russell ir Rodland, 1986 Butler ir Metzenberg, 1989, 1990 Butler, 1992).

Nustatant sekų genų 3' -5 ′ orientaciją, palyginti su ryšių žemėlapiais (Paluh ir kt., 1990 Schmidhauser ir kt., 1990 ).

Suteikia pradinį tašką chromosomų vaikščiojimui ir nustato jo kryptį (Smith and Glass, 1996).

Nukleotidų sekų nustatymas per lūžio taškų jungtis (Asch ir kt., 1992 Cambareri ir Kinsey, 1997 žr. Perkins, 1995).

Chromosomų DNR, atskirtų impulsinio lauko gelio elektroforeze (Orbachas), nustatymas ir kt., 1988 ).

Suteikia sutrumpintas chromosomas, su kuriomis galima paruošti specifines regiono bibliotekas, skirtas kontigai ir dominančių genų klonavimui (Ballario ir kt., 1989, 1996 ).

Demonstruoja sinaptinį prisitaikymą heterozigotinėse inversijose (Bojko, 1990).

Tiriant segmentų dubliavimosi (Perkins) genų, esančių pakartotinai sukeltas taškinę mutaciją (RIP), kartojimą ir kt., 1997 ).

Heterokarionų gavimas su papildomomis dubliavimosi ir sudedamųjų branduolių trūkumais (D. D. Perkins, neskelbta).

Perkins (1966, 1974) aprašė metodus ir ankstyvus rezultatus su pertvarkymais, o platesniame citogenetiniame kontekste juos peržiūrėjo Perkins ir Barry (1977). Informacija apie 167 Neurospora persvarstymai buvo pridėti prie 1977 m. Tuo metu buvo žinoma tik keletas chromosomų pertvarkymų eukariotiniuose mikroorganizmuose, išskyrus Neurospora crassa ir Aspergillus nidulans.


Diskusija

Turimų genomo ir baltymų sekų skaičius per pastarąjį dešimtmetį labai padidėjo dėl naujos kartos sekos nustatymo technologijų pažangos. Šiame daugybėje naujų duomenų atradome daug anksčiau nematytų kodavimo variantų, kurių funkcinė reikšmė nežinoma. Siekiant padėti mums analizuoti šiuos naujus duomenis, buvo sukurti skaičiavimo prognozuotojai, tačiau šių prognozių rengimas ir vertinimas dažnai kenčia nuo šališkumo. DMS eksperimentai yra idealus atskaitos taškas prognozuojant testus, užtikrinant, kad į vertinimą nebūtų įtraukti jokie mokymo duomenys. Šį tyrimą palengvino daugybė tokių eksperimentinių DMS duomenų rinkinių.

Mes žinome, kad daugybė techninių ir skaičiavimo veiksnių gali turėti įtakos DMS tyrimų duomenų kokybei. Jie gali atsirasti atliekant eksperimentinę procedūrą ir todėl gali būti vertinami pagal biologinių pakartojimų atkuriamumą arba matavimo neapibrėžtumą, įvertintą techniniais pakartojimais. Didžiausias klaidų iš DMS šaltinis aptinkamas sekos nustatymo etape, kai naujos kartos sekos nustatymas paprastai skaito nuo 1/100 iki 1/1 000 bazių neteisingai (Ma ir kt, 2019). Daugelis grupių šiai problemai spręsti naudoja brūkšninio kodavimo strategiją, kad su kiekvienu variantu būtų susieta daugiabazė unikali dirbtinė seka. Be to, skaitymai, esantys žemiau tam tikros kokybės ribos, atmetami, o variantai, kurių greitis yra mažesnis už nurodytą aptikimo slenkstį, pašalinami. Kelios grupės pateikia visus savo kūno rengybos balus ir aukštos kokybės rezultatų filtrą (Starita ir kt, 2015 Mighell ir kt, 2018). Tokiais atvejais pastebime, kad filtruoti aukštos kokybės rezultatai turi didesnę vidutinę koreliaciją su VEP (EV12 ir EV13 lentelės), taip pat pranašesnę ligos mutacijų prognozavimo galią (3 pav.).

Iš 46 skirtingų šiame tyrime įvertintų prognozuotojų pastebime, kad viena programa „DeepSequence“ aiškiai išsiskiria iš visų kitų tiek našumo, tiek metodikos požiūriu. „DeepSequence“ parodė stipriausią koreliaciją su žmonių ir bakterijų DMS duomenimis ir buvo didžiausias žmogaus ligų mutacijų skaičiavimo prognozuotojas. Daugelyje mašininio mokymosi metodų naudojamos kelios savybės, dažnai įtraukiant tam tikrą sekos išsaugojimo į dominančią vietą matą, o tada išmokstami šių bruožų modeliai, dėl kurių mutacija klasifikuojama kaip žalinga ar gerybinė. „DeepSequence“ naudoja gilius generacinius modelius, kad integruotų veiksnius iš visos sekos vienu metu, o ne tik į vieną ar kelias svetaines. Šio tipo problemos iš esmės yra neišsprendžiamos tradiciniam mašinų mokymuisi, atsižvelgiant į susijusių parametrų skaičių, tačiau „DeepSequence“ tai įveikia, sužinojusi apie latentinius baltymų sekos veiksnius. Šis metodas taip pat suteikia pranašumų, susijusių su prižiūrimų metodų šališkumu. Galime tikėtis, kad mašininio mokymosi metodas susidurs su pavyzdžiu, kuriuo jis buvo išmokytas, kad jis dažniausiai būtų teisingai klasifikuojamas, ir tai būtų nereprezentatyvus jo tikslumo įvertinimas. „DeepSequence“ naudoja kelis sekų derinimus ir niekada nemato pažymėtų baltymų duomenų, todėl rezultatai, kurie nėra šališki pagal mokymo pavyzdžius. Tačiau tai nereiškia, kad „DeepSequence“ yra visiškai nešališkas metodas. Sukuriami balai visiškai priklauso nuo duomenų bazės, iš kurios sudaromos kelios sekos išlygos. Jei tam tikros sekos yra nepakankamai vaizduojamos, tada prognozės bus prastesnės kokybės, pavyzdžiui, rezultatai, kuriuos stebime dėl virusinių baltymų, paimtų iš „UniRef100“ duomenų bazės. Sėkmė, kurią „DeepSequence“ pasiekė prognozuodama žmogaus baltymų mutacijų poveikį, rodo, kad gilūs generaciniai modeliai gali būti kelias į priekį šioje srityje, pašalinant priklausomybę nuo paženklintų duomenų rinkinių prognozuojant.

Vienas iš mūsų įvertintų VEP, „Envision“, yra apmokytas vadovaujantis mokymosi metodu, naudojant DMS duomenis, o ne pažymėtus patogeninius ir gerybinius variantus. Šis metodas naudoja daugybę tų pačių DMS rinkinių, kuriuos naudojome šioje analizėje mokymui (BRCA1 (a), HSP82, UBI4 (a ir b), PAB1 ir bla (a)), todėl šio metodo reitingas EV7 lentelėje yra beveik neabejotinai priklauso nuo mokymo šališkumo. Tačiau įdomu tai, kad nepaisant šio pranašumo, „Envision“ sukuria tik vidutinį bendrą žmogaus DMS duomenų rinkinių našumą (nors TPK1 jis užima 1 vietą). Kalbant apie patogeninių missense mutacijų prognozavimą, „Envision“ gerai veikia pagal BRCA1 trečiąją vietą tarp VEP ir P53, užimdama 4 vietą, tačiau jo veikimas yra neįtikėtinas kitiems baltymams. Pažymėtina, kad nors „Envision“ nebuvo apmokytas naudoti P53 duomenų rinkinį, jis buvo įvertintas naudojant vieną (nors ne tą patį DMS duomenų rinkinį, naudojamą šiame tyrime). Nors „Envision“ naudojamas metodas yra novatoriškas, jo veikimo vertinimas naudojant DMS turi tas pačias išlygas, kaip ir kitų prižiūrimų VEP, naudojant patogeninių mutacijų duomenų bazes, našumą.Taigi pažymėtina, kad, nepaisant šio pranašumo, „Envision“ parodė tik nedidelį našumą prieš DMS duomenis.

Dauguma prognozuojamų asmenų, prižiūrimi ar kitaip, yra optimizuojami hiperparametrais, siekiant patobulinti vidinius kintamuosius, tokius kaip mokymosi greitis, tinklo architektūra ar reguliavimas, siekiant geresnių rezultatų. Šis procesas visada apima pakartotinį numatytojo veikimo tikrinimą pagal tam tikrą „bandymo“ duomenų rinkinį ir gali įvesti kitą šališkumo šaltinį, net ir neprižiūrimus metodus. Naudodami DMS duomenis šiems metodams įvertinti, turėtų labai sumažėti šio efekto poveikis visiems metodams, išskyrus „Envision“ ir galbūt „DeepSequence“, kurie galėjo būti optimizuoti atsižvelgiant į pirminio vertinimo metu naudojamus DMS duomenis. „Envision“ neveikia išskirtinai, nepaisant to, ir mes parodome, kad „DeepSequence“ vis dar veikia gerai, kai vertinama naudojant duomenis, kurių ji tikrai nematė (EV9 lentelė).

Atrodo, kad kai kurie DMS eksperimentai rodo puikius rezultatus nustatant ligos mutacijas. Įdomu palyginti našumą su naudojamais eksperimentiniais fenotipais, nes eksperimentinio fenotipo naudingumas patogeninėms mutacijoms nustatyti turėtų būti susijęs su mechanizmu, kuriuo mutacijos sukelia ligą. Atkreipiame dėmesį, kad tie DMS eksperimentai, pagrįsti konkurencingo augimo tyrimais, atrodo ypač gerai, visų pirma reitinguojant tris iš keturių baltymų, kur jie yra, skaičiavimo prognozuotojus. BRCA1 atveju, kai yra DMS duomenų rinkiniai, pagrįsti trimis skirtingais eksperimentiniais fenotipais, augimo greičiu pagrįstas tyrimas (Findlay ir kt, Veikia daug geriau nei tie, kurie pagrįsti mielių dviejų hibridų arba E3 ubikvitino ligazės aktyvumu (Starita ir kt, 2015). Augimo greitis greičiausiai bus labai bendras eksperimentinis fenotipas, kuris atspindės bet kokį funkcijų praradimą, įvykusį molekuliniu lygiu. Priešingai, jei kai kurios patogeninės BRCA1 mutacijos veikė kitu mechanizmu, o ne jo sąveikos su specifiniais surišimo partneriais (BARD1) sutrikdymu ar E3 aktyvumo sutrikimu, tai gali paaiškinti nepakankamą DMS duomenų, pagrįstų šiais alternatyviais fenotipais, veikimą. Tačiau įdomu tai, kad HRAS DMS duomenys, kurie taip pat pranašesni už visus skaičiavimo prognozuotojus, yra pagrįsti dviejų hibridinių zondų sąveika su RasGAP (Bandaru ir kt, 2017), o tai rodo, kad šios sąveikos sutrikimas atspindi ligos pagrindinius molekulinius mechanizmus.

Taip pat verta paminėti PTEN, nes jis taip pat turi skirtingus DMS duomenų rinkinius, pagrįstus skirtingais eksperimentiniais fenotipais. PTEN (b) duomenų rinkinio ekrane įvertinamas mielių dirbtinės genų grandinės sutrikimas, iš esmės tiriant fosfatazės aktyvumą. Šis duomenų rinkinys yra pranašesnis už visus VEP, išskyrus keturis, o tai rodo, kad jis pagrįstai atspindi molekulinių ligų mechanizmus. Priešingai, fenotipinis PTEN (a) ekranas matuoja baltymų gausą ląstelėje pagal EGFP fluorescenciją, susijusią su baltymu (Matreyek ir kt, 2018). Ši technika, vadinama VAMP-seq, nustato termodinamiškai nestabilius variantus, tačiau gali nepavykti užfiksuoti ligos mechanizmų, veikiančių dėl sąveikos sutrikimo ir funkcijos praradimo ar padidėjimo, nesusijusio su destabilizacija. Iš tiesų šiame tyrime buvo pastebėta, kad dominuojantys neigiami variantai reikšmingai nesiskyrė nuo laukinio tipo, tai atitinka mūsų ankstesnį pastebėjimą, kad dominuojančios neigiamos mutacijos paprastai būna labai lengvos baltymų struktūriniame lygmenyje (McEntagart ir kt, 2016). Taigi, renkantis eksperimentinį fenotipą, reikia būti labai atsargiems. Nesant geresnio fenotipinio tyrimo, konkrečiai susijusio su žinomu ligos mechanizmu, eksperimentai, pagrįsti augimu, gali būti bendriausias būdas nustatyti baltymų funkcijos praradimą, taigi ir naudingiausias prognozuojant ligą.

Mūsų rezultatai, analizuojant DMS duomenų rinkinių nuspėjamąjį pajėgumą, iš esmės apibendrina pirminiuose tyrimuose pateiktus rezultatus. CALM1 duomenų rinkinys (Weile ir kt, 2017) pranešama, kad pasižymi puikiu tikslumo atsiminimu nei „PolyPhen-2“ ir „PROVEAN“, kuriuos taip pat randame (neapdorotiems, o ne apverstiems balams). TPK1 duomenų rinkinys (Weile ir kt, 2017) leido visiškai atskirti neutralius ir ligos alelius, kaip ir „PolyPhen-2“ ir „PROVEAN“, tačiau tik po papildomo recesyvinių ligos alelių filtravimo, kurio mes neatlikome. BRCA1 (a) duomenų rinkinys („Starita“) ir kt, 2015) autoriai naudoja mokydami modelį, numatantį tiesioginį homologinį DNR taisymą, tačiau prognozės pirmiausia daromos už DMS aprėpties regiono ribų, kurių mes negalime įvertinti. BRCA1 (b) („Findlay“) ir ktAutoriai praneša, kad ClinVar beveik tobulai atskiria patogenines ir gerybines mutacijas, o tai matome ir atlikdami analizę. PTEN (a) (Matreyek ir ktTeigiama, kad duomenų rinkinys nustato daugiau nei 90% PTEN patogeninių variantų, nors klaidingai teigiamas rodiklis nepateikiamas, nes nė vienas PTEN variantas nebuvo oficialiai klasifikuojamas kaip gerybinis. Vėlgi, mūsų rezultatai yra panašūs, atsižvelgiant į PTEN (a) duomenų rinkinio didelio tikslumo atsiminimo AUC, tačiau žymiai mažesnis ROC AUC rodo reikšmingą klaidingai teigiamą rodiklį. Galiausiai, PTEN (b) autoriai (Mighell ir kt, 2018) taikė panašų požiūrį į mus, naudodamiesi „gnomAD“ variantais gerybiniams pakeitimams. Jų rezultatai rodo, kad jų duomenys turi didesnę teigiamą nuspėjamąją vertę nei PROVEAN, SIFT ir PolyPhen-2, kuriuos taip pat randame.

Du dažniausiai naudojami VEP tikriausiai yra „PolyPhen-2“ ir „SIFT“, kurie abu vis dar yra labai plačiai naudojami nustatant variantus. Nė vienas iš jų neparodė išskirtinio našumo šiame tyrime, užimdamas 14 ir 25 vietą pagal žmogaus DMS duomenis (nors SIFT4G, genomo išsaugojimu pagrįstas SIFT algoritmo įgyvendinimas (Vaser) ir kt, 2016) užėmė 9 vietą). Todėl, remdamiesi mūsų analize, rekomenduojame kitus VEP. Deja, „DeepSequence“ yra labai daug skaičiavimo reikalaujanti ir įprastam galutiniam vartotojui gali būti gana sunku paleisti. Jame taip pat nėra apibrėžtų ligos slenksčių, kuriuos reikės įvertinti pagal baltymus, greičiausiai analizuojant tariamai gerybinius (pvz., GnomAD) variantus. Todėl akcentuojame SNAP2, DEOGEN2, SNP & GO ir SuSPect, kurie taip pat buvo linkę gerai veikti prieš DMS duomenų rinkinius ir turi paprastas naudoti žiniatinklio sąsajas. Mes taip pat rekomenduojame REVEL-nors jame nėra žiniatinklio sąsajos, jis buvo iš anksto apskaičiuotas visoms žmogaus chromosomoms ir jį galima atsisiųsti internete. Siūlome, kad šie metodai leistų tinkamai pasirinkti įprastą variantų prioritetą. Tačiau svarbu tai, kad jie visi parodė didelį skirtumą tarp skirtingų baltymų, o tai rodo, kad vis tiek nereikėtų per daug pasikliauti bet kurio vieno prognozuotojo rezultatais.

Nors evoliucinis išsaugojimas yra plačiai pripažįstamas kaip labiausiai nuspėjamas bruožas, naudojamas prognozuojant variantų efektą, kai kurie VEP taip pat integruoja savybes, gautas iš eksperimentiškai nustatytų baltymų struktūrų (PolyPhen-2, S3D-PROF, SNP & GOs3D, DEOGEN2 ir MPC). Įdomu tai, kad baltymų struktūrinių modelių įtraukimas VEP nebuvo labai naudingas. Iš esmės, kadangi ligos mechanizmus dažnai galima paaiškinti baltymų struktūriniu poveikiu (Steward ir kt, 2003) galima tikėtis, kad baltymų struktūra turėtų būti naudinga. Gali būti, kad evoliucinės informacijos vertė tiesiog panaikina bet kokį indėlį į struktūros įtraukimą, tai yra, jei mutacija kenkia struktūriniu lygmeniu, tai greičiausiai atsispindės evoliuciškai išsaugojus tą liekaną. Be to, daugelis patogeninių mutacijų nėra labai žalingos baltymų struktūriniame lygmenyje, pavyzdžiui, susijusios su dominuojančiu neigiamu poveikiu baltymų kompleksuose (Bergendahl ir kt, 2019) arba tie, kurie turi įtakos transkripcijos faktoriaus surišimo specifiškumui (Williamson ir kt, 2019). Gali būti, kad būsimos strategijos, kuriose atsižvelgiama į įvairius molekulinius mechanizmus, kuriais grindžiama žmogaus genetinė liga, ir unikalias atskirų baltymų struktūrines savybes, galės geriau panaudoti didžiulį dabar turimų baltymų struktūros duomenų kiekį.

DMS duomenų vertė tiesiogiai identifikuoti patogenines mutacijas yra ypač įdomi, remiantis čia pastebėtais rezultatais. Atsižvelgiant į tinkamą eksperimentinio fenotipo pasirinkimą, DMS eksperimentai greičiausiai bus geresni už geriausius skaičiavimo VEP (arba bent jau konkuruoja su jais). DMS duomenų pritaikomumą tiesioginiam variantų prioritetų nustatymui šiuo metu riboja maža dalis žmogaus baltymų likučių, kuriems buvo atlikti DMS eksperimentai. Ateinančiais metais, kai bus tiriama daugiau baltymų ir tobulinamos eksperimentinės strategijos, tikimės, kad tokių duomenų naudojimas kenksmingiems variantams nustatyti taps įprastas.


Ką turėjo omenyje Ervinas? Informacijos fizika, pradedant medžiagų aperiodinių kristalų ir vandens genomika, baigiant molekulinės informacijos katalizatoriais ir gyvybe

Erwinas Schrödingeris garsiai ir nuoširdžiai priskyrė transporto priemonę, perduodančią paveldimą informaciją, kuri yra gyvenimo pagrindas, „aperiodiniam kristalui“. Mes palyginame ir kontrastuojame tai, tik vėliau paaiškėjo, kad ji saugoma linijinėje biomolekulės DNR, su informaciją turinčiomis, sluoksniuotomis beveik vienmatėmis medžiagomis, kurias ištyrė besivystantis chaotiška kristalografija. Nepaisant funkcijų skirtumų, tos pačios informacijos priemonės fiksuoja abiejų struktūrą ir naujumą, o tai rodo glaudų biologinės ir abiotinės medžiagos informacinio pobūdžio darną - plačiai taikomą informacijos fiziką. Apžvelgiame daugiasluoksnes kietąsias medžiagas ir apsvarstome tris pavyzdžius, kaip informacijos ir skaičiavimo teorijos metodai yra taikomi siekiant suprasti jų struktūrą. Visų pirma, i) apžvelgiame pastarojo meto pastangas taikyti naujo tipo informacijos priemones netvarkingiems kristalams kiekybiškai įvertinti; ii) aptariame ledo I struktūrą informacijos teoriniu požiūriu ir (iii) pasakojame apie naujausius tris ( bicyclo [2.1.1] hexeno) benzenas, parodantis, kaip informacijos teorinė analizė suteikia papildomos informacijos apie jo struktūrą. Tada iliustruojame naują antrąjį termodinamikos dėsnį, kuriame aprašomas informacijos apdorojimas aktyviose mažo matmens medžiagose, apžvelgiamas Maksvelo demonas ir nauja molekulinių prietaisų klasė, kuri veikia kaip informacijos katalizatorius. Galiausiai baigiame spekuliuodami, kaip šios informacinės medžiagos mokslo idėjos gali paveikti biologiją.

1. Įvadas

Kad būtų atsižvelgta į „ypatingas gyvenimo savybes“, pvz. judėjimas, medžiagų apykaita, dauginimasis, vystymasis - nuo Aristotelio laikų iki XIX amžiaus vyravo išmintis, kad organinė medžiaga kažkuo iš esmės skiriasi nuo neorganinės. Nors ši sąvoka, vadinama vitalizmas, gali atrodyti keistai XXI amžiaus mokslininkams, tai lėmė, kol chemikas Friedrichas Wöhleris neparodė, kad netikėtai žinomas organinis junginys karbamidas gali būti dirbtinai susintetintas iš ciano rūgšties ir amoniako [1]. Šis gamybos procesas, nors ir skiriasi nuo naudojamo biologinėse sistemose, vis dėlto buvo svarbus raktas, kad atskirtis tarp gyvos ir negyvos materijos nebuvo absoliuti. Dėl abbiotinių procesų medžiagos iki šiol galėjo susidaryti tik biologiškai išgautose medžiagose. Be to, mes matome, kad - ir ne paskutinį kartą - vienos disciplinos, chemijos, rezultatai turėjo svarbių pasekmių kitoje biologijoje. Ši įvairių tyrimų krypčių santaka, susiliejanti į vis didesnį konceptualų gamtos vaizdą, žinoma, dažnai kartojama moksluose. Kiti žinomi pavyzdžiai yra Niutono atradimas, kad dangaus kūnų, tokių kaip mėnulis ir planetos, judėjimas ir žemės judėjimas veikiant gravitacijai, pavyzdžiui, patarlės obuolys, yra visuotinio traukos dėsnio apraiškos James Clerk Maxwell elektros ir magnetizmo suvienijimą į jo garsiąsias lygtis ir Jameso Prescott Joule'o ​​parodymą, kad kalorijos yra ne kas kita, kaip energija kitu pavadinimu, dabar įformintu Pirmajame termodinamikos įstatyme. Iš tiesų E. O. Wilsonas laikosi kraštutinės pozicijos, kad visi žmogaus žinios, nuo konkrečiausių mokslų iki mažiausiai tikslių laisvųjų menų, galiausiai yra tarpusavyje susijusios [2].

Mums nereikia eiti taip toli kaip Wilsonas. Mūsų tikslams pakanka suvokti, kad nors „abiotiški“ mokslai, tokie kaip fizika, chemija, astronomija ir geologija, turi akivaizdžiai tvirtus ryšius, biologija išliko gana nuošalyje. Tai nereiškia, kad biologijai nebuvo daug naudos iš kitų fizinių mokslų jai perduotų žinių. Be aukščiau pateikto karbamido pavyzdžio, atkreipkite dėmesį, kad metabolizmas yra pagrindinis energijos panaudojimo ir transformacijos klausimas - ši sąvoka tapo konkreti ir veiksminga fizikoje. Be to, biologijai buvo nepaprastai naudinga kitų metodų ir atradimų. 1937 m. Maxas Delbrückas (Nobelio fiziologijos ar medicinos premijos laureatas 1969 m.) Pritaikė astrofizikos ir teorinės fizikos mokymus, kad ištirtų genų jautrumą mutacijoms, skatindamas fizikų susidomėjimą biologija ir nustatydamas molekulinę biologiją. Tačiau labiau pažįstamas buvo būtent liūdnai pagarsėjęs rentgeno spindulių difrakcijos vaizdas, žinomas kaip „nuotrauka 51“ iš Rosalind Franklin laboratorijos, kuris suteikė pagrindinę įžvalgą, kurią pasiūlė genetikas Jamesas Watsonas ir fizikas Francisas Crickas (Nobelio fiziologijos ar medicinos premija 1962 m.). dviguba spiralinė DNR struktūra [3]. Nepaisant to, kas išdėstyta pirmiau, biologija yra mažiausiai prastai integruota į mokslų šeimą. Galime spėlioti, kad gyvenimo sudėtingumas ir joje rodomi nauji reiškiniai yra bent iš dalies atsakingi už tai. Net vienas iš pagrindinių organizmų, Genitalijų mikoplazma, turi „tik“ 580 070 bazinių porų genomą [4]. Biologija sudėtinga.

Ir galbūt dėl ​​šios komplikacijos matematiniai „mokslai“ 1 padarė mažiausiai įtakos teorinei biologijai. Apskritai, pažangūs matematiniai metodai, prisotinantys bet kokį teorinį fizikos tekstą, neranda atitikmens biologijos tekstuose. Tačiau yra viena sritis, kurioje biologija, be abejo, pranoko jos sesers mokslus: įtraukimas informacijos teorija [5,6] į fizinių sistemų aprašymą. Ir mes pasiūlysime, kad biologija būtų nubrėžusi konceptualų kelią, kurį abiotiniai fiziniai mokslai gerai imituotų. Tačiau prieš žengdami per toli į priekį, pradėkime nuo XX amžiaus sandūros ir aplankykime vieną iš daugelio revoliucinių pasiekimų, pradėjusių „šiuolaikinės“ fizikos erą ir šiandien išlikusį pagrindinį molekulinės biologinės struktūros tyrimą.

2. Struktūra, aperiodiniai kristalai ir informacija

Didžiulė koncepcinė fizikos pažanga, padaryta pirmąjį dvidešimtojo amžiaus trečdalį, yra legionas, tačiau čia mes sutelkiame dėmesį į indėlį į materijos struktūrą. Nors tai yra Maxas von Laue (Nobelio fizikos premija 1914 m.), Kuriam priskiriamas atradimas dėl rentgeno spindulių difrakcijos pagal kristalus, tai tėvo ir sūnaus komanda, seras Williamas Henry Braggas ir Williamas Lawrence'as Braggas (Nobelio fizikos premija). 1915), kurie gauna daug nuopelnų už tai, kad panaudojo jį kaip įrankį kristalų struktūrai nustatyti. Norint periodiškai kartoti tam tikrą modelį, kaip galima pastebėti paprastuose kristaluose, tokiuose kaip NaCl, difrakcijos modelyje vyrauja labai stiprūs atspindžiai tam tikrais kampais, Braggo atspindžiai. Yra žinoma, kad tarp Braggo atspindžių atsiranda daug silpnesnė difuzinė sklaida ir ją pastebėjo Walteris Friedrichas jau 1912 m. Nors šį difuzinį sklaidą galima paaiškinti šiluminiu sudedamųjų atomų judėjimu, jis tikrai gali būti nukrypimų nuo tobulos periodinės tvarkos pradininkas. Tačiau periodiškumo prielaida labai supaprastina difrakcijos modelių analizę, o ankstyvieji kristalografijos metai buvo nepaprastai sėkmingi sprendžiant periodines struktūras, kurios atrodė tokios įprastos. Iš tiesų galima teigti, kad ši tyrimų programa, kuri taip sėkmingai apibūdino tam tikrą struktūrą - periodinę struktūrą, „begalinį pasikartojimą vienodų struktūrinių vienetų erdvėje“, kainavo alternatyvių teorinių priemonių kūrimo kaina.

Biologijos srityje, žinodamas Delbrücko mutacijų rezultatus, žymus fizikas Erwinas Schrödingeris (Nobelio fizikos premija 1933 m.) Buvo užsiėmęs svarstydamas gyvenimą fizikos požiūriu. Savo klasikinėje 1944 m. Kas yra gyvenimas? [7] Schrödingeris pristato dvi mums įdomias sąvokas. Pirmasis yra negentropijaarba entropija, kurią organizmas eksportuoja į savo aplinką, kad vidinė entropija būtų maža. Jei į entropiją žiūrima kaip į sutrikimo matą, tai antrasis termodinamikos dėsnis aiškiai parodo, kad tam, kad organizmas išlaikytų tam tikrą struktūrą, jis turi atsikratyti sutrikimų, lydinčių gyvybę palaikančius procesus. Antroji ir ne mažiau svarbi mintis yra tai, kad paveldimas mechanizmas, kuris turi egzistuoti, kad individų bruožai būtų perduoti palikuonims, galėtų būti apgyvendintas vadinamojoje aperiodinis kristalas. Nors H. L. Mülleris panašų pasiūlymą pateikė daugiau nei prieš 20 metų, būtent Schrödingerio atstovavimas užvaldė Cricko ir Watsono vaizduotę rimtai ištirti šią galimybę. Schrödingerio aperiodinis kristalas buvo tam tikras materialus substratas, galbūt molekulė, kuriai trūko griežto periodiškumo. To priežastis yra ta, kad tikslus motyvo, kitaip tariant, kristalo, kartojimas yra prasta informacija - per prasta, kad galėtų paveldėti. Be tam tikro nenuspėjamumo ar naujumo nieko naujo neišmokstama ir nepranešama. Pastebėtina, kad Schrödingeris padarė tokią prognozę prieš tai, kai buvo išreikštas kiekybinis informacijos supratimas.

1947 m. Trys fizikai iš „Bell Telephone Laboratories“ - Johnas Bardeenas, Walteris Brattainas ir Williamas Shockley (1956 m. Nobelio fizikos premija) išrado nedidelį prietaisą, sukėlusį perversmą elektros grandinių konstrukcijoje: tranzistorių, pradėjusį elektronikos erą.Jo reikšmė buvo nedelsiant pripažinta ir kitais metais buvo tinkamai paskelbtas pranešimas spaudai. Tačiau neabejotinai [8] tai buvo tik antra svarbiausias pranešimas išėjo iš „Bell Laboratories“ 1948 m. Pirmasis buvo 32-erių matematiko, inžinieriaus ir kriptografo Claude'o E. Shannono, 2, popieriaus forma. „Bell System“ techninis žurnalas su nepaprastu pavadinimu „Matematinė bendravimo teorija“ [5].

Pagrindinė Šenono prielaida yra ta, kad informacija yra netikėtumo laipsnis. Atsižvelgiant į informacijos šaltinisX- pranešimų rinkinys <x> kurie atsiranda su tikimybėmis - atskiromis žinutėmis savęs informacija yra. Taigi nuspėjami įvykiai () nėra informatyvūs - H (x) = 0 - nes jie nestebina. Visiškai nenuspėjami įvykiai, pvz., Tikros monetos apvartai, yra labai informatyvūs:. Naudojant logaritmų 2 bazę, informacijos vienetas yra a truputis arba dvejetainis skaitmuo. Pirmasis pagrindinis Shannono rezultatas buvo parodyti, kad vidutinė savęs informacija, kurią jis pavadino entropija Boltzmannas ir Gibbsas savo žodyne ir žymėjime lygiagrečiai vertina šaltinio pranešimų suglaudinamumą. Tačiau kiekybinė informacija buvo tiesiog preliminari pagrindinė Shannono motyvacija. Dirbdamas ryšių įmonėje „Bell Telephone Company“, jo pagrindinis tikslas buvo nustatyti veiklos apribojimus, susijusius su informacijos perdavimu per triukšmingą, klaidų keliančią perdavimo įrangą, kurią jis įformino kaip ryšio kanalas. Rezultatas buvo jo garsiausias ir plataus masto rezultatas: kol šaltinio entropija yra mažesnė už kanalo perdavimo pajėgumą,-net jei įvedamos klaidos, yra būdas koduoti šaltinio pranešimus taip, kad imtuvas stebėtų triukšmingo kanalo išvestis gali tiksliai atkurti pradinius pranešimus. Šis vienintelis rezultatas yra raktas į beveik visas komunikacijos technologijas, kurios skatina šiuolaikinę ekonomiką.

Pats Shannonas buvo gana atsargus, kad atskirtų savo kiekybinę teoriją apie informacijos kiekį šaltinyje nuo diskusijų apie šios informacijos prasmę ar semantinį turinį [9]. Jo tikslas buvo ką tik aprašytas veiklos rezultatas, kuriam nereikėjo žinoti, kokia informacija buvo perduodama. Tačiau, kaip paaiškinsime, jo informacijos matas ir jo semantika yra pagrindinis ir kiekybinis įrankis, leidžiantis suprasti medžiagų, kurios yra daugiau nei periodiniai kristalai, organizavimą - medžiagos, kurios nėra reguliarūs vienodų vienetų ląstelių pasikartojimai. Mes vadiname šį Shannono informacijos teorijos pritaikymą medžiagos struktūrai „chaotiška kristalografija“ dėl priežasčių, kurios paaiškės.

Kokios medžiagos nėra kristalai? Akivaizdi klasė yra ta, kurioje atsitiktinių tipų atomai atsitiktinai išdėstomi erdvėje. Gauta dichotomija - medžiagos yra periodinės arba atsitiktinės - yra pernelyg paprastas vaizdas. Yra spektras. Pirmasis pavyzdys, vienas prieštaringų savo laiku, buvo atrastas kvazikristalų [10]: metalai, turintys tolimą orientaciją, ikosaedrinę fazę, tačiau neturintys transliacinės simetrijos. Tai buvo taip toli nuo periodinės ir atsitiktinės dichotomijos, kad praėjus keleriems metams po eksperimentinio aptikimo kvazikristaliai buvo plačiai pripažinti (Nobelio chemijos premija 2011). 3

Atsižvelgiant į šį platų spektrą, reikia įrankių, kurie lengvai apibūdintų procesus, kurie svyruoja nuo periodiškumo iki atsitiktinumo ir užfiksuotų tarpines pusiau užsakytas, pusiau netvarkingas struktūras. Informacijos teorija yra viena iš tokių priemonių. Aprašysime, kaip tai taikoma medžiagos struktūrai, formuojant chaotiškos kristalografijos pastangas. Įtikinama įžvalga yra ta, kad nors mes pradedame dėmesį tik nuo netikėtumo ir prognozavimo, mes vedame į naujas struktūros, dalinės simetrijos ir informacijos saugojimo sąvokas.

3. Nuo informacinių priemonių iki struktūros

Nors tai yra esminė mokslo praktikos dalis, tik neseniai išsamiai išnagrinėta informacija, gauta atliekant atskirus matavimus [15,16]. Esminiai klausimai yra lengvai apibūdinami: atsižvelgiant į tokių matavimų istoriją, kiek galima sužinoti iš bet kurio konkretaus stebėjimo? Kiek praeities yra naudinga prognozuojant būsimų matavimų rezultatus? Kokiu mastu matavimas yra tiesiog atsitiktinumas, o ne struktūra? Kiek dabartyje gautos informacijos perduodama ateičiai? Turbūt nenuostabu, kad svarstant šiuos klausimus atsižvelgiant į informacijos teoriją [6] paaiškėjo daugybė naujų skaičiavimo ir informacinių priemonių, kurios suteikia svarbių įžvalgų apie tai, kaip koreliacijos pasireiškia skirtingose ​​struktūrose.

Kaip minėta aukščiau, informacijos teorijos darbas yra Šenono entropija [5] atsitiktinio kintamojo X: , kur x yra galimi diskretaus kintamojo realizavimai X ir yra tikimybė stebėti x. Nors Shannon entropija turi daugybę interpretacijų, čia labiausiai naudinga tai, kad tai yra vidutinis informacijos kiekis, kurį stebėjimas atskleidžia matuojant tą kintamąjį. Tikrieji matavimai dažnai yra nuoseklūs laiku ir galima tikėtis, kad tarp matavimų yra koreliacijų. Shannon entropijos išplėtimas iki matavimų serijos vyksta natūraliai, pakeičiant vieną atsitiktinį kintamąjį X su seka X1,X2,…XL atsitiktinių kintamųjų - dažnai parašytų X L - ir vieno matavimo įgyvendinimas x pagal matavimų seriją x1,x2,…xL, pastarasis patogiai pažymėtas x L . Taigi, iš eilės apsvarstant ilgesnius praėjimus -X−1, tada X−2X−1ir pan. - galima kiekybiškai įvertinti, kiek mažiau neaiškus matavimas X0 yra. Arba, kitaip sakant, galime kiekybiškai įvertinti, kiek žinios apie praeitį sumažina dabartyje išmoktą informaciją: H [X0] ≥H [X0 | X−1] ≥H [X0 | X−1,X−2] ≥ ⋯, kur mes pristatėme sąlyginę Šenono entropiją H [X | ⋅]. Taip pat naudinga atsižvelgti į entropijos normą hμ, informacija, kurią vidutiniškai išmoko vienas stebėjimas, matęs begalinę praeitį: hμ= H [X0 | …X−3X−2X−1].

Kadangi informacijos teorija iš pradžių buvo kuriama bendravimo kontekste, įsivaizduojama kaip laikinas simbolių progresas, teoriją persmelkė natūrali praeities, dabarties ir ateities samprata. Veikimas pagal šią išankstinę nuostatą įvedė pageidaujamą laiko rodyklę. Dėl to kondicionavimo naudingumas srovė matavimai arba stebimi simboliai ateitį pastebėjimai nebuvo akivaizdūs. Matematiniu požiūriu, žinoma, nėra jokių kliūčių tai padaryti. Tačiau laiko eilutės pakeitimas erdvine panaikina kryptingą išankstinį nusistatymą ir atveria kelią nustatyti kitas informacijos priemones, kurios vienodai vertina praeitį ir ateitį [15,17–20].

Pavyzdžiui, apsvarstykite vieną atsitiktinio kintamojo matavimą X. Didžiausias teorinis informacijos kiekis, kurį galima išmokti, yra tik H [X] (figūra 1a). Tačiau jei duomenyse yra koreliacijų ar dėsningumų, kai kurių tai buvo galima numatyti iš ankstesnių pastabų. Pavadinkime šią dalį atleidimo procentasρμ= Aš [X0:…X−3X−2X−1] - bendrinamas arba abipusė informacija tarp dabarties X0 ir praeitis…X−3X−2X−1. Kitos informacijos dalies nebuvo galima numatyti, ji tikrai atsitiktinė ir teisinga hμ. Taigi informacijos kiekis H [X0] galima vienu matavimu X0 natūraliai suskyla į šias dvi dalis, kaip parodyta 1 paveiksleb.

1 pav. Informacijos atskyrimas H [X] išmokta matuojant vieną atsitiktinį kintamąjį X. (Adaptuotas iš Džeimso ir kt. [15], su leidimu.) (Internetinė spalvota versija.)

Tačiau tolesnis kondicionavimas lemia tolesnį irimą. Pirma, atsitiktinė dalis hμ suskaidomas į dvi dalis: trumpalaikis informacijos greitisrμ ir susietos informacijos rodiklisbμ. Trumpalaikis informacijos greitis rμ= H [X0 | …X−3X−2X−1,X1X2X3…] Yra informacija, kuri egzistuoja tik dabartyje. Tai nėra nuspėjama iš praeities ir nėra perduodama ateičiai. Egzistuojanti tik dabartyje, ji trumpalaikė. Susietos informacijos greitis bμ= Aš [X0:X1X2X3… | …X−3X−2X−1] yra informacija, kuria dalijamasi tarp dabarties ir ateities, bet nėra praeityje. Taigi jis matuoja spontaniškai sugeneruotos informacijos greitį (hμ) yra aktyviai saugoma sistemoje. Antra, atleidimo iš darbo norma taip pat suskaidoma į dvi dalis, pirmoji vėlgi bμ ir antroji dalis vadinama mįslingas informacijos greitisqμ. Pastaroji yra trijų krypčių abipusė informacija, kurią aš […X−3X−2X−1:X0:X1X2X3…] Dalijasi praeitis, dabartis ir ateitis.

Grynasis informacijos „skaidymas“ H [X0] vieno matavimo metu pavaizduota 1 paveikslec. Tai tik pavyzdžiai galimų būdų, kaip informacija gali būti semantiškai suskirstyta tarp praeities, dabarties ir ateities. figūra 1d, pavyzdžiui, yra skaidymas į išsklaidytą rμ ir naudinga informacija wμ. Be to, kitos papildomos priemonės, aptartos Jameso ir kt. [15,16,21], buvo apibrėžti ir ištirti. Svarbu tai, kad dabar juos visus galima analitiškai apskaičiuoti iš proceso ϵ-mašina [22,23], kai tik tai bus rankoje.

4. Chaotiška kristalografija

Apsiginklavę šiuo nauju struktūrinės informacijos priemonių arsenalu, aiškiai parodomas išsamus kiekybinis vaizdas, kaip informacija dalijamasi praeityje, dabartyje ir ateityje. Turint tai omenyje, vidinis skaičiavimas apibrėžiamas kaip tai, kaip sistemos saugo, organizuoja ir transformuoja istorinę ir erdvinę informaciją [24,25]. Skirtingi procesai gali turėti kiekybiškai ir kokybiškai skirtingus vidinio skaičiavimo tipus, o šių skirtumų supratimas leidžia suprasti, kaip sistema yra struktūrizuota [26].

Chaotiška kristalografija (ChC) [23, 27–33] 4 tada šių informacijos ir skaičiavimo teorinių metodų taikymas atrandant ir apibūdinant medžiagų struktūrą. Ji iš naujo interpretuoja laiko ašį, naudojamą aukščiau dėl pedagoginių priežasčių, dėl vienos dimensijos erdvinės koordinatės tam tikra medžiagos kryptimi. Pavadinimo pasirinkimas turėtų būti įtaigus: mes pasiliekame terminą „kristalografija“, norėdami pabrėžti tęstinumą su ankstesniais tikslais suprasti materialinę struktūrą, ir įvedame terminą „chaotiškas“, kad susietume šį naują požiūrį su sutrikimo, sudėtingumo ir informacijos apdorojimo sąvokomis. . Naudodami chaotišką kristalografiją, galime apibūdinti būdus, kuriais ši informacijos skaidymo priemonė kiekybiškai užfiksuoja kristalų struktūrą - skiriančią struktūrą, kurios galima tikėtis, t. Y. Pasikartojančią periodinę struktūrą, nuo tos struktūros, kurios nesitikima, t. Medžiagos, kurios yra naudingai ir patogiai aprašytos pagal šią sistemą, vadinamos chaotiški kristalai.

Akivaizdu, kad sutrikusių medžiagų sistemų sutrikimų tyrimas toli gražu nėra naujas, tačiau per dažnai jį užgoždavo periodiškai užsakomų medžiagų kristalografija, vadinama klasikinė kristalografija [35–37]. Mackay jau seniai ir atkakliai pasisakė už tai, kad kristalografijos apimtis būtų išplėsta, kad ji apimtų organizavimą daugelyje ilgio skalių, taip pat įtrauktų organizavimo formas, kurios nebūtinai yra periodinės. Straipsnių serijoje, apimančioje daugiau nei 40 metų [12,36–42], Mackay propagavo idėją, kad kristalografija yra arba bent jau turėtų būti bendras struktūros mokslas. 5 Mes sutinkame. Ši tyrimų programa, dubliuota apibendrinta kristalografija, teigia didžiulė konceptualios erdvės dalis, įskaitant hierarchinę organizaciją, penkiakampę simetriją, ląstelių automatus, aperiodinius kristalus, nepalyginamą periodiškumą, stiklines, liotropinius skystus kristalus, mezofazes ir baigtinius kristalus - tik keletą [36]. Taip pat įtrauktos informacijos teorijos ir skaičiavimo sąvokos. Rinkdamiesi pavadinimą „chaotiška kristalografija“, mes išskiriame savo pastangas nuo šios labiau paplitusios programos, o ne sutelkiame dėmesį į tai, kaip informacija ir skaičiavimai paaiškina medžiagos struktūrą ir organizavimą.

Turėtume pastebėti, kad chaotiška kristalografija nėra vienintelis ar net pirmasis bandymas į kristalografiją įtraukti informacijos ir skaičiavimo teorines idėjas. Kai kurios devintojo dešimtmečio pastangos buvo susijusios su informacijos teorijos panaudojimu kaip „fazės problemos“ sprendimo priemone [43–45]. Visai neseniai Lalikas [46] naudojo informacijos teoriją kaip metriką, kad įvertintų kristalų koordinavimo daugiakampio iškraipymo laipsnį, apskaičiuodamas „skirtingą Šenono informacijos turinį tarp vienodo ir nevienodo obligacijų pavedimų pasiskirstymo daugiakampiuose“. Estevez-Rams ir González-Férez [47] taikė algoritminį arba Kolmogorovo-Chaitino sudėtingumą užduočiai nustatyti tiek tvarkingų, tiek netvarkingų mėginių, taip pat kvazikristalų kristalų struktūrą. Jie prisidėjo prie vykstančių diskusijų apie kristalo apibrėžimą, o tai rodo, kad informacijos ir skaičiavimo teorinės sąvokos iš tikrųjų padeda suprasti medžiagos struktūrą. Nors Kolmogorovo ir Chaitino sudėtingumas, be abejo, yra konceptualiai įdomus, apskritai yra neskaičiuojamas, todėl šis požiūris praktiškai yra ribotas. Krivovičius [48,49] apskaičiavo topologinį kristalų struktūrų sudėtingumą kaip Shannon informacija pagrįstus matavimus per atitinkamą koeficiento grafiką. Jis papildomai ištyrė 2000 sudėtingiausių Neorganinių kristalų struktūros duomenų bazės struktūrų, kad nustatytų, kuri neorganinė struktūra yra sudėtingiausia [50]. Atrodo, kad ši tyrimų programa bent jau šiuo metu iš esmės apsiriboja grynai kristalinėmis struktūromis.

Mūsų žiniomis, terminas „chaotiškas kristalas“ buvo naudojamas dviejuose ankstesniuose kontekstuose. 1991 metais Leuschneris [51] pristatė keletą vienmatių kristalų struktūros modelių, galinčių sukurti visiškai periodinį, kvaziperiodinį ir chaotišką elgesį. Pastarasis buvo atliktas naudojant logistinį žemėlapį [24] kaip neapibrėžtumo generatorių krovimo seka - iš tikrųjų naudojant jį kaip atsitiktinių skaičių generatorių. Vėliau Le Berre ir kt. [52], dviejų dimensijų sistemų pastovios būsenos modelio formavimosi kontekste chaotišką kristalą apibrėžė kaip „bet kokią struktūrą, neturinčią tolimojo nuotolio tvarkos, bet erdviškai statistiškai vienalytę“. Mes vartojame šį terminą mažiau ribojantį, apskaitant tolimojo nuotolio tvarką, ir bendresnį, leidžiantį taikyti įvairius sutrikimų tipus. Turėtų būti akivaizdu, kad čia aprašytas chaotiškas kristalas yra tik toks kristalas, kokį Schrödingeris įsivaizdavo kaip paveldimumo nešėją. Nors jis pavadino jį aperiodiniu kristalu, šis terminas buvo uzurpuotas apibūdinti labai ypatingą nukrypimo nuo periodiškumo rūšį, tokią, kuri, kaip nustatyta, išsaugo aštrias difrakcijos modelio viršūnes [53]. Taigi mes naudojame chaotiško kristalo terminą, kad nurodytume platesnę nekristalumo sampratą, kuri apima struktūras, kurių entropijos tankis yra lygus nuliui, kaip reikalinga bet kuriai struktūrai, pvz., DNR, informacijai laikyti. 7

A) Gedimų ir defektų materialinė informatika

Kadangi klasikinėje kristalografijoje daugiausia dėmesio skiriama periodinėms struktūroms, susiduriama su sunkumais klasifikuojant struktūras, kurios neatitinka šios paradigmos. Dauguma pastangų buvo nukreiptos į aprašymą, kaip kristalas, kuris, kaip manoma, galėjo būti puikiai užsakytas, neatitinka šio idealo. Pavyzdžiui, glaudžiai supakuotose konstrukcijose Frankas [55] išskyrė dviejų tipų sluoksnių gedimus: būdingas ir išorinis. Esant vidiniams gedimams, kiekvienas medžiagos sluoksnis gali būti laikomas priklausančiu vienai iš dviejų kristalinių struktūrų: arba į kairę nuo gedimo, arba į dešinę. Tarsi būtų suklijuoti du tobuli, nesugadinti kristalai, o tarp jų yra sąsaja. Priešingai, gali būti, kad tam tikras sluoksnis negali būti laikomas natūraliu kristalų struktūros tęsiniu abiejose gedimo pusėse. Tai išoriniai gedimai. Kita klasifikavimo schema kilusi iš gedimo sukėlusio mechanizmo. Sandariai supakuotose konstrukcijose dažniausiai pasitaiko gedimų augimo sutrikimai-t.y. kurie atsiranda kristalų augimo proceso metu deformacijos gedimai-kurie dažnai yra susiję su tam tikru mechaniniu įtempiu kristalui ir sluoksnio poslinkio gedimai- kuris gali atsirasti difuzijoje tarp gretimų sluoksnių. Kadangi kiekviena yra apibrėžta atsižvelgiant į pirminę kristalinę struktūrą, kiekviena kristalų struktūros rūšis paprastai turi savo išskirtinę morfologiją kiekvienai gedimo rūšiai.

Rezultatas yra paini žvejyba sukraunamų sekų, kurios skiriasi nuo įprastos. Ši kolekcija gali būti neišsami, priklausomai nuo to, kokio dydžio kaimynystė laikoma, ir tam tikros sekos negali būti vienareikšmiškai priskirtos tam tikros rūšies gedimų struktūrai. Iš tiesų, jei yra įvairių tipų gedimų arba keli mechanizmai gedimams sukelti, bandymas analizuoti gedimo struktūrą gali būti neapibrėžtas [27]. Gedimai taip pat gali būti klasifikuojami pagal tai, kaip gedimai yra tarpusavyje susiję erdvėje. Koreliacijos tarp gedimų nebuvimas reiškia atsitiktinis gedimas. Arba gedimas gali turėti įtakos tikimybei rasti kitą gedimą netoliese. Pastarasis reiškinys vadinamas neatsitiktinis gedimas ir nėra neįprasta labai defektuotiems egzemplioriams. Galiausiai, kai kuriose medžiagose atrodo, kad gedimai yra reguliariai įkišami į mėginį, ir tai vadinama periodinis gedimas. Manoma, kad varžtų išnirimai yra dažna šių pastarųjų gedimų priežastis [56].

Šios fenomenologinės kategorijos, nors dažnai yra naudingos ir protingos, ypač silpnai sugedusių kristalų atveju, nėra be sunkumų. Pirma, akivaizdu, kad kiekvienas iš jų yra pagrįstas prielaida, kad gimtoji arba ideali bandinio būsena turi būti periodinė struktūra. Šis šališkumas, galbūt ne tyčia, neperiodinį kaupimą sumažina, o tai matyti iš termino „kaltė“ naudojimo. Gali būti, kad sutrikimas yra natūrali bandinio būsena [57], tokiu atveju taikant sistemą, į kurią įtraukta ši materijos savybė, bus patenkinamiau.Tiesą sakant, net nėra aišku, kad periodinė tvarka turėtų būti pagrindinė daugelio rūšių medžiagų būsena, net ir tų, kurių sąveika yra baigtinė, ir jei nėra tiksliai suderinti sluoksnių energetiniai sujungimo parametrai [58]. randamas ašiniuose artimiausio kaimyno Isingo (ANNNI) modeliuose [59]. Antra, krovimo struktūros analizė, pagrįsta šiomis kategorijomis, gali būti nedviprasmiška, ypač sunkių gedimų atveju. Trečia, visas šis požiūris yra patenkinamas tik tuo atveju, kai egzistuoja pirminis kristalas, t. Y. Jis taikomas tik esant silpnai gedimo ribai.

Naudojant informacijos teoriją, šį sudėtingą medžiagos struktūros vaizdą galima suderinti [33]. Papildomas požiūris gali būti postuluotas klausiant, kaip informacija dalijamasi ir platinama kristaluose, ir natūralus kandidatas tokios rūšies analizei yra naudoti aukščiau pateiktas informacijos priemones. Nors ankstesnėje ekspozicijoje buvo naudojamas laikinas praeities, dabarties ir ateities žodynas, teorija nepasikeis, jei laikysimės nuomonės, kad stebimos sekos yra erdvinės konfigūracijos. Tai yra, yra matavimų, esančių kairėje nuo dabartinio matavimo, pats dabartinis matavimas ir tie matavimai, esantys dešinėje nuo dabartinio matavimo. Kalbant apie beveik vienmates medžiagas, kiekvieną matavimą laikome sluoksnio orientacija. Šis sluoksnio orientacijų sekos vaizdas reiškia informacijos diagrama arba -diagrama, kaip parodyta 2 paveiksle. Ten matome, kaip informacija dalijamasi tarp skirtingų mėginio pusių ir dabartinio sluoksnio. Informacijos priemonės, pateiktos abipusės informacijos požiūriu, gali būti aiškinamos taip sluoksnių koreliacijos egzemplioriaus viduje. Svarbu tai, kad nors paprastai jų vidurkis apskaičiuojamas per kristalą, tačiau galima to vidurkio neatlikti, bet ištirti sluoksnį po sluoksnio. Kaip parodyta James ir kt. [16], informacijos teorinės priemonės gali būti gana jautrios sistemos parametrų pokyčiams, ir mes tikimės, kad pateiksime barometrą, nustatantį svarbius medžiagos struktūros aspektus.

2 pav. Informacinė diagrama, rodanti H informacijos anatomiją [X0] atsižvelgiant į visą erdvinį sluoksnių sukravimą į chaotišką kristalą. Leisti X0 būti susidomėjimo sluoksniu, X:0=…X−2X−1 būti savavališkai ilgas, bet baigtinis pavyzdžio skyrius kairėje X0, ir X1:=X1X2... taip pat būti savavališkai ilgas, bet baigtinis pavyzdžio skyrius dešinėje X0. Informacija kairėje X:0 pertvaros H [X0] į dvi dalis: hμ ir ρμ. Informacija dešinėje X1: tada padalija juos į rμ, du bμsmėlis qμ. (Prisiminkite 1 paveikslą, kuris suskaidė tik H [X0].) Taip lieka komponentas σμ, nesuprantama informacija, kuri dalijasi kairė ir dešinė, bet nėra dabartiniame sluoksnyje. Kai teigiamas, tai rodo, kad ne visa koreliacija tarp kairės ir dešinės pusės konfigūracijų yra lokali ir todėl yra vidinių paslėptų mechanizmų, turinčių koreliaciją [21]. (Adaptuotas iš Džeimso ir kt. [15], su leidimu.) (Internetinė spalvota versija.)

Pavyzdžiui, žinoma, kad elektroniniai struktūros skaičiavimai, atsirandantys iš vieno matmens potencialų, priklauso nuo porinių koreliacijų [60,61], o elektrono perdavimo tikimybės spektras per tokius potencialus dažnai priklauso nuo koreliacijos ilgio. Informacijos teoriniai kiekiai, turintys daugiau niuansų, atsižvelgiant į koreliacijos ilgį sąlyginės ir abipusės informacijos požiūriu, suteikia išsamesnį sutrikimo vaidmens elektroninėje struktūroje vaizdą. Viena iš paprastesnių ir labiau paplitusių visuotinės koreliacijos priemonių yra abipusė informacija tarp dviejų mėginio pusių: perteklinė entropijaE= Aš […X−3X−2X−1:X0X1X2…]. Patikrinus informacijos diagramą paaiškėja, kad ji suskaidoma į informacijos atomus: E=bμ+qμ+σμ.

Be to, svarbi ne tik pasaulinė struktūra, bet ir vietiniai defektai gali sukelti vietinių nukrypimų nuo vidutinės struktūros, kaip matyti iš Andersono lokalizacijos [61]. Tai yra dabartinė mokslinių tyrimų sritis [62]. Panašiai krūvio pertekliaus ar išeikvojimo regionai gali turėti įtakos kitoms savybėms, pavyzdžiui, šviesos pralaidumui. Netvarkingos fotonikos sritis bando suprasti ir išnaudoti tokias struktūras naujoms technologijoms [63].

Taigi galima užduoti daugybę klausimų, susijusių su informacijos pasiskirstymu kristale, kaip atskleista jo struktūroje. Pavyzdžiui, kiek informacijos gaunama iš dabartinio matavimo? Ar tai bendrinama su kaimynais, ar tai lokalizuota? Atsižvelgiant į tokius klausimus, atsiranda nauja netvarkingos kristalų struktūros kategorija.

B) Chaotiški kristalai: sutrikusios struktūros

Grynasis rezultatas yra nuosekli, kiekybinė ir nuspėjama netvarkingų medžiagų struktūros teorija, apimanti ne tik gedimus ir silpnus sutrikimus, bet ir taikoma visam medžiagų struktūros spektrui-nuo idealių periodinių kristalų iki amorfinių medžiagų ir sudėtingų tolimų mišinių. Kaip pažymi Ball [64], trumpai tariant, mes turime naują požiūrį į tai, kas yra ir gali būti kristalai. „Varn & amp Crutchfield“ [33] išsamiai apžvelgia, kaip tai veikia.

Paaiškinkime, kaip chaotiška kristalografija taikoma realaus pasaulio medžiagoms-glaudžiai supakuotoms ledo struktūroms ir sudėtingai molekulei, naudojamai tiriant benzeno aromato chemiją. Tada, derindami šiuos rezultatus su ankstesnėmis chaotiškomis cinko sulfido (ZnS) kristalografinėmis analizėmis, parodome, kaip atsiranda vieninga medžiagų organizavimo vizija.

I) Sluoksnio sutrikimas lede I

Nors dažnai manoma, kad tai tik gyvenimo priemonė, nors ir esminė 8, vis labiau vertinamas aktyvus vandens vaidmuo biologiniuose procesuose. Kaip pavyzdį Ball [65,66] pateikia bendrą dviejų baltymų sąveiką. Jei abu yra ištirpę ląstelių terpėje, tarpinės vandens molekulės turi būti pašalintos, kad būtų galima sąveika. Vanduo, žinoma, yra polinis, o paskutinių vandens sluoksnių išstūmimas gali būti nereikšmingas, priklausomai, pavyzdžiui, nuo to, kiek baltymų aktyvinimo vietos yra hidrofilinės arba hidrofobinės. Be to, reikia tikėtis, kad plonų vandens plėvelių savybės, pvz., Klampumas, gerokai nukryps nuo jų birių savybių. Net sudėtingų polipeptidų modeliavimas yra neišsamus, neatsižvelgiant į vandens įtaką [65]. Kitas pavyzdys yra įrodymai, kad gyvybė kuria inžineriją ir skatina ledo susidarymą. Neturint įtakos priemaišoms veikti kaip nevienalyčio ledo branduolio centrams, galima tikėtis, kad vanduo debesyse užšals esant 235 K temperatūrai arba net iki 243 K, esant vienarūšiam ledo branduoliui [67]. Tokią temperatūrą gali pakelti priemaišos, tokios kaip suodžiai, metalinės dalelės ir biologiniai veiksniai. Tikrai, Murray ir kt. [68] praneša, kad esant aukštesnei nei 258 K temperatūrai, vienintelės medžiagos, skatinančios ledo susidarymą, yra biologinės. Ypač veiksmingas biologinis agentas yra bakterija Pseudomonas syringae kad dėl baltymų kompleksų ant jo ląstelių paviršiaus gali pradėti užšalti net 271 K temperatūroje [69]. Nors jo ypatingas vaidmuo gali labai skirtis priklausomai nuo aplinkybių, kaip pažymi Ballas [65], „tai [vanduo] iš esmės yra fonas, kuriame išdėstyti gyvybės molekuliniai komponentai“ yra supaprastintas ir naivus.

Atsižvelgiant į vandens molekulės struktūrinį paprastumą - H2O - ir jo svarba biologinėms ir kitoms natūralioms sistemoms, galbūt stebina tai, kad tiek skystos, tiek kietos formos H2O lieka šiek tiek paslaptingas. Skystoje būsenoje vandens molekulės sudaro „tinklus“, kur jungtys yra sudarytos iš vandenilio jungčių, suteikdamos medžiagai didelę struktūrą. Taip pat ledas turi didelę ir kintančią struktūrą. Yra žinoma ne mažiau kaip 15 skirtingų ledo polimorfų (paprastai nurodytų romėniškais skaitmenimis) [70], nors kai kurie iš jų egzistuoja tik esant ekstremalioms sąlygoms, kad juos būtų galima paprastai stebėti sausumoje [71], o kai kurie taip pat yra metastabilūs. Be to, keičiantis termodinaminėms sąlygoms, šie skirtingi polimorfai gali kisti vienoje būsenoje iš vienos formos į kitą. Paprastas polimorfas, paprastai sutinkamas kasdieniame gyvenime, vadinamas šešiakampis ledas (ledas I.h). Kurį laiką alternatyvi ledo forma, kubinio ledo (ledas I.c), buvo manoma, kad tai yra žemos temperatūros modifikacija, egzistuojanti kartu su ledu Ih esant 240 K temperatūrai [72]. Tačiau naujausi tyrimai [73] padarė išvadą, kad iš tikrųjų ankstesni stebėjimai tikriausiai yra ne tik kubinė forma, o kubinių ir šešiakampių krūvų mišinys, vadinamas kraunamas netvarkingas ledas, sutrumpintas (ledas Isd) pateikė Malkinas ir kt. [74] ir (ledas Ich), pateikė Hansenas ir kt. [75]. Nesvarbu, ar tai patvirtins papildomi tyrimai, ledas Ic suteikia patogią ribinę sąlygą galimoms struktūroms, kurios gali egzistuoti, ir mes elgsimės taip, lyg ledas Ic yra galimas metastabilus etapas. Virš 170 K, ledas Isd negrįžtamai virsta ledu Ih.

Struktūriškai ledas I (ledas Ih, ledas Ic, ledas Isd) gali būti laikoma sluoksniuota medžiaga. Vandens molekulėse esantys deguoniai susiskirsto į sluoksnius, susidedančius iš šešių narių pūstų žiedų [74]. 9 Šie sluoksniai taip pat gali turėti tik tris galimas krovimo kryptis, vadinamas A, B arba C, kaip ir sandariai supakuotose konstrukcijose [76]. Sluoksniai yra išdėstyti taip, kad nuskenavus medžiagą susidarytų sluoksniai dvigubi sluoksniai, kur kiekvienas šio dvigubo sluoksnio sluoksnis turi būti vienodos orientacijos. Be to, kaip ir sandariai supakuotame dėkle, gretimų dvigubų sluoksnių orientacija negali būti vienoda. Kadangi krovimo gedimai apsiriboja pertraukomis tarp dvigubus sluoksnius, paprastai vienas imamas dvigubas sluoksnis modulinis sluoksnis (ML) [77] ir pažymi jį etikete A, B arba C. Taigi, ledas Ih duoda…ABAB… (Arba lygiaverčiai…BCBC… Arba…CACA…), O ledas ašc iki…ABCABC… (Arba lygiaverčiai…CBACBA…). Kartais patogiau dirbti naudojant alternatyvų ženklinimą, vadinamą Wyckoffo - Jagodzinskio žymėjimu [76]. Galima laikyti ML trigubus ir pažymėti centrinį ML h arba c, priklausomai nuo to, ar jis yra šešiakampis (h) arba kubiniais (c) susijęs su kaimynais. Pavyzdžiui, keturi vidiniai krautuvo sekos ML ABCBCA būtų parašyta kaip chhc. Turėtų būti akivaizdu, kad bet kokia krovimo konstrukcija, nesvarbu, užsakyta ar netvarkinga, gali būti išreikšta kaip tam tikra hc seka. Ledas I.h krovimo struktūra parodyta 3 paveikslea ir ledas Ic yra 3 paveiksleb. Galima netvarkinga krovimo seka parodyta 3 paveikslec.

3 pav. (a) Sluoksnių klojimas šešiakampiame lede (ledas Ih). Vertikali ašis yra normali šešiakampio ledo (0001) bazinio paviršiaus atžvilgiu. Rodomi tik deguonies atomai (sferos), kurie yra sujungti vandenilio ryšiais (linijomis). (b) Sluoksnių kaupimas kubiniame lede (ledas Ic), o vertikali ašis yra normali (111) plokštumos atžvilgiu. (c) Krovimo sekos pavyzdys, kuris gali atsirasti sukraunant netvarkingą ledą (ledas Isd). Sluoksniai pažymėti priklausomai nuo to, ar sluoksnis yra šešiakampis (H), ar kubinis (C), susijęs su jo kaimynais. (Pritaikyta iš Malkino ir kt. [73], su leidimu.) (Internetinė spalvota versija.)

Tačiau, nepaisant neseniai įvykusių teorinių, modeliavimo ir eksperimentinių tyrimų [69,72–75,77–81], vis dar daug kas nesuprantama apie ledo susidarymą ar transformacijas tarp įvairių polimorfų [70]. Stengdamasis suprasti ledo sambūvį Ih ir ledas Ic esant žemai temperatūrai, Thürmer & amp Nie [72] ištyrė jų susidarymą Pt skenuojančioje tunelinėje mikroskopijoje ir atominės jėgos mikroskopijoje. Jie nustatė sudėtingą sąveiką tarp pradinio ledo susidarymo Ih klasteriai, kurie auga sluoksniuojant ir galiausiai susilieja. Išsami informacija apie susiliejimą ir domeno ribų pobūdis tarp branduolio centrų stipriai įtakoja, ar vėlesnis augimas yra ledas Ih arba ledas Ic. Svarbu tai, kad jie parodo, kad bet kokio storio ledo plėvelės gali būti vaizduojamos esant molekulinio sluoksnio skiriamąjai gebai. Kelios grupės [73–75,78] taikė sutrikimo modelis Jagodzinskio [82,83] modeliuotiems ar eksperimentiniams rentgeno spindulių difrakcijos modeliams, naudojant įvairių sluoksnių įtakos diapazoną, vadinamą Reichveitas, apie s= 2,3,4. Jie nustatė, kad būtina naudoti s= 4 kai kuriems mėginiams apibūdinti. Molekulinės dinamikos modeliavimas [80] parodė, kad lede, kristalizuojantis 180 K temperatūroje, yra ir ledo Ic ir ledas Ih santykiu 2: 1, o kiti molekulinės dinamikos modeliavimo tyrimai [84] nustatė, kad taškų defektų poros gali atlikti svarbų vaidmenį keičiant ledo sluoksnius I. Tačiau kiti molekuliniai modeliavimai [85] parodė, kad dar viena ledo fazė , paskambino ledas 0, gali pateikti termodinaminį kai kurių ledo augimo ypatybių paaiškinimą.

Chaotiška kristalografija suteikia svarbių įžvalgų apie tinkamų modelių rūšis ir pastebėtus krovimo procesus, taip pat padeda palyginti eksperimentinius, modeliavimo ir teorinius tyrimus. Tokiu būdu chaotiška kristalografija yra bendra platforma, skirta susieti šiuos įvairius stebėjimus ir skaičiavimus.

Pradėkime nuo naudojamų modelių. The ϵ-mašinos, apibūdinančios ledą Ih ir ledas Ic yra parodyta 4 paveikslea,b. Jie yra gana panašūs, abu turi tik vieną būseną ir vieną perėjimą. Skaičiavimo požiūriu jie yra gana paprasti. Taip pat paprasta yra ϵ-mašina parodyta 4 paveikslec. Yra du perėjimai iš vienos būsenos su tikimybe, kad a c esamas α0 ir an h esamas . 10 Akivaizdu, kad du ankstesni modeliai yra tik ypatingi šio modelio atvejai. Mes pripažįstame, kad šie trys modeliai apibūdina nepriklausomas ir vienodai paskirstytas (IID) krovimo procesai. Jie nereiškia jokių simbolių koreliacijų. Tačiau čia naudojama kodavimo schema, ABC žymėjimas pagal Wyckoffo-Jagodzinskio žymėjimą, grindžiamas krūvos suvaržymais ir veiksmingai suteikia dviejų ml įtakos atstumą. Mes nustatome šį įtakos diapazoną kaip Reichveitass.

4 pav. ϵ-Mašinos, apibūdinančios ledo krovimą I. Mazgai reiškia priežastines būsenas ir yra sujungti lankais, pažymėtais s | p, kur s yra skleidžiamas simbolis ir p ar yra tikimybė atlikti tokį perėjimą. (a) ϵ-mašina ledui Ih ir (b) ledas Ic. Jagodzinskis pristatė netvarkingų glaudžiai supakuotų konstrukcijų sekų modelius [82,83]. Modelio parametras, nurodantis įtakos diapazoną tarp ML, vadinamas Reichveitass. (c) Paprasčiausias ϵ-mašina hc žymėjimas, suteikiantis ledą Isd krovimo seka (s= 2 ledai Isd). (d) ϵ-mašina skirta s= 3 ledas Isd ir (e) s= 4 ledas Isd. (Spalvota internetinė versija.)

Kitas dažniausiai naudojamas modelis yra Jagodzinskio s= 3 sutrikimo modelis 4 paveiksled. Kitas sekos simbolis priklauso tik nuo ankstesnio simbolio (arba h arba c), todėl tai pirmos eilės Markovo modelis. Paskutinis literatūroje nagrinėtas modelis yra Jagodzinskio s= 4 sutrikimo modelis, ir tai pavaizduota 4 paveikslee. Kadangi kito simbolio stebėjimo tikimybė priklauso nuo dviejų ankstesnių simbolių, tai pripažįstame kaip antros eilės Markovo modelį. Vėlgi, kartografavimas ABC žymėjimas Wyckoffo-Jagodzinskio žymėjimui yra papildomas dviejų mililitrų įtakos diapazonas, susijęs su fiziniu ML kaupimu. Akivaizdu, kad būtų galima tęsti šį procesą, atsižvelgiant į vis didesnį Reichveitasy., t. y. aukštesnės eilės Markovo modeliai, neribotą laiką. Tačiau baigtinio diapazono Markovo procesai yra tik maža dalis galimų baigtinių būsenų procesų, kuriuos būtų galima apsvarstyti. Galutinė būsena reiškia, kad yra ribotas skaičius būsenų, tačiau tai nereiškia, kad įtakos diapazonas turi būti baigtinis. Simuliuojant paprastas kietojo kūno transformacijas ZnS (taip pat ir sandariai supakuotą struktūrą) iš šešiakampės krovimo struktūros į netvarkingą kubinę, susidarė kraunamieji procesai, turintys beribę įtaką [28]. Taigi mums kyla įtarimas, kad, nepaisant puikaus eksperimentinio ir teorinio difrakcijos modelių susitarimo, apie kurį pranešė kai kurie tyrėjai dėl ledo I, tikrasis procesas gali priklausyti sudėtingesnei skaičiavimo klasei. Chaotiška kristalografija, akcentuodama informacijos ir skaičiavimo teorines priemones, leidžia atpažinti galimybę ir iš tikrųjų užduoti svarbius klausimus.

Kaip galime stebėti ar išvesti tokius sudėtingus krovimo procesus? Vienas iš būdų yra patobulinti išvadų metodai. Nors chaotiška kristalografija turi išvadų algoritmą, ϵ-mašinų spektrinės rekonstrukcijos teorija [27,30], kuris aptinka baigtinio diapazono procesus pagal difrakcijos modelius, yra galimybė jį išplėsti įtraukiant begalinės eilės procesus. Be to, anksčiau aptarti modeliavimo tyrimai gali sukelti netvarkingas krovimo sekas, ir yra metodų, tokių kaip submedžių suliejimo [24] ir Bajeso struktūros išvadų [86] algoritmai, galintys atrasti šiuos baigtinės būsenos, bet begalinio diapazono procesus iš nuoseklių duomenų . Tai rodo, kad tinkamas teorijos, modeliavimo ir eksperimento palyginimo lygis yra ne koks nors signalas (difrakcijos modelis), o pats krovimo procesas, kaip nurodyta ϵ-mašina. Chaotiška kristalografija yra tokio palyginimo platforma.

Be to, studijuojant ϵ-mašinos priežastinė architektūra, ty priežastinių būsenų išdėstymas ir jas jungiantys perėjimai, galima atrasti esamų gedimų rūšis. Iš tikrųjų tai buvo padaryta ZnS politipams [27, 29]. Neseniai buvo pasiūlyti keli skirtingi ledo I gedimai [77] ir tinkama susijusių problemų analizė ϵ-mašina kartu su teoriniais ir eksperimentiniais tyrimais gali išsiaiškinti, kurie gedimai yra svarbūs konkrečiame mėginyje.Tai gali būti gana vertinga, nes yra daug galimų netvarkingų ledo pavyzdžių susidarymo būdų, o skirtingi mechanizmai, pvz., Kietojo kūno transformacijos ir augimas, tikriausiai palieka pastebimą pirštų atspaudą priežastinėje architektūroje.

Ii) aromatiškumo organizavimas

Benzenas garsėja savo smalsiu „aromatiniu“ charakteriu, kylančiu tiesiogiai iš šešių π elektronai, dalijami tarp šešių anglies atomų ir sklando virš ir žemiau anglies atomo žiedo plokštumos. Norėdami suprasti šį charakterį, chemikai bando lokalizuoti delokalizuotą π elektronus, iš dalies suprasti benzeno fizinį pobūdį ir iš dalies rasti naujų būdų, kaip kontroliuoti cheminį reaktyvumą ir atrasti naujus sintetinius kelius. Vienas iš tikslų yra sukurti naują benzeno elektroninį motyvą, kuris veiktų kaip kontroliuojamas reakcijos katalizatorius. Yra aktyvi tyrimų programa, skirta pakeisti benzeno aromatines savybes, pridedant „biciklinių“ žiedų už pagrindinio žiedo. Dėl to atsirado tris (biciklo [2.1.1] hekseno) benzenas (TBHB). TBHB struktūra yra labai svarbi norint suprasti, kaip lokalizuoti benzeną π elektronų [87].

Mes pakartojame naujausius eksperimentinius TBHB struktūros zondus, parodydami, kaip informacijos teorinė analizė suteikia papildomos įžvalgos. TBHB yra iš esmės plokštuminė molekulė, kuri atkreipė dėmesį kaip vienas pirmųjų patvirtintų vienbranduolių benzenoidinių angliavandenilių, turinčių į cikloheksatrieną panašios geometrijos [88]. 5 pava parodyta TBHB molekulinė struktūra, o 5 pavb pateikia formulės schemą. Ypač įdomus yra centrinis benzeno žiedas, kuriame vidiniai anglies ir anglies jungčių kampai yra 120 °, tačiau pastebimai pasikeičia dviejų nelygiaverčių jungčių ilgiai tarp anglių (1,438 (5) -1,334 (6) Å) [88]. Papildomai domina TBHB kristalografinė struktūra. Čia pastebimos dvi kristalų morfologijos: monoklininė ir šešiakampė [90]. Dėl šios pastarosios struktūros rentgeno spindulių difrakcijos tyrimai atskleidžia reikšmingą difuzinį sklaidą išilgai strypų abipusėje erdvėje, tai yra plokščio sutrikimo požymis. 6 pava parodyta difuzinių strypų padėtis abipusėje erdvėje, o 6 pavb pateikiama vidutinė TBHB sluoksnio struktūra. Šios konfigūracijos išplėtimą į dvimatį periodinį masyvą vadinsime TBHB ML.

5 pav. (a) TBHB molekulinė struktūra. Juodosios sferos reiškia anglies atomus, o baltos - vandenilio atomus. (b) Vadinamoji „skeleto formulė“, vaizduojanti TBHB. (Pritaikyta Michels-Clark ir kt. [89], su leidimu.)

6 pav. (a) Abipusės erdvės plokštumos schema hk0. Apskritimai rodo difuzinės sklaidos padėtį (hk≠3n) ir kerta Braggo panašių atspindžių pozicijas (hk=3n). (b) Vidutinė TBHB sluoksnio struktūra, kai sluoksnio simetrija yra. Taip išdėstytas dvimatis TBHB molekulių masyvas vadinamas a modulinis sluoksnis (ML). (Pritaikytas iš Bürgi ir kt. [91], su leidimu.)

Pastaruoju metu domina [89,91] ir čia mums rūpima problema yra kiekybinis ir aprašomas TBHB pastebėtas netvarkingas krovimo struktūras. Norėdami tai padaryti, turime nurodyti galimus ML – ML krovimo būdus ir sukurti patogią nomenklatūrą išplėstinėms krovimo struktūroms išreikšti. TBHB sluoksnių krovimo taisykles ir susitarimus galima apibendrinti taip. 11 i) Nors du ML gali būti sukrauti trimis būdais, jie yra geometriškai lygiaverčiai ir yra susiję 120 ° pasukimu apie krovimo kryptį. Taigi yra tik vienos rūšies ML – ML santykiai. (ii) ML tripletams yra du geometriškai nevienodi krovimo būdai. Tais atvejais, kai molekulė (i+2) ML yra tiesiai virš vieno iML, šis susitarimas vadinamas užtemęs. Kita aiški galimybė yra ta, kad (i+2) ML užima vieną iš kitų dviejų pozicijų. Jie yra geometriškai lygiaverčiai, susiję su veidrodine operacija ir vadinami pasilenkęs. Tačiau judant pirmyn krovimo kryptimi, pastarąsias dvi galima atskirti kaip besisukančias pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę. Tada kartu turime atskirti tris skirtingus krovimo sekų tripletus: užtemusį tripletą, kurį mes simbolizuojame e, pagal laikrodžio rodyklę sulenktas trynukas, kurį simbolizuosime lir prieš laikrodžio rodyklę sulenktą trynuką, kurį simbolizuoja r. 12 Mes renkame šias galimybes į rinkinį.

Įsivaizduokime stumdomą langą, leidžiantį stebėti tik tris ML vienu metu. Tada šiai trijų ml sekai priskiriamas simbolis iš. Tada langas didėja išilgai krovimo krypties vienu ML, kad paskutinis sekos ML būtų paslėptas ir būtų atskleistas naujas ML. Šią naują trijų ML seką vėl galima nurodyti vienu iš simbolių, kad keturių ML seka būtų pateikta dviejų raidžių seka iš. Taigi fizinė krovimo seka gali būti parašyta kaip seka per šių trynukų rinkinį,.

Neseniai Michels-Clark ir kt. [89] palygino tris skirtingus netvarkingo TBHB krovimo struktūros nustatymo metodus pagal difrakcijos modelius: diferencinę evoliuciją, dalelių spiečių optimizavimą ir genetinį algoritmą. Nors jie buvo intensyviai skaičiuojami, jie puikiai sutarė tarp apskaičiuotų ir etaloninių difrakcijos modelių, gavę R-faktoriaus tinkamumas jų geriausiam atvejui skirtingos evoliucijos algoritmas. Dabar mes išsamiai analizuojame tą atvejį.

Michels-Clark ir kt. [89] prisiimk antros eilės Markovo procesą rle žymėjimas, 13 kad vienas po kito einančių simbolių tikimybės priklausytų tik nuo dviejų anksčiau matytų simbolių, t. struktūriniai motyvai. Michels-Clark ir kt. [89] tiesiogiai pranešti apie tikimybę e seka e kaip, o tai yra tik du standartiniai nuokrypiai virš 0. Be to, tikimybė ee pati seka yra tik 0,00033. Taigi, mes nepaisome ee seka, kai konstruojame paslėptą Markovo modelį. Michels-Clark ir kt. [89,92] susieja perėjimo tikimybes tarp struktūrinių motyvų su modelio parametrais, kad galėtume tiesiogiai apskaičiuoti perėjimo tikimybes iš bet kurio modelio parametrų sprendimo. 14 Atsižvelgdami į [89] 2 lentelėje pateiktas geriausio atvejo diferencinės raidos sprendimo vertes, mes apskaičiuojame šias tikimybes. Tai darydami randame, kad ir. Šis dviejų ilgių ateities sandorių atitikimas tarp dviejų ilgių praeities ll ir rl siūlo šias dvi praeitis sujungti į vieną priežastinę būseną. 15 Panašus argumentas tinka rr ir lr. Taigi, mes renkame praeitį ll ir rl į vieną valstybę ir panašiai grupę rr ir lr į vieną valstybę. Likusios keturios galimos dviejų ilgių praeities-re,le,er,el- kiekvienas turi unikalią ateitį, todėl kiekviena sudaro savo priežastinę būseną. Gautas šešių būsenų ϵ-mašina pavaizduota 7 paveiksle. Dabar galime pateikti chaotišką krovimo proceso kristalografinę interpretaciją.

7 pav. TBHB priežastinės būsenos architektūra. Abėcėlė yra. Šioje nomenklatūroje procesas yra antros eilės Markovo ir priežastinės būsenos nurodomos pagal jų ilgį-dvi praeities, kur praeitis ll ir rl buvo sujungtos į vieną priežastinę būseną ir panašiai - praeityje rr ir lr į. Kiekviena priežastinė būsena pažymėta jos asimptotinės būsenos tikimybe. Taigi pastebima, kad krovimo procese dominuoja dvi priežastinės būsenos ir tarp jų yra didelė ir beveik vienoda perėjimo tikimybė (dvi centro (žalios) pereinamosios lankos). Priešingai nei beveik kristalinės struktūros, nėra vienos uždaros kilpos, kurią papildo rečiau lankomos palydovinės būsenos, dažnai aiškinamos kaip sugedusios struktūros. Vietoj to, dominuojanti struktūra yra netvarkinga, o tai rodo, kad mes manome, kad tai yra „antikristalinis“. Atminkite, kad perėjimo tikimybių, išeinančių iš dviejų būsenų, suma yra šiek tiek mažesnė nei 1. Taip yra todėl, kad čia nepaisome ee krovimo seka (žr. tekstą). (Spalvota internetinė versija.)

Įdomiausias šios struktūros bruožas yra labai netvarkinga centrinių būsenų pora ir kiekvienos iš jų asimptotinė būsenos tikimybė yra 0,456. Jei kol kas nepaisysime simbolio e (kuri turi tik tikimybę), ši dviejų būsenų šerdis reiškia beveik atsitiktinį dviejų simbolių procesą l ir r. Tik esant 0,024 tikimybei, eilutės sudarytos iš atsitiktinių lr sekas nutraukia e. Dabar, iš valstybių ir ateina labiausiai nuožulnios perėjimo tikimybės ϵ-mašina: mes tai matome. Tai yra, beveik visada (0,978 tikimybė) pastebima, kad simbolis yra toks e yra priešingas tas, kuris buvo prieš e:

Dažnai nagrinėjama priežastinė architektūra, kad būtų užuominų, kokių gedimų gali būti. Bet kadangi labiausiai lankomos valstijos (ir) neatstovauja ciklui, čia nėra pagrindinio kristalo. Vietoj to, galima manyti, kad pagrindinis procesas yra atsitiktinis l ir r ir tik retkarčiais pertraukiamas e, toks e atlieka kaltės vaidmenį. Jei taip, mes manome, kad tai yra išorinė klaida, kaip e nėra konstrukcijos dalis iš abiejų pusių. Bet kokiu atveju priežastinė TBHB krovimo architektūra yra įdomi įprastos kristalų gedimų struktūros dichotomijos inversija. Būtent pagrindinės būsenos, dėl kurių atsiranda netvarkingas krovimas, ir mažiau lankomos periferinės būsenos, ypač ir, padeda apriboti krūvų sekų tikimybę ir todėl primena tam tikrą „struktūrą“. Šiuo požiūriu turbūt nėra pernelyg ekstremalu galvoti apie TBHB kaip apie „antikristalinį“.

Iii) vieningo požiūrio į medžiagos struktūrą link

Kaip visa tai dera tarpusavyje? Palyginkime kristalografo, kuriam pavesta nustatyti periodinės ir neperiodinės medžiagos struktūrą, darbus. Visam trimačiam periodiniam korpusui yra septynios galimos kristalų sistemos: klinika, monoklinika, stačiakampis, keturkampis, kubinis, trigoninis ir šešiakampis. Vienas, žinoma, gali būti konkretesnis ir pažymėti, kad yra 230 kristalografinių erdvių grupių. Periodinis kristalas turi priklausyti vienam ir tik vienam iš jų. Taigi kristalografijoje yra įrankių, kurie padalija visų galimų kristalinių struktūrų erdvę į baigtinį skaičių nepersidengiančių rinkinių. Iš visų stulbinančių būdų, kaip galima įsivaizduoti, kad atomai sujungiami į periodinę trimatę masyvą, ši ribota klasifikavimo sistema išnaudoja galimybes. Galima aptarti skirtingų sistemų panašumus [93] ir kitaip artėti prie tikro supratimo apie galimas struktūras. Bet ar tą patį galima pasakyti apie neperiodines medžiagas?

Norėdami supaprastinti diskusiją, apsiribosime vienmatiu 1000 ML krovimo atveju. Tarkime, kad tai yra antroji kardinalumo abėcėlė. Kiek galimų krovimo sekų yra? 16 Na, yra 2 1000 ≈ 10 301. Atsižvelgiant į tai, kad stebimoje Visatoje yra apie 10 80 protonų, akivaizdu, kad išsamus sąrašas tiesiog neįmanomas. Ir jei taip būtų, abejotina, ar tai būtų naudinga. Dėl šių netvarkingų medžiagų mes esame priversti kreiptis į statistinius metodus. Vietoj atskirų sekų lygmens smulkių klasifikavimo schemų į rinkinį surenkame visas tas pačias statistines savybes turinčias sekas. Šnekamojoje kalboje kiekvienas rinkinys reiškia a krovimo procesas. Operatyviai mes bandome nustatyti, kuriam procesui priklauso tam tikra seka, ir tada analizuojame procesą vietoj konkrečios sekos.

Kiekvienas iš 4 ir 7 paveikslų grafikų nurodo tam tikrą procesą ir apibrėžia paslėptą Markovo modelį. Nors neapibrėžtų ilgų sekų riboje vis dar yra begalinis galimų procesų skaičius, nustatyta tam tikra tvarka. Pavyzdžiui, galime išvardyti visus procesus per dviejų simbolių abėcėlę, turinčią tik vieną būseną. Yra tik vienas, ir tai parodyta 4 paveikslec. (4 pava,b tai tik ypatingi 4 paveikslo atvejaic.) Dviejų būsenų dvejetainiams procesams yra 13 [86]. 17 Dvejetainiams procesams skirtų procesų skaičius iki šešių būsenų buvo pateiktas lentelėje [95]. Taigi chaotiška kristalografija netvarkingoms medžiagoms daro tą pačią paslaugą, kaip klasikinė kristalografija puikiai sutvarkytoms medžiagoms: ji organizuoja ir struktūrizuoja galimų atominių išdėstymų erdvę. Be to, tai leidžia palyginti paslėptus Markovo modelius tarp skirtingų medžiagų panašiai, kaip lyginamos skirtingų medžiagų kristalinės struktūros, pagal kurias, pavyzdžiui, priklauso kristalų sistemai.

Tada mes tvirtiname, kad paslėptus Markovo modelius, apibūdinančius ne tik skirtingus tos pačios medžiagos pavyzdžius, bet ir skirtingas medžiagas, galima palyginti, arba tiesiogiai išnagrinėjus grafinį proceso modelį, arba naudojant informacines priemones, apibūdinančias įvairius skaičiavimo reikalavimus. Pavyzdžiui, galime palyginti dviejų ankstesniame poskyryje aptartų medžiagų ir trečiosios sluoksniuotos medžiagos ZnS vidinio skaičiavimo matus. Iš daugelio priemonių, kurias galima pasirinkti, mes pasirenkame išnagrinėti šios medžiagos informacinę organizaciją per sudėtingumo -entropijos diagrama [25]. Sudėtingumo – entropijos diagrama kiekvienam krovimo procesui parodo entropijos greitį hμ 3 punkte aptartos simbolių sekos ir abipusės informacijos tarp dviejų mėginio pusių, perteklinės entropijos E, įvestas §4. Šios priemonės gali būti apskaičiuojamos tiesiogiai iš paslėpto Markovo modelio, skirto krovimo procesams.

Mes pradedame nuo ledo. Atkreipkite dėmesį, kad ledas I.c ir ledas Ih abu yra aprašyti vienos būsenos mašinomis, todėl kiekviena kristalo pusė neturi informacijos su kita puse, suteikdama E(Ašc)=E(h) = 0 bitų. Panašiai, puikiai užsisakę, randame hμ(Ašc)=hμ(h) = 0 bitų ML −1. Dėl ledo ašsd, mes apskaičiuojame šį kiekį daugeliui eksperimentinių pavyzdžių, apie kuriuos pranešta literatūroje. Malkinas ir kt. [73] atliko rentgeno spinduliuotės difrakcijos tyrimus su keliais ledo I mėginiais, kurie buvo perkristalinti iš II ledo ir kaitinami 0,1–30 K per minutę greičiu, esant 148–168 K. s= 4 Jagodzinskio sutrikimo modelį, kad būtų galima išanalizuoti jų rezultatus, ir tiesioginiu skaičiavimu iš 4 lentelėje pateiktų duomenų nustatome, kad šios informacijos matai yra grupėje E(Ašsd) .10 0,10−0,15 bitų ir hμ(Ašsd) .0,75−0,90 bitų ML −1. Murray ir kt. [78] atliko panašius tyrimus su ledu I, nusodintu kaip amorfinis ledas iš garų fazės ant stiklo pagrindo esant 110 K temperatūrai. Vėliau mėginys pašildytas 1 K per minutę greičiu ir jie pranešė apie difrakcijos modelius, užfiksuotus pasirinktoje temperatūroje. diapazonas 125–160 K. Jie taip pat analizavo difrakcijos modelius, naudodami s= 4 Jagodzinskio sutrikimo modelis, nors jie nustatė, kad atminties poveikis buvo nereikšmingas. Tiesiogiai apskaičiuodami iš 1 lentelėje pateiktų duomenų nustatome, kad šios informacijos priemonės yra netoli E(Ašsd) B0 bitų ir hμ(Ašsd) .0,95−1,00 bitų ML −1. Tą patį galime padaryti ir su TBHB. Mes randame E(TBHB) = 0,21 bitų ir hμ(TBHB) = 1,1 bitų ML −1. Palyginimui, mes taip pat atsižvelgiame į šiuos kiekius keletui kitur analizuotų ZnS pavyzdžių [29]. Galiausiai, priešingai nei šie netvarkingi mėginiai, mes atsižvelgiame į vienmatį procesą, kurio charakteristikos yra panašios į kvazikristalo savybes, Antradienio -Morzės procesas (TM procesas) [96]. Kaip kvazikristalinis, jis yra visiškai „užsakytas“, bet ne periodinis. Turime gabalėlių, kur N yra bandinio sluoksnių skaičius ir hμ(TM) = 0 bitų ML −1.

Kadangi didžiausias galimas krovimo sutrikimas yra 1 bitas ML −1 ledui I, matome, kad netvarkingas ledas I tikrai yra netvarkingas. Be to, labai mažai informacijos (E) yra dalijamasi tarp skirtingų pusių. Mažai kas gali nuspėti apie pusę mėginio, žinodamas kitą pusę. Šių informacijos priemonių grupavimas suteikia patikimumo nuomonei, kad ledas Isd yra „nauja“ ledo forma. Tačiau mes būtume atsargūs, vadindami tai atskira termodinamine ledo faze. Atkreipkite dėmesį, kad tai ne tik nėra gerai apibrėžta krovimo sekos erdvėje, ty yra daug sekų, atitinkančių ledą Isd, bet mes taip pat matome iš informacijos priemonių išplitimo sudėtingumo ir entropijos diagramoje, ji taip pat nėra gerai apibrėžta proceso erdvėje. Mums labiau patinka aiškinimas, kad šie egzemplioriai yra chaotiški kristalai, kurių kiekvienas aprašytas skirtingu paslėptu Markovo modeliu ir kiekvienas turi skirtingas informacijos apdorojimo priemones. Taigi jie tikrai nesudaro atskiros fazės ta pačia prasme kaip ir ledas Ic ir ledas Ih yra. Ledas I.sd bent jau šiuo metu yra bendras ledo I terminas, kuriame iš esmės atsitiktinai sukraunami šešiakampiai ir kubiniai sluoksniai. Mes pastebime, kad informacijos teorinės priemonės gali atskirti ledą Isd mėginiai, turintys skirtingą istoriją skirtingomis termodinaminėmis sąlygomis.

Panašu, kad TBHB yra labai neorganizuotas. Atkreipiame dėmesį, kad, kadangi kiekvienam ML yra trys galimos krovimo kryptys, didžiausia galima sukrauti entropija. Iš tiesų, kaip minėta anksčiau, 7 paveikslo grafike nėra centrinio periodinio ciklo, kaip dažniausiai matoma sugedusiose medžiagose. Panašiai taip pat nėra daug informacijos dalijamasi tarp dviejų pusių. ZnS pateikia mažiausiai entropinį iš mūsų laikomų netvarkingų egzempliorių. Kaip ir ledo I pavyzdžiai, ZnS yra auginami netvarkingai arba patenka į transformaciją tarp kristalinių fazių: šešiakampės fazės ir kubinės. Tačiau apskritai atrodo, kad ZnS turi labiau struktūrizuotas tarpines būsenas, o tai rodo labiau struktūrizuotą transformaciją, tikriausiai dėl didelių suvaržymų veikiančių netvarkingų mechanizmų tipų.Galime spėlioti, kad nors ledas I ir ZnS gali būti apibūdinami kaip sandariai supakuotos struktūros, netvarkos ir transformacijos mechanizmai kiekvienam yra bent kiekybiniai, jei ne kokybiniai.

Nagrinėdami 8 paveikslą, matome, kad sudėtingumo ir entropijos diagrama taip pat suteikia padalijimą į egzistuojančias struktūras. Pavyzdžiui, bet kuris periodinis procesas turi nulinę entropiją, todėl sudėtingumo ir entropijos diagramoje visi tobuli kristalai yra tik vertikalioje ašyje. Dėl to betonas tampa ypatingas kristališkumas. Panašiai kvazi kristalai gyvena viršutiniame kairiajame diagramos kampe, taip pat apsiribojant vertikalia ašimi. Taigi, nors ir gana įdomūs, kvazi kristalai yra informaciniu požiūriu gana ypatingos organizacijos. Visa erdvė, esanti dešinėje nuo vertikalios ašies, užima entropinius kristalus - tik tokius egzempliorius, kuriems chaotiška kristalografija idealiai tinka apibūdinti. Taigi chaotiška kristalografija pristato įrankius šioms struktūroms kiekybiškai įvertinti ir yra reikšminga plėtra klasikinės kristalografijos srityje.

8 pav. Vidinio skaičiavimo įvairovė, kurią atskleidžia medžiagų architektūros sudėtingumo ir entropijos diagrama. Dėl netvarkingo ledo brėžiame vertes, apskaičiuotas pagal eksperimentus Isd (* iš [78] 1 lentelės ir [73] 4 lentelės) TBHB (iš [89]) ir ZnS (iš [29]). Kaip pavyzdį, mes sudarome sudėtingumo ir entropijos tašką abiem Ih ir ašc (⊗), taip pat kaip ašsd (•). Neparodytas TM proceso esmė (žr. Tekstą), vienmačio kvazikristalo surogatas. Vertikalioje ašyje jį rastume neribotą laiką. (Entropijos perteklius skiriasi, o dideliems egzemplioriams nykstančiai mažas entropijos rodiklis.) Skirtingos vidinio skaičiavimo vertės rodo reikšmingus kiekvienos medžiagos krovimo proceso organizavimo skirtumus ir jų entropijos tankį. (Spalvota internetinė versija.)

Nors mes tvirtiname, kad supratimo struktūra pati savaime yra pakankamai vertas tikslas, tačiau žinome, kad vienas iš vaisių, kurį reikia surinkti iš šio tyrimo, yra galimas ryšių tarp struktūra ir funkcija. 18 Struktūros ir medžiagos savybių tarpusavio ryšys yra gana gerai žinomas. Anglis gali egzistuoti kaip į veidą orientuotas kubinis kristalas, o kai mėginys yra taip užsakytas, mes jį vadiname deimantu. Dažniausiai anglis randama šešiakampiuose lakštuose ir yra žinoma kaip grafitas. Anglis taip pat gali būti neformaliai vadinamas nanovamzdeliais ir sferiniais apvalkalais Bucky kamuoliukai. Ir nors kiekvienas iš jų yra lygiavertis savo sudėtimi, jų medžiagų savybės labai skiriasi. Svarbu struktūra. Mažiau drastiškai, įvairių rūšių krovimo konstrukcijos subtiliau keičia medžiagų savybes. Brafmanas ir Steinbergeris [98] pažymėjo, kad keičiant vienos rūšies periodinę ZnS krovimo struktūrą į kitą, pasikeičia dvejopo lūžio laipsnis. Iš tiesų, šis pokytis priklausė tik nuo vieno parametro - šešiakampio, kuris yra sluoksnių, šešiakampiu būdu susijusių su kaimynais, dalis. Ir galbūt dėl ​​to tai buvo padaryta labai sklandžiai ir nuspėjamai. Mes žinome, kad krovimo struktūra daro įtaką kitoms medžiagų savybėms, tokioms kaip difrakcijos modelis ir, aišku, koreliacijos funkcijos. Reikia mažai vaizduotės spėlioti, kad panašiai gali būti paveiktos ir kitos savybės.

Grįžkime prie 1000 ml talpos. Tarkime, mes užduodame medžiagų mokslininkui ištirti galimas medžiagų savybes, gaunamas iš skirtingų krovimo sekų. Net ir paprastu dvejetainiu atveju, kaip matėme aukščiau, yra maždaug 10 301 tokia seka. Taigi (tiesa, naivus požiūris) išsami analizė iš eilės į seką yra neįmanoma-eksperimentiškai, teoriškai arba imituojant. Tačiau nesant jokios medžiagos netvarkos teorijos, toks žiaurios jėgos tyrimo metodas gali būti laikomas būtinu. Chaotiška kristalografijos perspektyva iš karto aprūpina medžiagų mokslininką įrankiais problemai spręsti. Pavyzdžiui, ji žino, kad daugelį medžiagų savybių lemia ir apskaičiuojamos vien tik žinios apie krovimo procesą. Taigi, užuot bandę spręsti problemų seką iš eilės, yra pelninga ją spręsti po proceso. Nors erdvė vis dar didžiulė, ji yra žymiai mažesnė ir, svarbiausia, dabar susisteminta. Pradėti nuo paprastų procesų ir pereiti prie sudėtingesnių, pavyzdžiui, gali būti veiksminga strategija. Be to, savybės gali net nepriklausyti nuo krovimo proceso detalių, bet gali koreliuoti su bendromis statistinėmis savybėmis ar informacijos teorinėmis priemonėmis. ZnS dvejopo lūžio atvejis tai rodo. Vienas statistinis parametras koreliuoja su pastebėtu dvejopu lūžiu bent jau periodinių krovimo sekų atveju. Taip pat žinoma, kad difrakcijos modelis priklauso tik nuo porinių koreliacijų tarp ML. Gerai žinoma, kad skirtingi krovimo procesai gali turėti tas pačias koreliacijos funkcijas, o tai rodo, kad dar mažiau smulkiagrūdis metodas gali būti pelningas. Kadangi perdavimo savybės per netvarkingus potencialus priklauso tik nuo koreliacijos funkcijų [61], čia taip pat gali būti naudingas ne toks smulkiagrūdis metodas.

Galima prieštarauti ir abejoti, ar esame garantuoti, kad visos medžiagos savybės yra vienodos visoms proceso įgyvendinimo galimybėms. Mes nesame. Tačiau teoriniai rezultatai, rodantys svarbius parametrus, į kuriuos reikia atsižvelgti, kartu su eksperimentiniais stebėjimais ir modeliavimo rezultatais gali suteikti pasitikėjimo, kad tam tikra tiriama savybė yra ansamblio savybė. Be jokios abejonės, didžioji dalis informacijos teorinių savybių ir medžiagų savybių lieka neištirta. Čia pateikiamos linijos, lygiagrečios principinėms Schrödingerio mintims apie gyvenimo organizavimą, gausios intymių užuominų užuominos yra per daug žadančios, o galimas atlygis už tokių ryšių paiešką ir naudojimą yra per daug turtingas, kad jų neištirtų.

Taip pat pažymime, kad medžiagų savybių prognozavimas iš struktūros jokiu būdu nėra akademinis: „Materials Genome Initiative“ [99] yra koordinuotos ir atsidavusios pastangos, apimančios teorinius, eksperimentinius ir modeliavimo tyrimus, kuriais bandoma tai padaryti. Atsižvelgiant į galimų atomų išdėstymo įvairovę, organizacinė schema, struktūrizuojanti galimybių erdvę, yra absoliučiai būtina. Priešingu atveju tyrinėtojai pasikliaus intuicija - be abejo, didžiulė, bet pernelyg dažnai nepatikima - pasiūlys ir surinks galimas konfigūracijas, turinčias naujų medžiagų savybių. Per daug neperdėjus, tai prilygsta trenksmui į klaviatūrą, tikintis išstumti vieną iš Šekspyro sonetų: galima taip, bet vis labiau tikėtina, jei žinai anglų kalbos gramatikos taisykles.

5. Medžiagos skaičiavimo termodinamika

Iki šiol mes sutelkėme dėmesį tik į informacines savybes, įterptas į „chaotiškų“ medžiagų statinę struktūrą, neatsižvelgdami į jų augimo dinamiką…, jų funkcinį elgesį „laukinėje gamtoje“ ir panašiai. Visai istorijai reikia termodinamiškai apsvarstyti tokių medžiagų informacinius aspektus-jų pusiausvyros ir ne pusiausvyros konfigūracijų energetiką, jų atsiradimo energiją, kaip jie virsta ir kokias funkcijas jie palaiko. Čia, norėdami iliustruoti ryšius tarp esminės informacijos ir energijos sąnaudų, trumpai apžvelgiame naujausius Maxwello demono tyrimus ir reketinį modelį, kuriame aprašoma, kaip molekuliniai „varikliai“ gali saugoti ir apdoroti informaciją, kai jie eina per kontrolinę seką.

A) Szilardo vienos molekulės variklis

Biologinės makromolekulės [100–102] atlieka užduotis, apimančias tuo pačiu manipuliavimą energija, informacija ir medžiaga. Nors kartais galime atpažinti tokį funkcionavimą-srovės kaupimosi membranos jonų kanale [103,104], kuris palaiko smaigalių plitimą išilgai neuronų aksono arba motoriniame baltyme, kuris perneša maistines medžiagas per ląstelės mikrotubulinius greitkelius [100]-tai nėra gerai. Supratau. Supratimas reikalauja nanodalelių sistemų, veikiančių toli nuo pusiausvyros, termodinamikos ir informacijos fizikos, kuri kiekybiškai identifikuoja organizaciją ir funkciją. Iš esmės mes turime ištaisyti šį funkcionavimą su entropijos karta, kurią diktuoja Antrasis termodinamikos dėsnis. James Clerk Maxwell pristatė demoną, kuris dabar yra jo vardas, kad pabrėžtų esminį paradoksą. Jei demonas gali išmatuoti molekulinės sistemos būseną ir remdamasis šiomis žiniomis imtis veiksmų, galima pažeisti Antrąjį įstatymą: rūšiuojant lėtai ir greitai veikiančias molekules į atskiras pertvaros puses, sukuriamas temperatūros gradientas, kurį šilumos variklis gali paversti naudingu darbu . Tokiu būdu demono „intelektas“ arba, mūsų žodynu, informacijos apdorojimas, gali paversti šiluminius svyravimus (neorganizuotą energiją) į darbą (organizuota energija).

1929 m. Leo Szilardas pristatė idealų Maksvelo demoną, skirtą ištirti informacijos apdorojimo vaidmenį Antrajame įstatyme [105], minties eksperimentą, kuris maždaug po dešimtmečio suteikė impulsą Shannono komunikacijos teorijai [106]. „Szilard“ variklį sudaro trys komponentai: valdiklis („Demonas“), termodinaminė sistema (molekulė dėžutėje) ir šilumos rezervuaras, kuris palaiko abu temperatūrą T. Jis veikia paprastu pakartotinio trijų žingsnių matavimo, valdymo ir ištrynimo ciklo mechanizmu. Matavimo metu viduryje dėžutės įterpiamas barjeras, suvaržantis molekulę į dėžutės kairę arba dešinę pusę, o demono atmintis pasikeičia, kad atspindėtų, kurioje molekulės pusėje. Termodinaminio valdymo etape Demonas naudoja šias žinias, kad molekulė galėtų stumti barjerą į priešingą molekulės pusę, ištraukdama darbą iš terminio rezervuaro. Ištrynimo etape Demonas iš naujo nustato savo baigtinę atmintį į numatytąją būseną, kad galėtų vėl atlikti matavimą. Periodika protokolas matavimo, valdymo ir ištrynimo ciklas kartojasi be galo ir deterministiškai. Grynasis rezultatas yra darbo ištraukimas iš rezervuaro, kurį subalansuoja entropija, kurią sukelia demono atminties pokyčiai. Antrasis įstatymas yra gerbiamas, o demonas pašalinamas, nes tos entropijos išmetimas į šilumos vonią reikalauja darbo srauto, kuris tiksliai kompensuoja kontrolinio veiksmo metu įgytą energiją.

Prijungę netiesinę dinamiką prie Szilardo variklio termodinamikos, neseniai parodėme, kad jo matavimo-valdymo-ištrynimo barjero-slydimo protokolas prilygsta atskiro laiko dvimatiam žemėlapiui nuo vieneto kvadrato iki jo paties [107]. Ši aiški konstrukcija nustato, kad Szilardo variklis yra chaotiška sistema, kurios komponentų žemėlapiai yra termodinaminės transformacijos - tai, ką mes dabar vadiname gabalinė termodinaminė sistema. „Szilard Engine“ animaciją, perdarytą kaip šią chaotišką dinaminę sistemą, galima peržiūrėti adresu http://csc.ucdavis.edu/

Ką reiškia chaosas „Szilard“ variklyje? Jungtinė sistema generuoja informaciją - informaciją, kurią Demonas turi nuolat matuoti, kad būtų sinchronizuotas su molekulės padėtimi. Viena vertus, informaciją šilumos rezervuaras generuoja per valdymo ir plėtimosi būseną. Tai chaotiškas variklio nestabilumas, kai jis vertinamas kaip dinamiška sistema. Kita vertus, demonas saugo informaciją (laikinai), kad galėtų ištraukti energiją iš rezervuaro, leisdamas skaidiniui judėti reikiama kryptimi. Norint grąžinti variklį į tą pačią pradinę būseną, ta saugoma informacija turi būti ištrinta. Tai dinamiškai sutraukia būsenos erdvę ir yra lokaliai išsklaidanti, atiduodama energiją rezervuarui.

Bendrą informacijos gamybos greitį nustato variklio Kolmogorovo – Sinajaus entropija hμ [108]. Tai matuoja informacijos srautą iš molekulinio posistemio į demoną: informacija, surinkta iš rezervuaro ir naudojama demono šilumai paversti darbu. Paprasčiau tariant, chaoso laipsnis lemia energijos išgavimo iš rezervuaro greitį. Be to, pagrindinėje konfigūracijoje, kai užtvara yra dėžutės viduryje ir jos atminties būsenos yra vienodo dydžio, Demono molekulės padėties matavimai yra optimalūs. Jis naudoja visą sukurtą informaciją hμ pagal termodinaminę sistemą: prisimenant §3, visą sugeneruotą informaciją hμ yra surišta informacija bμ neprarandama jokia sukaupta informacija (rμ išnyksta).

Kritiškai, dinamiškas „Szilard“ variklis rodo, kad plačiai paplitęs įsitikinimas apie termodinamines informacijos apdorojimo išlaidas-vadinamasis Landauerio principas [109–113]: kiekvienas ištrintas bitų sąnaudas išsklaidyta energija ir matavimas nereikalauja jokių termodinaminių išlaidų- geriausiu atveju yra ypatingas atvejis [107,114–116]. 20 Kadangi skaidinio vieta skiriasi ir keičiasi demonų atminties elementų dydis, matavimas ir ištrynimas gali išsklaidyti bet kokį teigiamą ar neigiamą šilumos kiekį. Konkrečiai kalbant, yra „Szilard Engine“ konfigūracijų, kurios tiesiogiai pažeidžia Landauerio principą: ištrynimas yra termodinamiškai nemokamas, o matavimas brangus-anti-Landauer principas. Rezultatas yra tas, kad „Szilard“ variklis pasiekia apatinę energijos išsklaidymo ribą, išreikštą matavimo ir ištrynimo termodinaminių išlaidų suma. Tokiu būdu „Szilard“ variklis užfiksuoja optimalų informacijos pavertimo darbu darbą, analogišką optimaliam „Carnot Engine“ variklio efektyvumui, kai šiluminės energijos skirtumas paverčiamas darbu.

B) Informacijos katalizatoriai

„Szilard's Engine“ yra vienas iš paprasčiausių valdomų termodinaminių prietaisų, atskleidžiantis įtampą tarp Antrojo įstatymo ir informacijos rinkimo subjekto ar posistemio (Demono) funkcionalumo. Gautas grynasis darbas tiksliai subalansuoja termodinamines (entropines) išlaidas. Tai buvo pagrindinis Szilardo dalykas, nors matome, kad jo variklis nebuvo labai funkcionalus, tik atitinka Antrąjį įstatymą. Svarbiausias indėlis buvo tas, kad dar gerokai prieš Šenono informacijos teoriją Szilardas pripažino Demono informacijos kaupimo ir saugojimo svarbą sprendžiant Maksvelo paradoksą.

Tai leidžia mums pereiti prie sudėtingesnio įrenginio, kuris naudoja informacijos rezervuarą (atsitiktinių bitų eilutę), kad iš šilumos rezervuaro išgautų teigiamą grynąjį darbą. Norėdami sukurti mus dominančios termodinamikos etapą, tačiau laikydamiesi sudėtingų medžiagų dvasios, įsivaizduokime „Szilard“ variklį, įdiegtą kaip fermento makromolekulę, kurios konformacinės būsenos įgyvendina matavimo, valdymo ir ištrynimo protokolą. Be to, leiskite šiam fermentui pereiti vienmatį periodinį kristalą, tarkime, DNR grandinę, skaitydamas nuoseklias bazines poras, kad gautų individualias matavimo, valdymo ir ištrynimo protokolo komandas. Taigi ankstesnė termodinamika ir informacinė analizė taikoma tokiam molekuliniam varikliui - aktyviai kontroliuojamai sistemai, kuri gali ištaisyti svyravimus ir yra tik laikinai, lokaliai neatitinkanti Antrojo įstatymo.

Tačiau eikime dar vieną žingsnį į priekį, įsivaizduokime funkcinį fermentą, kuris per termodinaminį ciklą iš informacijos rezervuaro išgauna teigiamą darbą, kad kauptų ar išlaisvintų energiją, kai ji surenka ar išmontuoja mažų molekulinių komponentų grandinę. Šiuo atveju mes pakeisime vienmatę „kontrolinę“ molekulę atsitiktinių bitų rinkiniu, kuris į fermentą patenka į vietinę pusiausvyrą. Kaip tai daroma, fermento dinamika keičiasi, kad katalizuotų komponentų surinkimą. Pamaina leidžia fermentui selektyviai naudoti energiją iš rezervuaro, tarkim, aplinkos, kurioje gausu ATP, kurios molekules mašina pasiekia, kai reikia energijos (ATP → ADP) arba jos atsisakoma (ADP → ATP). 9 paveiksle pavaizduota nauja, funkcionali molekulinė mašina.

9 pav. Informacijos katalizatorius: fermentinis molekulinis Maksvelo demonas termiškai sueina iš eilės atsitiktinių bitų (informacijos rezervuaras), kiekvienas keičia savo katalizinį aktyvumą, kad įveiktų energijos barjerus, kad surinktų paprastų molekulinių komponentų grandinę. Aplinka, esant pastoviai temperatūrai T, suteikia daug energijos turinčių molekulių, reikalingų katalizuojamoms reakcijoms ir grandinės komponentų molekulėms valdyti (plg. informacijos reketą [117]). (Spalvota internetinė versija.)

Tokiu būdu įsivaizduojamas fermentas veikia kaip informacijos katalizatorius kuris palengvina, kitaip termodinamiškai nepalankias reakcijas, molekulinių komponentų grandinės surinkimą. Ketvirtajame dešimtmetyje Leon Brillouin [118] ir Norbert Wiener [119], ankstyvieji informacijos fizikos pradininkai, į fermentus žiūrėjo kaip į tokius katalizatorius. Visų pirma, Brillouinas pasiūlė gana panašią „neigiamą katalizę“ kaip molekulinį substratą, sukūrusį negentropiją - tvarkos principas, kurį Schrödingeris nustatė kaip būtiną gyvybiniams procesams palaikyti, atitinkančius Antrąjį įstatymą. Tik daug vėliau už tokias „informacines molekules“ pasisakytų evoliucijos biologai John Maynard Smith ir Eörs Szathmáry [120].

Neseniai mes išanalizavome atminties atminties informacijos katalizatorių klasės termodinamiką [117], kuriai buvo galima aiškiai nustatyti visas sistemos komponentų koreliacijas. Tai suteikė tikslų, analitinį termodinamiškai reikšmingo Šenono informacijos pasikeitimo iš įvesties informacijos rezervuaro apdorojimą (bitų eilutė su entropijos greičiu hμ) į išmetimo rezervuarą (bitų eilutė su entropijos greičiu). Rezultatas buvo patobulintas ir plačiai taikomas Antrasis įstatymas, kuris tinkamai atspindi būdingą informacijos apdorojimą, atsispindintį laikinų koreliacijų kaupime. Viena vertus, rezultatas suteikia informacinę viršutinę ribą dėl maksimalaus vidutinio darbo.WIšgaunamas per ciklą:

Šis antrasis įstatymas leidžia mums nustatyti demono termodinamines funkcijas. Priklausomai nuo modelio parametrų, jis veikia kaip variklis, išgaunant energiją iš vieno rezervuaro ir paverčiant jį darbu (〈W〉 & Gt0) atsitiktine tvarka įvedant informaciją (hμ′−hμ& gt0) arba kaip informacijos trintukas, ištrinti informaciją (hμ′−hμ& lt0) įvestyje išorinio darbo indėlio kaina (〈W〉 & Lt0). Be to, Demonas palaiko priešintuityvią funkciją. Priešingai nei ankstesni trintukai, kurie tik sumažino vieno bito neapibrėžtumą H [X0], jis naudoja naujo tipo trintuką, kuris pašalina kelių bitų neapibrėžtumą, pridėdamas koreliaciją (laiko tvarka), o vieno bitų neapibrėžtumas iš tikrųjų padidėja (H ′ [X0] - H [X0] ir gt0). Šis modalumas lemia provokuojantį gyvenimo procesų aiškinimą: natūralių demonų, turinčių atmintį, buvimas (vidinės būsenos) yra ženklas, kad jie buvo pritaikyti taip, kad panaudotų laiko atžvilgiu koreliuojančius savo aplinkos svyravimus.

6. Išvada

Mes toli nuėjome nuo Schrödingerio išankstinio supratimo apie aperiodinius kristalus. Keliose gana skirtingose ​​erdvės ir laiko skalėse bei keliose skirtingose ​​taikymo srityse mes tvirtinome, kad egzistuoja glaudus ryšys tarp gyvenimo fizikos ir biologinių procesų informacinio pagrindo supratimo, atsižvelgiant į gyvybę sudarančias sudėtingas medžiagas. Pakeliui pastebėjome glaudų ryšį tarp naujų eksperimentinių metodų ir naujų teorinių pagrindų - ryšį, būtiną norint geriau suprasti biologinę organizaciją ir procesus. Mes pasisakėme už struktūros svarbą ir stengėmės parodyti, kad dabar galime tiesiogiai ir kiekybiškai kalbėti apie netvarkingų medžiagų organizavimą, kuris yra atsiskyrimo nuo kristalų žiūrėjimo kaip tik periodinio reiškinio pasekmė [42, 64]. Šios struktūrizuotos ir netvarkingos medžiagos, galėdamos saugoti ir apdoroti informaciją, tikriausiai turėjo įtakos perėjimui nuo paprastų molekulių prie materialių organizacijų, kurios tapo biologiją palaikančiais substratais [121]. Biologijai, žinoma, jo nekristalinis „sutrikimas“ yra daug daugiau, jame užkoduota gyvenimui reikalinga informacija. Taigi biologinė medžiaga yra daugiau nei šlapia, puri „minkšta medžiaga“, tai yra informacinė medžiaga. DNR, RNR ir baltymai yra informacijos molekulės [118–120]. Tiek, kad, pavyzdžiui, DNR galima užprogramuoti [122–124]. Be to, mūsų vystymąsi skatinančios paralelės galbūt suteikia alternatyvų požiūrį į „materialinę genomiką“ [99].

Biologinę medžiagą nuo paprastos fizinės materijos skiria tai, kad ankstesnėje esanti informacija koduoja organizaciją ir ta organizacija įgauna katalizinę funkciją, sąveikaudama struktūriškai įvairioje aplinkoje. Be to, kritiškai šie simboliai išreiškiami taip, kad atsiranda vis naujesnės, sudėtingesnės cheminės struktūros - struktūros, susidarančios į subjektus, kurių replikacijos dažnis yra skirtingas [125]. O didelės replikacijos subjektai savo ruožtu modifikuoja aplinką, sukuria „nišas“, kurios pagerina replikaciją ir užbaigia termodinaminį ciklą, kurio ilgalaikė evoliucinė dinamika, manoma, yra kūrybiškai atvira.

Pamatėme, kad apmąstant Schrödingerio požiūrį į fizinį gyvenimo pagrindą, kyla klausimų dėl tvarkos, netvarkos ir struktūros vienmatėse medžiagose. Chaotiška kristalografija, kurioje nėra „geranoriškos krištolo tironijos“ [126], pasirodė esanti visa apimanti glaudžiai supakuotų medžiagų organizavimo teorija. Tai suteikė nuoseklų būdą vienu metu apibūdinti ledo ir aromatinių junginių sluoksnių sluoksnių tvarką ir netvarką bei apskritai vienmačius chaotiškus kristalus. Ir tai rodo, kad vietinis (ne) užsakymas gali atlikti vaidmenį stiprinant biomolekulių sinergetinę funkciją tirpale. Biologinės funkcijos klausimas privertė mus giliau ištirti jo atitikimą Antrajam termodinamikos įstatymui. Tada mes apsvarstėme du paprastus Maksvelo molekulinių demonų atvejus, norėdami parodyti, kad antrasis termodinamikos dėsnis puikiai atitinka išmaniųjų molekulių informacinį pobūdį ir funkcionalumą - kad termodinamika gali pradėti apibūdinti tokių informacijos katalizatorių energetiką.

Tiesa, mes tik paviršutiniškai išsprendėme keletą pagrindinių iššūkių, kuriuos kelia informacinis požiūris į dalyką. Shannon pristatė informaciją kaip staigmeną, ir mes parodėme, kad tai leido pamatyti, kaip informacija kuriama, saugoma ir perduodama. Tačiau mes tik iškėlėme nuolatinį klausimą, kaip tokia informacija prisideda prie materialinio funkcionalumo. „Szilard's Engine“ ir susiję informacijos katalizatoriai užsiminė apie tai, kaip mes analizuosime funkcinę informaciją sudėtingose ​​medžiagose ir biomolekulėse. Tikimės, kad informacinė perspektyva bus pakankamai vaisinga, kad ją būtų galima analizuoti, kaip tokie struktūrizuoti objektai veikia jų aplinkoje - kaip, pavyzdžiui, vanduo atlieka lemiamą vaidmenį biomolekulinėje sąveikoje ir funkcijoje.

Pastaba pridėta kaip įrodymas

Mums buvo atkreiptas dėmesys, kad neseniai Cartwright & amp Mackay [42] spėliojo, kad kubinis ledas gali būti pelningai vertinamas kaip vienmatis chaotiškas kristalas dėl savo netvarkingo ir aperiodinio pobūdžio. Atkreipkite dėmesį, kad mes patvirtiname jų įtarimus ir tiksliai tai darome § 4b (i). Dėkojame Julyanui Cartwrightui, kad tai nurodė. Žinoma, chaotiško kristalo sąvoka yra garsusis Ruelle „neramus kristalas“ [127], kristalas, kuris sulaužo vertimo simetriją ir turi „struktūrą, moduliuojamą ne kvaziperiodiškai“. Tikimasi, kad tokie kristalai parodys tam tikrą „miglotumą“ aštriuose difrakcijos modelio atspindžiuose, taip pat išsklaidytą sklaidą ir bus panašūs į čia aptartą chaotiško kristalo sąvoką. Mes išskiriame savo pastangas nuo šių ankstesnių aprašymų, tvirtindami, kad būtent informacijos ir skaičiavimo teorinės priemonės ir metodai yra tinkama platforma netvarkingoms kristalų struktūroms įvertinti.


UžsiregistruokiteSpektrasnaujienlaiškius

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas 2017 m. Birželio mėn. Jis buvo peržiūrėtas, kad atspindėtų naujausius tyrimus.

Mokslininkai žinojo, kad genai prisideda prie autizmo nuo 1970 -ųjų, kai komanda nustatė, kad identiški dvyniai dažnai dalijasi šia liga. Nuo tada mokslininkai nustatė galimus genetinius autizmo kaltininkus-tai procesas, kurį per pastarąjį dešimtmetį pagreitino DNR dekodavimo technologijos.

Vystantis šiam darbui, mokslininkai atskleidė įvairius genetinius pokyčius, kurie gali būti autizmo pagrindas. Kuo daugiau mokslininkų įsigilina į DNR, tuo sudėtingesnis atrodo jo indėlis į autizmą.

Kaip mokslininkai žino genus? prisidėti į autizmas?
Nuo pirmojo autizmo dvynių tyrimo 1977 m., Kelios komandos palygino dvynių autizmo rodiklius ir parodė, kad autizmas yra labai paveldimas. Kai vienas identiškas dvynys serga autizmu, yra apie 80 procentų tikimybė, kad jį turi ir kitas dvynys. Atitinkamas broliškų dvynių rodiklis yra apie 40 proc.

Tačiau genetika nėra visiškai atsakinga už vaiko galimybes sirgti autizmu. Aplinkos veiksniai taip pat prisideda prie būklės - nors mokslininkai nesutaria dėl santykinio genų ir aplinkos indėlio. Kai kurie aplinkos veiksniai, tokie kaip motinos imuninio atsako poveikis gimdoje ar komplikacijos gimdymo metu, gali veikti kartu su genetiniais veiksniais, kad sukurtų autizmą arba sustiprintų jo savybes.

Ar yra toks dalykas kaip autizmo genas??
Ne visai. Yra keletas su autizmu susijusių sąlygų, atsirandančių dėl vieno geno mutacijų, įskaitant trapius X ir Rett sindromus. Tačiau mažiau nei 1 procentas nesindrominių autizmo atvejų atsiranda dėl bet kurio vieno geno mutacijų. Bent jau kol kas nėra tokio dalyko kaip „autizmo genas“ - tai reiškia, kad nė vienas genas nėra nuosekliai mutuojamas kiekvienam autizmu sergančiam asmeniui. Taip pat neatrodo, kad yra koks nors genas, sukeliantis autizmą kiekvieną kartą, kai jis mutuojamas.

Vis dėlto genų, susijusių su autizmu, sąrašas auga. Mokslininkai suskaičiavo apie 100 genų, kurie, jų nuomone, yra glaudžiai susiję su autizmu. Daugelis šių genų yra svarbūs bendraujant tarp neuronų arba kontroliuojant kitų genų ekspresiją.

Kaip šie genai prisidėti prie autizmas?
Šių genų DNR pokyčiai ar mutacijos gali sukelti autizmą. Kai kurios mutacijos veikia vieną DNR bazės porą arba raidę. Tiesą sakant, kiekvienas turi tūkstančius šių genetinių variantų. Variantas, aptinkamas 1 proc. Ar daugiau gyventojų, laikomas „įprastu“ ir vadinamas vieno nukleotido polimorfizmu arba SNP.

Įprasti variantai paprastai turi subtilų poveikį ir gali kartu prisidėti prie autizmo. „Reti“ variantai, kurie randami mažiau nei 1 proc. Žmonių, paprastai turi stipresnį poveikį. Daugelis mutacijų, susijusių su autizmu, iki šiol buvo retos. Žymiai sunkiau rasti bendrų variantų, susijusių su autizmu. Didžiausias iki šiol atliktas tyrimas, paskelbtas 2019 m. 2020 m. Pakartotinai išnagrinėjus 2019 m. Duomenis, atsirado dar du regionai ir apie 6 000 papildomų mėginių.

Kiti pokyčiai, žinomi kaip kopijų skaičiaus variacijos (CNV), rodomi kaip ištrynimai ar ilgų DNR atkarpų dubliavimai ir dažnai apima daug genų.

Tačiau mutacijos, kurios prisideda prie autizmo, tikriausiai ne visos yra genuose, kurie sudaro mažiau nei 2 procentus genomo. Mokslininkai bando įsiskverbti į likusius 98 procentus genomo ir ieškoti su autizmu susijusių pažeidimų. Iki šiol šie regionai yra menkai suprantami, tačiau kai kurie įrodymai susieja autizmą su mutacijomis nekoduojančioje DNR, kurioje yra reguliavimo elementų, kontroliuojančių genų ekspresiją.

Visi yra mutacijos yra vienodai kenksmingos?
Ne. Molekuliniu lygmeniu mutacijų poveikis gali skirtis net tarp SNP. Mutacijos gali būti kenksmingos arba gerybinės, priklausomai nuo daugybės ląstelių, kurias jos veikia organizme, ir kiek jos keičia atitinkamo baltymo funkciją. Pavyzdžiui, misense mutacija keičia vieną baltymo amino rūgštį į kitą. Jei pakaitalas reikšmingai nekeičia baltymų, greičiausiai jis bus gerybinis. Kita vertus, nesąmoninga mutacija įterpia geno „stop“ ženklą, dėl kurio baltymų gamyba sustoja per anksti. Gautas baltymas yra per trumpas ir veikia prastai, jei ne.

Kaip žmonės įsigyti mutacijos?
Dauguma mutacijų yra paveldimos iš tėvų ir gali būti dažnos arba retos. Mutacijos taip pat gali atsirasti spontaniškai kiaušinyje ar spermoje, todėl jos randamos tik vaikui, o ne jos tėvams. Tyrėjai gali rasti šių retų "de novoMutacijas, lyginant autizmo sergančių žmonių DNR sekas su jų nepaveiktais šeimos nariais. Spontaniškos mutacijos, atsirandančios po pastojimo, paprastai yra „mozaikinės“, tai reiškia, kad jos veikia tik kai kurias kūno ląsteles. Kuo mažiau ląstelių veikia šios mutacijos, tuo švelnesnis jų indėlis į autizmo bruožus.

Ar genetika gali paaiškinti, kodėl berniukai yra labiau tikėtini? nei merginos turėti autizmą?
Galbūt. Atrodo, kad mergaitės, turinčios autizmą, turi daugiau mutacijų nei berniukai, sergantys šia liga. O berniukai, sergantys autizmu, kartais paveldi savo mutacijas iš nepaveiktų motinų. Kartu šie rezultatai rodo, kad mergaitės gali būti kažkaip atsparios mutacijoms, kurios prisideda prie autizmo ir kurioms reikia didesnio genetinio smūgio.

Ar yra būdas patikrinti mutacijas prieš gimstant vaikui?
Klinikai reguliariai tikrina besivystančio kūdikio chromosomas, kad nustatytų didelius chromosomų anomalijas, įskaitant CNV. Kai kuriems sindromams, susijusiems su autizmu, pvz., Trapiam X sindromui, yra prenataliniai genetiniai tyrimai. Tačiau net jei besivystantis kūdikis turi šias retas mutacijas, nėra jokio būdo tiksliai žinoti, ar vėliau jam bus diagnozuotas autizmas.


Kas yra genotipas? Kas yra fenotipas?

Jūsų genotipas yra jūsų paveldima genetinė tapatybė, tai yra jūsų unikalus genomas, kurį atskleistų asmeninis genomo sekos nustatymas. Tačiau žodis genotipas taip pat gali reikšti tik konkretų individo nešamą geną ar genų rinkinį. Pavyzdžiui, jei turite mutaciją, susijusią su diabetu, galite nurodyti savo genotipą tik šios mutacijos atžvilgiu, neatsižvelgdami į visus kitus jūsų pernešamus genų variantus.

Priešingai, jūsų fenotipas yra jūsų faktinių fizinių savybių aprašymas. Tai apima aiškiai matomas charakteristikas, tokias kaip jūsų ūgis ir akių spalva, bet taip pat bendrą jūsų sveikatą, ligos istoriją ir net jūsų elgesį bei bendrą nusiteikimą. Ar lengvai priaugate svorio? Nerimaujate ar esate ramus? Ar tau patinka katės? Visa tai yra būdas pristatyti save pasauliui, todėl jie laikomi fenotipais. Tačiau ne visi fenotipai yra tiesioginis jūsų genotipo rezultatas. Tikėtina, kad jūsų asmeninis nusiteikimas katėms yra jūsų gyvenimo patirties su augintiniais rezultatas, o ne mutacija hipotetinio kačių mėgėjo geno.

Daugumai fenotipų įtakos turi jūsų genotipas ir unikalios aplinkybės, kuriomis gyvenote, įskaitant viską, kas jums nutiko. Mes dažnai vadiname šiuos du įvadus kaip „gamtą“, unikalų jūsų genomą ir „puoselėjamą“ aplinką, kurioje gyvenote.


Nuorodos

Ferlay, J. ir kt. Sergamumas vėžiu ir mirtingumas visame pasaulyje: GLOBOCAN 2012 šaltiniai, metodai ir pagrindiniai modeliai. Tarptautinis vėžio žurnalas (2015).

Pasaulio sveikatos organizacija. Naujausi pasauliniai vėžio duomenys: vėžio našta padidėja iki 18,1 milijono naujų atvejų ir 9,6 milijono mirčių nuo vėžio 2018 m. Tarptautinė vėžio tyrimų agentūra (2018).

Janssen-Heijnen, M. L. & amp Coebergh, J.-W. W. Plaučių vėžio histologinių potipių paplitimo ir prognozavimo tendencijos Šiaurės Amerikoje, Australijoje, Naujojoje Zelandijoje ir Europoje. Plaučių vėžys 31, 123–137 (2001).

Rose-James, A. & amp; Tt, S. Molekuliniai žymenys, turintys prognozuojamą ir prognozuojamą svarbą plaučių vėžiui. Plaučių vėžio tarptautinis (2012).

Jorge, S. E., Kobayashi, S. S. & amp. Costa, D. B. Plaučių vėžio epidermio augimo faktoriaus receptorių (EGFR) mutacijos: ikiklinikiniai ir klinikiniai duomenys (2014).

Harrison, P. T., Vyse, S. & amp. Huang, P. H. Retos epidermio augimo faktoriaus receptoriaus (EGFR) mutacijos nesmulkialąstelinio plaučių vėžio atveju. Vėžio biologijos seminarai 1-13 (2019).

Fereris, I. ir kt. KRAS-mutantas nesmulkialąstelinis plaučių vėžys: nuo biologijos iki terapijos (2018).

Zhangas, S. M. ir kt. Prognostinė EGFR ir KRAS reikšmė pašalinus nesmulkialąstelinį plaučių vėžį: sisteminga apžvalga ir metaanalizė. Vėžio valdymas ir tyrimai (2018).

Fang, S. & amp. Wang, Z. EGFR mutacijos kaip prognostinis ir nuspėjamasis nesmulkialąstelinio plaučių vėžio žymuo (2014).

Martin, P., Leighl, N. B., Tsao, M. S. & amp Shepherd, F. A. KRAS mutacijos kaip prognostiniai ir nuspėjamieji nesmulkialąstelinio plaučių vėžio žymenys (2013).

Planchardas, D. ir kt. Metastazavęs nesmulkialąstelinis plaučių vėžys: ESMO klinikinės praktikos gairės diagnozei, gydymui ir tolesniam gydymui. Onkologijos metraštis (2018).

Lynchas, T. J. ir kt. Epidermio augimo faktoriaus receptorių mutacijų aktyvinimas, grindžiamas nesmulkialąstelinio plaučių vėžio reagavimu į gefitinibą. Naujosios Anglijos medicinos žurnalas (2004).

Paezas, J. G. ir kt. EGFR mutacijos plaučiuose, vėžys: koreliacija su klinikiniu atsaku į gydymą gefitinibu. Mokslas (2004).

Pao, W. ir kt. EGF receptorių genų mutacijos būdingos „niekada nerūkančių“ plaučių vėžiui ir yra susijusios su navikų jautrumu gefitinibui ir erlotinibui. Jungtinių Amerikos Valstijų Nacionalinės mokslų akademijos darbai (2004).

Schrankas, Z. ir kt. Dabartinės molekulinės terapijos NSCLC ir jų atsparumo mechanizmas (2018).

Zhao, W. ir kt. Automatinis EGFR mutacijos būsenos prognozavimas plaučių adenokarcinomos atveju, naudojant gilų 3D mokymąsi. Vėžio medicina (2019).

Tomasini, P., Walia, P., Labbe, C., Jao, K. & amp. Leighl, N. B. Taikymas į KRAS kelią nesmulkialąsteliniame plaučių vėžiu. Onkologas (2016).

Kanonas, J. ir kt. Klinikinis KRAS (G12C) inhibitorius AMG 510 skatina priešnavikinį imunitetą. Gamta (2019).

Fakih, M. ir kt. 1 fazės tyrimas, kurio metu įvertintas AMG 510, naujo mažos molekulės KRAS G12C inhibitoriaus, saugumas, toleravimas, farmakokinetika (PK) ir veiksmingumas pažengusiems kietiems navikams. Klinikinės onkologijos žurnalas (2019).

Adderley, H., Blackhall, F. H. & amp. Lindsay, C. R. KRAS-mutantas nesmulkialąstelinis plaučių vėžys: susiliejančios mažos molekulės ir imuninės kontrolės taško slopinimas. EBioMedicine 41, P711–716 (2019).

Mullardas, A. Krekingo KRAS. „Nature Reviews Drug Discovery“ (2019).

Folch, E., Costa, D. B., Wright, J. & amp; VanderLaan, P. A. Plaučių vėžio diagnostika ir stadija minimaliai invaziniame amžiuje, didėjant audinių analizės poreikiams (2015).

Jain, E. & amp; Roy-Chowdhuri, S. Plaučių vėžio citologinės molekulinės patologijos pavyzdžiai yra glausta apžvalga (2018).

Cai, L. L. & amp. Wang, J. Skysta biopsija plaučių vėžio imunoterapijai (apžvalga) (2019).

Rizzo, S. ir kt. KT radiogenominis EGFR, K-RAS ir ALK mutacijų apibūdinimas nesmulkialąstelinio plaučių vėžio atveju. Europos radiologija (2016).

Bakras, S. ir kt. Radiogenominis nesmulkialąstelinio plaučių vėžio duomenų rinkinys. Moksliniai duomenys 5, 180202 (2018).

Bodalal, Z., Trebeschi, S., Nguyen-Kim, T. D. L., Schats, W. & amp; Beets-Tan, R. Radiogenomics: bridging imaging and genomics (2019).

Digumarthy, S. R., Padole, A. M., Gullo, R. L., Sequist, L. V. & amp; Kalra, M. K. Ar ct radiominė analizė nsclc gali numatyti histologiją ir egfr mutacijos būseną? Vaistas 98 (2019).

Mei, D., Luo, Y., Wang, Y. & amp. Gong, J. Ct plaučių adenokarcinomos tekstūros analizė. Vėžio vaizdavimas 18, 52 (2018).

Liu, Y. ir kt. Radiominės savybės yra susijusios su egfr mutacijos būkle plaučių adenokarcinomose. Klinikinis plaučių vėžys 17, 441–448 (2016).

Vangas, S. ir kt. EGFR mutacijos būsenos prognozavimas plaučių adenokarcinomos atveju naudojant kompiuterinės tomografijos vaizdą, naudojant gilų mokymąsi. Europos kvėpavimo žurnalas (2019).

Gevaertas, O. ir kt. Prognozuojamas radiogenomikos modeliavimas egfr mutacijos būsenos plaučių vėžiu. Mokslinės ataskaitos 7, 41674 (2017).

Dias, C., Pinheiro, G., Cunha, A. & amp; Oliveira, H. P. Radiogenomika: su plaučių vėžiu susijusių genų mutacijos būsenos prognozavimas. In „IbPRIA 2019“: 9 -oji Pirėnų konferencija dėl modelio atpažinimo ir įvaizdžio analizės (2019).

Klarkas, K. ir kt. Vėžio vaizdavimo archyvas (tcia): viešos informacijos saugyklos priežiūra ir eksploatavimas. Skaitmeninio vaizdavimo žurnalas 26, 1045–1057 (2013).

Gevaertas, O. ir kt. Nesmulkialąstelinis plaučių vėžys: prognostinių vaizdų biomarkerių nustatymas, pasitelkiant viešus genų ekspresijos mikrotraumos duomenis - metodai ir preliminarūs rezultatai. Radiologija (2012).

Shen, S., Han, S. X., Bui, A. A. ir Hsu, W.Aiškiai suprantamas gilus hierarchinis semantinis konvoliucinis nervų tinklas, skirtas plaučių mazgelių piktybinių navikų klasifikacijai. Ekspertinės sistemos su programomis (2019).

Mei, D., Luo, Y., Wang, Y. Vėžio vaizdavimas (2018).

Papadopoulou, E. ir kt. Egfr ir kras mutacijų būklės nustatymas graikų nesmulkialąsteliniu plaučių vėžiu sergantiems pacientams. Onkologijos laiškai 10, 2176–2184 (2015).

Varghese, A. M. ir kt. Plaučiai nepamirškite: Kras ir egfr mutacijų profilio palyginimas ir kolegialių rūkalių ir niekada nerūkančiųjų, sergančių išplitusia plaučių vėžiu, išgyvenimas. Krūtinės onkologijos žurnalas 8, 123–125 (2013).

Doganas, S. ir kt. Egfr ir kras mutacijų molekulinė epidemiologija 3026 plaučių adenokarcinomose: didesnis moterų jautrumas su rūkymu susijusioms Kras-mutantinėms vėžio formoms. Klinikiniai vėžio tyrimai 18, 6169–6177 (2012).

Yip, S. S. ir kt. Asociacijos tarp somatinių mutacijų ir metabolinio vaizdavimo fenotipų nesmulkialąstelinio plaučių vėžio atveju. Branduolinės medicinos žurnalas (2017).

Yip, S. S. ir kt. Eksperimentinio dizaino įtaka PET radiomikai prognozuojant somatinių mutacijų būseną. Europos žurnalas „Radiologija“ (2017).

Zhang, H., Cai, W., Wang, Y., Liao, M. & amp. Tian, ​​S. CT ir klinikinės charakteristikos, numatančios EGFR mutacijos riziką nesmulkialąstelinio plaučių vėžio atveju: sisteminė apžvalga ir metaanalizė. Tarptautinis klinikinės onkologijos žurnalas (2019).

Hosny, A. ir kt. Gilus plaučių vėžio prognozavimo mokymasis: retrospektyvus kelių kohortų radiomikos tyrimas. PLoS medicina (2018).

Wilson, R. & amp; Devaraj, A. Plaučių mazgelių ir plaučių vėžio radiomika (2017).

Yamashita, R., Nishio, M., Kinh, R., Do, G. & amp. Togashi, K. Konvoliuciniai neuroniniai tinklai: radiologijos apžvalga ir taikymas. Įžvalgų vaizdavimas 9, 611–629 (2018).

Davidson, M. R., Gazdar, A. F. & amp; Clarke, B. E. Esminis patologijos vaidmuo gydant plaučių vėžį (2013).

Doshi, J. A., Hendrick, F. B., Graff, J. S. & amp. Stuart, B. C. Duomenys, duomenys visur, bet prieiga išlieka didelė problema tyrėjams: viešai finansuojamų pacientų sveikatos priežiūros duomenų prieigos politikos apžvalga JAV. eGEM (įrodymų ir metodų generavimas, siekiant pagerinti pacientų rezultatus) (2016).

Kahn, C. E., Carrino, J. A., Flynn, M. J., Peck, D. J. & amp; Horii, S. C. Dicom ir radiologija: praeitis, dabartis ir ateitis. Amerikos radiologijos koledžo žurnalas 4, 652–657 (2007).

Bakras, S. ir kt. Duomenų aprašas: nesmulkialąstelinio plaučių vėžio radiogenominis duomenų rinkinys. Moksliniai duomenys (2018).

Kalra, A. Žmonių modelių kūrimas iš medicininių vaizdų. Yang mieste K.-H. (red.) Pagrindinis baigtinių elementų metodas, taikomas traumų biomechanikai (2018).

Bolliger, S. A., Oesterhelweg, L., Spendlove, D., Ross, S. & amp. Thali, M. J. Ar įmanoma diferencijuoti dažnai pasitaikančius svetimkūnius lavonuose, matuojant Hunsfieldo tankį? Teismo medicinos žurnalas 54, 1119–1122 (2009).

Van Griethuysen, J. J. ir kt. Kompiuterinė radiomikos sistema, skirta iššifruoti radiografinį fenotipą. Vėžio tyrimai 77, e104 – e107 (2017).

Prochazka, A., Grafova, L., Vyšata, O. & amp Caregroup, N. Trimatis bangų transformacija daugialypiame biomedicininiame tūrio apdorojime. In Proc. IASTED tarptautinės grafikos ir virtualios realybės konferencijos, Kembridžo, 263–268 (2011).

Fotin, S. V., Reeves, A. P., Biancardi, A. M., Yankelevitz, D. F. & amp; Henschke, C. I. Daugialypis galasinio filtravimo metodo laplacianas automatizuotam plaučių mazgelių aptikimui iš viso plaučio mažos dozės ct skenavimo. In Medicininis vaizdavimas 2009: kompiuterinė diagnostika, t. 7260, 72601Q (Tarptautinė optikos ir fotonikos draugija, 2009).

Hanselis, D. M. ir kt. Fleischnerio visuomenė: krūtinės ląstos vaizdavimo terminų žodynas. Radiologija 246, 697–722 (2008).

Abdi, H. ir Williams, L. J. Pagrindinė komponentų analizė. In Biometrijos enciklopedija (2009).

Maaten, L. prieš d. & amp; Hinton, G. Duomenų vizualizavimas naudojant t-sne. Mašinų mokymosi tyrimų žurnalas 9, 2579–2605 (2008).

Chawla, N. V., Bowyer, K. W., Hall, L. O. & amp; Kegelmeyer, W. P. Smote: sintetinių mažumų per daug mėginių ėmimo technika. Dirbtinio intelekto tyrimų žurnalas 16, 321–357 (2002).

Chen, T. & amp. Guestrin, C. XGBoost: keičiamo dydžio medžio didinimo sistema. In ACM SIGKDD tarptautinės žinių atradimo ir duomenų gavybos konferencijos medžiaga (2016).

Nishio, M. ir kt. Kompiuterinė plaučių mazgelio diagnostika naudojant gradiento medžio didinimą ir Bayeso optimizavimą. PLOS ONE (2018).

Zhangas, X. ir kt. Su vėžiu susijusių ilgų nekoduojančių RNR identifikavimas naudojant labai tiksliai „XGBoost“. Priekyje. Genet. 10, 1–14 (2019).