Vpliv fluktuacij, variabilnosti in topološke organiziranosti fizikalnih in bioloških sistemov na optimizacijo njihovega delovanja : doktorska disertacija

angleški
slovenski

doktorska dela

2011

dinamični sistemi   Disertacije   diverzitetno-inducirana resonanca   koherenčna resonanca   kompleksne mreže   Nelinearni dinamični sistemi   prostorsko vpete mreže   sklopljeni oscilatorji   stohastična resonanca   stohastični procesi   variabilnost

Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko

V doktorski disertaciji je preučevano in analizirano obnašanje različnih nelinearnih dinamičnih sistemov, na podlagi katerih je možno opisati delovanje številnih bioloških in fizikalnih sistemov. Ker sta za vse realne sisteme značilna prisotnost fluktuacij in heterogenost gradnikov, je tema dejavnikoma posvečena posebna pozornost. V prvem delu je dokazano, da lahko tako pravšnja intenziteta intrinzičnega šuma, ki je posledica naključnih procesov na molekularni ravni, kot pravšnja mera variabilnosti, konstruktivno vplivata na prostorsko dinamiko sklopljenih bioloških oscilatorjev. V okviru tega so izpeljani in raziskani tudi pogoji, pod katerimi je mogoče koherentno dinamiko v prostor vsiljevati z lokalnim vzpodbujevalnikom. Šum in heterogenost gradnikov lahko ključno krojita tudi obnašanje sistemov mehke snovi. V disertaciji je pokazano, da se lahko v polimersko-stabilizirani feroelektrični celici tekočega kristala manifestira pojav stohastične resonance. Ob tem je sistematično analiziran sovisen vpliv dinamičnega šuma in različnih izvorov statičnega nereda, ki so značilni za sisteme mehke snovi. Napredek pri raziskavah kompleksnih mrež, ki smo mu priča v zadnjem desetletju, je vzpodbudil raziskave različnih dinamičnih fenomenov tudi z vidika načina povezav, ki posamezne elemente povezujejo v celoto. V luči teh trendov je v drugem delu disertacije analiziran doseg šibkega vzpodbujevalnika v sistemu stohastično motenih oscilatorjev, za katerega se izkaže, da je znatno večji v primeru kompleksne topološke organiziranosti. V nadaljevanju je naslovljeno vprašanje optimalne strukture mreže, ki vodi do največje regularnosti stohastično induciranih oscilacij. V nasprotju s pričakovanji do optimalnega odziva ne vodi najučinkovitejša skalno neodvisna mreža, pač pa manj heterogena mreža, v kateri so prisotne interakcije dolgega in kratkega dosega, kar je povezano s kritičnim vedenjem v sestavi mreže. V zadnjem delu doktorske disertacije je izdelan mrežni model tkiva, sestavljenega iz gladkih mišičnih celic pljučne arterije na podlagi katerega so razložene eksperimentalne meritve kontrakcije gladkih mišičnih celic iz zdravih in kronično obolelih podgan. Pri tem je posebna pozornost namenjena celični variabilnosti in patofiziološki vlogi topološke organiziranosti medceličnih povezav.

08.08.2023