§42. «Биоинформатика» ұғымы
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: биоинформатика рөлін сипаттау.
Биологияда гибридтеу (гибридизация) нәтижесінде пайда болған фенотиптерді қарастыру кезінде статистикалық, математикалық анализді кім бірінші болып қолданды? Қазіргі кезде жаратылыстану ғылымдарының біреуі болса да, математикалық әдістерді және информатика жетістіктерін (компьютерлік модельдеуді және компьютерлік алгоритмдер көмегімен анализ жасау) пайдаланбай дами алады ма?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 9-сыныптан 26-параграфты қайталау керек.
Биоинформатика – әдістер мен тәсілдер жиынтығы, оған:
1) салыстырмалы геномикада (геномдық биоинформатика) компьютерлік анализдің математикалық әдістері;
2) нәруыздардың кеңістіктік құрылымын (құрылымдық биоинформатика) болжау үшін алгоритмдер мен бағдарламалар жасау;
3) есептеуіш әдіснама, сондай-ақ биологиялық жүйелердің ақпараттық желісін жалпы басқаруға сәйкес келетін стратегияларды зерттеу кіреді.
Биоинформатикада қолданбалы математика, статистика және информатика әдістері қолданылады. Оның өзі биохимия, биофизика, экология және басқа салаларды қамтиды.
Биоинформатика инструменттерін зерттеуде қолдану деген компьютерлік модельдеу және математикалық (статистикалық) анализ әдістерін биологиялық жүйелер жұмысының қандай да бір аспектісін анықтау үшін қолдануды білдіреді. Егер биоинформатика инструменттерін қолданудың барлық аспектілерін биология салалары бойынша шартты түрде бөлсек, едәуір қажет бағыттар мыналар:
1) тұқымқуалаушылықтың молекулярлық-генетикалық аспектілерін талдау және бағалау;
2) экология және эволюция;
3) физиология және медицина (фармакология мен ветеринарияны қосқанда).
Бағыттардың әрқайсысының сипаттамаларына толығырақ тоқталайық.
Биоинформатиканы молекулярлық-генетикалық аспектілерді талдау кезінде пайдалану. Биоинформатика инструменттерінің едәуір үлесі генетикалық ретті «табу» кезінде қолданылады. Егер адамның гаплоидты жиынтығында болатын ген мөлшерін, ДНҚ молекуласының бүкіл ұзындығын, нуклеотидтердің жалпы мөлшерін ескерсек, онда астрономиялық цифрлар алынады. Ондай жұмысқа компьютерді пайдаланбай болмайды. Бұл – «геномды компьютерлік құрастыру»; бар мәліметтер негізінде (геннің орналасуы, оның ізашар – промотор нуклеотидті реті және т.б.) ген экспрессиясын болжау; нәруыз қызметін болжау; геном нұсқаларын және олармен ассоциациялық фенотиптер (бұл бағыт ауылшаруашылығында да, табиғат қорғау ісінде де, адамдарды фенотиптік – нәсілдік, ұлттық топтар бойынша бөлуде де) және т.б.
Нақты мысалдардың біріне реттілікті туралау әдісі жатады. Екі немесе одан көп ДНҚ, РНҚ мономерлері ретінің немесе нәруыздардың бірінің астына бірі осы ретте ұқсас бөліктерді оңай көруге болатындай орналасуына негізделген биоинформатикалық әдіс. Екі молекуланың бірінші реттік құрылымының ұқсастықтары олардың қызметтік, құрылымдық не эволюциялық өзара байланысын көрсетуі мүмкін. Бұл әдіс ағзалардың молекулярлық-генетикалық немесе биохимиялық туыстығын анықтау кезінде қолданылады, олардың эволюциялық жақындығын (туыстығын) көрсетеді.
Биоинформатиканы бионикада пайдалануды дара оқиға деп есептеуге болады.
Бионика – техникалық құрылғыларда және жүйелерде жанды (тірі) табиғаттың құрылымдық принципін, қасиеттерін, қызметі мен құрылымын, яғни тірі ағзаның табиғаттағы формалары және олардың өнеркәсіптік аналогтарын қолдану туралы қолданбалы ғылым. Қарапайым сөзбен айтқанда, бионика – биология мен техниканың қосылысы. Ол биология мен техниканы жаңа қырынан қарастырып, табиғат пен техникада қандай жалпы ұқсастықтары мен айырмашылықтары бар екенін түсіндіреді. Ал техникалық құрылғыларды компьютерлік модельдеусіз орналастыру мүмкін емес.
Биониканы былай бөледі:
• биологиялық жүйелерде жүретін үдерістерді зерттейтін биологиялық бионика;
• осы үдерістердің математикалық моделін жасайтын теориялық бионика;
• теориялық бионика модельдерін инженерлік мәселелерді шешу үшін пайдаланатын техникалық бионика.
Бионика биология, физика, химия, кибернетика және инженерлік ғылымдар: электроника, навигация, байланыс, теңіз ісі және т.б. салалармен тығыз байланысты.
Биоинформатиканы экологияда пайдалану барлық экожүйелер өте күрделі әрі көп құрамбөлікті жүйе бола отырып, барлық әлем бағынатын энергетикалық заңдарға бағынатынына негізделген. Сәйкесінше алуантүрдің әртүрлі қоректік деңгейде өндіретін және пайдаланатын энергия мөлшері туралы мәліметтер болса, экожүйе үшін белгілі бір түрдің (өсімдіктер, жануарлар, микроағзалар және т.б.) «жойылу» не «қоныстану» салдарын есептеуге болады. Биоинформатиканың эволюциядағы рөлі қазір тіршілік ететін және жойылып кеткен түрлердің геном ретін талдауға тығыз байланысты. Яғни ол бірінші кезекте палеогенетиктер, салыстырмалы биология, эволюция модельдеуі үшін қызығушылық тудырады.
Биоинформатиканы медицина, фармакология, физиологияда пайдалану дәрі-дәрмектер жасауда (биохимиялық реакцияларды компьютерлік модельдеу), генетикалық ауруларға неонатальді диагностикада (тумай тұрып және туа салып бірден), медициналық-биологиялық генетикалық консультацияда кеңінен қолданылады. Сонымен қатар қазіргі кезде Қазақстанда аудандағы, қаладағы, болашақта жалпы елдегі бір медициналық мекеме шегінде медициналық мәліметтерді сақтау, өңдеу және шұғыл автоматты түрде алудың әмбебап компьютерлік жүйелері жасалмақшы.
Заманауи биология ескішілікке негізделген әдістермен өңдеу мүмкін емес алып мәліметтер көлемімен жұмыс істейді. Компьютерлік техника мен ақпараттық технологияны пайдаланбай, биологтар үнемі артып отыратын мәліметтер көлемін өңдеу, сақтау және пайдалану міндетін атқара алмайды. Бұл жерде де биоинформатиканың көмегі зор.
Жалпы мағынасында, биоинформатика – бұл компьютерлік, математикалық және статистикалық әдістерді биологиялық есептерді шығару үшін пайдалану. Қазіргі кезде биологиялық зерттеулер өте алуан түрлі, «омика» деп аталатын (геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика және т.б.) бірқатар жаңа ғылымдар пайда болды. Олардың көбісі заманауи биологияда өз орнын алды. Сонымен қатар мүлде пәнаралық ғылыми бағыттар да, мысалы, жүйелік биология сияқты сала бар. Оның мақсаты – тірі жүйелердегі өзара әсерді зерттеп және модельдеп, барлығын бірыңғай түрге біріктіру. Биоинформатика, бұл мағынада ерекше, биологияның жаңа саласы немесе екі ғылымға да тән заманауи пәнаралық бағыт ретінде қарастырылады.
Биоинформатика, молекулярлы генетика, фармакология, физиология, бионика.
Білу және түсіну:
1. Бионика нені зерттейді? Ол қандай ғылымдармен байланысты?Атаңдар.
2. Биоинформатиканы дамыту не үшін маңызды екенін түсіндіріңдер.
3. Биоинформатика мен биологияның кейбір басқа бөлімдері арасындағы байланысты анықтаңдар.
Қолдану:
1. Бір немесе бірнеше мономер: ДНҚ, РНҚ не нәруыздарды бірінің астына бірін орналастырып, олардың генетикалық ұқсастықтары мен айырмашылықтарын қарастыратын әдіс не үшін қолданылады? Ол арқылы нені анықтайды?
2. Әртүрлі елдерде заманауи медицина биоинформатика көмегімен қалай дамып жатқанына мысалдар келтіріңдер.
Талдау:
1. Биоинформатика әдістерін пайдалануды сызба түрінде бейнелеңдер.
2. Мәліметтерді біріктіру бойынша Қазақстанда қандай шаралар жүргізілуде? Мысалдармен дәлелдеңдер. «Цифрлау» тек бір ғылымға қатысты ма?
Синтез:
1. Биоинформатика сала ретінде 10, 20, 30 жыл кеш немесе ерте қалыптаса алатын ба еді? Әрбір уақыт мерзіміне қатысты жауаптарыңды негіздеңдер.
2. Тірі жүйелердің (экожүйе, жасуша, ағза) шынайы үдерістерді абсолютті дәл көрсете алатын компьютерлік моделін жасауға бола ма, жоқ па? Талқылаңдар.
Бағалау:
Ғылыми мәліметтерді өңдеуге қалай көмектесетінін талқылаңдар және бағалаңдар. Неге қазіргі кезде ғылымның көптеген жаңа салалары, аралас пәндердің (биохимия, биофизика, биоинформатика, биотехнология) пайда болу себептері туралы пікірлеріңді айтыңдар. Бұл адамзатқа қалай көмектеседі? Жаңа аралас ғылымдарды әрі қарай дамыту қажет деп есептейсіңдер ме? Немесе пәнаралық бағыттарды жасауды тоқтатып, мәселелерді бір ғылым шегінде шешу керек деп ойлайсыңдар ма?