Multiscale Modeling of Developmental Systems, Volume 81 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Santiago Schnell

出品人:

页数:552

译者:

出版时间:2007-12

价格:1482.00 元

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isbn号码:9780123742537

丛书系列:

图书标签:

• Multiscale modeling
• Developmental biology
• Systems biology
• Computational biology
• Mathematical modeling
• Pattern formation
• Morphogenesis
• Cell differentiation
• Embryogenesis
• Biological networks

动态生命系统的多尺度建模：从分子到个体的整合视角 本卷深入探讨了生命系统在不同尺度上的动态演化机制，着重于整合分子、细胞、组织、器官乃至整个个体的多尺度建模方法。生命作为一个复杂而有序的涌现现象，其本质在于不同层级间的相互作用与信息传递。传统的研究方法往往侧重于单一尺度下的细枝末节，而本卷则致力于构建一个统一的理论框架，以理解和预测生命系统在发育过程中的行为。 第一部分：分子层面的动态建模 生命活动的基石在于分子的相互作用。本部分将聚焦于如何精确地模拟生物分子，如蛋白质、核酸和代谢物的动力学行为。我们将探讨各种计算方法，包括分子动力学模拟、蒙特卡洛方法以及基于反应速率方程的化学动力学建模。重点将放在如何捕捉分子构象变化、相互作用网络的形成与解离，以及能量在分子尺度上的传递。 蛋白质折叠与功能预测： 探索基于物理原理和机器学习的蛋白质三维结构预测模型，以及如何模拟蛋白质在胞内环境中的动态折叠过程，并将其与酶活性、信号转导等功能关联起来。 基因调控网络的建模： 深入分析转录因子、表观遗传修饰和非编码RNA在基因表达调控中的作用。我们将介绍如何构建能够捕捉时空动态性的基因调控网络模型，从而理解细胞命运决定和分化过程。 代谢通量分析与调控： 探讨如何利用同位素标记实验数据和约束基础代谢模型，来量化和分析细胞内的代谢流。我们将进一步研究代谢网络如何响应环境变化和信号输入，以及其在能量产生和生物合成中的核心作用。 分子识别与结合动力学： 关注配体与受体、抗原与抗体等生物分子识别过程的建模。通过模拟分子间的结合、解离速率以及结合位点的动态变化，来理解细胞信号通路激活和免疫反应的起始。 第二部分：细胞层面的行为模拟 单个细胞并非孤立的存在，其行为受到内部分子调控和外部微环境的共同影响。本部分将重点关注细胞的形态变化、运动、增殖、凋亡以及与其他细胞的相互作用。我们将介绍如何将分子层面的信息转化为细胞层面的行为，并研究细胞群体的涌现现象。 细胞形态动力学建模： 运用细胞内骨架动力学、膜张力以及细胞外基质相互作用等模型，来模拟细胞形状的实时变化。这将有助于理解细胞迁移、吞噬作用以及细胞器在细胞内的分布。 细胞迁移与趋化性： 探讨细胞如何感知化学梯度、机械信号以及细胞外基质的组成，并据此调整其运动方向和速度。我们将介绍基于随机游走、偏振模型以及力学相互作用的细胞迁移模型。 细胞周期调控与增殖： 深入研究细胞周期中关键蛋白的磷酸化、去磷酸化以及其相互反馈调控。我们将分析如何构建描述细胞周期进展、DNA复制和细胞分裂的数学模型，以理解正常的细胞增殖和异常的癌变机制。 细胞凋亡的分子与形态关联： 探索凋亡信号通路激活后，如何引发一系列分子事件，并最终导致细胞形态的瓦解。我们将结合分子事件链和细胞形态变化的模拟，来深入理解程序性细胞死亡的过程。 细胞-细胞相互作用与信号传递： 关注细胞连接、细胞间通讯（如旁分泌、自分泌）以及群体感应等现象的建模。这将有助于理解组织形成、胚胎发育以及免疫细胞的协同作用。 第三部分：组织与器官层面的结构与功能集成 生命系统的高级功能依赖于大量细胞有序地组织成具有特定功能的组织和器官。本部分将聚焦于如何将细胞层面的行为整合起来，以模拟组织的生长、形态发生、功能维持以及损伤修复。 组织生长与形态发生： 运用细胞增殖、细胞迁移、细胞分化以及细胞间力学相互作用的联合模型，来模拟复杂组织结构的形成。我们将特别关注胚胎发育中的形态发生过程，如器官的形成和模式建立。 力学在组织工程中的作用： 探讨力学因素（如张力、剪切力、压力）如何影响细胞行为、组织生长和分化。我们将介绍生物力学模型在组织工程支架设计和再生医学中的应用。 器官的功能建模： 针对特定器官（如心脏、肝脏、神经系统），我们将介绍如何建立跨越多个尺度的模型，以模拟其生理功能。例如，心脏模型的建模将涵盖心肌细胞的电生理活动、心肌组织的收缩以及整个心脏的泵血功能。 疾病模型与药物开发： 探索如何利用多尺度建模来模拟疾病的发生和发展过程，例如肿瘤的生长和转移、心血管疾病的进展。这将为新药的靶点发现和药物疗效预测提供强大的工具。 第四部分：个体层面的系统整合与 emergent 行为 最终，生命系统的涌现行为体现在整个个体层面。本部分将尝试将不同层级的模型进行整合，以理解整个生命体的复杂性，包括行为、生理稳态以及对环境的响应。 行为的神经-肌肉耦合建模： 探索如何将神经信号传递、肌肉收缩以及感官输入的整合，来模拟生物体的运动行为。 生理稳态的调控网络模型： 关注内分泌系统、免疫系统以及神经系统如何协同工作，维持体内环境的稳定。我们将构建描述这些系统间复杂反馈回路的模型。 全生命周期模拟的挑战与展望： 讨论如何构建覆盖从受精卵到衰老整个生命周期的模拟模型，以揭示生命过程的深层规律。 本卷的作者团队汇聚了来自生物学、物理学、数学、计算机科学和工程学领域的顶尖专家。通过理论推导、计算模拟和实验验证相结合的方式，我们致力于为生命科学的研究提供一套强大的多尺度建模工具，加速对生命奥秘的探索。本书适合对生命系统动力学、计算生物学、系统生物学、生物工程以及相关交叉学科感兴趣的研究人员、博士后和高年级本科生阅读。

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我试图从中寻找一些关于实际实验数据如何反馈到模型修正过程的案例研究，但收获甚微。很多模型参数似乎是凭空“调优”出来的，或者基于一些教科书式的假设，缺乏与最新、最尖端的体内成像技术相结合的讨论。例如，当我们现在可以通过活体显微镜实时追踪单个细胞的命运轨迹时，一个好的多尺度模型理应能利用这些数据来约束其时间尺度的选择和空间分辨率的设定。然而，这本书的大部分篇幅似乎停留在对经典模型框架的深入挖掘上，比如经典的反应-扩散系统或基于粒子的模拟方法，对于如何将高维、高通量实验数据的复杂性整合进去，探讨得不够深入。这就像是拥有一台最新款的超级计算机，却还在用几十年前的程序去运行它。我本以为这本被誉为“Volume 81”的权威著作，能够代表当前学科的最高水平，即理论建模与前沿实验的无缝对接，但它更像是一本对既有理论体系的详尽总结，略显保守和滞后。这对于那些希望利用前沿技术推动建模研究的年轻学者来说，可能会感到有些力不从心。

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这本书的封面设计透露着一种严谨而深邃的学术气质，那种深蓝色调和简洁的几何图形组合，让我想起那些经典的高等数学教材，虽然内容可能截然不同，但视觉上的冲击力是相似的。我本来期待着能在这本书里找到关于复杂系统动力学在生物发育领域应用的一些前沿见解，特别是那种能将宏观现象与微观机制进行有效桥接的理论框架。然而，当我翻开目录时，发现其侧重点似乎更偏向于计算方法论和大规模数据分析，而非我更感兴趣的那些基于生物物理学的、更具解释性的模型构建过程。书中的章节标题，比如“基于网格的数值模拟技巧”和“大规模并行计算在形态发生中的应用”，虽然技术性很强，但对于一个致力于理解发育生物学基本原理的研究者来说，未免显得有些过于工具导向了。我希望看到的更多是关于如何将不同尺度上的生物学约束（比如细胞间粘附力、扩散梯度的时间常数）内化到数学模型中的哲学思考和实际操作指导，而不是纯粹的算法优化指南。这本书似乎更像是为那些已经精通某一特定计算工具，并希望将其效率推向极致的工程师或计算科学家准备的宝典，对于我这种更看重模型直观性和生物学可解释性的读者来说，它提供的信息密度虽然很高，但相关性却有所欠缺，读起来像是在阅读一本高级数值分析的教科书，而不是一本关于发育系统建模的综合性指南。这种差异让我不得不重新审视我对“多尺度建模”这个概念的期望。

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本书的章节组织结构略显僵硬，缺乏一种叙事的流畅性，更像是一系列高度专业化的技术报告的集合体。每一章都独立地深入探讨了一个特定的建模技术——从有限元方法到格子玻尔兹曼方法——但这些技术之间的内在联系和它们在解决同一发育问题时各自的优劣对比，阐述得并不清晰。如果说多尺度建模的精髓在于“尺度间的耦合与切换”，那么这本书在体现这种“耦合”方面做得远不如在“描述各个尺度下的工具”方面做得细致。我原本期望看到一个明确的路线图，指引读者如何根据特定的生物学问题（例如，细胞铺展、组织折叠或血管生成）来选择或组合最合适的建模范式。取而代之的是，我得到了一系列独立的、技术性极强的模块，需要读者自己去进行高难度的整合和取舍。这种碎片化的呈现方式，使得这本书更适合作为特定技术领域的参考手册，而不是一本能够建立起学科全局观的入门或进阶读物。对于那些想要构建跨尺度理论框架的研究者来说，这本宝典提供的“砖块”虽然坚固，但“蓝图”却需要我们自己去绘制。

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这本书的行文风格极其精炼，仿佛每一个词语都经过了严格的筛选，力求在最短的篇幅内塞入最多的信息量。这种密度感在学术著作中本应是优点，但在这里，却产生了一种令人窒息的疏离感。我花了好大力气才跟上作者的思路，特别是那些涉及到高阶偏微分方程组的推导部分，几乎没有提供任何铺垫性的解释，直接就进入了复杂的数学表述。这不禁让我思考，作者预设的读者群体究竟拥有何种背景？他们是否已经对生物学中的细胞行为、组织力学乃至基因调控网络有了深入的、量化的理解？对于我这样需要一些“人话”来连接抽象数学和具体生物学观察的读者来说，这简直是一场智力上的马拉松。例如，书中提到了一种新的边界条件处理方法来模拟细胞迁移的随机性，但对这种随机性在真实发育过程中扮演的生物学角色却轻描淡写，仿佛随机性本身就是一个可以被轻易“解决”的数学问题。我更期待看到的是，作者如何论证为何这种特定的随机性（比如噪声的强度和频率）对最终器官形状的形成至关重要，以及这种模型如何比更简单的决定论模型提供了实质性的进步。遗憾的是，这本书似乎更专注于展示“如何做”，而非“为何要这么做”。

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关于“发育系统”这个核心主题，书中对生物学细节的关注度似乎也存在明显的偏科现象。在某些章节，对物理约束（如弹性、粘性）的数学描述达到了令人赞叹的精细度，微分方程组的维度之高，令人咋舌。然而，当涉及到细胞识别、信号转导的非线性动力学，或者更抽象的表观遗传调控在形态形成中的作用时，这些生物学驱动因素却常常被简化成几个线性项或者简单的阈值函数，仿佛它们只是物理过程的次要调味品。这种“物理至上”的倾向，让我感到非常遗憾。因为在真实的发育过程中，信号的逻辑性和细胞的身份决定才是塑造复杂结构的根本动力，物理力学更多的是执行和反馈的层面。如果模型不能准确捕捉到这些决定性的生物学逻辑，那么再精密的数值求解器也只能得到一个在物理上看起来合理、但在生物学上毫无意义的结果。这本书似乎错失了将尖端计算技术与当代发育生物学核心理论进行深度融合的最佳契机，留下了一丝遗憾的理论孤岛感。

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