Informatyka, Prace magisterskie
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Uniwersytet Gda«ski
Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki
Przemysław Urban
Kierunek studiów: INFORMATYKA
Numer albumu: 140081
Symulacja Monte Carlo procesu
starzenia si¦ biologicznego
Praca magisterska
napisana pod kierunkiem
dr hab. Danuty Makowiec, prof. UG
Gda«sk 2009
Spis tre±ci
Wst¦p
4
1 Starzenie si¦ jako proces biologiczny
6
1.1 Organizmy, ich budowa oraz struktura . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Populacja i zmiany ewolucyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Mutacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Starzenie si¦ i ±mier¢ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5 Model i prawo Gompertza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Model Penna
31
2.1 Reprezentacja osobników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Przebieg »ycia oraz ±mier¢ osobników . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Rozmna»anie i mutacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Mutacje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Rozmna»anie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Wyniki standardowego modelu Penna . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5 Modyfikacje modelu Penny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1 Model Penna z zale»nym od mutacji czynnikiem Verhulsta . 40
2.5.2 Model Penna z pozytywnymi mutacjami . . . . . . . . . . . 42
2.5.3 Katastrofalne starzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2
2.5.4 Atlantycki dorsz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6 Efekt Ewy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Implementacja modelu
45
3.1 Kod ¹ródłowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1 Główny plik programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.2 Kod j¡dra stworzonego w technologii Ati Stream . . . . . . . 61
3.2 Parametry wej±ciowe symulacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 Wyj±cie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.1 Standardowy model Penna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.2 Symulacja odłowów dorsza bałtyckiego . . . . . . . . . . . . 67
3.4 Implementacja modelu Penna, opis głównego mechanizmu symulacji 69
3.4.1 Rdze« programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.2 Reprezentacja osobników oraz sposób przetrzymywania po-
pulacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4.3 Budowanie populacji pocz¡tkowej . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4.4 Czynniki decyduj¡ce o »yciu b¡d¹ ±mierci osobników . . . . 75
3.4.5 Rozmna»anie i towarzysz¡ce mu mutacje . . . . . . . . . . . 77
3.5 Biblioteki oraz ich wykorzystanie w zale»no±ci od typu architektury
maszyny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.1 STL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.2 MPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.3 Technologia ATI Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.4 Generatory liczb pseudolosowych . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.6 Dorsz bałtycki - modyfikacja symulacji . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6.1 Podstawy biologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.6.2 Implementacja modyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3
4 Do±wiadczenia oraz ich wyniki
108
4.1 Sposób przeprowadzenia do±wiadcze« . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.1 Narz¦dzia u»yte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.1.2 Parametry dla standardowego modelu Penna . . . . . . . . . 109
4.1.3 Procedura dla zmodyfikowanego modelu symuluj¡cego odło-
wy bałtyckiego dorsza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Wyniki do±wiadcze« dla standardowego modelu Penna . . . . . . . 112
4.2.1 Do±wiadczenia referencyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.2 Wpływ parametrów
N
0
oraz b na populacj¦ . . . . . . . . . 122
4.2.3 Wpływ parametru R na populacj¦ . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.4 Wpływ parametru T na populacj¦ . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.2.5 Wpływ parametru m na populacj¦ . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3 Wyniki do±wiadcze« dla symulacji odłowów bałtyckiego dorsza . . . 144
4.3.1 Do±wiadczenia dla minimalnego wieku odławianych ryb usta-
lonego na warto±¢ 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.2 Do±wiadczenia dla minimalnego wieku odławianych ryb usta-
lonego na warto±¢ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.3.3 Do±wiadczenia dla minimalnego wieku odławianych ryb usta-
lonego na warto±¢ 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.4 Uj¦cie statystyczne wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.5 Wnioski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Bibliografia
172
4
Wst¦p
Niniejsza praca dotyczy modelu Penna zaproponowanego w 1995 roku oraz
mo»liwo±ci jego zastosowania przy odzwierciedlaniu naturalnych zjawisk wyst¦-
puj¡cych w przyrodzie. Został on stworzony z my±l¡ o odwzorowaniu problemu
starzenia si¦ populacji na posta¢ komputerowej symulacji.
Pierwszy rozdział pracy został po±wi¦cony przedstawieniu zasadniczej wiedzy
wymaganej do poruszenia tematu starzenia si¦ i akumulacji mutacji. Zawarte s¡ w
nim definicje oraz wymienione i obja±nione poj¦cia zwi¡zane z zagadnieniami bu-
dowy organizmów, genetyk¡, starzeniem si¦, populacjami. Przedstawione jest tak»e
prawo Gompertza wraz z przykładami. Teoria ta jest niezb¦dna do prawidłowego
zrozumienia dalszej cz¦±ci pracy.
Drugi rozdział obejmuje wiedz¦ dotycz¡c¡ samego modelu Penna wraz z kil-
koma modyfikacjami. Opisany jest w tym rozdziale tak»e przykład u»ycia owego
modelu do badania populacji ryb wyst¦puj¡cych w Oceanie Atlantyckim.
Rozdział kolejny zawiera kod wraz z wyja±nieniem mechanizmów zawartych w
nim oraz wyja±nienie metody implementacji zasad zawartych w modelu.
Rozdział ostatni zawiera przedstawienie procedur u»ytych przy przeprowadza-
niu do±wiadcze«. Znajduj¡ si¦ w nim tak»e wyniki otrzymane poprzez wykonanie
programu implementuj¡cego podstawowy model jak równie» wersji zmodyfikowa-
nej dotycz¡cej zagadnienia odłowów dorsza bałtyckiego.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]