基于复杂网络动力学模型的微生物网络推断与应用研究
发布时间：2020-12-06 17:45
利用动力学分析方法理解、刻画、解析、控制复杂系统是复杂性科学的前沿问题,也是研究复杂系统的最终目标,在生命系统、社会系统等所有的复杂系统中有着广泛应用。在地球最具有代表性的一类复杂系统是生态系统。生态系统的概念尺度很广,小到人的肉眼不可见的微生物,大到江河湖海。在生态系统内部,每个组元、物种、环境联合起来发挥整体作用。在所有的生态系统中,微生物系统因为数量巨大,分布广泛,对维持人体、动植物、生态环境健康运行起着至关重要的作用,越来越受到研究者的关注。同时随着测序手段的进步和测序费用的下降,积累了愈来愈多的微生物数据,为深入理解微生物系统奠定了基础。本文以复杂系统理论、系统动力学为指导,综合运用图论、运筹学、概率论、矩阵论、数理统计、计算机仿真等多学科领域知识,从“建模预测控制”的角度,本文研究核心围绕“微生物网络推断及其调控物种生长”展开。论文整体分为三步走:第一步通过复杂网络动力学建模将生态系统刻画成一类带有动力学性质的生态网络;第二步通过微生物网络推断刻画物种间的相互作用方式或强度;最后根据微生物网络(或者利用第二步推断出的网络),考虑到网络效应挑选物种组合以达到调控目标物种丰度的...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号使用说明
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 认识复杂系统
1.1.2 复杂系统与复杂网络
1.1.3 复杂网络上的动力学过程
1.1.4 复杂生态系统与生态网络
1.1.5 一类典型的微生物群落
1.1.6 菌群失调导致的疾病及其治疗方案
1.2 研究目的和意义
1.3 国内外相关领域研究现状
1.3.1 从获取微生物数据到推断微生物网络
1.3.2 微生物网络推断的常用方法
1.3.3 微生物网络推断中面临的挑战
1.3.4 挑选有效物种调控菌群面临的挑战
1.4 论文的主要工作
1.4.1 核心问题和研究思路
1.4.2 论文框架
第二章 微生物网络推断的理论框架
2.1 数学模型
2.1.1 通用种群动力学
2.1.2 物种间的相互作用
2.1.3 Jacobian矩阵
2.1.4 数学几号
2.2 假设Jacobian矩阵满足符号不变性
2.3 从样本中检验Jacobian矩阵是否满足符号不变性
2.4 微生物网络推断的理论框架
2.4.1 理论推导
2.4.2 推断物种间的相互作用关系
2.4.3 推断物种间是否存在相互作用
2.5 当Jacobian矩阵变号时依旧可以推断网络结构和作用类型
第三章 基于通用种群动力学的物种间相互作用类型的推断
3.1 推断物种间的相互作用类型的几何表示
3.2 暴力搜索算法
3.2.1 暴力搜索算法的伪代码
3.2.2 暴力搜索算法的时间复杂度
3.3 启发式算法
3.3.1 定义符号满足问题
3.3.2 基于图方法解决符号满足问题
3.3.3 使用超平面的交线对符号满意度图中的路径进行采样
3.3.4 结合符号满足和超平面交线的启发式算法
3.4 使用模拟数据验证启发式算法
3.4.1 应用启发式算法推断物种间的相互作用类型
3.4.2 应用启发式算法推断网络结构
3.5 总结
第四章 基于GLV模型的物种间相互作用强度的推断
4.1 推断物种间相互作用強度和生长速率
4.1.1 微生物群落符合GLV模型的判据
4.1.2 利用正則化拟合超平面
4.1.3 使用Knockoff filter控制错误发现率
4.2 使用模拟数据推断微生物网络的相互作用強度
4.3 盲目推断微生物网络的相互作用強度带来误差
4.4 总结
第五章 基于微生物网络研究种群生长间的网络效应
5.1 结合生态网络和种群动力学对菌群失调建模
5.1.1 生态网络模拟物种多样性下降
5.1.2 种群动力学模拟物种丰度变化
5.1.3 结合生态网络和种群动力学对治疗菌群失调建模
5.2 种群生长中间的网络效应
5.2.1功能响应函数
5.2.2 定量描述种群间的网络效应
5.3 种群间的网络效应与作用路径间的关系
5.3.1 矩阵的秩与完美匹配
ij矩阵的完美匹配组成"> 5.3.2 网络效应由Mij矩阵的完美匹配组成
5.4 种群间的网络效应和相互作用网络的差別
5.5 通用种群动力学下的网络效应
5.5.1 三种非线性功能响应函数的Jacobian矩阵
5.5.2 贡献矩阵在正单调响应函数依旧有效
第六章 四种真实微生物群落中网络推断的应用研究
6.1 推断真实微生物作用网络的注意事项
6.2 推断两种互利共生的物种组成的微生物网络
6.3 推断八种土壤细菌组成的微生物网络
6.4 推断7种细菌组成的微生物网络
6.5 推断14个营养缺陷大肠杆菌菌株组成的微生物网络
6.6 总结与讨论
第七章 基于微生物网络效应调控种群生长的应用研究
7.1 利用网络效应调控单个失调物种的生长
7.2 利用网络效应调控多个失调物种的生长
7.3 在非线性功能响应函数中调控失调物种的生长
7.3.1 利用A矩阵的逆调控失调物种的生长
7.3.2 利用Jacobian矩阵的逆调控失调物种的生长
7.4 总结与讨论
第八章 总结与展望
8.1 研究内容总结
8.2 未来研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
附录A 正文中的英文证明
附录B 正文中的算法的英文版本
【参考文献】：
期刊论文
[1]复杂网络可控性研究现状综述[J]. 侯绿林,老松杨,肖延东,白亮. 物理学报. 2015(18)
[2]复杂网络研究概述[J]. 周涛,柏文洁,汪秉宏,刘之景,严钢. 物理. 2005(01)
[3]一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J]. 钱学森,于景元,戴汝为. 自然杂志. 1990(01)
本文编号：2901780
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号使用说明
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 认识复杂系统
1.1.2 复杂系统与复杂网络
1.1.3 复杂网络上的动力学过程
1.1.4 复杂生态系统与生态网络
1.1.5 一类典型的微生物群落
1.1.6 菌群失调导致的疾病及其治疗方案
1.2 研究目的和意义
1.3 国内外相关领域研究现状
1.3.1 从获取微生物数据到推断微生物网络
1.3.2 微生物网络推断的常用方法
1.3.3 微生物网络推断中面临的挑战
1.3.4 挑选有效物种调控菌群面临的挑战
1.4 论文的主要工作
1.4.1 核心问题和研究思路
1.4.2 论文框架
第二章 微生物网络推断的理论框架
2.1 数学模型
2.1.1 通用种群动力学
2.1.2 物种间的相互作用
2.1.3 Jacobian矩阵
2.1.4 数学几号
2.2 假设Jacobian矩阵满足符号不变性
2.3 从样本中检验Jacobian矩阵是否满足符号不变性
2.4 微生物网络推断的理论框架
2.4.1 理论推导
2.4.2 推断物种间的相互作用关系
2.4.3 推断物种间是否存在相互作用
2.5 当Jacobian矩阵变号时依旧可以推断网络结构和作用类型
第三章 基于通用种群动力学的物种间相互作用类型的推断
3.1 推断物种间的相互作用类型的几何表示
3.2 暴力搜索算法
3.2.1 暴力搜索算法的伪代码
3.2.2 暴力搜索算法的时间复杂度
3.3 启发式算法
3.3.1 定义符号满足问题
3.3.2 基于图方法解决符号满足问题
3.3.3 使用超平面的交线对符号满意度图中的路径进行采样
3.3.4 结合符号满足和超平面交线的启发式算法
3.4 使用模拟数据验证启发式算法
3.4.1 应用启发式算法推断物种间的相互作用类型
3.4.2 应用启发式算法推断网络结构
3.5 总结
第四章 基于GLV模型的物种间相互作用强度的推断
4.1 推断物种间相互作用強度和生长速率
4.1.1 微生物群落符合GLV模型的判据
4.1.2 利用正則化拟合超平面
4.1.3 使用Knockoff filter控制错误发现率
4.2 使用模拟数据推断微生物网络的相互作用強度
4.3 盲目推断微生物网络的相互作用強度带来误差
4.4 总结
第五章 基于微生物网络研究种群生长间的网络效应
5.1 结合生态网络和种群动力学对菌群失调建模
5.1.1 生态网络模拟物种多样性下降
5.1.2 种群动力学模拟物种丰度变化
5.1.3 结合生态网络和种群动力学对治疗菌群失调建模
5.2 种群生长中间的网络效应
5.2.1功能响应函数
5.2.2 定量描述种群间的网络效应
5.3 种群间的网络效应与作用路径间的关系
5.3.1 矩阵的秩与完美匹配
ij矩阵的完美匹配组成"> 5.3.2 网络效应由Mij矩阵的完美匹配组成
5.4 种群间的网络效应和相互作用网络的差別
5.5 通用种群动力学下的网络效应
5.5.1 三种非线性功能响应函数的Jacobian矩阵
5.5.2 贡献矩阵在正单调响应函数依旧有效
第六章 四种真实微生物群落中网络推断的应用研究
6.1 推断真实微生物作用网络的注意事项
6.2 推断两种互利共生的物种组成的微生物网络
6.3 推断八种土壤细菌组成的微生物网络
6.4 推断7种细菌组成的微生物网络
6.5 推断14个营养缺陷大肠杆菌菌株组成的微生物网络
6.6 总结与讨论
第七章 基于微生物网络效应调控种群生长的应用研究
7.1 利用网络效应调控单个失调物种的生长
7.2 利用网络效应调控多个失调物种的生长
7.3 在非线性功能响应函数中调控失调物种的生长
7.3.1 利用A矩阵的逆调控失调物种的生长
7.3.2 利用Jacobian矩阵的逆调控失调物种的生长
7.4 总结与讨论
第八章 总结与展望
8.1 研究内容总结
8.2 未来研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
附录A 正文中的英文证明
附录B 正文中的算法的英文版本
【参考文献】：
期刊论文
[1]复杂网络可控性研究现状综述[J]. 侯绿林,老松杨,肖延东,白亮. 物理学报. 2015(18)
[2]复杂网络研究概述[J]. 周涛,柏文洁,汪秉宏,刘之景,严钢. 物理. 2005(01)
[3]一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J]. 钱学森,于景元,戴汝为. 自然杂志. 1990(01)
本文编号：2901780
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yysx/2901780.html
