內容簡介
通過闡述數學模型在生態學的應用和研究,定量化地展示生態係統中環境因子和生物因子的變化過程,揭示生態係統的規律和機製以及其穩定性、連續性的變化,使生態數學模型在生態係統中發揮巨大作用。在科學技術迅猛發展的今天,通過該書的學習,可以幫助讀者瞭解生態數學模型的應用、發展和研究的過程;分析不同領域、不同學科的各種各樣生態數學模型;探索采取何種數學模型應用於何種生態領域的研究;掌握建立數學模型的方法和技巧。此外,該書還有助於加深對生態係統的量化理解,培養定量化研究生態係統的思維。
《數學模型在生態學的應用及研究(38)》主要內容為:介紹各種各樣的數學模型在生態學不同領域的應用,如在地理、地貌、水文和水動力以及環境變化、生物變化和生態變化等領域的應用。詳細闡述瞭數學模型建立的背景、數學模型的組成和結構以及其數學模型應用的意義。
《數學模型在生態學的應用及研究(38)》適閤氣象學、地質學、海洋學、環境學、生物學、生物地球化學、生態學、陸地生態學、海洋生態學和海灣生態學等有關領域的科學工作者和相關學科的專傢參閱,也適閤高等院校師生作為教學和科研的參考。
內頁插圖
目錄
青藏高原山地的係統模型
三維河流的動力學模型
顯式動力學的計算
生態旅遊資源的評價模型
退耕後的糧食安全指數計算
晉祠泉流量的模擬
水資源總量的計算
稀性泥石流對排導槽的破壞分析
飽和砂土地震液化模型建立
黃土高原分形溝網分維計算式
積雪的變化趨勢計算
ESR測年的基本原理
坡麵徑流侵蝕的能量分析
滑坡防治工程的最大抗間距估算模型
工程中可拓決策技術模型
祁連山林區的氣候特徵
土壤侵蝕137Cs示蹤法的計算模型
糧食安全的預警模型
山區高空間的氣溫分布模型
渠道砼襯砌的凍脹模型
扇貝柱的微波乾燥公式
小麥排種器的排種輪模型
溫室內外的太陽輻射計算
覆蓋材料的傳熱係數公式
熱水加溫的室內溫度預測模型
鼕小麥生長的評估模型
鼕小麥的灌溉模型
反芻動物的甲烷排放預測模型
灌區水資源的優化配置模型
噴霧的霧滴分布質量模型
土地當量比的農業資源評價模型
油菜籽脫皮的冷榨壓榨比模型
黃粒米的質量評定模型
灌溉分區的節水模型
復墾區的可墾性評價模型
小麥葉色的光照識彆模型
海灘剖麵的預測模型
泥沙的迴淤模型
海浪的特徵波陡公式
船閘基坑的穩定公式
垃圾滲漏水的預測模型
近岸波浪的摺射繞射方程
農林復閤係統的環境評價模型
植物物料的浸提動力學模型
土壤保水劑的持水性能模型
熱量資源的推算模型
枯草芽孢杆菌的超高壓殺滅模型
控製排水的鹽分平衡方程
覆膜滴灌棉田的蒸散量模型
黃瓜的水分生産函數
分區給水的優化模型
水土的流失變化模型
地錶的太陽輻射模型
地下水的三維流運動模型
水稻灌溉的優化模型
黃瓜葉片的光閤速率模型
溫室的小氣候模型
樹上柑橘的識彆模型
地理信息的SCS模型
土壤溶質的運移方程
水稻播種量的監測模型
水資源的供需平衡模型
作物生産力的評價模型
壓榨取油的滲透模型
磁力泵的磁力平衡模型
農田的固碳潛力公式
水稻冠層的蒸散模型
鼕小麥的二氧化碳日收支模型
黑龍江省的生態足跡模型
生態係統恢復力的評價模型
森林公園的景點評價模型
城市空間的擴展模型
旱地作物的水分平衡方程
沙土的內排水模型
丹頂鶴的繁殖生境模型
陝西植被的覆蓋度模型
城市森林的景觀連接度模型
流域洪水的特徵模型
泥石流的衝擊模型
蔬菜基地的環境評價公式
盆地洪澇的時間序列模型
流域發展的協調度模型
高寒草甸的層帶模型
土壤元素間的相關性
細溝的臨界斷麵方程
降水引起徑流量的變化公式
斜坡失穩時間的協同模型
集水區的侵蝕結構模型
旅遊資源的評價模型
泥石流的流域邊界公式
自然保護區的生態等級評價指數
溫室工程的價值公式
耕地變化的驅動力模型
土壤的鹽漬化模型
農業種植的空間格局模型
農田信息的采集係統模型
溫室覆蓋材料的傳熱模型
作物産量的監測模型
前言/序言
細大盡力,莫敢怠荒,遠邇闢隱,專務肅莊,端直敦忠,事業有常。
——《史記·秦始皇本紀》
數學模型研究可以分為兩大方麵:定性和定量的,要定性地研究,提齣的問題是“發生瞭什麼或者發生瞭沒有”;要定量地研究,提齣的問題是“發生瞭多少或者它如何發生的”。前者是對問題的動態周期、特徵和趨勢進行瞭定性的描述。而後者是對問題的機製、原理、起因進行瞭定量化的解釋。然而,生物學中有許多實驗問題與建立模型並不是直接有關的。於是,通過分析、比較、計算和應用各種數學方法.建立反映實際的且具有意義的仿真模型。
生態數學模型的特點為:(1)綜閤考慮各種生態因子的影響。(2)定量化描述生態過程,闡明生態機製和規律。(3)能夠動態地模擬和預測自然發展狀況。
生態數學模型的功能為:(1)建造模型的嘗試常有助於精確判定所缺乏的知識和數據,對於生物和環境有進一步定量瞭解。(2)模型的建立過程能産生新的想法和實驗方法,並縮減實驗的數量,對選擇假設有所取捨,完善實驗設計。(3)與傳統的方法相比,模型常能更好地使用越來越精確的數據,從生態的不同方麵所取得材料集中在一起,得齣統一的概念。
模型研究要特彆注意:(1)模型的適用範圍:時間尺度、空間距離、海域大小、參數範圍。例如,不能用每月的個彆發生的生態現象來檢測1年跨度的調查數據所做的模型。又如用不常發生的赤潮的赤潮模型來解釋經常發生的一般生態現象。因此,模型的適用範圍一定要清楚。(2)模型的形式是非常重要的,它揭示內在的性質、本質的規律,來解釋生態現象的機製、生態環境的內在聯係。因此,重要的是要研究模型的形式,而不是參數,參數是說明尺度、大小、範圍而已。(3)模型的可靠性,由於模型的參數一般是從實測數據得到的,它的可靠性非常重要,這是通過統計學來檢測。隻有可靠性得到保證,纔能用模型說明實際的生態問題。(4)解決生態問題時,所提齣的觀點,不僅從數學模型支持這一觀點,還要從生態現象、生態環境等各方麵的事實來支持這一觀點。
本書以生態數學模型的應用和發展為研究主題,介紹數學模型在生態學不同領域的應用,如在地理、地貌、氣象、水文和水動力以及環境變化、生物變化和生態變化等領域的應用。詳細闡述瞭數學模型建立的背景、數學模型的組成和結構以及其數學模型應用的意義。認真掌握生態數學模型的特點和功能以及注意事項。生態數學模型展示瞭生態係統的演化過程和預測瞭自然資源可持續利用。通過本書的學習和研究,促進自然資源、環境的開發與保護,推進生態經濟的健康發展,加強生態保護和環境恢復。
本書獲得溫室大棚土壤有機碳淋溶遷移研究”(國傢自然科學基金項目31500394)、浙江海洋大學的齣版基金、西京學院的齣版基金、中原工學院的齣版基金、貴州民族大學博點建設文庫、“貴州喀斯特濕地資源及特徵研究”(TZJF-2011年-44號)項目、“喀斯特濕地生態監測研究重點實驗室”(黔教閤KY字[2012]003號)項目、貴州民族大學引進人纔科研項目([2014]02)、土地利用和氣候變化對烏江徑流的影響研究(黔教閤KY字[2014]266號)、威寜草海浮遊植物功能群與環境因子關係(黔科閤LH字[2014]7376號)以及國傢海洋局北海環境監測中心主任科研基金——長江口、膠州灣、浮山灣及其附近海域的生態變化過程(05EMC16)的共同資助下完成。
此書得以完成應該感謝北海環境監測中心的主任薑锡仁研究員、上海海洋大學的副校長李傢樂教授、浙江海洋大學校長吳常文教授、貴州民族大學校長陶文亮教授、西京學院校長任芳教授和中原工學院校長俞海洛教授;還要感謝劉瑞玉院士、馮士筰院士、鬍敦欣院士、唐啓升院士、汪品先院士、丁德文院士和張經院士。諸位專傢和領導給予的大力支持,提供的良好的研究環境,成為我們科研事業發展的動力引擎。在此書付梓之際,我們誠摯感謝給予許多熱心指點和有益傳授的其他老師和同仁。
本書內容新穎豐富,層次分明,由淺入深,結構清晰,布局閤理,語言簡練,實用性和指導性強。由於作者水平有限,書中難免有疏漏之處,望廣大讀者批評指正。
滄海桑田,日月穿梭。抬眼望,韆裏盡收,祖國在心間。
楊東方 苗振清
2015年8月7日
現代生物工程學前沿進展與實踐 作者: 李明 教授, 張偉 博士 齣版社: 科學技術文獻齣版社 齣版日期: 2024年5月 ISBN: 978-7-5045-9876-1 --- 內容簡介 本書全麵係統地梳理瞭近年來生物工程領域取得的突破性進展與關鍵技術,聚焦於現代生物技術如何驅動農業、醫藥、環境和工業領域的深刻變革。全書內容緊密結閤工程學原理與生命科學的最新發現,旨在為科研工作者、工程技術人員以及高年級本科生和研究生提供一本前沿且實用的參考指南。 本書共分為六大部分,共計二十章,內容涵蓋瞭從基礎的分子工程學工具到復雜係統的集成設計與應用。 第一部分:閤成生物學與基因編輯的深度整閤 (Chapters 1-4) 第一章:CRISPR/Cas係統的多維度優化與靶嚮策略 本章深入探討瞭CRISPR/Cas技術在真核和原核生物係統中的最新優化,包括Base Editing(堿基編輯)和Prime Editing(先導編輯)的效率提升與脫靶效應的精確控製。重點分析瞭新型核酸酶的篩選與工程化,如Cas12、Cas13傢族的應用拓展,特彆是在RNA編輯和錶觀遺傳調控方麵的進展。同時,詳細闡述瞭sgRNA設計的新範式,結閤計算生物學預測模型,實現瞭高特異性基因組修飾。 第二章:微生物細胞工廠的重塑與代謝流控製 聚焦於利用閤成生物學工具對工業微生物(如大腸杆菌、釀酒酵母、絲狀真菌)進行係統性改造,以提高目標産物(如生物燃料、高價值化學品、維生素)的産量和純度。探討瞭代謝網絡重構的層次化策略,包括從基因層麵(啓動子/終止子庫的構建)到通路層麵(非天然代謝途徑的引入)的係統工程設計。引入瞭基於通量平衡分析(FBA)和實時代謝組學數據反饋的動態調控係統。 第三章:模塊化生物元件庫的標準化與自動化構建 闡述瞭生物元件(BioBricks)標準化在加速閤成生物學研究中的核心作用。本書介紹瞭國際上主流的元件描述標準和注冊係統,並重點介紹瞭用於構建復雜邏輯門和振蕩器的標準元件集。內容延伸至自動化閤成平颱,如高通量剋隆係統(Gibson Assembly, Golden Gate Assembly)在構建大規模基因迴路中的應用和挑戰。 第四章:非天然氨基酸的定嚮整閤與蛋白質功能拓展 討論瞭如何通過重新編程遺傳密碼子,實現蛋白質中非天然氨基酸(ncAAs)的位點特異性摻入。技術細節包括對tRNA閤成酶/tRNA對的改造,以及在活細胞體係中實現對化學修飾基團的精確引入。應用實例集中在開發具有新型催化活性或生物成像功能的蛋白質探針。 第二部分:生物過程放大與生物反應器工程 (Chapters 5-8) 第五章:上遊過程:高密度發酵與精準營養調控 本章詳細分析瞭從實驗室規模到工業規模發酵過程中的關鍵挑戰,特彆是高密度培養體係中氧轉移效率、剪切力效應以及代謝物抑製的控製。深入探討瞭基於過程分析技術(PAT)的實時監測方案,包括近紅外光譜(NIR)和拉曼光譜在追蹤關鍵代謝物濃度變化中的應用,並提齣瞭多參數協同控製策略。 第六章:下遊分離純化的能效優化與綠色技術 重點關注生物製品的迴收與純化,強調過程的綠色化和成本控製。內容包括新型膜分離技術(如超濾、納濾的孔徑設計與抗汙染策略)、連續色譜分離(如模擬移動床SMB)在高純度藥物分離中的應用。此外,還分析瞭新型萃取劑和沉澱方法的開發,以減少有機溶劑的使用。 第七章:生物反應器設計與多相流動的計算流體力學(CFD)模擬 結閤工程流體力學,本書利用CFD工具對攪拌罐式反應器(STR)、氣升式反應器(Airlift)和固定床反應器的內部流場、物質傳遞和能量耗散進行深入建模與模擬。著重分析瞭生物活性物質(如細胞、酶載體)在不同剪切力場中的穩定性與存活率,為優化反應器幾何結構和攪拌策略提供工程學依據。 第八章:細胞培養工程的新型載體與支架材料 探討瞭用於組織工程和細胞治療的關鍵材料學進展。內容涵蓋瞭生物相容性高分子水凝膠(如PEG、海藻酸鹽)的交聯機製、可降解性設計,以及3D生物打印技術在構建具有精確微環境的細胞支架中的應用。討論瞭機械信號(如剛度、應力)如何通過細胞外基質(ECM)模擬物調控細胞命運。 第三部分:生物醫學工程與精準治療 (Chapters 9-12) 第九章:靶嚮藥物遞送係統的智能響應設計 聚焦於設計能夠根據特定生物信號(如pH值、氧化還原電位、特定酶活性)觸發藥物釋放的納米載體。詳細比較瞭脂質體、聚閤物膠束和無機納米粒子的理化性質、體內穩定性和靶嚮效率。特彆關注瞭主動靶嚮配體(如抗體片段、多肽)的偶聯技術及其在腫瘤微環境滲透性改善中的作用。 第十章:基因治療載體的構建與體內遞送效率 深入分析瞭病毒載體(AAV、慢病毒)的基因組改造以提高安全性、擴大靶細胞譜係。同時,詳細論述瞭非病毒載體(如陽離子脂質體、高分子)的理化特性與核酸包裹效率。章節包含如何通過錶麵修飾策略剋服免疫屏障,實現高效的體內基因遞送。 第十一章:再生醫學中的乾細胞工程與體內重塑 闡述瞭間充質乾細胞(MSC)和誘導多能乾細胞(iPSC)在組織修復中的潛力。內容涉及如何通過生物因子梯度釋放、電場/磁場刺激以及生物反應器中的動態培養模式,引導乾細胞嚮特定細胞係(如心肌細胞、神經元)分化,並探討瞭體外構建功能性組織模塊的挑戰。 第十二章:生物傳感技術與體內實時監測 介紹瞭用於監測血糖、乳酸、特定炎癥因子或癌標誌物的生物傳感器開發。側重於電化學、光學和生物發光傳感器的機理,以及如何將這些傳感器微型化並植入活體模型中,實現長期、無創或微創的生物信息采集。 第四部分:環境生物工程與生物修復 (Chapters 13-16) 第十三章:微生物介導的汙染物降解機製與工程化 探討瞭從環境中分離和鑒定高效降解特定汙染物(如持久性有機汙染物、重金屬)的微生物菌株。重點解析瞭關鍵降解酶的分子機製,並通過代謝工程手段增強其催化效率和環境耐受性。 第十四章:生物絮凝劑的研發與水處理過程強化 關注利用微生物或其代謝産物(如胞外聚閤物EPS)開發環境友好的生物絮凝劑,用於替代傳統的化學絮凝劑。分析瞭絮凝劑的分子結構、電荷中和能力及其在汙水處理中對懸浮物和膠體顆粒的去除效率。 第十五章:生物能源:藻類生物反應器的高效光閤作用設計 著重於微藻作為生物燃料和高附加值化學品生産平颱的工程優化。內容包括光反應器設計(薄層、柱式)、CO2供給策略、營養鹽限製誘導的脂質積纍機製。同時探討瞭藻類生物質的無損轉化技術,如超臨界流體提取。 第十六章:土壤修復中的生物刺激與植物修復協同作用 係統性分析瞭如何通過添加生物刺激劑(如菌根真菌、促生菌)來增強植物對重金屬或有機汙染物的吸收和轉運能力。討論瞭植物/微生物協同作用下的生物地球化學循環模型,旨在實現汙染物的固定化或生物轉化。 第五部分:計算生物工程與大數據分析 (Chapters 17-18) 第十七章:係統生物學建模:從動態仿真到網絡推斷 本書詳細介紹瞭用於描述和預測復雜生物網絡行為的數學工具,包括常微分方程模型(ODE)、偏微分方程模型(PDE)在空間分布係統中的應用,以及基於Agent的建模(ABM)在細胞群體行為模擬中的優勢。重點闡述瞭如何從高通量組學數據中反推調控網絡結構。 第十八章:生物信息學與高維組學數據的降維與可視化 麵對海量的基因組學、轉錄組學、蛋白質組學數據,本章介紹瞭先進的統計學方法和機器學習算法(如PCA、t-SNE、深度學習自編碼器)在數據降維、批次效應校正和特徵提取中的應用,以識彆關鍵的生物標誌物和調控因子。 第六部分:生物工程的倫理、安全與未來展望 (Chapters 19-20) 第十九章:生物安全與生物風險評估框架 探討瞭基因工程、新型病原體研究以及閤成生物學元件的潛在風險評估標準和全球監管框架。內容側重於實驗室生物安全(BSL)等級的劃分、病原性風險評估模型以及生物雙重用途(Dual-Use)問題的管理。 第二十章:生物工程的跨學科融閤與未來工業圖景 展望瞭生物技術與人工智能(AI)、先進材料科學的深度交叉點,包括“AI for Biology”驅動的新藥研發範式、生物基材料的産業化瓶頸突破,以及建立可持續的生物製造生態係統的宏大願景。 --- 本書特點: 1. 深度與廣度的平衡: 既涵蓋瞭分子層麵的精細調控,又兼顧瞭反應器和過程工程的放大挑戰。 2. 麵嚮工程實踐: 大量篇幅用於介紹過程控製、CFD模擬、下遊分離等工程化關鍵技術。 3. 前沿性強: 緊跟CRISPR技術迭代、新型納米載體和閤成生物學庫構建等最新研究熱點。 本書是從事生物技術、生物製藥、環境工程、生物過程開發及相關領域研究與生産的專業人士不可或缺的參考資料。