В первой главе "Методологические аспекты моделирования биологических явлений" рассматриваются моделирование как метод научного познания и специфика моделирования в различных областях биологии. Даются примеры применения математического моделирования в молекулярной генетике, включая биофизические и кибернетические подходы. Рассматривается применение кибернетики и ЭВМ в теории эволюции. Обсуждаются связь биометрии и теории планирования эксперимента и особенности применения в биологии полиномиальных моделей. Проводится сравнение подходов теоретической биологии и теоретической физики. Анализ этих довольно разнородных задач приводит к выделению единой для всех них концептуальной проблемы -- о месте принципа аналогии в биологических науках и особенностях его реализации в решении тех или иных генетических задач, а также о его дополнении другими принципами, актуальными на современном этапе развития генетики. К их числу следует отнести принцип индуктивного построения моделей от простых к сложным, в отличие от математики с ее дедуктивным построением математических теорий. Его дополняет принцип достаточности для описания биологических закономерностей уже существующих математических и компьютерных методов и моделей – требуется только более широкое их использование. Эти три принципа составляют суть новой информационной технологии моделирования генетических процессов. Последовательное применение этой технологии к различным биологическим задачам дается в следующих главах книги. Две из них посвящены применению принципов аналогии и индуктивности к созданию аналитических моделей генетико-физиологических процессов. Две других -- кибернетическим подходам к моделированию и анализу генетических и эколого-генетических процессов с использованием принципов аналогии и достаточности.
Вторая глава "Моделирование конъюгации бактерий" посвящена аналитическому моделированию такого важного генетического процесса как конъюгация бактерий Escherichia coli K-12. Здесь рассматриваются основные физиологические этапы конъюгации и их количественные закономерности. На этой основе формулируются модели, описывающие кинетику образования кроссовых агрегатов и переноса хромосомы, и развивается гипотеза полного переноса донорской хромосомы в реципиентную клетку. Согласно гипотезе полного переноса при конъюгации бактерий спонтанное прерывание переноса отсутствует или, по крайней мере, не столь велико, чтобы объяснить существующий градиент рекомбинантов. Поступив в материнскую клетку, донорская ДНК становится объектом атаки ферментных систем реципиента. Возникающие в результате этого ферментативные разрывы ДНК нарушают синапс переданного конца отцовской хромосомы с материнской и лишают гены, лежащие за такими разрывами, возможности участвовать в рекомбинации. Этап рекомбинации в зиготе описывается двумя моделями. На первой из них – модели симметричного кроссинговера -- отрабатывается предположение о включении в рекомбинантную структуру с некоторой отличной от нуля вероятностью начала переносимой донорской хромосомы, что позволяет учесть наблюдаемые в эксперименте факты, ранее не находившие своего объяснения. Стохастическая модель рекомбинации трактует этот процесс как марковскую цепочку неравновероятных событий включения в объединенную структуру генов донора и реципиента. Этот формализм позволяет количественно описать действие на рекомбинацию физических и химических факторов в случае обработки как донора, так и реципиента. На основе этой модели разработан способ оценки мутагенной активности физических факторов, защищенный авторским свидетельством на изобретение. Обсуждается также роль систем рестрикции-модификации в образовании градиента передачи и маскировку полного переноса.
Третья глава называется "Действие электромагнитных полей на насекомых: физическая модель, физиологические эффекты, генетические последствия". Развиваемая здесь физическая модель позволяет объяснить некоторые физиологические (поведенческие) эффекты у Drosophila melanogaster. Модель предполагает, что хитин-содержащий экзоскелет насекомых может играть роль конденсатора, концентрирующего электрические заряды. В случае уединенной особи заряд на экзоскелете при низких частотах вызывает нескоординированную вибрацию хитин-содержащих элементов, обездвиживая насекомое. В группе насекомых сила разряда мух друг на друга увеличивается с частотой электрического поля, а реакция их на разряд зависит от такой электрофизиологической характеристики, как рефрактерность. Обсуждается также воздействие низкочастотного поля на генетический аппарат дрозофилы. Согласно модели, причиной наблюдаемых в эксперименте морфозов может служить стресс, испытываемый насекомыми в диапазоне 100 Гц -- 10 кГц при напряженностях поля 400 -- 800 кВ/м, что ведет к модификации экспрессии генов. Подобные эффекты могут наблюдаться и у других организмов, вызывая изменения темпов старения клетки, повышению вероятности аномалий развития и частоты раковых заболеваний.
В четвертой главе "Формальные модели статистической генетики. Применение ЭВМ" обсуждается применение ЭВМ для моделирования и статистического анализа экспериментальных данных. Рассматриваются методы вычисления параметров аппроксимирующего полинома. Обсуждается радиобиологический принцип попадания и возможность классификации пост-чернобыльских генетических эффектов с помощью полиномиальных моделей. Здесь также описан пакет прикладных программ по методам генетико-статистического анализа и система управления вводом и хранением экспериментальных данных -- электронный аналог рабочего журнала исследователя.
Заключительная пятая глава "Теоретико-информационные принципы в анализе генетических процессов" посвящена основам применения теории информации для анализа генетических процессов и проблемам создания программного обеспечения на этой основе. В целом ряде случаев имеющиеся пространственно-временные закономерности трудно оценить количественно, так как приходится рассматривать большой набор явлений, каждое из которых обладает определенным спектром состояний. Кроме того, часто возникает сомнение в адекватности методологии математической статистики. Прежде всего, это относится к основному постулату математической статистики о справедливости гипотезы о существовании генеральной совокупности, оценить которую можно по полученным экспериментальным данным, рассматриваемым в качестве выборки из этой гипотетической совокупности. Поэтому встает проблема поиска математического аппарата, адекватного такому характеру исходных данных. Опыт биофизики позволяет остановиться на теоретико-информационном методе анализа неопределенности. Большая общность этого метода и возможность применения к сложному поведению связана с тем, что он приложим к любому произвольно определенному множеству состояний, не требует таких ограничений на исходные данные как линейность, непрерывность, метричность или даже упорядоченность. В главе рассматривается теоретико-информационная мера оценки неопределенности и возможность ее применения для моделирования и анализа нелинейных генетических и эколого-генетических эффектов и малых выборок. Приводится также компьютерная система, с помощью которой проанализированы данные по генетике количественных признаков и пост-чернобыльскому мониторингу.