Методы и технологии генерации системного знания

Примененный подход к выявлению активных генов и построению профилей их экспрессии позволяет установить четко выраженные реакции генов на химическое воздействие без учета второго параметра эксперимента.

Профили экспрессии генов по концентрации формальдегида с уче-

том времени. Помимо параметра концентрации химиката в эксперименте задан параметр, характеризующий время воздействия через точки съема. Эти два параметра – независимые параметры эксперимента. Они становятся взаимосвязанными факторами во внутрисистемных механизмах, совместно влияющими на активность генов. Действия этих факторов могут быть разнонаправленными, а закономерности их влияния – сложными.

Для выявления совместного эффекта двух параметров эксперимента необходимо в точках съема данных установить значимые различия изменения активности генов по отношению к контрольной группе для каждой концентрации химиката. При этом следует допускать изменение активности генов в любой области шкалы преобладания уровней и при решении задачи о профилях экспрессии генов использовать весь диапазон шкалы (не только области высоких и низких уровней значений). В результате в решение будут вовлечены все биообъекты и все уровни значений показателей их состояния.

Различия с контрольной группой в каждой точке съема находит критерий Манна–Уитни [34], применение которого в технологии оформления закономерностей связано с использованием системного знания об уровнях значений показателей. При наличии статистически значимого различия для конкретного гена в какой-либо отдельно взятой точке съема все биообъекты в контрольной и в экспонированной группах должны показать, каждый в рамках своей группы, одинаковую активность этого гена. Данный факт проверяется применением шкалы агрегированных уровней. Ген считается активным, если разница между агрегированными уровнями активности гена для контрольной и для экспонированной групп существенна (не менее половины размаха шкалы агрегированных уровней).

Применение этого подхода позволило установить следующие факты. Гены каждой GO-категории проявляют свою активность в различных точках съема закономерным образом, причем эффект параметра концентрации по отношению к временно́му параметру незначителен (рис. 6.2).

Дифференциальная экспрессия генов наиболее выражена в первой и последней точках съема. При самой низкой концентрации (0.7 ррm) дифференциальная экспрессия проявляется у большого числа генов.

90

Процедура перехода к агрегированным уровням значений для каждого гена успешно завершается, если все биообъекты в точке эксперимента лежат в одной зоне шкалы преобладания уровней, т. е. обладают одинаковой активностью. На упрощенной 3-балльной шкале уровней этот факт отображается пунктами низких (L), срединных (M) или высоких (H) уровней. При неодинаковой активности гена у биообъектов в точке эксперимента результат агрегирования неопределен (0).

Рис. 6.2. Количество генов, для которых в точках съема по критерию Манна–Уитни установлено различие экспонированных групп (0.7 ррm, 2 ррm, 6 ррm) с контрольной группой:

ось абсцисс – коды точек съема; ось ординат – число генов

Процедура агрегирования уровней значений выполняется для контрольной и экспонированных групп биообъектов в каждой точке съема данных

(рис. 6.3 и 6.4).

Рис. 6.3. Распределение числа генов с определенными агрегированными уровнями значений активности по точкам съема для контрольной группы и для группы с воздействием химического вещества низкой концентрации (GO:0004386)

В первый момент времени (Т1) большое число генов в контрольной группе имеют неопределенный уровень на шкале агрегированных уровней значений. Параметр времени для этой группы вносит регулярность в изменение активности генов.

При низкой концентрации химиката (0.07 ррm) в первой точке съема почти каждый ген показал свой характерный уровень активности, одинако-

91

вый для всех биообъектов. В этой точке эксперимента наибольшее число имеет срединный уровень активности.

При концентрации 2 ррm в точке Т1 неопределенность агрегированных уровней ниже, чем у контрольной группы, но выше, чем в группе с концентрацией 0.07 ррm.

Для концентрации 6 ррm наиболее характерным уровнем является низкий уровень активности. Форма распределений числа генов по агрегированным уровням, временны́м точкам и концентрациям различна.

Рис. 6.4. Распределение числа генов с определенными агрегированными уровнями значений активности по точкам съема для высоких концентраций химиката (GO:0004386)

Для получения набора активных генов с учетом двух параметров эксперимента (концентрация химиката, точка съема) выявлены гены: статистически различимые с контрольной группой; имеющие существенные различия между агрегированными уровнями для контрольной группы и хотя бы для одной экспонированной.

Результаты метода определения активности генов при учете двух факторов эксперимента (второй подход) в сравнении с результатами, полученными на базе метода, учитывающего только эффект концентрации химиката (первый подход), приведены в табл. 6.12.

92

Гены GO-категории распределены по шести классам. Класс 1 включает гены, активность которых установлена и первым, и вторым методами. При этом оба метода показали одинаковые точки 1-го перехода у каждого гена. В класс 2 попали гены, активность которых также выявлена обоими методами, но для каждого гена имеются различия в значениях точки 1-го перехода. Класс 3 охватывает гены, активность которых установлена только по второму методу. Класс 4 содержит гены, активные по первому методу, но слабоактивные – по второму. В класс 5 вошли гены, для которых по второму методу выявлено различие с контрольной группой, но их активность слабо выражена (не существенна разница между агрегированными уровнями активности для контрольной и для экспонированной групп). Класс 6 объединяет гены, активность которых обоими методами не выявлена.

Профили экспрессии развернуты по точкам временно́й серии для разных концентраций химиката (рис. 6.5). Почти все гены GO-категории в той или иной мере проявляют активность при воздействии химиката с учетом временно́го фактора. Степень этой активности измерима. Совместный эффект двух параметров эксперимента иллюстрируют профили экспрессии, полученные для разных классов генов.

Ген 1375901_at входит в класс 1. Профили экспрессии этого гена по точкам съема аналогичны практически для всех концентраций вещества. Явный эффект изменения активности гена проявляется при 6 ррm.

Ген 1376116_at отнесен к классу 2. Первый подход нашел точку 1-го перехода, равную 0.7 ррm. По второму подходу эта точка равна 6 ррm. В точке

93

0.7 ррm второй подход выявил несущественное различие экспонированной группы по сравнению с контрольной.

Ген 1374506_at входит в класс 3. Профили экспрессии гена по временно́й серии для концентраций химиката находятся в противофазе к профилю экспрессии гена контрольной группы. Активность установлена по второму подходу, позволяющему выявлять различие в точках съема.

Рис. 6.5. Профили экспрессии генов для шести классов генов

Активность гена 1388587_at из класса 4 определяется по второму подходу как слабовыраженная. Во всех точках съема не выявлены существенные различия с контрольной группой даже для той концентрации (6 ррm), которая по первому подходу определена точкой 1-го перехода.

Ген 1370400_at принадлежит классу 5. Второй подход выявил различия в изменении активности гена по сравнению с контрольной группой для всех концентраций вещества. Эти различия оценены как несущественные.

94

Ни первый, ни второй подходы не определили ген 1372441_at как активный. Этот ген выделен как активный в [31].

В задаче определения точек 1-го перехода и типов переходов активных генов важен учет временно́го параметра. Учет временно́й серии необходим при наличии сложных эффектов совместного влияния двух параметров эксперимента. Учет двух параметров позволяет диверсифицировать гены по классам активности, характеризующим форму проявления совместного эффекта этих параметров; выявить большее число активных генов; установить значительное число генов, изменяющих свою активность в незначительных пределах.

ФС применена для изучения эффекта химического воздействия по геномным данным, полученным на базе биочип-технологии. Научные реконструкции профилей экспрессии прямо отвечают на вопросы: какие гены закономерным образом изменяют свою активность при воздействии формальдегида? Какой вид имеет профиль экспрессии каждого активного гена? При какой минимальной дозе химиката каждый активный ген реагирует на химическое воздействие?

Задача об экспрессии генов является представителем большого класса задач о системных эффектах многофакторных воздействий. На базе методов

итехнологий ФС могут быть построены решатели задач этого класса.

7.ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕДМЕТНОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ

7.1. Обзор методов технологии

Технология предметной экспертизы использует результаты технологии системной экспертизы для разработки схем внутрисистемных механизмов локальностей, наполняет их конкретным предметным содержанием, полученным технологией формирования контекста.

Целью технологии предметной экспертизы является построение образ- но-схематических представлений (когнитивных схем) механизмов факторов и двухфакторного взаимодействия в локальностях на базе трансцендентных схем механизмов системогенеза, полученных аналитическим ядром. Трансцендентные схемы дают чистые от предметного содержания определения системных механизмов. Они получены в результате формального определения средствами языка систем всех видов механизмов системогенеза через необходимые и достаточные наборы их свойств и оценок.

95

Когнитивные схемы дают механизмам конкретно-содержательное оформление, направляющее и организующее деятельность экспертов. Эти схемы становятся объектами рассудочной деятельности, нацеленной на формирование рабочего пространства предметной экспертизы на уровне понятий, определений понятий и суждений, образующих предметно-содержательную интерпретацию раскрытых системных смыслов.

Поведение и состояния системы в каждой ее однокачественной сущности определяют механизм двухфакторного взаимодействия, механизмы факторов локальности и многофакторные общесистемные взаимодействия.

Главным для понимания смыслов уникального единства системы является знание внутреннего устроения факторов как понятого структурированного целого. Факторы, выступающие в роли отдельных смысловых частей локальности, обладают собственной субстанциальностью, выраженной через различные свойства и отношения. Глобальная взаимозависимость в системе проявляется на уровне локальности по-разному через конкретные формы многофакторных взаимодействий. Они отвечают за многовидность образов сущности системы в любой ее единичности и подвижность самой идеи этой единичности.

Технология системной экспертизы вводит слова, понятия и качества понятий, которые служат базой для предметной экспертизы. В слове «Формула механизмов» выражается главная идея фактора локальности как единого целого. Общая смысловая идея механизма фактора передается в предикатной форме. Сложность организации смыслового единства фактора локальности порождает фрагментацию смысла, раскрывающую иерархичность, последовательность и параллельность смысловых моментов системы в ее конкретной качественной определенности.

Предметная экспертиза строит детальный портрет системного смысла механизма фактора, фиксирует в нем сопряжение первичных формальных элементов, отражающих системный смысл и предметный факт.

Главное назначение слова «Формулы взаимодействия» состоит в передаче знания о полном наборе механизмов системогенеза, детерминирующих все формы состояний конкретной единичности системы. Основой и способом существования качественной определенности системы является двухфакторное взаимодействие, выражающее внутреннее отношение двух частей системы в ее смысловом мире, благодаря которому происходит интеграция этих частей в определенную целостность.

96

Собственный механизм локальности и его сопряженность с другими системными механизмами наполняют содержанием всю область проявления смысла единичности системы. Частные механизмы, подчиненные собственному механизму локальности, и диффузия собственного механизма в полном пространстве системы дополняют понимание природы собственного механизма смысловыми моментами, целокупность которых вместе с собственным механизмом образует единство качественной определенности системы. Предметная экспертиза строит детальный портрет системного смысла механизма двухфакторного взаимодействия.

Слово «Предметная определенность» завершает процесс научного понимания внутреннего качественной определенности системы. Через это слово определяются потенциалы, взаимодействия, состояния системы. Рациональные детерминанты раскрывают предикаты существования единичности системы, объясняющие базовые формы проявления ее состояний в реальности. Смысловые фильтры устанавливают общие ограничения, определяющие способность факта воспринимать и выражать в количественных формах суть качественной определенности системы.

Главное назначение слова «Предметная определенность» связано с введением научно обоснованных понятий и предикатных форм, составляющих базис рационального конкретно-предметного объяснения механизмов поведения и состояний системы в каждой ее качественной определенности. Предметная экспертиза дает конкретно-содержательное определение эталонным формам состояний системы в каждой ее качественной определенности, строит в количественных оценках образы идеалов состояний системы.

Методы технологии предметной экспертизы проиллюстрированы на примере проекта «Воспроизводимость производственного процесса металлургического предприятия».

Воспроизводимость процесса – системная проблема, сложность которой обусловлена влиянием большого числа производственных факторов на разных этапах выпуска металлопродукта и многообразием внутренних механизмов воздействия данных факторов. Когнитивные схемы устанавливают связь между факторами процесса и характеристиками его вопроизводимости, объясняют эту связь, служат научной базой для практического решения проблемы.

Системное знание о воспроизводимости производственного процесса генерируют технологии аналитического ядра. Язык систем объективирует

97

системный смысл и выражает его в словах и понятиях. Технология предметной экспертизы автоматически создает когнитивные схемы, являющиеся способом технического представления системного знания о разных концептах системообразующих механизмов.

7.2. Построение когнитивных схем механизмов системогенеза

ФС исследует проблему воспроизводимости производственного процесса металлургического предприятия, рассматривая данный процесс как открытую систему. Сгенерированное технологиями ФС системное знание о состояниях производственного процесса и ключевых внутрисистемных механизмах их формирования служит основанием для научного понимания и рационального объяснения проблемы воспроизводимости [35].

Схема производственного процесса. Процесс производства прокатного листа охватывает этапы жизненного цикла продукта от загрузки шихтовых материалов до выхода готового изделия (рис. 7.1).

Подготовка материалов к выплавке стали

Загрузка шихты

Выплавка стали Сталеплавильные агрегаты, технологии

Выпуск стали

Разливка и затвердевание слитка Оборудование для разливки стали и формирования слитка

Конечная обработка

Обрезка и термическая обработка листа Оборудование для термической обработки и обрезки листа

Рис. 7.1. Схема производства стального листа

Готовый металлопродукт – стальной лист. Он выступает носителем всей информации о производственном процессе, интегрирует свойства и особенности производственного аппарата металлургического предприятия как еди-

98

ной системы, определяющей производственно-технологический аспект качества конечного продукта (рис. 7.2).

Шихтовые и вспомогательные материалы

Плавка

Слиток

Брама

Стальной лист Рис. 7.2. Схема выпуска готового продукта

Производство стального листа контролируется по всем технологическим переделам. Каждому этапу производственного процесса отвечает набор показателей, характеризующих выходной продукт этапа (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Производственный процесс в измерениях

99