抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法及系统

本发明涉及生物学应用，具体涉及抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法及系统。

背景技术：

1、细菌微生物的密度与化学浓度环境之间的相互作用是一种动态平衡过程，环境中的化学物质浓度直接影响着微生物群落的组成和数量。适宜的营养物浓度可以促进微生物的生长与繁殖，而过高或过低的浓度则可能抑制特定菌种或整个群落的发展，导致竞争激烈或资源稀缺。微生物通过多样的生态适应策略，如形成生物膜、调控代谢途径和趋化现象等，调节其对不同浓度化学物质的响应，从而影响生态系统的稳定性与功能。其中趋化性是指细菌微生物对环境中某些具有刺激性的化学物质产生定向趋近或者远离的运动，这种与生俱来的能力在生物趋利避害和适应环境中扮演着关键角色。随着现代电子显微镜、荧光标记和荧光追踪技术的进步与发展，adler和berg等研究团队运用基因工程、生物化学和行为学方法，深入研究了大肠杆菌的趋化行为及其分子机制，他们详细地揭示了细菌趋化性分子机制，极大地推进了对细菌趋化性定量研究的发展。医学理论研究与临床试验显示，趋化性在许多生理过程中至关重要，包括人体体内各类细胞的趋化性转移和运动。例如，中性粒细胞作为主要的血液白细胞，通常存在于外周血液中，然而，在炎症或损伤发生时，特别是在细菌感染时，免疫组织会释放化学趋化因子，中性粒细胞表面的受体能探测到这些化学因子的梯度，引导其从血管移动至炎症或损伤部位，并吞噬入侵的细菌。但是，当趋化机能发生紊乱时，免疫系统的失调会对健康产生严重影响，例如，异常的免疫反应可能导致自身免疫性疾病如麻疹和红斑狼疮的发生。临床试验还表明，趋化性机制在肿瘤的生长和发展、疾病状态转移、人体组织发育、胚胎生长、伤口愈合及血管生成等生理过程中具有重要的作用。

2、经典的(patlak-)keller-segel系统自被patlak(1953)和keller&segel(1970)提出用以描述细菌种群密度以及化学物质浓度的动态演化以来，引起了许多研究者的广泛关注。这类系统尽管结构相对简单，但是其动力学性质丰富，并且能够很好地模拟细菌聚集这一趋化性运动中最重要的现象。细胞聚集始于细胞间的化学信号释放，吸引周围细胞向其集聚，并通过黏附分子的作用形成稳定的细胞群体。这一现象可以通过抛物-椭圆方程组有限时间爆破解所产生的函数进行数学模拟，系统在细胞聚集过程中如果细胞密度足够大将会在区域的小区域内形成尖锐的结构并在有限时间内出现爆破现象。该模型是一个交叉耦合的非线性偏微分系统，结构复杂，难以获得其解析解。因此很多研究者通过各种数值计算手段对该模型进行求解，不仅可以验证理论方面的研究结论，还可以直观地模拟出针对该模型目前未知的其他现象，如尖峰稳态或有限时间爆破等奇性解结构，尤其是爆破的临界阈值、爆破时间和空间位置等。数值计算和模拟在细胞动力学中起着关键的作用，近年来，由于数值和模拟技术的发展，如何抑制爆破的问题受到了广泛关注。目前有四种方法可抑制爆破，允许退化细胞扩散、考虑适当的生长-死亡条件、饱和趋化通量、在化学浓度和密度计算中加入更多的细胞扩散项，即使非常小的扩散项，也可以避免爆破现象的发生。为了抑制细胞密度出现爆破现象，通常人们考虑了附加交叉扩散、逻辑源、齐次诺伊曼边界条件和适当的初始条件的keller-segel模型。通过对该模型的求解以揭示细菌微生物随时间演化的渐近行为，捕捉模型解出现的尖峰稳态、有限时间内解的爆破以及通过增加交叉扩散项抑制爆破现象的发生。

3、目前，为避免细菌微生物爆破现象的发生，经常采用低精度数值分析方法进行预测，其缺点是准确性较低、预测不准确。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，通过离散并求解刻画细菌微生物聚集过程的趋化模型，对细菌微生物的扩散等演化过程中局部出现的大梯度、尖峰结构，有限时间爆破以及抑制细菌微生物聚集而导致的爆破现象发生等进行精确有效的数值模拟和分析，通过模拟该模型解的长时间行为，有限时间爆破以及通过交叉扩散项抑制爆破等动力学行为，以诠释细菌微生物聚集的生物趋性现象，为抑制由于细菌微生物聚集而导致爆破现象的发生提供一种精确的数值分析方法。

2、根据本公开实施例的第一个方面，提供了抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，包括以下步骤：

3、分析细菌微生物密度与化学浓度环境的相互作用，以及细胞聚集的实际演化过程，建立含有交叉扩散项和逻辑源项的趋化模型；

4、采用有限差分方法对趋化模型进行离散，构建近似该模型解的高精度紧致差分格式；

5、基于高精度紧致差分格式，设计求解趋化模型的数值分析方法。

6、根据本公开实施例的第二个方面，提供了抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析系统，包括：

7、模型建立模块，分析细菌微生物密度与化学浓度环境的相互作用，以及细胞聚集的实际演化过程，建立含有交叉扩散项和逻辑源项的趋化模型；

8、差分格式构建模块，采用有限差分方法对趋化模型进行离散，构建近似该模型解的高精度紧致差分格式；

9、设计模块，基于高精度紧致差分格式，设计求解趋化模型的数值分析方法。

10、根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法。

11、根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法。

12、本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：

13、1.本发明可获得趋化模型的高精度数值解，尤其是空间方向上的四阶精度，高于目前已有的低精度(一阶、二阶精度)数值方法。

14、2.本发明提出的高精度数值分析方法，能够精确有效地模拟出细菌微生物密度随时间演化的渐近行为，捕捉模型解出现的尖峰稳态、有限时间内解的爆破以及通过增加交叉扩散项抑制爆破现象发生的可行性。

15、3.本发明可以深化人们对于爆破现象和抑制爆破现象的理解，并为实际应用提供可验证的高精度数值计算方法。

技术特征：

1.抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，建立含有交叉扩散项和逻辑源项的趋化模型，具体为：

3.根据权利要求2所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，采用有限差分方法对趋化模型进行离散，具体为：将趋化模型式(1)-(4)表示为如下形式：

4.根据权利要求3所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，构建近似该模型解的高精度紧致差分格式，具体为，对于式(9)中的空间导数采用四阶padé格式进行计算：

5.根据权利要求4所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，式(13)和(19)构造的是内部点格式，对于u和v的一阶导数和二阶导数在边界点处时，采用下面四阶一致边界格式：

6.根据权利要求5所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，对于u和v函数的边界，采用下面方式获取：

7.根据权利要求6所述抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法，其特征在于，设计求解趋化模型的数值分析方法，具体为：

8.抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述的抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述的抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法。

技术总结本发明公开了抑制细菌微生物爆破现象发生的高精度数值分析方法及系统，涉及生物学应用技术领域；其包括分析细菌微生物密度与化学浓度环境的相互作用，以及细胞聚集的实际演化过程，建立含有交叉扩散项和逻辑源项的趋化模型；采用有限差分方法对趋化模型进行离散，构建近似该模型解的高精度紧致差分格式；基于高精度紧致差分格式，设计求解趋化模型的数值分析方法。其对细菌微生物的扩散等演化过程中局部出现的大梯度、尖峰结构，有限时间爆破以及抑制细菌微生物聚集而导致的爆破现象发生等进行精确有效的数值模拟，通过模拟该模型解的长时间行为，有限时间爆破以及通过交叉扩散项抑制爆破等动力学行为，以诠释细菌微生物聚集的生物趋性现象。技术研发人员：葛永斌,徐盼盼,张林受保护的技术使用者：大连民族大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2