Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Математический анализ и моделирование динамики распределения продолжительности жизни людей и лабораторных животных

Диссертация: Математический анализ и моделирование динамики распределения продолжительности жизни людей и лабораторных животных
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Показано, что у различных биологических видов наиболее чувствительными к изменению внешних условий оказываются различные возрастные группы в популяции, что отражается в обнаруженных различия в динамике распределения ПЖ: в популяции D. melanogaster увеличение средней ПЖ достоверно коррелирует с увеличением дисперсии ПЖ, в популяции крыс эти две величины достоверно не коррелируют между собой… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературы. L
    • 1. 1. Кривые выживаемости, таблицы смертности и их виды
    • 1. 2. Когортные и периодические данные
    • 1. 3. Цензурированные данные
    • 1. 4. Возрастная структура распределения ПЖ
    • 1. 5. Некоторые подходы к моделированию старения популяций
    • 1. 6. Функция Гомпертца как модель распределения ПЖ
    • 1. 7. Функция Гомпертца-Мейкема как модель распределения ПЖ
    • 1. 8. Корреляция Стрелера-Милдвана
    • 1. 9. Результаты, получающиеся при использовании функции Гомпертца, как модели кривой выживаемости
    • 1. 10. Распределение Вейбулла как модель распределения ПЖ
    • 1. 11. Корреляция между параметрами распределения Вейбулла
    • 1. 12. Внутренний (собственный) временной масштаб
  • Глава 2. Материалы и методы
    • 2. 1. Материалы
      • 2. 1. 1. Банк данных выживаемости людей
      • 2. 1. 2. Банк данных выживаемости животных
    • 2. 2. Выбор методологий
      • 2. 2. 1. Методика аппроксимации
      • 2. 2. 2. Сравнение когортных и периодических данных. Адекватность периодических данных
      • 2. 2. 3. Расширения нижней границы интервала аппроксимации
      • 2. 2. 4. Погрешности полученных оценок, связанные с не полнотой данных
      • 2. 2. 5. Оценка погрешности аппроксимации выживаемости крыс
  • Глава 3. Моделирование исторической динамики распределения ПЖ
    • 3. 3. Историческая динамика характеристики распределения ПЖ
    • 3. 3. Прогноз характеристик распределения ПЖ на основании кореляционной зависимости между параметрами функции Гомпертца
  • Глава 4. Сравнение результатов, полученных при моделировании исторической динамики распределения ПЖ людей функцией Гомпертца и распределением Вейбулла
    • 4. 1. Динамика параметров распределения Вейбулла
    • 4. 2. Динамика характеристик распределения Вейбулла
  • Глава 5. Сходство и различия в закономерности смертности людей и животных
    • 5. 1. Динамика выборочных значений средней ПЖ и дисперсии людей и животных
    • 5. 2. Теоретическая зависимость между средней ПЖ и дисперсией
  • Глава 6. Обсуждение результатов и
  • выводы

Математический анализ и моделирование динамики распределения продолжительности жизни людей и лабораторных животных (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность работы. Демографическое старение населения — увеличение доли пожилых и старых людей в общей численности населения, в настоящее время охватывает практически весь мир [53]. По данным ООН, наиболее быстро растущий сегмент старческой популяции — лица 80 лет и старше [53]. Эта тенденция вызывает обоснованное беспокойство, так как увеличение доли лиц старших возрастов сопряжено с увеличением заболеваемости, инвалидности и экономического груза на работоспособную часть человечества [53]. Все это приводит к увеличению общественного и научного интереса к проблемам демографии, теоретической и экспериментальной геронтологии. В ООН существует специальная программа исследований по вопросам старения в 21-м веке.

В течение последних 160 лет средняя продолжительность жизни (ПЖ) в экономически развитых странах постоянно увеличивалась со средней скоростью 3 месяца в год [86, 66]. В 1840 году эта величина у женщин (Швеция) составляла 45 лет, а к 2000 г. у женщин (Япония) она достигла 85 лет. Большая часть прироста этой величины была обусловлена снижение смертности в младших возрастных группах [41]. Это явление получило в литературе специальное название «compress of morbidity» [41]. По видимому, эти изменения связаны с прогрессом личной и общественной гигиены, улучшением жилищных условий и медицинского обслуживания, улучшением питания. Поэтому проблема прогноза дальнейших изменений распределения ПЖ вызывает большой интерес у специалистов [40, 41, 67, 90, 87].

Одним из интенсивно развивающихся направлений на стыке биологии, математики и демографии стало исследование динамики распределения продолжительности жизни (ПЖ) людей и лабораторных животных. Целесообразность применения математического аппарата развитого в демографии, в геронтологических исследованиях не вызывает сомнений. Однако следует подчеркнуть, что перед демографией стоят иные, чем перед популяционной геронтологией задачи. Изучая одно и то же реальное явление (возрастное увеличение смертности) геронтологи видят в нём проявление старения на популяционном уровне, а демографы — естественное движение населения. Если первых интересует, почему с возрастом увеличивается смертность, то для вторых — это объективная реальность, которую следует учитывать при построении демографических моделей. Математические методы, имитационное моделирование и системный анализ объектов сложной структуры не только увеличивают эффективность геронтологических исследований, но и открывают принципиально новые возможности [19, 16].

Увеличение вероятности смертности, по-видимому, является фундаментальным проявлением старения. Это явление нашло свое отражение во многих определениях старения [58, 22]. Изучение смертности лабораторных животных широко применяется для определения эффективности действия геропротекторов, т. е. веществ, которые замедляют старение [3, 39, 61, 26]. Актуальной задачей является сравнение динамики смертности человека и лабораторных животных, и выяснение, какие именно результаты по выживаемости и старению лабораторных животных возможно перенести на человека.

В связи с ростом загрязнения окружающей среды приобретает актуальность проблема ее влияния на ПЖ организмов. Под факторами среды будем иметь в виду как благоприятные, так и неблагоприятные воздействия: радиационное и химическое загрязнение, улучшение медицинского обслуживания, улучшение социально-бытовых условий, успехи фармакологии, изменения в питании, эпидемии, войны и др. Все эти факторы, изменяя скорость старения и смертности, отражаются на распределении ПЖ людей.

Цели работы. Изучение закономерностей динамики распределения ПЖ у человека и животных выявление роли биологических и социальных факторов в закономерности динамики распределения ПЖ.

Задачи исследования.

1 .Сформировать банк данных по выживаемости людей и животных. Проанализировать историческую динамику распределения продолжительности жизни (ПЖ) людей, используя аппроксимационные модели выживаемости.

2. На основании проделанного анализа попытаться предсказать будущую динамику распределения ПЖ людей.

3. Сравнить результаты, полученные с помощью различных моделей смертности.

4. Сравнить динамику распределения продолжительности жизни (ПЖ) нескольких поколений людей и животных. Выявить общие для них закономерности.

Выводы.

1. Показано, что закономерности в динамике распределения ПЖ людей не зависят от аналитического описания выживаемости и, следовательно, характеризуют явление, а не модель, идентифицированную на фактическом материале созданной единой базы данных по выживаемости людей из 17 развитых стран за большой исторический период.

2. Аналитически прогнозируется дальнейшая динамика распределения ПЖ и его характеристик: стабилизация модального возраста и средней ПЖ в районе 100 лет.

3. Показано, что у различных биологических видов наиболее чувствительными к изменению внешних условий оказываются различные возрастные группы в популяции, что отражается в обнаруженных различия в динамике распределения ПЖ: в популяции D. melanogaster увеличение средней ПЖ достоверно коррелирует с увеличением дисперсии ПЖ, в популяции крыс эти две величины достоверно не коррелируют между собой, у людей наблюдается достоверная обратная корреляция между этими величинами,.

4. Получена теоретическая зависимость (в рамках модели Гомпертца) между величинами средней ПЖ и дисперсии, которая имеет нелинейный характер и хорошо согласующаяся с реальными данными. Наличие и знак корреляции между средней ПЖ и дисперсией ПЖ определяется численными значениями параметров распределения ПЖ каждого биологического вида и местом локализации характеристик распределения на аналитической кривой.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.П., Потапенко А. И. Биоэсхотология: основные направления и первые результаты исследований. // Успехи геронтологии.- 1997.-Вып.1 .- С.41−46.
  2. В.Н. Средства профилактики преждевременного старения (геропротекторы). // Успехи геронтологии.-2000.-Вып.4.-С.55−74
  3. В.Н. «Молекулярные и физиологические механизмы старения» С.-П.: Наука.- 2003 г.-468с.
  4. Курс демографии. Под ред. Боярского А. Я. изд. З, М.: Финансы и статистика.- 1985 г.-391с.
  5. , JI. А. и Гаврилова, Н. С. «Биология продолжительности жизни» М.: Наука.-1991 г.-280с.
  6. JI.A., Гаврилова Н. С. и Ягужинский Н.С. Основные закономерности старения и гибели животных с точки зрения теории надёжности // Журнал Общей Биологи.-1978.-т.39.-С.734−742.
  7. Д.М., Войтенко В. П., Кутлахмедов Ю. А., Кольтовер В. К. Надёжность и старение биологических систем.-Киев:Наукова думка, 1987.-176с.
  8. С.П., Гаврилова Н. С. Первичная статистическая обработка данных по выживаемости организмов// Сб. Итоги науки и техники. Сер. Общие проблемы биологии ред. Е. Б. Бурлаковой и JI.A. Гаврилова М: ВИНИТИ.-1987.-284с.-т.6.- С.230−276.
  9. Д.М., Обухова JI.K., Конрадов А. А. и др. Корреляционный анализ взаимосвязи параметров геомагнитного поля и продолжительности жизни D. melanogaster II Химическая физика.-1995, — т.14(11).- С. 95−101.
  10. Ю.Кольтовер В. К. Надёжность ферментной защиты клетки отсупероксидных радикалов и старение // Докл. АН СССР, 1981, т. 256, № 1, стр.199
  11. В. К. Надёжность ферментативных систем и молекулярные механизмы старения // Биофизика.-1982.-т.27.-№ 4.-с.614.
  12. В. К., Андрианова 3. С. и Иванова А. Н. Моделирование кривых выживания и смертности популяций человека на основе теории надёжности // Известия Академии наук, сер. Биологическая .-1993.-С.121−129.
  13. В. К. Свободнорадикальная теория старения: современное состояние и перспективы // Успехи геронтологии.-1998.-Вып.2.-с. 3742.
  14. В. К. Свободнорадикальная теория старения: исторический очерк // Успехи геронтологии.-2000.-Вып.4, — с. 33−40.
  15. А.А., Кутыркин В.А «Распределение продолжительности жизни человека и его историческая динамика." — Препринт,-Черноголовка.- 1988
  16. В.Н., Славин М. Б., Смирнова Т. М. Математические основания геронтологии.- Москва.- УРСС.- 2002.-384с.
  17. , В. Б., Наджарян, Т. Л. Кинетический анализ смертности. Подход к созданию количественной геронтологии. //Итоги науки и техники.- Сер. Общие проблемы биологии.- 1987.-вып.6.- С. 106−154
  18. С. И. and Смирнова А. Н. Оценка наследуемости основных параметров старения у Drosophila melanogaster 11 Генетика.-1997.-т.З 3 .-С.616−622.
  19. , В. Н., Новосельцева, Ж. А. и Яшин, А. И. Старение насекомых II. Гомеостатическая модель // Успехи геронтологии.-2000.-Ж4.-С. 132−140.
  20. . «Время, клетки и старение» М.: Мир.- 1964 г.-272с.
  21. Azbel М. Y. Phenomenological Theory of Mortality and Aging // Physica A.-1998.-V. 249.-P.472−481
  22. Bains W. Statistical Mechanic Prediction of Non-Gomperzian Ageing in Extremely Aged Populations // Mechanisms of Ageing and Development.-2000.-v. 112.-S.89−97.
  23. Beard R.E. Note on some mathematical mortality models.// The Life Span of Animals/ Eds. Wolstenholme G.E.W. and O’Conner M. Boston: Little, Brown and Company- 1959, стр. 302−311.
  24. H., Mccullough С. В., and Dicarlo F. J. Mortality Kinetics in Toxicology Studies //Drug Metabolism Reviews.-1985.-v.16.-P321−362.
  25. Carey J. R., Liedo P., Orozco D., and Vaupel, J. W. Slowing of Mortality-Rates at Older Ages in Large Medfly Cohorts // Science.-1992.-v.258.-S.457−461.
  26. Carnes B. A. and Olshansky S. J. Evolutionary Perspectives on Human Senescence // Population and Development Review.-1993.-v.19.-S.793−806.
  27. Carnes BA and Olshansky SJ. Heterogeneity and its biodemographic implications for longevity and mortality// Experimental Gerontology.-2001.-V.36.-S.419−430.
  28. Dolejs J. The Extension of Gompertz Law’s Validity // Mechanisms of Ageing and Development.-1997.-v.99.-S.233−244.
  29. Dolejs J. Mortality From Congenital Anomalies // Mechanisms of Ageing and Development.-1998.-v.l05.-P.319−332.
  30. Drapeau M. D., Gass E. K., Simison M. D., Mueller L. D., and Rose M. R. Testing the Heterogeneity Theory of Late-Life Mortality Plateaus by Using Cohorts of Drosophila Melanogaster II Experimental Gerontology.-2000.-v.35.-S.71−84.
  31. Eakin T. Intrinsic Time Scaling in Survival Analysis Application to Biological Populations // Bulletin of Mathematical Biology.-1994.-v.56.-S. 1121−1141.
  32. Eakin, T. and Witten, M. A Gerontological Distance Metric for Analysis of Survival Dynamics// Mechanisms of Ageing and Development.-1995.-V.78.-S.85−101.
  33. Eakin T. and Witten M. How Square Is the Survival-Curve of a Given Species //Experimental Gerontology.-1995.-v.30.-S.33−64.
  34. Emanuel N.M., Obukhova L.K. Types of experimental delay in aging patterns //Experimental Gerontology.-1978.-v. 13.-S.241−245.
  35. Gavrilov L. A. and Gavrilova N. S. The Reliability Theory of Aging and Longevity // Journal of Theoretical Biology .-2001.-V.213.-S.527−545.
  36. Golubev, A. Does Makeham make sense? //Biogerontology.-2004.-v. 5.-S. 159−167.
  37. Gompertz B. On the nature of the function expressive of the law of human mortality and on a new mode determining life contingencies // Philosophical Transactions of the Royal Society of London Ser A.-1825.-v.115.- P.513−585
  38. Hirsch H. R. Do Intersections of Mortality-Rate and Survival Functions Have Significance // Experimental Gerontology.-1995.-v.30.-:P. 147−167.
  39. Juckett D. A. and Rosenberg B. Human-Disease Mortality Kinetics Are Explored Through a Chain Model Embodying Principles of Extreme Value Theory and Competing Risks // Journal of Theoretical Biology.-1992.-v. 155.-P.463−483.
  40. Juckett D. A. and Rosenberg B. Comparison of the Gompertz and Weibull Functions as Descriptors for Human Mortality Distributions and Their Intersections // Mechanisms of Ageing and Development .-1993.-v.69.-S.l-31.
  41. Kalache A., Gatti A. Active ageing: a policy framework// Успехи геронтологии.- 2003, v. 11.-S.7−18
  42. Leung K.-M., Elashoff R. M., and Afifi A. A. Censoring issues in survival analysis // Annual Review of Public Health.-1997.-v.18.-S.83−104.
  43. Llorca, J., Prieto, M. D., and Delgado-Rodriguez, M. Gompertzian Analysis of Ischemic Heart Disease Mortality in Spain, 1951−1992 // Revista Espanola De Cardiologia.-1998.-v.51.-S.467−472
  44. Llorca J., Prieto M. D., and Delgado-Rodriguez M. Increase in Cervical Cancer Mortality in Spain, 1951−1991 // Journal of Epidemiology and Community Health.-1999,-v. 53.-S.408−411.
  45. Makeham, W.M. On the low of mortality and the construction of annuity tables // Journal of the institute of actuaries.-v.l 860.-V.6.-S. 301−310.
  46. Medvedev Z. A. An Attempt at a Rational Classification of Theories of Ageing // Biological Review.-1990.-v.65.-S.375−398.
  47. Miller A. R. The Distribution of Wearout over Evolved Reliability Structures // Journal of Theoretical Biology.-1989.-v. 136.-S.27−46.
  48. Miquel J., Oro J.kL., Bench K.G., Atlan H. Effect of temperature on the life span vitality and fine structure of Drosophila melanogaster II Mechanisms of Ageing and Development.-1976.-v.5.-P.347−370.
  49. P. J., Lowrie W. В., Cross F. T. A Mortality Kinetics Approach to Characterizing the Fractionated Exposure-Mortality Response Relationship of Radon Progeny // Mechanisms of Ageing and Development.-1995 .-v.83 .-P.65−85.
  50. Neilson S., Robinson I., and Kondo K. A New Analysis of Mortality From Motor-Neuron Disease in Japan, 1950−1990 Rise and Fall in the Postwar Years // Journal of the Neurological Sciences.-1993.-v.117.-S.46−53.
  51. Neilson S., Robinson I., Rose F. C., and Hunter M. Rising Mortality From Motor-Neuron Disease an Explanation // Acta Neurologica Scandinavica.-1993 .-v. 87.-S. 184−191.
  52. Partridge L, Barton NH Optimality, mutation and the evolution of ageing // Nature.-1993.-V362(6418).-S.305−311.
  53. Pletcher S. D. and Neuhauser C. Biological Aging Criteria for Modeling and a New Mechanistic Model // International Journal of Modern Physics C.-2000.-V. 11 .-S.525−546.
  54. Prieto M. D., Llorca J. and Delgado-Rodriguez M. Longitudinal Gompertzian and Weibull Analyses of Adult Mortality in Spain (Europe), 1900−1992// Mechanisms of Ageing and Development.- 1996.-V.90.-P.3 551.
  55. Riggs J. E. Longitudinal Gompertzian Analysis of Adult Mortality in the United-States, 1900−1986 // Mechanisms of Ageing and Development. -1990.-V.54.-P.235−247.
  56. Riggs J. E. Bladder-Cancer Mortality in the United-States, 1951−1989 -Increased Environmental Carcinogenesis in Men // Regulatory Toxicology and Pharmacology.-1994.-v.20.-S. 187−197.
  57. Riggs J. E. and Hobbs G. R. Nonrandom Sequence of Slope-Intercept Estimates in Longitudinal Gompertzian Analysis Suggests Biological Relevance // Mechanisms of Ageing and Development.-1998.-v.100.-P.269−275.
  58. Riggs J. E. and Millecchia R. J. Using the Gompertz-Strehler Model of Aging and Mortality to Explain Mortality Trends in Industrialized Countries // Mechanisms of Ageing and Development.-1992.-V.65.-P.217−228.
  59. Rosenberg В., Kemeny G., Smith L. G., Skurnick I. D., Bandurski M.J. The kinetics and thermodynamics of death in multicellular organisms // Mechanisms of Ageing and Development.-1973.-v.2.-P.275−293.
  60. Sacher G. A. Life table modification and life prolongation. In C.E. Finch and L. Hayflick (eds.) Handbook of the biology of aging. Van Nostrand Reinhold, New York, 1977, pp.582−638.
  61. Schelettwein-Gsell D. Survival curves of an old age rat colony//Gerontologia.-1970.- v.16.- p. l 11−115.
  62. Semsei I. On the nature of aging // Mechanisms of Ageing and Development .-2000.-V.117.-S.93−108.
  63. Shao Z. H., Gao W. L., Yao Y. M., Zhuo Y. S., and Riggs J. E. The Dynamics of Aging and Mortality in the Peoples-Republic-of- China, 1957−1990 // Mechanisms of Ageing and Development-1993.-v.67.-P.239−246.
  64. Strehler B. L. and Mildvan A. S. General Theory of Mortality and Aging// Science.-1960,-v. 132, 14−21.
  65. Vaupel J.W. Relative risks: frailty models of life history data // Theoretical Population Biology.-1990.-V.37.-S.220−234.
  66. Weibull W. A Statistical Distribution Function of wide applicability // Journal of applied mechanics.-1951.-v. 18.-S.293−297.
  67. Wilmoth J. R. Demography of Longevity: Past, Present, and Future Trends // Experimental Gerontology.-2000.-V.35.-S.l 111−1129.
  68. Wilmoth J. R., Deegan L. J., Lundstrom H., and Horiuchi S. Increase of Maximum Life-Span in Sweden, 1861−1999 // Science.-2000.-v.289.-S.2366−2368.
  69. Wilmoth J. R. and Horiuchi S. Rectangularization revisited: variability of age at death within human populations// Demography.- 1999.- v.36.-pp.475−495
  70. Wilson D. L. The Analysis of Survival (Mortality) Data Fitting Gompertz, Weibull, and Logistic Functions // Mechanisms of Ageing and Development.-1994.-v.74, 15−33.
  71. Witten M. Might Stochasticity and Sampling Variation Be a Possible Explanation for Variation in Clonal Population Survival Curves // Mechanisms of Ageing and Development.-1994.-v.73.-S.223−248.
  72. Yashin A.I., Begun A.S., Boiko S.I., Ukraintseva S.V., Oeppen J. The new trends in survival improvement require a revision of traditional gerontological concept // Exp Getontol.- 2001V.37.-S. 157−167.
  73. Yashin A.I., Iachine I.A. How frailty models can be used for evaluating longevity limits: taking advantage of an interdisciplinary approach.// Demography.-1997.- v.34(l).- pp.31−48.
  74. S. M., Yashin A. I., Manton K. G., Dowd Ed., Pogojev I. В., and Usmanov R. N. Vitality Index in Survival Modeling: How Physiological Aging Influences Mortality // Journal of Gerontology: BIOLOGICAL SCIENCES.-2000.-V.55A.-S.B10-B19.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!