環(huán)境激素苯在復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的控制與優(yōu)化
劉佩勇1，張慶靈1，張悅1楊曉光2
（1東北大學(xué)理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004；2大連海事大學(xué)數(shù)理系，遼寧大連116026)
摘 要：針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)和環(huán)境激素這兩大科學(xué)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)方法建立了重要的環(huán)境激素類物質(zhì)苯在由各個(gè)器官組成的人體這一復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的多室模型，并利用控制學(xué)的理論與方法進(jìn)行了模型的系統(tǒng)分析、穩(wěn)定性分析和****化研究。研究的結(jié)果表明，人體復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)某些生理過(guò)程是可以進(jìn)行定量描述的，經(jīng)過(guò)控制分析得出的結(jié)果真實(shí)地反映了人體復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際生理規(guī)律，具有重要的生物學(xué)意義；對(duì)所建立模型的系統(tǒng)優(yōu)化與仿真為復(fù)雜系統(tǒng)的定量化研究及控制方法在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和方法。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜系統(tǒng)；環(huán)境激素；多室模型；控制分析；優(yōu)化
中圖分類號(hào)：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a
1 引言
復(fù)雜系統(tǒng)是指由一些相對(duì)簡(jiǎn)單的個(gè)體部件由于相互之間錯(cuò)綜復(fù)雜的作用形成的一個(gè)統(tǒng)一而復(fù)雜的整體ll。生物復(fù)雜系統(tǒng)是所有復(fù)雜系統(tǒng)中復(fù)雜性最強(qiáng)的一類。復(fù)雜系統(tǒng)的研究，由于系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體之間相互作用的復(fù)雜性，尤其是生物系統(tǒng)，都還不能進(jìn)行定量研究，不能建立精確的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行論、推演、理論分析、定量計(jì)算等。
“環(huán)境激素”是影響和擾亂生物體內(nèi)分泌系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)的總稱。它會(huì)影響到包括人類在內(nèi)的各種動(dòng)物的生殖功能、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)，是世界性的污染問(wèn)題，關(guān)系到人類的繁衍、生存和發(fā)展。關(guān)于環(huán)境激素在人體或動(dòng)物體內(nèi)遷移過(guò)程的定量化研究還很少見報(bào)道。苯是一種重要的環(huán)境激素，由于其在工業(yè)中廣泛應(yīng)用使其在空氣中有殘留，尤其是裝修后的房屋。苯通過(guò)呼吸道吸人人體后會(huì)造成昏迷、抽搐、呼吸及循環(huán)衰竭等急性中毒癥狀或頭暈、頭痛、乏力、失眠、再生障礙性貧血等慢性中毒癥狀。所以對(duì)于苯在人體內(nèi)流動(dòng)的模型化及控制和優(yōu)化研究可以為控制其在人體內(nèi)的含量和其他的生物復(fù)雜系統(tǒng)的定量研究提供重要的理論依據(jù)。
2人體復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境激素苯流動(dòng)多室模型的建立
依據(jù)環(huán)境激素苯在人體內(nèi)遷移的生理過(guò)程，利用生態(tài)毒理學(xué)方法可以建立多室概念模型，如圖l所示。
圖中阿拉伯?dāng)?shù)字和英文字母分別代表己烯雌酚作用于人體的系統(tǒng)和該系統(tǒng)的代表性的器官：
① bl為循環(huán)系統(tǒng)，血液；②fa為脂肪組織；③lu為呼吸系統(tǒng)，肺；④in為攝入。
其中，血液是中心室，苯通過(guò)血液向身體的各個(gè)器官進(jìn)行遷移。人體對(duì)于苯的攝人(u)主要通過(guò)呼吸道，吸收的苯約百分之50以原形由呼吸遭重新排出(yl)。百分之40左右在體內(nèi)氧化，形成酚、苯二酚、鄰苯二酚等，這些代謝物與硫酸和葡萄糖醛酸結(jié)合隨尿排出體外(y2)。留在體內(nèi)的苯，主要分布在骨髓、腦及神經(jīng)系統(tǒng)等含脂肪組織多的組織內(nèi)。
設(shè)x1，x2，x3為環(huán)境激素己烯雌酚的量，kij為環(huán)境激素在各室之間（從i室向j室）遷移的速率常數(shù)(i，j=l，2，3)，h為攝人量。遷移過(guò)程用一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程表示。根據(jù)概念模型中的關(guān)系，利用生態(tài)毒理學(xué)和數(shù)學(xué)璉模方法可以建立微分系統(tǒng)方程模型，對(duì)該系統(tǒng)描述如下：
狀態(tài)方程為
輸出方程為
其中，根據(jù)環(huán)境激素苯在人體內(nèi)遷移的生理規(guī)律可知：
y1=k30x3=1/2u
設(shè)u(t)=in(t)，則系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為
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