好风凭借力，送我上青云

白吉潇

在本次上海市创新项目——心肌缺血条件下能量代谢系统的数值模拟中，我主要承担了建立生物体代谢模型的任务。为了利于研究和模拟，我首先要完成的就是将原本非常复杂的生物体代谢网络进行适当的简化。按照现今系统生物学的假设，在正常条件下能量代谢系统的作用是使生物能量物质（如ATP）的生产最大化，因此我将在ATP合成中贡献较大的反应途径给于较大的优先级，并主要考察由这些具有较大优先级的反应途径所构成的简单网络系统。另外，为使得简化的系统能够在功能上接近于真实情况，也需将无氧代谢途径一并考察。而为使问题简化，代谢途径之中的中间产物（如pyruvate 和 Acetyl-CoA等）也一并忽略。基于以上的简化原则，我用涉及7个重要代谢物的8个化学反应重构出一个简化的哺乳动物心肌细胞能量代谢系统。下一步要根据简化后的系统建立数学模型。本次模拟的环境是心肌细胞缺血的条件下，此时能量代谢网络处于异常状态。通过查阅资料，我发现：按照现今的系统生物学假设，在异常状态下生物系统会维持与平衡态（或准稳态）之间的状态波动最小。因此我将这一原则作为此次代谢系统数值模拟的调控规则。即试图通过计算模拟出系统在该调控规则支配下，其状态随时间变化的趋势。

同时，在建立约束条件方程的过程中，我对FBA（流平衡分析）方法和DFBA（动态流平衡分析）方法进行了比较。FBA方法以使得代谢网络中的代谢流达到平衡来限定系统的性能，然后通过线性规划的方式对目标函数做优化（例如生物量合成最大化、生物毒素产生最小化等等）以取得一个解向量。上述的经典FBA方法没有考虑时间与代谢物浓度的因素，因此它不能对生物系统的动态过程作以描述。正因为如此，人们发展出了基于最优控制原理的DFBA方法来弥补FBA分析方法的这些缺点。现今而言，DFBA包括两种公式化方法：DOA和静态基于最优化的DFBA方法（SOA）。DOA比SOA更精确一些，但SOA用于计算大规模系统时需引入的参数不会随系统的规模成指数增长。出于精确性需求，我们最终选择DOA重构心肌细胞能量代谢模型，得到了模型的流方程等式约束。另外，我通过查找生物学资料，了解相关的背景知识，知道了系统要保持一定的残留物水平，葡萄糖、氧气的反应需要限速，从而得到了模型的不等式约束。从而完整的建立了能量系统代谢模型。

在此项目的研究过程中，我充分意识到将多学科知识整合，提高综合运用知识能力的重要性。现在高科技领域的许多科技成就很少是某一学科的尖端发展，更多的是多学科相互整合而形成的边缘科学的巨大进步。以本项目为例，我们小组针对算例的特点，探索出了一条以数学，计算机科学，生命科学三种不同学科相结合的研究道路，通过收集整理想过的生物学和医学信息，得到了合理完善的建模思路，选择了恰当的模拟方法，然后建立了相对准确的生物学模型，并且将其转化为对应的数学模型，通过数值解法求得有效的数值解，最后通过对得到的数值解的生物学和医学解释，得到了最终的模拟结果。通过本项目的研究，我不但掌握了相关的生物学和计算机知识，对这两个学科有了初步的了解，而且很好的培养了自己综合运用多学科知识的能力。

作为21世纪新一辈人才，时代的车轮把我们推向了21世纪经济与信息的时代潮流之中。创新能力的培养已经成为国家的需要、社会的需求和时代的主题。因此，在本次项目的研究中，我也着重锻炼自己的创新能力和创新思维。过去我总是局限的认为在数学学科创造出新的理论和公式才是创新，通过本项目的研究，首先让我改变了自己对于“创新”的认识。“创新”是创造一种新的思维，一种新的方法。在当今这个各学科高度交叉发展的社会，创造新的思维增强不同学科之间的联系，将本学科中已经成熟可靠的方法通过综合运用知识的能力应用到新的学科，具有更强的实践意义。我本专业是数学与应用数学，数学作为基础学科，直接应用到工作和研究中的机会很少，但数学方法却能应用的社会发展的各个领域。本次项目正是使用在数学领域已得到充分证明的有限元法和有限差分法来模拟生物能量系统的代谢过程。如果排除数学方法的应用，生物学的探讨往往只局限在理论方面，而缺乏可测性。此次我们发挥团队的创新能力，将这两种算法引入到生物学的研究中，对缺血条件在代谢系统中的关键物质的变化给出了定量测量并得到了其随时间变化的图形。这次实践使我看到了创新思维在综合运用各学科知识方面的重要作用，也让我明白到在以后学学习研究中，应该重点培养自己的创新思维和整合运用多学科知识的能力。

同时，我也意识到培养创新能力不是一句空话，更不是通过凭空想象就可以实现的。创新能力与我自身的综合能力有着重要关联。一方面，创新往往与良好的专业基础、实验技能密不可分，即创新一般都需要以专业学习为基础，以良好的专业理论、知识水平为保证，善于学习和良好的学习习惯都会为创新的成功带来机遇。本次项目的研究正是基于我们小组成员对数学建模方法和有限元、有限差分等偏微分方程数值解法的熟练掌握和深层理解。因此，在专业方面打下坚实的基础，加深自己对各分支数学理论和方法的认识是我培养自己创新能力的首要任务。另一方面，创新是一项综合素质，需要多领域学科知识的支持，如果不拓宽自己的知识面，创新就无从谈起。生物学和计算机知识在此次研究中起了至关重要的作用。“书到用时方恨少。”只有在平时的学习研究中，广泛的涉猎不同学科的知识，才能发现不同学科之间的联系，从而锻炼自己的创新能力，并争取在高科技领域有所建树。

本次参与上海市大学生创新项目的研究对我未来的个人发展至关重要，综合运用知识的能力和创新思维都得到了极大的锻炼。更为重要的是我对数学在不同领域的应用产生了浓厚的兴趣，这直接影响到了我对研究生阶段修读方向的选择。出于对数学方法在金融方面应用的兴趣，我选择了金融数学作为自己的研究生专业。同时，在此项目的研究中，我具体实践了数学建模方法和偏微分数值解法这两种在金融数学研究中极为重要的方法，加深了对这方面数学理论和方法的认识，提高了综合运用知识的能力，这些帮助我成功的申请到了香港科技大学的金融数学专业。这无疑将为我以后的职业发展和学术研究打下坚实的基础。更为重要的是，在项目的研究中我的创新能力有了巨大的提高。如果说本科学习注重的是知识的积累，研究生学习则是充分发挥个人创新能力的舞台，此次项目的锻炼必然会让我在研究生的学习实践中如鱼得水，也为我在交叉学科取得成就奠定了坚实的基础。“好风凭借力，送我上青云。”借着此次创新项目的东风，相信我会在今后的学习研究中越飞越高。