Biologia Sistêmica&Inteligência Computacional part 1

Paper in Academia Edu.

biologia sistêmica para engenheiros de produção e industrial

Sobre o trabalho

Título do material

Uma introdução à biologia sistêmica para engenheiros de produção e industrial

Conteúdos

Biologia sistêmica, biomatemática, biologia matemática, bioengenharia, pensamento sistêmico em biologia e medicina, interface entre engenharias e áreas biológicas e médicas.  

Descrição do conteúdo

Como defendido por mim no SIMPEP 2013, artigo, biologia está entre as áreas que formam os desafios do milênio, é tanto que o número de artigos e livros na área cresceu de forma exponencial. Biomatemática e derivações como biologia sistêmica têm mudado a face do mundo biológico e médico, trazendo métodos quantitativos e metodologias geralmente associadas à engenharia a ser consideradas por essas áreas acadêmicas de forma direta. O que é mais interessante de notar é uma tendência cada vez maior das áreas biológicas ao que conhecemos como engenharia, pensamento quantitativo, e pensamento teórico. No entanto, na língua portuguesa não existe literatura em abundância em biologia sistêmica, em especial literatura não-especializada (público genérico), tratando biologia sistêmica e biomatemática; como exemplo, uma busca no Amazon.com.br. Em artigo enviado para avaliação, procuro discutir o tema para o público de inteligência computacional na língua portuguesa: ver http://biologiasistemica.blogspot.it/.  Sendo assim, esse manuscrito pretende servir como um ponto de partida para profissionais e estudantes de engenharia, com enfoque em engenharia de produção, que possam se interessa pela área e procuram referências didáticas em vez de livros editados ou mesmo focado em pontos específicos, ao pensar do autor, a formação do mesmo em engenharia de produção o propiciará uma forma diferente de apresentar o assunto; adicionalmente o livro será publicado em Português, o que o torna interessante para jovens cientistas brasileiros. Pretendo convidar um professor mais experiente na área para participar da publicação, livro-texto, algo que depende da disponibilidade de tempo do professor referido ou mesmo interesse em publicar em Português.  

Detalhes: submetido sobe convite por email (Editora Blucher)

Redes Biológicas

“.....Não há ramo da matemática, por mais abstrato que seja, que não possa um dia vir a ser aplicado aos fenômenos do mundo real...” Lobachevsky

“.....As grandes teorias nascem da mistura...a fragmentação da ciência é algo totalmente humano como a ética...não tendo nem um sentido fora do nosso mundo intelectual...”

Umas das mais importantes mudanças nas áreas biológicas está na mudança de mentalidade. Como reconhece e defende Capra (1975), Newton (1642-1727) influenciou muitas áreas científicas além da física. Essa influência veio de forma inicialmente positiva, dado às ciências tradicionais novos horizontes, mas, isso com o passar do tempo, acabou se tornando um tumor nas ciências como biologia e medicina;  áreas como psicologia tentaram incorporar a forma de pensar desse filósofo, teólogo e matemático-físico.  

“.....Hoje temos bifurcações em todos as ciências devido a essa inicial tentava que falhou e os reparos deixaram cicatrizes....”.

Raízes da biologia sistêmica

Buscas por leis em redes biológicas

Limites das físicas

Função das redes de transcrição: máquina de interface entre meio ambiente o interno do sistema vivo.

Biologia Sistêmica: um novo paradigma para as ciências biológicas e exatas “ou” Biologia Sistêmica e Inteligência Computacional (versão 13)

versão 1 -> versão 12: aumento no número de páginas (de 13 para 17), duas seções novas, uma em propriedades emergentes e uma sobre uma metodologia em desenvolvimento por mim; diminuição do número de figuras, aparentemente algumas figuras estavam criando confusão; diminuição e rearranjo da conclusão, aparentemente mais direta, as partes eliminadas da conclusão foram eliminadas do artigo como um todo; adição de subseção em biologia sistêmica, revisão bibliográfica curta na esperança de enriquecer o trabalho; fusão de algumas seções curtas em uma única, de 10 para 6: adição de uma figura nova como parte da seção nova na metodologia em desenvolvimento por mim: referencial bibliográfico mantido intacto, com exceção de algumas novas referências, existem referências não citadas no texto.

Texto completo: versão 1 -> versão 12. 

Propriedades emergentes

Talvez um dos conceito mais importantes na ciência moderna seja o conceito de comportamento e propriedade emergente, dois temos usados de forma quase similar, mas de acordo com interpretação minha, ou pouco diferente. 

Como destacado por alguns cientistas modernos, a nossa engenharia não está preparada para desenha sistemas baseados em propriedades emergentes, em muitos casos essas são eliminadas ou mesmo vistas como "fantasmas". é muito provável que a problemática seja a falta de literatura tratando o assunto de forma simples e geral. O termo pode ser encontrado em livros diversos, mas principalmente em sistemas complexos, redes complexas, biologia sistêmica, e inteligência computacional. Recentemente fui pego de surpresa na revisão de um trabalho, o mesmo que foi usado como motivação para  criar este blog, o revisores pediram que eu falasse mais de propriedades emergentes, dado a importância do termo. Talvez a forma mais simples de defini-la seja: propriedades emergentes é qualquer propriedade de um sistema que surge da interação. Sendo assim, propriedades emergentes pode ser visto como calor em termodinâmica. Um exemplo interessante segue abaixo, no qual temos um conjunto de tartarugas que interagem, Estas são dotadas de regras simples, mas nenhuma definição do que fazer, um círculo é criado.

" Each turtle follows two simple rules: (1) it tries to keep a certain distance from each of its two "neighbors", and (2) it gently "repels" the group as a whole, trying to move away from the other turtles. With these two rules, the turtles arrange themselves into a circle." (StarLogo, http://education.mit.edu/starlogo/). 

Um outro exemplo pode ser citado de um trabalho desenvolvido por mim e parceria em 2009 para a primeira escola luso brasileira de computação evolutiva. A ideia era usar análise de componentes principais (acp) em computação evolutiva. Os "indivíduos" são capazes de achar os eixos principais somente com regras simples, sobreviver e mutação. ACP é uma ferramenta matemática bem definida: calcule a matriz de correlação e os autovetores e autovalores. Similar resultado pode ser feito usando redes neurais, que é um outro exemplo de propriedades emergentes em ação.

Vetores em coordenadas polares para o início, neste gráfico somente a direção dos indivíduos importa. 

Fonte: Simulações por Jorge Guerra Pires 2009    

Vetores em coordenadas polares para tempo intermediário, neste gráfico somente a direção dos indivíduos importa.  

Fonte: Simulações por Jorge Guerra Pires 2009   

tartarugas desenham um círculo sem necessariamente haver uma definição de círculo.
Fonte: http://education.mit.edu/starlogo/

Evolução de indivíduos em algoritmo genético
Fonte: Simulações por Jorge Guerra Pires 2009

Modelos Cegos e Modelos Parcialmente Cegos

Modelos Cegos e Modelos Parcialmente Cegos: de caixas-pretas a caixas-brancas[1]

Está seção foi incluída somente por efeito de informação e curiosidade. A metodologia aqui reportada representa um trabalho recente do autor, ou seja, em fase de desenvolvimento, discussão, e publicação. 
Adicionalmente, a metodologia foi parcialmente inspirada por uma aula do professor Luiz Calôba (Redes Neurais Feedforward, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010), na qual se discutiu alguns modelos que usam redes neurais como forma de complementar modelos matemáticos. Como destacado por Jonathan Karr (Icahn School of Medicine at Mount Sinai, 2014, discussão em seção de pôster em Lago de Como), seria interessante tratar um modelo real para consolidar a metodologia. Como discutido pelo autor deste trabalho com Alexey Kolodkin (discussão em Lago de Como, Escola de Verão), apesar do grande uso no estado correte da arte em modelagem de sistemas biológicos do conceito de middle-way-out approach, o conceito ainda é bastante confuso; note que a metodologia em desenvolvido foi motivada por esta abordagem que originalmente foi publicada por Noble (2006) no contexto de biologia sistêmica, mas com enfoque mais qualitativo do que quantitativo, como almeja o autor deste artigo. Como destacou Pasquale Palumbo (Institute of Systems Analysis and Computer Science, discussão em Lago de Como), muitos profissionais não são amigáveis com o conceito de caixa-preta. Segundo ponto de vista do autor deste trabalho, a metodologia em desenvolvimento poderia suportar nas problemáticas mencionadas, criado assim uma forma de estudar diferentes modelos aplicados ao mesmo problema.

(continuação omitida) 

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[1] Trabalho discutido nas escolas de verão: “How To Understand Complex Biological Functions”, ver http://ucbf.lakecomoschool.org/ para mais detalhes, e “Mathematical Models and Methods for Living Systems”, sobe organização CIME-Foundation and CIRM, ver (http://web.math.unifi.it/users/cime/, http://cirm.fbk.eu/) para mais detalhes.

Propriedades e comportamentos emergentes

Propriedades e comportamentos emergentes: sistemas complexos, biologia sistêmica, e inteligência computacional[1]

De acordo com interpretação do autor deste artigo, propriedades emergentes são propriedades de um sistema que surge como resultado de interações, especialmente não-lineares, como exemplo, o disparo de neurônios como resultado de estímulos em uma rede neural. De forma similar, comportamento emergente, que em certas situações significa o mesmo que propriedade emergente, são funcionalidades de um sistema que surge das propriedades emergentes. O dois conceitos são abordados na literatura, em alguns casos de forma separada. Propriedades e comportamentos emergentes são quase sinônimos de sistemas complexos. Como destaca Bolouri (2008, tradução livre), sistemas complexos e sistemas complicados são diferentes. Nas palavras do mesmo:

"Sistemas climáticos são tanto complexos quanto complicados, o primeiro é devido ao fato de que esses exibem comportamentos que são difíceis de explicar ou mesmo inesperados ao passo que são complicados por que são compostos de significativa quantidade de partes. Sendo assim, complicado está relacionado ao número de componentes de um sistema comparado com a capacidade humano de interpretar, e complexo a capacidade humana de entender padrões implícitos neste sistema".

Em mesma tese Bolouri (2008), comenta sobre propriedades emergentes, o exemplo dado é a formação de um círculo somente dando algumas regras a um sistema de "tartarugas", o círculo emerge sem necessariamente haver uma ordem para fazer um circulo[2].

O conceito de propriedades emergentes pode ser encontrado em quatro áreas principalmente: sistemas complexos, redes complexas, e biologia sistêmica. A quarta área é inteligência computacional, mas o conceito não é tratado de forma direta ou mesmo unificada.  

De acordo com Weston e Hood (2004, tradução livre), biologia sistêmica é a análise de relações entre os elementos de um sistema em resposta a perturbações tanto do meio ambiente quanto genética, com o objetivo de entender o sistema e as propriedades emergentes deste sistema.

 
(parte omitida)

Muito mais pode ser encontrado na literatura, no entanto foge ao escopo deste trabalho discutir propriedades e comportamentos emergentes. Um trabalho na busca de encontrar uma visão como de propriedades e comportamento emergentes comum a várias comunidades científicas seria de grande valor, em especial com o desenvolvimento das áreas de redes complexas, biologia sistêmica, inteligência computacional, e sistemas complexos.

 

Ver: Sistemas complexos (wikipédia),

 

 

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[1] A parte de biologia sistêmica foi parcialmente adaptada de What is SYSTEMS BIOLOGY?, slides do curso em biologia sistêmica por Pasquale Palumbo, 2014, Universidade de L'Aquila. O autor é grato ao professor Palumbo por gentilmente ceder os slides.

[2] Ver http://education.mit.edu/starlogo/. Acessado em Novembro 2014.