مدل‏سازی ریاضی برهمکنش هورمون‌ها و متابولیت‌ها در گامه تعادل منفی انرژی گاو‌های شیری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران

2 استادیار رشته علوم دامی یاسوج

3 گروه علوم درمانگاهی، دانشکده دامپزشکی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

4 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

5 استادیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

سابقه و هدف: در طی چند دهه گذشته، پیشرفت‎هایی در توسعه مدل‏های ریاضی- به عنوان ابزارهای پژوهش و مدیریت- وجود داشته است که می‏توانند دانش فعلی ما از رویدادهای تولید مثلی را تلفیق نمایند و آن‏گاه در پیش‏بینی بازده تولید مثلی حیوانات مزرعه‏ای کمک‏بخش باشند. این مقاله یک مدل‌سازی ریاضی مفهوم‏گرا از برهمکنش‌های هورمونی و متابولیت‌ها در گامه عدم فحلی و تعادل منفی انرژی در گاو شیری را ارایه می‌دهد. در گاوهای شیری عدم فحلی به طور سالیانه و پس از هر گوساله‎زایی رخ می‏دهد. این دوره بی‎فحلی در گاوهای شیری پرتولید به واسطه رخداد موازنه منفی انرژی ناشی از تولید شیر بالا در چند ده روز اول پس از زایمان، چالشی همیشگی در صنعت نوین گاو شیری در سراسر جهان است. به همین دلیل، کوشش‌های علمی فراوانی به منظور کشف ابعاد گوناگون زیست‎شناختی این گامه زیستی پراهمیت صورت گرفته است. به سبب پیچیدگی روابط موجود میان فرسنجه‌های اثرگذار، تحلیل‌های زیستیِ توصیفی- تشریحی، توفیق چندانی در گره‌گشایی از این سامانه نداشته‌اند. در این پژوهش تلاش شد که برای ساده‏سازی و در عین حال تحلیل قدرتمند سازه‌های اثرگذار شناخته شده بر این گامه، از دریچه زیست‏سامانه‌هاو مدل‏سازی ریاضی به مسأله نگاه شود.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش ابتدا اطلاعات پراکنده در مورد وجه‌های گوناگون اثرگذاری موازنه منفی انرژی پس از زایمان بر تولیدمثل گاو شیری پرتولید به صورت مجتمع درآمد. سپس با استفاده از علم کاربرد ریاضیات در علوم زیستی و توانایی معادلات دیفرانسیل در همسان‏سازی سازوکارهای زیستی و فرمول‏نویسی، این اطلاعات به صورت برابران ریاضی خود درآمدند. کوشش شد تا معادلات طولانی و پیرایش نشده‏ی تولید شده برای سازه‌های مؤثر شناخته شده‏ی این گامه شامل گلوکز کبد، گلوکز خون، انسولین پانکراس و انسولین خون، IGF-1 کبد وخون وGnRH هیپوتالاموسی به معادلات دیفرانسیل معمولی کوتاهی، ساده‏سازی شوند.
یافته‌ها: با استفاده ازداده‏های منتشرشده درمقالات علمی معتبر و بسط آن‏ها با استفاده از نرم‏افزار Curve Expert، فرآیند شبیه‏ سازی رایانه‌ای با کمک نرم‏افزار MATLAB(Version 9.1) انجام شد و مدل‌های پیش‏بینی‏ کننده‌ای برای برخی متغیرهای سامانه که قابلیت شبیه‏ سازی را داشتند توسعه داده شدند.
نتیجه‎گیری: نتایج نشان داد که سامانه معادلات دیفرانسیل معمولی به دست آمده، توان پیش‎بینی خوبی برای گلوکز خون (AARD %=0.388) و انسولین خون (AARD%=0.638) داشته اما قادر نبودند که پیش‏بینی دقیقی برای انسولین پانکراس و IGF-1 خون ارایه دهند. مدل حاضر آغازی بود به سوی یک مدل جامع که باید به تدریج کامل و کامل‌تر شود. در مدل حاضر سعی بر آن بود که تا حد امکان از داده‏های تجربی موجود در منابع گوناگون به منظور شبیه‏ سازی مدل استفاده شود که این امر تا حد قابل قبولی با موفقیت در این پژوهش همراه بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Mathematical Modeling of Interaction of Hormones and Metabolites in the Negative Energy Balance Phase in Dairy Cows

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hasan Nategh-Ahmadi 1
  • Mojtaba Kafi 3
  • mehdi Ghanbari 4
  • Farhad Samadian 1
  • Ali Haghdel 5
1 Department of animal sciences, Faculty of agriculture, Yasouj University, Yasouj, Iran
3 Department of clinical studies, School of veterinary medicine, Shiraz University, Shiraz, Iran
4 Department of Chemical Engineering, School of Chemical and Petroleum Engineering, Shiraz University, Shiraz 71345, Iran
5 Department of Electronics and Communication Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

During the last few decades, there has been an increase in the development of mathematical models, as both research tools and management tools that can integrate our current knowledge of reproductive events and then would be helpful in predicting the reproductive efficiency of farm animals. This paper presents a conceptualized mathematical modeling of hormonal and metabolites interactions over non-estrous and negative energy balance phase in dairy cow. Anestrus occurs annually and after each calving. The anestrus period in high milk-producing cows due to the negative balance of energy produced by high milk production in the first few days after parturition is a constant challenge in the modern world of dairy cow worldwide. For this reason, many scientific efforts have been made to explore the biological aspects of this phase. Due to the complexity of the existing relationships between effective parameters, descriptive-analytical biological analyses have not succeeded in elucidating this biological system. In this research, it was attempted to look at the elaborating factors playing in this phase, at same time, it was tired to pinpoint and explore this phase from biological system perspective.
Material and Methods: In the present study, first diverse information on the various aspects of the factors affecting on the postpartum negative balance of energy and reproduction performance of dairy cows were initially collected. Then, this information was converted to their sound mathematical equations. Efforts have been made to simplify the long and unprocessed equations from well-known factors including liver glucose, blood glucose, pancreatic insulin and blood insulin, IGF-1 liver and blood, and hypothalamic GnRH affecting on this biological phase to be simplified using ordinary differential equations. In other part of this study,
Findings: By using the data published in the scientific articles and expanding them by using Curve Expert software, the computer simulation process was performed by MATLAB software (Version 9.1) and the predictive models were developed for some system parameters.
Conclusion: The results showed that the system of ordinary differential equations was able to predict good blood glucose (AARD = 0.388) and insulin (AARD% = 0.638), but they were not able to provide accurate predictions for pancreatic insulin and blood IGF-1.
The present model was a starting point to reach a comprehensive model which should be completed gradually. In this model, it was tried to use empirical data from reliable sources in simulation model, a matter that was more or less successful in this research.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dairy Cattle
  • Negative Energy Balance Phase
  • Ordinary Differential Equations
  • Hormone