Біофізика складних біологічних систем
Біофізика складних систем спирається на концепцію цілісності, вивчає різноманітні макроскопічні системи, які складаються з безлічі елементів, кооперативна поведінка яких зумовлює виникнення нових структур, формування складних функцій та поведінки у змінному сере-довищі. В основу досліджень покладено системний підхід, тобто стиль наукового мислення, орієнтований на інтеграцію наукових знань, що суміщає вивчення проблеми на молекулярному, клітинному рівнях, рів-ні усього організму та популяції організмів.
4.1. Математичне моделювання складних біологічних систем
Одним з інструментів дослідження в біомеханіці є математичне мо-делювання, під яким розуміють метод дослідження властивостей мате-ріалів та явищ через побудову їх математичних моделей [87]. При цьому опис поведінки досліджуваного матеріалу або явища виражається за до-помогою математичної символіки.
-
чого слід виходити для побудови таких моделей? Оскільки ви-вчаються механічні властивості біологічних тканин та систем, то необ-хідно абстрагуватися від усього, що не належить до механічних явищ, – цим буде досягнуто найбільшу простоту моделі. Наприклад, розглядаю-чи рух рідини по трубі як чисто механічне явище, можна не брати до уваги теплопередавання, теплове випромінювання, хімічні реакції тощо. Що ж потрібно враховувати у процесі створення моделей? Те, що під впливом механічних дій (природних або штучних) у біологічних ткани-нах, органах і системах формується механічний рух, виникають напру-ження та їхні наслідки – деформації, поширення хвиль. Природно, що фізіологічна реакція на ці чинники залежить від механічних властивос-
176
тей біологічних тканин та рідин. Знати, як змінюються реакції і власти-вості в тканинах і органах, дуже важливо для профілактики, захисту ор-ганізму застосування штучних органів і тканин, а також для розуміння фізіології та патології цих органів і тканин.
Однією з цілей моделювання біологічних тканин є пошук можливо-стей протезування. Труднощі тут полягають в тому, що біологічні тка-нини мають складну анізотропію структури. Остання ж залежить від тих функцій, для яких ці тканини призначені природою.
Моделювання – один з основних методів біофізики. Його викорис-товують на всіх рівнях вивчення живих систем, починаючи від молеку-лярної біофізики, біофізики мембран, біофізики клітини та органів і за-кінчуючи біофізикою складних систем.
Основні етапи моделювання можна звести до таких (рис. 4.1):
-
первинний збір інформації;
-
постановка завдання;
-
обґрунтування основних до-пущень;
-
створення моделі, її дослід-
ження;
Рис. 4.1. Схема проведення
математичного моделювання
-
перевірка адекватності моделі реальному об’єкта.
Таким чином, модель узгоджує реальний об’єкт для дослідження.
-
біофізиці, біології і медицині часто застосовують фізичні, біоло-гічні, математичні моделі. Поширеним є також аналогове моделювання.