МОДЕЛИ

МОДЕЛИ в биологии применяются для
моделирования
биологи ч. структур, функций и процессов на разных уровнях организации
живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, ор-ганизменном
и популяционно-биоцено-тическом. Возможно также моделирование различных
биологич. феноменов, а также условий жизнедеятельности отдельных особей,
популяций и экосистем. В биологии применяются в осн. три вида М.: биологические,
физико-химические и математические (логико-матема-тич.). Биологические
М. воспроизводят на лабораторных животных определённые состояния или заболевания,
встречающиеся у человека или животных. Это позволяет изучать в эксперименте
механизмы возникновения данного состояния или заболевания, его течение
и исход, воздействовать на его протекание. Примеры таких М.- искусственно
вызванные генетич. нарушения, инфекционные процессы, интоксикации, воспроизведение
гипертония, и гипоксич. состояний, злокачественных новообразований, гиперфункции
или гипофункции нек-рых органов, а также неврозов и эмоциональных состояний.
Для создания биологич. М. применяют различные способы воздействия на генетич.
аппарат, заражение микробами, введение токсинов, удаление отдельных органов
или введение продуктов их жизнедеятельности (напр., гормонов), различные
воздействия на центр, и периферич. нервную систему, исключение из пищи
тех или иных веществ, помещение в искусственно создаваемую среду обитания
и мн. др. способы. Биологич. М. широко используются в генетике, физиологии,
фармакологии.

Физико-химические М. воспроизводят физич.
или химич. средствами биологич. структуры, функции или процессы и, как
правило, являются далёким подобием моделируемого биологич. явления. Начиная
с 60-х гг. 19 в. были сделаны попытки создания физико-химич. М. структуры
и нек-рых функций клеток. Так, нем. учёный М. Траубе (1867) имитировал
рост живой клетки, выращивая кристаллы CuSOKв насыщенный раствор К-благодаря действию сил поверхностного натяжения и осмоса - структуры,
внешне напоминающие водоросли и грибы. Смешивая оливковое масло с разными
растворимыми в воде веществами и помещая эту смесь в каплю воды, О. Бючли
(1892)
получал микроскопич. пены, имевшие внешнее сходство с протоплазмой; такая
М. воспроизводила даже амебоидное движение. С 60-х гг. 19 в. предлагались
также разные физич. М. проведения возбуждения по нерву. В М., созданной
итал. учёным К. Маттеуччи и нем.- Л. Германом, нерв был представлен в виде
проволоки, окружённой оболочкой из проводника второго рода. При соединении
оболочки и проволоки с гальванометром наблюдалась разность потенциалов,
изменявшаяся при нанесении на участок "нерва" электрич. "раздражения".
Такая М. воспроизводила нек-рые биоэлектрич. явления при возбуждении нерва.
Франц. учёный Р. Лилли на М. распространяющейся по нерву волны возбуждения
воспроизвёл ряд явлений, наблюдаемых в нервных волокнах (ре-фрактерный
период, "всё или ничего* закон, двустороннее проведение). М. представляла
собой стальную проволоку, к-рую помещали сначала в крепкую, а затем в слабую
азотную к-ту. Проволока покрывалась окислом, к-рый восстанавливался при
ряде воздействий; возникший в одном участке процесс восстановления распространялся
вдоль проволоки. Подобные М., показавшие возможность воспроизведения некоторых
свойств и проявлений живого посредством физико-химических явлений, основаны
на внешнем качественном сходстве и представляют лишь исторический интерес.

Позднее более сложные М., основанные на
гораздо более глубоком количественном подобии, строились на принципах электротехники
и электроники. Так, на основе данных электрофизиологич. исследований были
построены электронные схемы, моделирующие биоэлектрические потенциалы
в
нервной клетке, её отростке и в синапсе. Построены также механич.
машины с электронным управлением, моделирующие сложные акты поведения (образование
условного
рефлекса, процессы центр, торможения и пр.). Этим М. обычно
придают форму мыши, черепахи, собаки (см. рис. 1-3). Такие М. также слишком
упрощают явления, наблюдаемые в организме, и имеют большее значение для
бионики, чем для биологии.

Рис. 1. Общий вид "черепахи" Института
автоматики и телемеханики АН СССР.

Значит, большие успехи достигнуты в моделировании
физико-химич. условий существования живых организмов или их органов и клеток.
Так, подобраны растворы неорганич. и органич. веществ (растворы Рингера,
Локка, Тироде и др.), имитирующие внутреннюю среду организма и поддерживающие
существование

изолированных органов или культивируемых
вне организма клеток (см. Культуры тканей).

Рис. 2. "Мышь" К. Шеннона-автомат, моделирующий
"обучение" при повторном прохождении лабиринта.

М. биологических мембран (плёнка
из природных фосфолипидов разделяет раствор электролита) позволяют исследовать
физико-химич. основы процессов транспорта ионов и влияние на него различных
факторов. С помощью химич. реакций, протекающих в растворах в автоколебательном
режиме, моделируют колебательные процессы, характерные для многих биологических
феноменов,-диф-ференцировки, морфогенеза, явлений в сложных нейронных сетях
и т. д.

Рис. 3. К. Шеннон пускает "мышь" в лабиринт.

Математические М. (математич. и логико-математич.
описания структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем)
строятся на основе данных эксперимента или умозрительно, формализованно
описывают гипотезу, теорию или открытую закономерность того или иного биология,
феномена и требуют дальнейшей опытной проверки. Различные варианты подобных
экспериментов выявляют границы применения матёматич. М. и дают материал
для её дальнейшей корректировки. Вместе с тем "проигрывание" матёматич.
М. биоло-гич. явления на ЭВМ часто позволяет предвидеть характер изменения
исследуемого биологич. процесса в условиях, трудно воспроизводимых в эксперименте.
Матёматич. М. в отдельных случаях позволяет предсказать нек-рые явления,
ранее не известные исследователю. Так, М. сердечной деятельности, предложенная
голл. учёными ван дер Полом и ван дер Марком, основанная на теории релаксационных
колебаний, указала на возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии
обнаруженного у человека. Из матёматич. М. физиология, явлений следует
назвать также М. возбуждения нервного волокна, разработанную англ, учёными
А. Ходжкином и А. Хаксли. На основе теории нервных сетей амер. учёных У.
Мак-Каллока и У. Питса строятся логико-математич. модели взаимодействия
нейронов.
Системы дифференциальных и интегральных уравнений положены в основу
моделирования биоценозов (В. Вольтерра, А. Н. Колмогоров). Марковская матёматич.
М. процесса эволюции построена О. С. Кулагиной и А. А. Ляпуновым. И. М.
Гельфан-дом и М. Л. Цетлиным на основе теории игр и теории конечных автоматов
разработаны модельные представления об организации сложных форм поведения.
В частности, показано, что управление многочисленными мышцами тела строится
на основе выработки в нервной системе нек-рых функциональных блоков - синергий,
а не путём независимого управления каждой мышцей. Создание и использование
матёматич. и логико-математич. М., их совершенствование способствуют
дальнейшему развитию математической и теоретической биологии.

Лит.: Моделирование в биологии.
Сб. ст., пер. с англ., М., 1963; Новик И. Б., О моделировании сложных систем,
М., 1965; Кулагина О. С., Ляпунов А. А., К вопросу о моделировании эволюционного
процесса, в кн.: Проблемы кибернетики, в. 16, М., 1966; Модели структурно-функциональной
организации некоторых биологических систем. [Сб. ст.], М., 1966; Математическое
моделирование жизненных процессов. Сб. ст., М., 1968; Теоретическая
и математическая биология, пер. с англ., М., 1968; Моделирование в биологии
и медицине, Л., 1969; Б е и л и Н., Математика в биологии и медицине, пер.
с англ., М., 1970; Управление и информационные процессы в живой природе,
М., 1971; Эй ген М., Молекулярная самоорганизация и ранние стадии эволюции,
"Успехи физических наук, 1973, т. 109, в. 3. Е. Б. Бабский, Е. С. Геллер.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я