Фізико-хімічні моделі відтворюють фізичними або хімічними засобами біологічні

Реферати >> Педагогіка >> Метод моделювання в ході вивчення питань загальної біології

Фізико-хімічні моделі відтворюють фізичними або хімічними засобами біологічні структури, функції або процеси і, як правило, є далеким подобою модельованого біологічного явища. Починаючи з 60-х рр. 19 в. були зроблені спроби створення фізико-хімічної моделі структури та деяких функцій клітин. Так, німецький вчений М. Траубе (1867) імітував зростання живої клітини, вирощуючи кристали CuSО4 у водному розчині К4 [Fе (СN) 6]: французький фізик С. Ледюк (1907), занурюючи в насичений розчин К3РО4 сплавлений СаСl2, отримав - завдяки дії сил поверхневого натягу і осмосу - структури, що зовні нагадують водорості і гриби. Змішуючи оливкове масло з різними розчинними у воді речовинами і поміщаючи цю суміш в краплю води, О. Бючлі (1892) отримував мікроскопічні піни, що мали зовнішню схожість з протоплазми; така модель відтворювала навіть амебовідние рух. З 60-х рр. 19 в. пропонувалися також різні фізичні моделі проведення збудження по нерву. У моделі, створеної італійським вченим К. Маттеуччі і німецьким - Л. Германом, нерв був представлений у вигляді дроту, оточеною оболонкою з провідника другого роду. При з'єднанні оболонки і дроту з гальванометром спостерігалася різниця потенціалів, змінювалася при нанесенні на ділянку "нерва" електричного "роздратування". Така модель відтворювала деякі біоелектричні явища при порушенні нерва. Французький учений Р. Ліллі на моделі розповсюджується по нерву хвилі збудження відтворив ряд явищ, які спостерігаються в нервових волокнах (рефрактерний період, "все або нічого" закон, двостороннє проведення). Модель представляла собою сталевий дріт, яку поміщали спочатку в міцну, а потім в слабку азотну кислоту. Дріт покривалася окислом, який відновлювався при ряді впливів; виник в одній ділянці процес відновлення поширювався вздовж дроту. Подібні моделі, які показали можливість відтворення деяких властивостей і проявів живого за допомогою фізико-хімічних явищ, засновані на зовнішньому якісному схожості і представляють лише історичний інтерес.

Пізніше більш складні моделі, засновані на набагато більш глибокому кількісному подобі, будувалися на принципах електротехніки та електроніки. Так, на основі даних електрофізіологічних досліджень були побудовані електронні схеми, що моделюють біоелектричні потенціали в нервовій клітині, її відростку і в синапсі. Побудовано також механічні машини з електронним управлінням, що моделюють складні акти поведінки (утворення умовного рефлексу, процеси центрального гальмування і ін.).

Значно більші успіхи досягнуті в моделюванні фізико-хімічних умов існування живих організмів або їх органів та клітин. Так, підібрані розчини неорганічних і органічних речовин (розчини Рінгера, Локка, Тироде і ін.), Що імітують внутрішнє середовище організму і підтримують існування ізольованих органів або культивованих поза організмом клітин.

Моделі біологічних мембран (плівка з природних фосфоліпідів розділяє розчин електроліту) дозволяють досліджувати фізико-хімічні основи процесів транспорту іонів і вплив на нього різних факторів. За допомогою хімічних реакцій, що протікають в розчинах в автоколивальних режимі, моделюють коливальні процеси, характерні для багатьох біологічних феноменів, - диференціювання, морфогенезу, явищ в складних нейронних мережах і т. Д.

Математичні модель (математичне і логіко-математичне опису структури, зв'язків і закономірностей функціонування живих систем) будуються на основі даних експерименту або умоглядно, формалізовано описують гіпотезу, теорію або відкриту закономірність того чи іншого біологічного феномена і вимагають подальшої дослідної перевірки. Різні варіанти подібних експериментів виявляють межі застосування математичної моделі і дають матеріал для її подальшого коригування. Математична модель в окремих випадках дозволяє передбачити деякі явища, раніше не відомі досліднику. Так, модель серцевої діяльності, запропонована голландськими вченими ван дер Полом і ван дер Марком, заснована на теорії релаксаційних коливань, вказала на можливість особливого порушення серцевого ритму, згодом виявленого у людини. З математичної моделі фізіологічних явищ слід назвати також модель збудження нервового волокна, розроблену англійськими вченими А. Ходжкіна і А. Хакслі. На основі теорії нервових мереж американських вчених У. Мак-Каллока і У. Пітса будуються логіко-математичні моделі взаємодії нейронів. Системи диференціальних і інтегральних рівнянь покладені в основу моделювання біоценозів (В. Вольтерра, А. Н. Колмогоров). Марковська математична модель процесу еволюції побудована О. С. Кулагіна і А. А. Ляпуновим. І. М. Гельфандом і М. Л. Цетлін на основі теорії ігор і теорії кінцевих автоматів розроблені модельні уявлення про організацію складних форм поведінки. Зокрема, показано, що управління численними м'язами тіла будується на основі вироблення в нервовій системі деяких функціональних блоків - синергій, а не шляхом незалежного управління кожним м'язом. Створення і використання математичних і логіко-математичних М. їх вдосконалення сприяють подальшому розвитку математичної і теоретичної біології.

Метод моделювання в біології є засобом, що дозволяє встановлювати все більш глибокі і складні взаємозв'язки між біологічною теорією та досвідом. В останнє сторіччя експериментальний метод в біології почав натрапляти на певні межі, і з'ясувалося, що цілий ряд досліджень неможливий без моделювання. Якщо зупинитися на деяких прикладах обмежень області застосування експерименту, то вони будуть в основному наступними: (19 з 15)

- експерименти можуть проводитися лише на нині існуючих об'єктах (неможливість поширення експерименту в область минулого);

- втручання в біологічні системи іноді має такий характер, що неможливо встановити причини з'явилися змін (внаслідок втручання або з інших причин);

- деякі теоретично можливі експерименти неможливі внаслідок низького рівня розвитку експериментальної техніки;

- велику групу експериментів, пов'язаних з експериментуванням на людині, слід відхилити з морально - етичних міркувань.

1. За допомогою методу моделювання на одному комплексі даних можна розробити цілий ряд різних моделей, по-різному інтерпретувати досліджуване явище, і вибрати найбільш плідну з них для теоретичного тлумачення;

2. У процесі побудови моделі можна зробити різні доповнення до досліджуваної гіпотези і отримати її спрощення;