Официальный сайт нияу мифи приемная комиссия нияу мифи сетевая школа нияу мифи

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

Функционирование целостной биологической системы происхо- дит в результате слаженного взаимодействия элементов этой си- стемы как в пространстве, так и во времени. Перед исследователями стоит задача изучения принципов регуляции биологической си- стемы.

Биофизика сложных систем занимается изучением и модели- рованием внутренних связей живых систем разной степени сложно- сти и организации – от молекулярной до экологической. В этом раз- деле биофизики важнейший способ исследования – математическое моделирование, основой которого являются системы дифференци- альных уравнений, где в качестве переменных выступают различ- ные измеряемые величины: концентрация промежуточных веществ, количество микроорганизмов, численность вида [1].
Биофизикой сложных систем условно называется теоретиче- ская область биофизики. С этой областью связаны наиболее общие вопросы биологической термодинамики, теории информации, физи- ческой теории биологического развития [8].
Кинетика и динамика биологических процессов изучает пове- дение во времени самых разнообразных процессов, присущих раз- личным уровням организации живой материи: биохимические пре- вращения в клетке, генерация электрического потенциала на биоло- гических мембранах, биологические ритмы, процессы накопления биомассы или размножения вида, взаимодействие популяций живых организмов в биоценозах.
Способность поглощать, трансформировать энергию в различ- ных формах и использовать ее в процессах метаболизма для обеспе- чения роста, развития, размножения составляет одно из важнейших свойств живых систем. В данном разделе изучаются общие законо- мерности процессов энергообмена, сопровождающего биохимиче- ские превращения. Для изучения термодинамических явлений в биологических объектах разных уровней – от молекулярного до биосферного – используют известные законы классической термо- динамики.
В биофизике моделирование используется на всех уровнях изу- чения живых систем: в молекулярной биофизике, биофизике мем- бран, биофизике клетки и органов и т.д. Разнообразие процессов в живом организме настолько велико, что невозможно получить пол- ное и детальное представление о поведении столь сложной системы. В связи с этим применяется метод моделирования: некоторый объ- ект (процесс, явление) вследствие его сложности заменяется моде- лью, т. е. объектом, подобным ему, но осознанно упрощенным.
Например, в различных разделах биофизики используются раз- нообразные модели, такие как жидкостно-мозаичная модель мем- браны (рис. 4.1), модель формирования потенциала действия (мо- дель Ходжкина-Хаксли), модель скользящих нитей при описании сокращения мышцы, модель кровеносной системы (модель Франка) и целый ряд других.

Рис. 4.1. Жидкостно-мозаичная модель мембраны

В биофизике, биологии и медицине часто применяют физиче- ские, биологические, математические модели. Также распростра- нено аналоговое моделирование [10]. Физическая модель имеет фи- зическую природу, часто ту же, что и исследуемый объект. Биоло- гические модели представляют собой биологические объекты, удоб- ные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных сложных объектах. Математическая модель — это описание процес- сов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных.

Модель должна отражать действие наиболее существенных фак- торов, которые отвечают за основные динамические свойства био- логической системы. При моделировании используют иерархиче- скую структуру организации живых систем, которые в свою очередь могут быть представлены в виде взаимодействующих, но относи- тельно автономных подсистем.

5.