Моделирование процессов. 
Место биофизики в естествознании

Моделирование — один из основных методов биофизики. Он используется на всех уровнях изучения живых систем, начиная от молекулярной биофизики" биофизики мембран, биофизики клетки и органов и кончая биофизикой сложных систем.

Разнообразие процессов в живом организме настолько велико, что невозможно получить полное и детальное представление о поведении столь сложной системы, Поэтому исследователь, разрабатывая новые методы лечения, диагностики, фармации, применяет метод моделирования" то есть некоторый объект (процесс, явление) вследствие его сложности моделью, то есть объектом" подобным ему, но осознанно упрощенным, Практически в каждой теме курса биофизики рассматриваются разнообразные модели, например, жидкостно-мозаичная модель мембраны, модель формирования потенциала действия (модель Ходжкина-Хаксли), модель скользящих нитей при описании сокращения мышцы" модель кровеносной системы модель Франка) и целый ряд других.

При изучении сложных систем исследуемый объект может быть заменен другим, более простым, во сохраняющим основные, наиболее существенные для данного исследования свойства, Такой более простой объект исследования называется моделью. Модель — это всегда некое упрощение объекта исследования и в смысле его структуры (и по сложности внутренних и внешних связей, но обязательно отражающее те основные свойства, которые интересуют исследователя Моделирование — это метод, при котором производится замена изучения некоторого сложного объекта (процесса, явлении) исследованием его модели.

На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретический, так и экспериментальный.

Основные этапы моделирования можно свести к следующим;

• · Первичный сбор информации. Исследователь должен по лучить как можно больше информации о разнообразных характеристиках реального объекта! его свойствах, происходящих в нем процессах" закономерностях поведения при различных внешних условиям,
• · Постановка цели; Формулируется цель исследования, основные его задачи, определяется, какие новые знания в результате проведенного исследования хочет получить исследователь. Этот этап часто является одиим из наиболее важных и трудоемких,
• · Обоснования допущений. Другими словами, упрощается реальный объект, выделяются из характеристик несущественные для целей исследований, которыми можно пренебречь.
• · Создание модели, ее исследование,

Проверка адекватности модели реальному объекту.

Таким образом, модель как бы согласовывает реальный объект с целью исследования: с одной стороны, упрощает объект, давая возможность провести исследовании, но с другой — сохраняет то главное, что интересует исследователя В биофизике, биологии и медицине часто применяют физические, биологические, математические модели. Также распространено аналоговое моделирование. Будем классифицировать модели следующим образом, Физическая модель имеет физическую природу, часто ту же, что и исследуемый объект. Например, течение крови по сосудам моделируется движением жидкости по трубим (жестким или эластичным). При моделировании электрических процессов в сердце его рассматривают как электрический токовый диполь. Для изучения процессов проницаемости ионов через биологические мембрана заменяется искусственной (например" липосомой). Липосома — физическая модель биологической мембраны. Физические устройства" временно заменяющий органы живого организма, также можно отнести к физическим моделям; искусственная почка * модель почки" кардиостимулятор — модель процессов в синусовом узле сердца, аппарат искусственного дыхания — модель легких.

Биологические модели представляют собой биологические объекты, удобные для экспериментальных исследований, на которых изучаются свойства, закономерности биофизических процессов в реальных сложных объектах. Например, закономерности возникновения и распространения потенциала действия «нервных волокна % были научены только после нахождения такой удачной биологической модели, как гигантский аксон * кальмара, Опыт Уссинга, доказывающий существование активного транспорта, был проведен на биологической модели — коже лягушки, которая моделировала свойство биологической мембраны осуществлять активный транспорт. Закономерности сократимости миокарда устанавливают на основе модельных экспериментов на капиллярной мышце.

Математические модели — описание процессов в реальном объекте с помощью математических уравнений, как правило, дифференциальных. Для реализации математических моделей в настоящее время широко используются компьютеры, С помощью ЭВМ проводят так называемые машинные исследования патологических процессов в кардиологии, развития эпидемий и т*д*. При этим можно легко изменять масштаб, ускорить или замедлить течение процесса, рассмотреть процесс в стационарном режиме, как это предложено в модели сокращения мышцы (модель Дшцеревского), и по пространству, Например, ввести локальную пространственную неоднородность параметров, изменить конфигурацию зоны патологии. Изменяя коэффициенты или вводя новые члены и дифференциальные уравнения, можно учитывать те или иные свойства моделируемого объекта или теоретически создавать объекты с новыми свойствами" так, например, получать лекарственные препараты более эффективного действия. С помощью ЭВМ можно решать сложные уравнения и прогнозировать поведение системы: течение заболевания" эффективность лечения, действия фармацевтического препарата.

Если процессы в модели имеют другую физическую природу, оригинал, но описываются таким же математическим аппаратом (как правило" одинаковыми дифференциальными уравнениями), то такая модель называется аналоговой. Обычно в виде аналоговой модели используются электрические. Например, аналоговой моделью сосудистой системы является электрическая цепь из сопротивлений, емкостей и индуктивностей.

Основные требования" которым должна отвечать модель.

Адекватность — соответствие модели объекту, то есть модель должна с заданной степенью точности воспроизводить закономерности изучаемых явлений, анализ адекватности должен проводиться и при выборе модели" и при сравнении результатов моделирования с поведением объекта, Должны быть установлены границы применимости моде ли" то есть четко заданы условия при которых выбранная модель адекватна изучаемому объекту, поскольку ни одна модель не дает исчерпывающего описания объекта, Границы применимости определяются теми допущениями, которые делаются при составлении модели. Как правило, чем больше допущений, тем уже границы применимости. Так например, дипосома является адекватной моделью 6иологической мембраны, если изучается проницаемость липидного бнслоя мембран для различных веществ (§ 5 и § 6).

Уравнение Нсрнста (§ 10) удовлетворительно описывает мембранную разность потенциалов для клетки, находящейся и покое, то есть в равновесном состоянии" тем самым являясь адекватной математической моделью системы в денном состоянии, Если же рассмотреть фазу деполяризации потенциала действия, когда состояние системы далеко от равновесного и идет ноток ионов в клетку, это уравнение становится адекватным денному процессу. Адекватной математической моделью процесса формирования потенциала действия я аксоне кальмара является модель ХоджкинаХаксли .

Результатом моделирования является полутон не новых данных о протекании изучаемого процесса" его свойствах. Результат моделирования, как правило, не дает исчерпывающих сведений об изучаемом объекте" но углубляет наши знания о нем, позволяет проводить дальнейшие более сложные исследования.