Кибернетика в биологии Печать

Вернуться к оглавлению

Кибернетика в биологии это применение методов и средств кибернетики для изучения живых организмов, моделирования их функций, а также для создания устройств, поддерживающих нормальную работу организма.
Cybernetics and biology

Представьте себе, что какая-то колония живых организмов обитает в благоприятных условиях. В зависимости от рождаемости и смертности число этих организмов будет меняться. А как? По какому закону? Ведь на рождаемость влияет и недостаток пищи, и притеснение со стороны другого биологического вида, и продолжительность жизни, и многие другие факторы. Ученые построили так называемые абстрактные модели и с их помощью установили точные закономерности развития организмов и при неограниченных ресурсах питания и места, в условиях, когда отсутствуют вредные виды, и при условиях голода, недостатка места для жилья, и при истреблении со стороны врагов.

Такая модель помогла, например, выращивать грибки пенициллина. Их неограниченно подкармливали, следили, чтобы им не было тесно, оберегали от вредных видов. А будущий урожай совершенно точно предсказывали по специальной формуле.

Как видите, моделирование биологических процессов помогает разбираться в сложной системе связей между видами живых организмов, помогает решать проблемы в довольно широкой области биологических явлений.

Последние годы внимание ученых привлекла проблема возникновения жизни, механизмы биоэволюции, процессы биоэнергетики, информационное обеспечение вопросов охраны окружающей среды, особенно в промышленных зонах.

Наряду со столь общими, даже глобальными вопросами исследуются и более «узкие», но чрезвычайно актуальные. Например, математические модели помогают раскрывать сложные процессы передачи нервного импульса и законы функционирования сенсорных систем, снабжающих организм данными о состоянии его внутренней и внешней среды. Так, уже созданы математические модели кровообращения, системы транспорта кислорода в организме, работающего сердца.

Одна из старейших наук, биология, зародившаяся как наука описательная и экспериментальная, смело взяла на вооружение самое современное из арсенала научных средств: методы абстрактного анализа, отвлеченных, умозрительных рассуждений, точный расчет.

Новая биология стремительно развивается благодаря многообещающим открытиям в молекулярной биологии, в биохимии, в биофизике, в цитологии, в генетике, благодаря возникновению в ней новых, неожиданных направлений - биостатистики, ,биоматематики, теории систем.

Помимо теоретических исследований, кибернетика в биологии занимается и практическими работами. Вот несколько примеров. С помощью специальных уравнений описывают, как протекает фотосинтез растений. Ученые разрабатывают математические модели процессов видообразования и селекции. Вычислительные машины дали возможность исследователям без долгих поисков синтезировать питательную среду, в которой исходные ткани растений превращаются в колонию одноклеточных организмов. Компьютер формирует структуру своеобразного сита, позволяющего сохранять в пробирке только те клетки, что дадут жизнестойкое и высокопродуктивное потомство определенной сельскохозяйственной культуры. Применение вычислительной техники в десятки раз ускоряет изыскания в селекции и сокращает путь к новому сорту.

Многое дала кибернетика медицине. Так, найдя для биологического объекта нужную, удачную, удобную модель, можно эксперимент, который часто приводит к гибели животного или связан с риском для здоровья человека, заменить расчетом на вычислительной машине. Математические модели в течение нескольких минут покажут, как будет развиваться болезнь у больного, как подействует на организм то или другое лекарство.

Немаловажную роль в биологии играет создание электронных приборов для сбора информации о процессах, происходящих в организме. Для этого изобретены удивительные сверхчувствительные, сверхтонкие, всюду проникающие приборы: электрокардиографы, изучающие деятельность сердца; электроэнцефалографы, проникающие в тайны деятельности мозга; электромиографы, записывающие работу мышц; крохотные «пилюли» - радиозонды для обследования желудка и кишечника; электронные микроскопы; телевизионные микроскопы; цветное телевидение и даже тепловизоры - приборы, воспринимающие инфракрасное излучение организма, где начались воспалительные явления; спектрометры; радиоиммунные и флюоресцентные установки; приборы с использованием стержневой и волоконной оптики.

Даже мельчайшие изменения в тканях органа, которые трудно заметить с помощью микроскопа, обнаруживает электронный анализатор. Специальная система электронных блоков, снабженных оптическим устройством, рассматривает образец исследуемой ткани - тонкий срез (гистологическую пробу). Анализатор описывает его цифровыми обозначениями и соответствующими графиками. По этим данным экспериментатор делает заключение о состоянии ткани.

Современная техника разрешает то, что было ранее запрещено природой. К таким разрешающим приборам относится, например, компьютерный томограф. В нем изображения регистрируются как бы слоями, по частям в памяти компьютера, а уже оттуда по команде врача воссоздаются на экране дисплея. Аппарат, вращаясь вокруг пациента, останавливается через каждый градус: всего 180 положений. Таким образом организм человека рассматривается послойно и прослеживается шаг за шагом, один «срез» за другим. Изображение обследуемого органа выдается менее чем за секунду.

Существуют не только рентгеновские, но и эмиссионные (спектральные), ультразвуковые томографы. Томограф, использующий явление ядерно-магнитного резонанса, еще более зорок. С его помощью можно увидеть работающий мозг, его тонкие структуры. Цифровая субтрактивная ангиография позволяет видеть кровоток, сонография - вести компьютеризованное ультразвуковое обследование. Благодаря новой аппаратуре удается проследить за распределением отдельных веществ в тканях - вплотную подойти к изучению обмена веществ в организме. Новая диагностика безвредна для организма и дает огромный объем диагностической информации.

Построены медицинские диагностические системы, с помощью которых врачи ставят диагноз пороков сердца, заболеваний печени, желудка, некоторых инфекционных болезней, различных опухолей, в том числе опухолей мозга, инфаркта миокарда с прогнозом течения этого заболевания.

Сегодня мировая фармацевтическая промышленность выпускает сотни тысяч препаратов. Специальные банки данных о лекарствах помогают не только разобраться в обширном хозяйстве, но и с максимальной точностью определять дозировку лекарств в самых сложных случаях.

Большую пользу приносят медицине информационно-поисковые системы: они накапливают сведения, математически обрабатывают материал, быстро отыскивают аналогичные случаи болезни.

Компьютер используют и в самом процессе лечения. Вычислительные машины теперь проникли и в операционную. Они управляют жизненными функциями организма: следят за работой сердца, регулируют артериальное давление крови, контролируют глубину наркоза.


Вернуться к оглавлению