1tom - 0116.htm
202
ч
X
е о
2
208
режимах. Переключение из одного состояния в другое ловможно при изменении динамич. переменных х и у за сч╦т внеш. сил (силовое переключение) и за счет временного изменения параметров с последующим возвращенном их к исходным значениям (параметрич. переключение). Модель (6) используют для описания дифференциации клеток при эволюции организма и для исследования возможностей параметрич. управления онтогенезом.
11 е л и н е и и ы с у р а в н о и и я матом, физики (т. н. диффузионно-реакционные) применяют при моделировании возникновения пространственной структурной организации (самоорганизации), а также возникновения и распространения импульсов возбуждения.
Самоорганизация (см. Синергетика) н пространстве описывается на основе теории диссмпативпых структур. Еио,:). примерами с╦ являются: а) образованно сложного организма из оплодотвор╦нной яйцеклетки (т, е. процесс м о р ф о г е н с з а). Задача Б.≈ выяснить механизмы реализации генетич. информации о пространственной структуре организма и его органон в процессе развития организма (онтогенез а). В рамках теорш: ТЕМП пматнвных структур эта задача сводится к ]Ta]ia.Mi!TpL-i4. управлению и выяснению условий, при к-рых возникает единств, структура при заданных (нр1.\\домродело11ньтх генетически) параметрах; б) образование якологич. структур; иродиприт. информация о структуре отсутствует, она сама эюзпмкаот нри образовании вида. Задача Б.≈ проследить образование устойчивой структуры при изменении параметров, граничных н начальных условий.
Возбуждение и распространение импульсов и волн возбуждения описывается теорией автонолновых процессов. В биологии к ним относятся: распространение нервных импульсов, перистальтич. волны и кишечнике и т. п. (мри JTUM используют теорию аытонолн в одномерном пространстве); распространение волн воабуж-доння it сердечной мытпце, в коре головного мозга, сетчатке глаза и т, п. (при :>том применяют теории) авто-IKKIH Б дву- н тр╦хмерных пространствах, к-раи помогает описать и выяслить механизм ряда лато.чогич. лвлепий).
Д.чя возникновения диссииативных структур и авто-волн необходимо наличие как положит, обратной связи (автокатализ), так и отрицательной (демпфирование или пнгпбнрованне). Эти условия обеспечиваются за счет нелинейных зависимостей скоростей фермоптатишшх реакции от субстрата и скоростей ионного транспорта от ;>;н'ктри(г. поля.
liiioJvK'xaiiiiKa состоит из 3 частей; механики микроскоп ич. движений организма; гидродинамики кровообращения и внеш. ды\\анля; механики мышечного сокращения. Лио.механика возникла раньше др. областей L1, Так, изучение механики движения и кровообращения началось задолго до появления Б. как самостоят, науч. направления. [Задача о движении жидкости по цилин-дрич. трубам была поставлена и решена Ж. Л. М.Пуа-зеп>]ем (J. L. M. Poiseuillc) в 1840 для описания диижс-нмн крови по сосудам.]
Специфика биомеханики связана с важной ролью ре-гуляториых процессов, обеспечивающих обратные сил-зп. Благодаря этому механич. (или гидродинам ич.) параметры (тин конструкции, вязкость жидкости, размеры сосудов, ж╦сткость и т. ii1.), к-рыо в механике принимаются постоянными, и биомеханике могут зависеть от состояния системы.
Так, скелет представляет собой конструкцию со многими степенями свободы. Система мышц и программа их упорядоченных во времени сокращений накладывает ограничения, выделяющие одну степень свободы, именно ту, к-рая наиболее приспособлена для выполнения необходимой в данный момент функции. Аналогичные искусств, конструкции многоцелевого назначения уступают реализованным и живой природе. Элементы биол, макрокоиструкций (т. е. кости и хрящи скелета животных, стебли растений и т. д.) также обладают специфи-
кой: эти элементы механически гетерогепны и пост-роены из анизотропных «материалов». Эта особенность обеспечивает биол. конструкциям высокую прочность при мииим. затратах материала.
Биомеханика периодич. (в частности, перистальтич.) движений органов связана, в первую очередь, с доя-телмюстмо биол. насосов ≈ сердца, л╦гких и тонкого кишечника. К специфике биол. насосов можно отнести то, что их стенки состоят и а мышечной ткани и способны к периодич. сокращению (что и обеспечивает перекачку). Кроме того, деятельность насосов регулируется нервными импульсами, поступающими из организма.
Биомеханика кровеносной и дыхат. систем инисына-ет процессы газообмена (снабжение организма кислородом и удаление из него углекислоты). Специфика с╦ в следующем: кровь но свойствам существенно отличается от ньютоновской жидкости, поэтому течение е╦ по сосудам не описывается ур-нисм Пуаз╦шш; при движении крови по капиллярам (микроциркуллция) эффективная вязкость и др. параметры не постоянны, а зависят от скорости оксигенации (дезоксигепации) гемоглобина и др. процессов; при движении дыхат. газов в ветвящейся б ронхиально-альвеолярной системе поверхностное натяжение альвеол не остается постоянным, а регулируется организмом в Зависимости от его потребностей.
Биомеханика мышечного сокращения включает молекулярные процессы сокращения мышечного волокна и управления ими. Мышечное волокно содержит фиб-рнллнрные (нитевидные) белки, к-рые могут скользить относительно друг друга. Структура их (см. Клеточные структуры,) такова, что имеется одна выделенная степень свободы, вдоль к-рой и происходит скольжение. Работа совершается мышцей за сч╦т гидролиза АТФ. Управление сокращением мышц осуществляется нервными (или в экспериментах электрическими) импульсами, к-рые инициируют сокращение. В гладких мышцах сокращенно вызывается волной возбуждения в самой мышечной ткани. Механизм е╦ возникновения и рнспро* странепия описывается теорией автоволп. В летательных мышцах, насекомых периодич. сокращение происходит с 'частотой ≈ 1Q'2 Гц и представляет собой автоко-лебат. процесс. При этом спец. внеш. стимула для каждого сокращения не требуется, управление осуществляется за счйт воадристнмя нервных импульсов па параметры автоколебаний.
Оси. нереш╦нными задачами Б. являются проблемы эволюции биосферы (включая возникновение жизни, см. Эволюция, биологическая}; кол-во ценной информации, возникающей на разл. этапах эволюции, и механизм е╦ появления, происхождение генетич. кода и т. п. Эти вопросы важны и для теории др. развивающихся и самооргапизующихск систем (языки, социальные структуры н т. п.).
Исходной особенностью применения физ. идей в биологии является след, принцип: все явления, и т. ч. биологические, подчиняются осп, физ, законам. В фиаи-ке накоплен опыт и развиты методы описания сложных систем, при этом часто используют предположения, упрощающий расч╦ты (и применительно к физ. явлениям оправданные). Так, к случае глобальной неустойчивости моханич. систем оправдано предположение о молекулярном хаосе (равноснл ьное эрг-одической гипотезе)^ следствием к-рого является термодинамика равновесных процессов. Б физике твердого тела часто прибегают к методам усреднения, основанным на предположении о микрооднородности объекта. Но попытки, использовать в Б. метод, опраидашпий себя в финике, как правило, не ведут к успеху. Успешным в Л. является иной путь, состоящий из двух эталон! 1) анализа реальной струн* туры биол. объекта (она в целом неоднородна) ц построения на его основе физ. модели, адеклатноп объекту, при этом учитывается заключ╦нная в объекте информация и, следовательно, биол, специфика; 2) анализа модели с использованием известных положений физики
")
}
