Учебный проект Магазин моделей/Биоинженеры--11Б
Содержание |
Авторы работы
Проблемный вопрос (вопрос для исследования)
Как объяснить некоторые биологические объекты с помощью моделей?
Гипотеза исследования
Мы считаем, что использование моделей значительно упрощает работу биологов
Цели исследования
- Найти что такое биологическая модель?
- Узнать виды моделей в биологии?
- Найти причину использования биологических моделей.
План работы
Результаты проведённого исследования
Модели в биологии применяются для моделирования биологических структур, функций и процессов на разных уровнях организации живого: молекулярном, субклеточном, клеточном, органно-системном, организменном и популяционно-биоценотическом. Возможно также моделирование различных биологических феноменов, а также условий жизнедеятельности отдельных особей, популяций, экосистем.
В биологии применяются в основном три вида моделей: биологические, физико-химические и математические (логико-математические).
Б и о л о г и ч е с к и е модели воспроизводят на лабораторных животных определенные состояния или заболевания, встречающиеся у животных или у человека. Это позволяет изучать в эксперименте механизмы возникновения данного состояния или заболевания, его течение и исход, воздействовать на его протекание. Примеры таких моделей — искусственно вызванные генетические нарушения, инфекционные процесс, интоксикации, воспроизведение гипертонических и гипоксических состояний, злокачественных новообразований, гиперфункции или гипофункции некоторых органов, а также неврозы и эмоциональные состояния. Биологические модели широко используются в генетике, физиологии, фармакологии.
Ф и з и к о -х и м и ч е с к и е модели воспроизводят химическими или физическими средствами биологические структуры, функции или процессы и, как правило, являются далеким подобием моделируемого биологического явления. На основе данных электрофизиологических исследований были построены электронные схемы, моделирующие биоэлектрические потенциалы в нервной клетке, ее отростке и синапсе. Построены также механические машины с электронным управлением, моделирующие сложные действия поведения. Однако, такие модели сильно упрощают явления, наблюдаемые в организме, и имеют большее значение для бионики, чем для биологии.
Значительно большие успехи достигнуты в моделировании физико-химических условий существования живых организмов, их органов и клеток. Так, подобраны растворы неорганических и органических веществ (растворы Рингера, Локка, Тироде и др.), имитирующие внутреннюю среду организма и поддерживающие существование изолированных органов или культивируемых внутри организма клеток.
Модели биологических мембран (пленка из природных фосфолипидов разделяет раствор электролита) позволяют исследовать физико-химические основы процессов транспорта ионов и влияние на него различных факторов. С помощью химических реакций, протекающих в растворах в автоколебательном режиме, моделируют колебательные процессы, характерные для многих биологических феноменов -дифференцировки, морфогенеза, явлений в сложных нейронных сетях и т. д.
М а т е м а т и ч е с к и е модели (математические и логико-математические описания структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем) строятся на основе данных эксперимента или умозрительно, формализованно описывают гипотезу, теорию или открытую закономерность того или иного биологического феномена и требуют дальнейшей опытной проверки. Различные варианты подобных экспериментов выявляют границы применения математических моделей и дают материал для ее дальнейшей корректировки. «Проигрывание» математической модели биологического явления на ЭВМ позволяет предвидеть характер изменения исследуемого биологического процесса в условиях, трудно воспроизводимых в эксперименте. Математические модели позволяют в отдельных случаях предсказать некоторые явления, ранее неизвестные исследователю. Так, модель сердечной деятельности, предложенная голландскими учеными ван дер Полом и ван дер Марком, основанная на теории релаксационных колебаний, указала на возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии обнаруженного у человека. Из математических моделей физиологических явлений следует назвать также модель возбуждения нервного волокна, разработанную английскими учеными А. Ходжкином и А. Хаксли. На основе теории нервных сетей американских ученых У. Мак-Каллока и У. Питса строятся логико-математические модели взаимодействия нейронов. Системы дифференциальных и интегральных уравнений положены в основу моделирования биоценозов (В. Вольтерра, А. Н. Колмогоров). Марковская математическая модель процесса эволюции построена О. С. Кулагиной и А. А. Ляпуновым. И. М. Гельфандом и М. Л. Цетлиным на основе теории игр и теории конечных автоматов разработаны модельные представления об организации сложных форм поведения. Показано, что управление многочисленными мышцами тела строится на основе выработки в нервной системе некоторых функциональных блоков — синергий, а не путем независимого управления каждой мышцей.
Метод моделирования в биологии является средством, позволяющим устанавливать все более глубокие и сложные взаимосвязи между биологической теорией и опытом. В последнее столетие экспериментальный метод в биологии начал наталкиваться на определенные границы, и выяснилось, что целый ряд исследований невозможен без моделирования. Но моделирование находит широкое применение в области биологии не только из-за того, что может заменить эксперимент. Оно имеет большое самостоятельное значение, которое выражается, по мнению ряда авторов, в целом ряде преимуществ:
- С помощью метода моделирования на одном комплексе данных можно разработать целый ряд различных моделей, по-разному интерпретировать исследуемое явление, и выбрать наиболее плодотворную из них для теоретического истолкования;
- В процессе построения модели можно сделать различные дополнения к исследуемой гипотезе и получить ее упрощение;
- В случае сложных математических моделей можно применять ЭВМ;
- открывается возможность проведения модельных экспериментов (синтез аминокислот по Миллеру)
Все это ясно показывает, что моделирование выполняет в биологии самостоятельные функции и становится все более необходимой ступенью в процессе создания теории. Однако моделирование сохраняет свое эвристическое значение только тогда, когда учитываются границы применения всякой модели.
Нами была проведена практическая работа по посторению моделей развития популяций в Excel.
Биологическая модель развития популяций
Вывод
В результате проведенного исследования мы выяснили, что такое модели в биологии, для чего они применяются. Также мы рассмотрели большое разнообразие видов биологических моделей: биологические, физико-химические, математические. Мы узнали, что такое метод моделирования, какое значение он имеет для сложных моделей, гипотез и экспериментов. Мы представили результаты нашего исследования в виде инфографики, созданной с помощью сервиса https://www.canva.com/, графика в таблицах Excel. Проведенная работа сплотила нас и открыла множество новых фактов и сервисов. Опыт такой работы понадобится нам в дальнейшем.
Полезные ресурсы
Список модельных обьектов биологии
Современные методы исследований в биологии
