Типи моделей

В період подальшого становлення експериментальної науки ми зустрічаємося з попередниками сучасного моделювання живих систем трохи іншого роду. Існує безліч різних моделей, що відрізняються складністю, розмаїтістю задач і цілей моделювання, областями застосування. На моделях зовнішньої подоби: манекенах, іграшках, моделях літаків і кораблів – проводять попередні іспити. Тренажери, електрифіковані навчальні таблиці і схеми, а також моделі, що імітують поведінку реальних об’єктів у складних ситуаціях, служать для навчання. Моделі-ерзаци заміняють об’єкти при виконанні певних функцій, їх називають також функціональними. Це протези, пристрої типу «штучна нирка», система «серця-легені», мікропроцесорні маніпулятори й ін. Дослідницькі моделі – математичні й імітаційні – заміняють реальні об’єкти в ході наукових досліджень.

Можна виділити чотири типи моделей, що застосовуються в медицині і біології:

1. Біологічні (предметні) моделі використовуються при вивченні загальних біологічних закономірностей, методів лікування, дії фармакологічних препаратів і т.д. До їх числа відносяться лабораторні тварини, культури кліток і ін. Такий вид моделювання дотепер зберігає своє значення в сучасній медицині.

2. Фізичні (аналогові) моделі – це фізичні пристрої, що мають поводження, подібне до об’єкта, що досліджується. Фізична модель може реалізуватися у виді механічного або електронного пристрою. До фізичних моделей, наприклад, відносяться технічні пристрої, що заміняють органи і системи живого організму (штучне серце, легені та ін.), електронні схеми, що імітують процеси в біологічній тканині. Фізичне моделювання є традиційним у медицині і лікувальній практиці.

3. Кібернетичні моделі – це різні системи, за допомогою яких моделюються інформаційні процеси в живому організмі. До них відносяться «чорний ящик», інформаційні моделі, системи штучного інтелекту та ін. Модель «чорного ящика» широко застосовується при медико-біологічному моделюванні. Вона охоплює найрізноманітніші об’єкти, часто досить далекі один від одного. Наприклад: діод, нейрон і водопровідний кран, як пристрої з однобічною провідністю. Ця модель є, також, основною при статистичному (ймовірнісному) моделюванні захворювань. Статистичний підхід не передбачає урахування впливу органів один на одного і причин розвитку тих або інших явищ у процесі лікування. Організм розглядається як «чорний ящик»: на «вході» діють різні патологічні подразники, спадкоємні фактори й умови зовнішнього середовища, а на «виході» ми одержуємо численні прояви захворювань, що можемо досліджувати тим або іншим способом.

4. Математичні моделі – це сукупність формул і рівнянь, що описують властивості досліджуваного об’єкта. Як правило, у моделях використовуються системи диференціальних рівнянь, вони описують динамічні процеси, характерні для живої матерії. В основу метода покладена ідентичність (ізоморфність) математичних рівнянь і однозначність співвідношень між змінними у рівняннях, що описують оригінал і модель. Математичне моделювання будь-якого об’єкта можливо тільки за умови досить детального знання його структури і функціональних закономірностей. У першу чергу це відноситься до складних систем, якими і є медико-біологічні об’єкти. Перша математична модель в біології датується XII століттям. Вона розроблена італійським математиком Фібоначчі при вирішенні задачі «Скільки кроликів на рік народжується від однієї пари». Прикладом однієї з моделей, що обговорюються як мінімум протягом більш ніж двох сторіч, є модель демографічного вибуху Мальтуса.