Надійність біосистем

НАДІ́ЙНІСТЬ БІО­СИСТЕ́М — фундаментальна властивість організму, зумовлена його здатністю під­тримувати динамічно стійкий стан, необхідний для забезпече­н­ня ефективного, без­від­мовного функціонува­н­ня в просторі і часі. Техноген­на екс­пансія природи ставить людину на межу її адаптац. можливостей. Саме тому ви­вче­н­ня механізмів резистентності, стійкості, Н. б. є однією з найбільш актуал. біол. про­блем сьогоде­н­ня. Поня­т­тя «надійність» при­йшло в біо­логію із техніки, де воно ви­значає комплексну властивість тех. обʼєкта й охоплює без­від­мовність, довговічність, ремонто­придатність, здатність виконувати за­дані функції при ви­значених умовах екс­плуатації, зберігаючи при цьому свої осн. характеристики. Поня­т­тя «надійність технічної системи» тісно повʼязане з якістю, що ви­значає ступінь придатності системи для здійсне­н­ня певних функцій, тобто надійність — це якість, роз­горнута у часі. Існує багато матем. методів оцінки характеристик і показників надійності тех. систем різної складності, але під­ходи до побудови матем. моделі надійності функціонува­н­ня біол. систем повин­ні бути іншими чи від­повід­но адаптованими. Тут варто від­значити вагомий внесок у роз­виток про­блем надійності амер. математика Н. Вінера, який за­пропонував використовувати методи теорії упр. при моделюван­ні гомео­статич. систем. Поня­т­тя «надійність» у техніці і біо­логії сут­тєво від­різняється. Надійність тех. систем роз­раховують під час проектува­н­ня, виготовле­н­ня; її забезпечують технології, матеріали, структури, кон­струкції тощо; вона є практично по­стій. величиною протягом періоду екс­плуатації тех. системи. Надійність функціонува­н­ня живої системи змінюється впродовж життя: спочатку в процесі росту молодого організму вона збільшується, досягає свого максимуму, а під кінець жит­тєвого циклу зменшується. На від­міну від тех. статистич. систем, що зношуються, біо­логічні без­перервно змінюються, самовід­новлюються (процеси роз­паду–оновле­н­ня), зберігаючи структуру через функцію і навпаки; по­ступово оновлюється склад молекул, клітин (окрім нервових). Біо­системи радикально від­різняються від технічних своїми «антиентропійними» механізмами надійності функціонува­н­ня. Ві­домо, що висока Н. б. формується з не­стій. динам. компонентів. Одне з можливих пояснень такого протиріч­чя: зро­ста­н­ня кількості елементів збільшує можливість отрима­н­ня та пере­робле­н­ня інформації на біо­кібернет. рівні і формує нову якість надійності. Існує матем. залежність між ентропією, що характеризує ступінь не­впорядкованості системи, та інформацією. Життя — пере­важно впорядковане, закономірне існува­н­ня матерії в просторі й часі; осн. риси: обмін речовин, мінливість, по­дразливість, роз­виток, здатність до роз­множе­н­ня тощо. З часу виникне­н­ня бл. 3,5 млрд р. тому, життя через закономірності еволюції, від­бору, при­стосува­н­ня, спадковість по­стійно ускладнювалось, вдосконалювалось, при­стосовувалось, зосередивши у людині мудрість, активність, надійність. Носії життя — білки, складені з роз­міщених у певному порядку амінокислот, послідовність яких ви­значає їхню функцію. Стабілізація структури білка забезпечується як сильними, так і слабкими звʼязками. До сильних належать ковалентні звʼязки — при фізіол. т-рах для їх утворе­н­ня чи роз­рива­н­ня необхідні каталізатори. Слабкі звʼяз­ки (гідрофобні, водневі, іонні, сили Ван-дер-Ваальса) легко роз­риваються без допомоги ферментів за рахунок кінет. енергії живої системи (П. Гочачка, Дж. Сомеро). Однією з найважливіших властивостей організму є по­стійність внутр. середовища (К. Бернар, В. Кен­нон), що по суті є механізмом стабілізації, свободи функціонува­н­ня в змін­них умовах зовн. середовища. Уявле­н­ня про Н. б. не замінюють таких понять, як «жит­тє­здатність» (здатність біол. одиниці залишатись живою), «стійкість» (здатність виживати за умов стрес. впливу певних факторів середовища) тощо (Ю. Лопухін, Е. Коган, Д. Гродзинський). «Надійність» — найбільш заг., фундам., багатоплан. поня­т­тя, що охоплює числен­ні фактори, завдяки яким клітина чи організм може тривалий час ефективно існувати при до­статньо широкому діапазоні збурень зовн. та внутр. середовища. З надійністю без­посередньо повʼязані принципи організації біол. систем: багатоклітин­ність, резервува­н­ня (під­трима­н­ня деякої надмірності надлишк. елементів), репарація (від­новле­н­ня біо­структури), ро­зумна до­статність, морфофункціон. спеціалізація, мультифункціональність (функціон. багато­значність), вибірк. компенсація, дублюва­н­ня і взаємозамін­ність біо­елементів; досконале, швидке, адекватне реагува­н­ня та поверне­н­ня до гомео­стазу; динамізм взаємодії функціон. систем, ієрархічна субпідрядність, від­критість біо­систем, мін. дисипація (роз­сіюва­н­ня) енергії, числен­ність рівнів біо­систем; саморегуляція, самоорганізація і самоліквідація через генетично закодовані про­грами; еволюц. «конструюва­н­ня» біо­систем та ін. У дослідж. про­блеми надійності та роз­роблен­ні її матем. моделей велике значе­н­ня мають засоби кількіс. оцінки її рівня, ви­значе­н­ня найбільш інформатив. критеріїв надійності, вартості зусиль організму, направлених на під­тримку необхід. рівня функціонува­н­ня систем. З цією метою фізіологи збирають дані про стан та реакції організму, який досліджують, що пере­буває в екс­тремал. умовах (киснева недо­статність, низька чи висока температура, при­скоре­н­ня тощо) та виконує при цьому тести, проби, дозовані фіз. чи спец. ро­зумові навантаже­н­ня. В Україні інтенсивні дослідж. з Н. б. роз­почали у 1970-х рр. в Ін­ституті фізіології рослин АН УРСР (Київ; Д. Гродзинський), де вперше у світі до про­блем гомео­стазу пі­ді­йшли з 4-х позицій теорії Н. б., організували перші всесоюзні наради, видали темат. збірники. Знач. внесок у роз­виток про­блеми комплекс. дослідж. механізмів забезпече­н­ня надійності функціонува­н­ня організму в екс­тремал. умовах, пошук найбільш інформатив. критеріїв надійності та роз­робле­н­ня від­повід. матем. моделей надійності зробили спів­роб. Ін­ститутів фізіології та кібернетики НАНУ (обидва — Київ; П. Білошицький, Ю. Онопчук). Надійність ви­вчають у звʼязку з різними рівнями організації біо­структур (молекуляр., клітин., тканин., орган­ними, систем., а також організму, популяції, біо­геоценозів, екосистем), різними типами функціон. систем (морфофункціон., гомео­стат., нейродинам., психофізіол.; І. Панін). Природно, що кожний рівень організму, тип функціон. систем має свої механізми (тимчас., по­стійні) збереже­н­ня структури, функції, взаємоко­ординації, ріше­н­ня по­ставленої задачі. При дії на організм різних збурюючих факторів його стабільність, стійкість зберігається завдяки ще одній властивості організму — адаптивності (див. Адаптація).

Завантажити статтю