Надійність біосистем — Енциклопедія Сучасної України

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. об'єкта й охоплює безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, здатність виконувати задані функції при визначених умовах експлуатації, зберігаючи при цьому свої осн. характеристики. Поняття «надійність технічної системи» тісно пов'язане 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 зв'язками. До сильних належать ковалентні зв'язки – при фізіол. т-рах для їх утворення чи розривання необхідні каталізатори. Слабкі зв'яз­ки (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 пов'язані принципи орг-ції 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 т-ра, 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 Ін-ті 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. Ін-тів фізіології та кібернетики НАНУ (обидва – Київ; П. Білошицький, Ю. Онопчук). Надійність вивчають у зв'язку з різними рівнями орг-ції 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).

Літ.: K. Bernard. Leçons sur les phéno­mènes de vie. Paris, 1878; W. B. Cannon. The wisdom of the body. New York, 1932; Базовский И. Надежность. Теория и практика. Москва, 1965; P. W. Hochachka, G. N. Somero. Strategies of biochemical adaptation. Philadelphia; London; Toronto, 1973; Лопухин Ю. М., Коган Е. М. Критерии жизнеспособности. Москва, 1975; Системы надежности клетки. К., 1977; Надежность клеток и тканей. К., 1980; Надежность биологических систем. К., 1985; Надежность и гомеостаз биологических структур. К., 1987; Белошицкий П. В. Проблемы надежности, устойчивости биоструктур // Живучесть и реконфигурация информ.-вычислител. и управляющих систем. К., 1989; Шевченко В. А. Универсальный природный цикл. К., 1992.

П. В. Білошицький


Покликання на статтю