Большая Советская Энциклопедия (БИ)

Большая Советская Энциклопедия

Применение математико-статистических методов в биологии по существу представляет выбор некоторой статистической модели, проверку её соответствия экспериментальным данным и анализ статистических и биологических результатов, вытекающих из её рассмотрения. Выбор той или иной модели в значительной мере определяется биологической природой эксперимента. Любая модель содержит ряд предположений, которые должны выполняться в данном эксперименте; обязательно предположение о случайности выбора объектов из общей совокупности; очень распространено предположение об определённом типе распределения исследуемой случайной величины. Планирование эксперимента стало самостоятельным разделом Б., располагающим рядом методов эффективной постановки опыта (различные схемы дисперсионного анализа, последовательный анализ, планирование отсеивающих экспериментов и т.д.). Эти методы позволяют резко сократить объём эксперимента для получения того же количества информации. При обработке результатов экспериментов и наблюдений возникают 3 основные статистические задачи: оценка параметров распределения — среднего, дисперсии и т.д. (например, установление пределов случайных колебаний процента больных, у которых наблюдается улучшение состояния при лечении каким-то испытываемым лекарственным препаратом);

сравнение параметров разных выборок (например, решение вопроса, случайна или достоверна разница между средними урожаями изучаемых сортов пшеницы); выявление статистических связей — корреляция, регрессия (например, изучение корреляции между размерами или массой разных органов животного или изучение зависимости частоты повреждения клеток от дозы ионизирующих излучений). Для решения экспериментальных задач наиболее эффективно применение методов многомерной статистики, позволяющих одновременно оценить не только влияние нескольких разных факторов, но и взаимодействие между ними; эти методы находят всё большее применение и для решения задач систематики. Широкое распространение получили и непараметрические методы, не содержащие предположений о характере распределения случайной величины, но уступающие по эффективности параметрическим методам. В связи с запросами практики интенсивно разрабатываются методы изучения наследуемости, выборочные методы и изучение динамических процессов (временные ряды).

Работы по Б. публикуются в журналах «Biometrica» (L., 1901—); «Biometrics» (Atlanta, 1945—); «Biometrische Zeitschrift» (B., 1959—), а также в различных биологических, с.-х. и медицинских журналах.

Лит.: Бейли Н., Статистические методы в биологии, пер. с англ., М., 1963; Рокицкий П. Ф., Биологическая статистика, 2 изд., Минск, 1967; Снедекор Д ж. У., Статистические методы в применении к исследованиям в сельском хозяйстве и биологии, пер. с англ., М., 1961; Урбах В. Ю., Биометрические методы, 2 изд., М., 1964; Финни Д. Д., Применение статистики в опытном деле, пер. с англ., М., 1957; его ж е. Введение в теорию планирования экспериментов, пер. с англ., М., 1970; Фишер Р. А., Статистические методы для исследователей, пер. с англ., М., 1958; Хилл Б., Основы медицинской статистики, пер. с англ., М., 1958; Хикс Ч., Основные принципы планирования эксперимента, пер. с англ., М., 1967; Fisher R. A., The design of experiments, Edinburgh—L., 1960.

Н. В. Глотов, А. А. Ляпунов, Н. В. Тимофеев-Ресовский.

Биомеханика

Биомеха'ника (от био... и механика), раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Термином «Б.» ранее также называли отрасль эмбриологии — механику развития, чаще называемую экспериментальной эмбриологией. Обычно термин «Б.» применяют к учению о движениях человека и животных. Однако в середине 20 в. границы исследований по Б. расширились: Б. дыхательного аппарата (см. Дыхание) изучает его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематику (т. е. геометрическую характеристику движения) и динамику дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); Б. кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. (см. Гемодинамика); Б. движений, основываясь на данных анатомии и теоретической механики, исследует структуру органов движения, характер приложения мышечных сил, вызывающих движения в суставах, кинематику сочленений, распределение массы тела по его звеньям, закономерности движения этих звеньев и тела в целом, определяет характер, направление и значение действующих сил. Биомеханическая характеристика движения составляется на основе данных структурного, кинематического и динамического анализа. При структурном анализе определяют количество степеней свободы кинематических цепей тела, их характер (открытые, замкнутые); кинематический анализ даёт характеристику движения (траектории, скорости и ускорения); динамический — выявляет картину взаимодействия внутренних и внешних сил. Чаще всего задача биомеханического исследования сводится к определению картины действующих сил по кинематическим характеристикам движения. Это позволяет оценить экономичность движения, степень использования как внешних, так и мышечных сил и судить о механизмах координации и регуляции движений. В этой части Б. тесно соприкасается с физиологией движений. Другая задача биомеханического исследования — изучение отдельных положений тела (стояние, сидение и др.). При этом определяют значения статических моментов, положение общего центра тяжести тела по отношению к опоре, степень устойчивости тела в данном положении, т. е., по существу, устанавливают и характер взаимодействия внутренних и внешних сил. Решение таких задач также связано с физиологией, с учением о положении и равновесии тела в пространстве.

В исследованиях по Б. используются разнообразные методы регистрации перемещений, скоростей, ускорений изучаемых движений. Наиболее употребительны оптические методы: ускоренная киносъёмка, циклография, кимоциклография и др. С их помощью определяют пространственные перемещения тела, перемещения его звеньев друг относительно друга, рассчитывают линейные и угловые скорости и ускорения, действующие силы. Используются в Б. также методы электрической регистрации механических величин с помощью механотронов, датчиков угловых перемещений, опорных динамографов.

История Б. Начало исследованиям по Б. было положено итальянским учёным Леонардо да Винчи, изучавшим движения человека с позиций анатомии и механики. Значительное влияние на развитие Б. оказал итальянский натуралист Дж. Борелли, который рассматривал организм как машину и стремился объяснить дыхание,

движение крови и работу мышц с позиций механики. В книге «О движении животных» (1680—81) он даёт механический анализ движений звеньев тела человека и животных при ходьбе, беге, плавании. Экспериментальное изучение ходьбы человека осуществили немецкие учёные Э. и В. Веберы (1836), В. Брауне и О. Фишер (1895), французский учёный Э. Марей (1894), американские — У. О. Фенн (1935), X. Элфтмен (1938). Изучению механики живых тканей посвящены работы американских учёных Ф. Г. Эванса (1957), Г. Фроста (1964); Б. дыхания исследовал американский учёный Дж. Л. Клеменс (1965), гемодинамику изучали его соотечественники Г. М. Тейлор (1953), Э. О. Эттингер (1964). Развитие Б. в России связано с работами по теоретической анатомии П. Ф. Лесгафта (1905) и книгой И. М. Сеченова «Очерк рабочих движений человека» (1901), содержащей сводку важнейших биомеханических характеристик движений человека. Исследования по Б. носили вначале прикладной характер и были направлены на рационализацию рабочего места, рабочей позы, формы инструмента, приёмов работы. Они базировались на методике циклографии и циклограмметрии. Детальные исследования локомоций человека были осуществлены Н. А. Бернштейноми его сотрудниками. Проведён биодинамический анализ ходьбы здоровых людей, её эволюции у детей и стариков, а также бега, прыжков, марша.

Практическое значение. Исследования в области Б. представляют существенный интерес для разных областей знаний: физиологии труда и спорта, военной и клинической медицины, в том числе неврологии, ортопедии, травматологии, протезирования. Так, изучение Б. физических упражнений и спортивных движений способствует раскрытию основ мастерства и разработке научно обоснованной системы тренировки. Изучение рабочих движений человека даёт возможность оценить экономичность того или иного варианта движений и совершенствовать их структуру. Изучение прочности костей, суставов, связок, упруговязких свойств мышц и других тканей важно для травматологии и ортопедии, для понимания механизмов действия повреждающих факторов и предупреждения травм.

Значительный интерес представляет Б. для протезирования, являясь основой конструирования протезно-ортопедических изделий. Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем (см. Бионика).

Так, данные о структуре и механизмах управления «живыми кинематическими цепями» со многими степенями свободы (например, рука, начиная от ключично-лопаточного сочленения, имеет 33 степени свободы, что обеспечивает возможность чрезвычайно разнообразных движений и поворотов) применяются при создании автоматов-манипуляторов и роботов, используемых в различных областях техники.

Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения (см. Баллистокардиография,Динамокардиография) и дыхания учитывают при диагностике и определении показаний к операциям на сердце и лёгких. Исследования Б. дыхания и кровообращения использованы при создании аппарата «сердце — лёгкие».

Лит.: Сеченов И. М., Очерк рабочих движений человека, М., 1901; Лесгафт П. Ф., Основы теоретической анатомии, 2 изд., ч. 1, СПБ. 1905; Бернштейн Н. А., Общая биомеханика, М., 1926 (имеется библ.); Исследования по биодинамике локомоций, под ред. Н. А. Бернштейна, М.— Л., 1935; Исследования по биодинамике ходьбы, бега, прыжка, под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1940; Николаев Л. П., Руководство по биомеханике в применении к ортопедии, травматологии и протезированию, [ч. 1—2], К., 1947—50; Лёгкие. Клиническая физиология и функциональные пробы, пер. с англ., М., 1961; Weber W., Weber Ed., Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge, G"ott., 1836; Pulsatile blood flow, ed. Е. O. Attinger, N. Y., 1964; Burton А. С., Physiology and biophysics of the circulation, Chi., 1965; Frost Н. М.. An introduction to biomechanics, Springfield (III.), 1967.

В. С. Гурфинкель.

Бионавигация

Бионавига'ция (от био... и навигация), способность животных выбирать направление движения при регулярных сезонных миграциях (на зимовки или к местам размножения). Обеспечивается способностью к ориентации в окружающем пространстве с помощью органов чувств и наследственно закрепленными реакциями — инстинктами. Значение инстинктов особенно велико в тех случаях, когда перелёты совершают молодые птицы, ни разу ещё не летавшие на зимовку (см. Перелёты птиц). Помимо пернатых, поразительная способность к Б. присуща некоторым млекопитающим, совершающим дальние сезонные кочёвки (например, северным оленям, морским котикам, китам), а также некоторым пресмыкающимся (например, морским черепахам). Огромную роль в выборе правильного направления и пути играет взаимодействие животных в кочующей группе; поэтому, например, перелёты обычно совершаются стаями. Механизмы Б. весьма разнообразны (астронавигация, навигация по наземным ориентирам и т.п.) и изучены ещё недостаточно.

Н. П. Наумов.

Бионика

Био'ника (от греч. bion — элемент жизни, буквально — живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками — электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц — орнитоптер. Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по Б., который официально закрепил рождение новой науки.