Біокібернетика

Біокіберне́тика (від біо… та кібернетика) — міждисциплінарна наука, що досліджує принципи функціонування, управління, збереження, обробки та передачі інформації в біологічних системах на різних рівнях організації (від молекулярного до екосистемного), інтегрує ідеї та методи кібернетики, математики, інформатики та фізики для аналізу складних біологічних процесів.

Історична довідка

Біокібернетика зародилася в середині 20 ст. на тлі розвитку кібернетики. Заснування біокібернетики як самостійної науки асоціюють із опублікуванням фундаментальної праці Н. Вінера «Кібернетика, або управління і зв’язок у тварині та машині» (1948) про застосування кібернетичних принципів до біологічних систем, поняття зворотного зв’язку та регуляції в живих організмах. Розвиток уявлень про зворотний зв’язок у біології та спроби створити моделі математичні, які описують складні біологічні процеси, стали головними засадами становлення біокібернетики.

Математик В. Р. Ешбі, психолог А. Розенблют Стернс (1900–1970; Мексика), зоолог І. І. Шмальгаузен та інші вчені активно застосовували системний і математичний підходи до вивчення біологічних функцій і процесів.

Характеристика

Предмет і об’єкт дослідження

Біокібернетика ґрунтується на перенесенні ідей, принципів і методів кібернетики на біологічні системи, застосовує математичне моделювання та інші наукові підходи для аналізу і прогнозування їхнього функціонування.

Біокібернетика вивчає такі процеси: гомеостаз, терморегуляція, осморегуляція, підтримання рівноваги кислотно-основної, саморегуляція, нервова регуляція і гуморальна регуляція, адаптація живих систем до змін внутрішнього і зовнішнього середовища.

Предметом дослідження біокібернетики є механізми перетворення інформації на сигнали, які використовуються біологічними системами для забезпечення життєдіяльності (автономні та централізовані механізми, зокрема нейрогормональні системи тощо), а також ритмічні процеси (біологічні годинники, біологічні ритми, які регулюють цикли сну, активності тощо).

Одним із основних об’єктів досліджень є клітинні системи, їхні структура та механізми регуляції, міжклітинні контакти.

На рівні організмів біокібернетика вивчає фізіологічні процеси, нервові імпульси, гормональну регуляцію та інші механізми підтримання гомеостазу, реакції на зовнішні подразники, пристосування до змін навколишнього середовища тощо.

Об’єктами вивчення біокібернетики є також складніші біологічні системи — популяції та екосистеми, які мають власну динаміку і взаємозалежність між різними організмами та середовищем їхнього існування, механізми підтримання стійкості та рівноваги.

Структура

У межах біокібернетики сформувалося кілька ключових напрямів:

• фізіологічна кібернетика — досліджує принципи саморегуляції, механізми нервової та гуморальної регуляції;
• нейрокібернетика — зосереджена на вивченні нервової системи, організації біологічних нейронних мереж і механізмів поведінки, що є основою психофізіологічних процесів;
• медична кібернетика — застосовує кібернетичні моделі для вивчення механізмів здоров’я та патології, а також розробляє методи діагностики медичної, лікування та медичного прогнозування;
• еволюційна біокібернетика — аналізує процеси еволюції живих систем через інформації теорію, зокрема процеси втрати та спотворення інформації в еволюційних процесах;
• теоретична біокібернетика — займається розробкою математичних моделей, що описують біологічні процеси та механізми саморегуляції у живих системах;
• екологічна біокібернетика — досліджує управлінські та інформаційні процеси в екосистемах, аналізує взаємодії між різними рівнями організації, вплив екологічних факторів на стійкість систем;
• молекулярна біокібернетика — вивчає інформаційні процеси на молекулярному рівні (молекули ДНК, білків та інших біологічних структур, що здійснюють передавання та обробку інформації);
• клітинна біокібернетика — досліджує клітинні системи, їхні структуру та регуляцію на рівні окремих клітин, включно з інформаційними процесами, які відбуваються в клітинах;
• конекціонізм — напрям, що фокусується на нейронних мережах та їх здатності до навчання та адаптації в контексті обробки інформації;
• біологічна теорія інформації — вивчає біологічні системи як інформаційні структури, аналізує передавання та збереження інформації в живих організмах;
• системна біологія — об’єднує біологію та кібернетику, досліджує живі організми як комплексні системи, що взаємодіють на різних рівнях організації (молекулярному, клітинному, організмовому та екосистемному).

Методологія

Залежно від конкретних біотехнологічних завдань, біокібернетика використовує методи:

• теорії інформації;
• логіки математичної;
• автоматів теорії;
• теорії алгоритмів;
• теорії керування;
• варіаційної статистики;
• ймовірностей теорії;
• теорії масового обслуговування;
• теорії синтезу інформаційних систем тощо.

Течії та школи

Наукові школи з біокібернетики є у різних країнах світу. Одним із засновників біокібернетики у Німеччині був Г. Дрішель (1915–1980; Німеччина), який вивчав біологічні системи управління, що мало значний вплив на розвиток цієї галузі. Л. фон Берталанфі (1901; тепер Австрія — 1972; США) розробив теорію загальних систем, яку широко застосовують у біокібернетиці. Біолог Б. Гассенштайн (1922–2016; Німеччина) був одним із провідних дослідників у галузях біології поведінки та біокібернетики, зокрема, сприяв розумінню сприйняття руху у комах і кольорового зору у людей. Внесок у розвиток біокібернетики зробили лауреати Нобелівської премії І. Пригожин і М. Дельбрюк.

Біокібернетика в Україні

В Україні біокібернетика як науковий напрям розвивалася з початку 1960-х. Одними з перших вчених на теренах СРСР, які вивчали цей напрям, були В. Глушков та М. Амосов. В Інституті кібернетики АН УРСР (тепер Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України) за підтримки В. Глушкова був створений відділ біокібернетики (1960). Понад 30 років його очолював М. Амосов, автор праць з моделювання серцево-судинної системи.

До середини 1970-х сформувалося кілька українських шкіл, які вивчають медичну, фізіологічну та психологічну кібернетику, нейрокібернетику: М. Амосов, Ю. Антомонов (1929; тепер РФ — 1999; Україна), Л. Алєєв (нар. 1928; тепер Україна), К. Іванов-Муромський (1923; тепер РФ — 1995; Україна), Е. Куссуль (нар. 1938; тепер РФ) та інші. Біокібернетика в Україні почала розвиватися від створення комп’ютерних програм для діагностики хвороб.

Значення

Дослідження у галузі біокібернетики сприяли напрацюванню комплексних міждисциплінарних теоретичних моделей і впровадженню їх у практичні розробки (нові методи лікування, технології моделювання та контролю біологічних процесів тощо). Погляд на еволюцію через призму теорії інформації відкриває нові можливості для оптимізації біологічних процесів у медичних і екологічних системах.

Література

1. Ashby W. R. Introduction to Cybernetics. New York : J. Wiley, 1956. 295 p.
2. George F. H. The Brain as a Computer. Oxford : Pergamon Press, 1962. 413 p.
3. Hassenstein B. Biologische Kybernetik. Heidelberg : Quelle und Meyer, 1965. 144 p.
4. Drischel H. Einführung in die Biokybernetik. Berlin : Akademie Verlag, 1972. 262 p.
5. Durlauf St., Blume L. Game Theory and Biology // Game Theory. London : Palgrave Macmillan, 2010. P. 119–126.
6. Bertalanffy L. Von. General System Theory: Foundations, Development, Applications. Revised ed. New York : George Braziller,2015. 295 p.
7. Wiener N. Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine. 2nd ed. Augusta : Mockingbird Press, 2022. 202 p.

Автор ВУЕ

Д. В. Ланде

Покликання на цю статтю: Ланде Д. В. Біокібернетика // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Біокібернетика (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 07.04.2025