TEMA 1. NOIUNILE DE BAZ A SISTEMELOR BIOTEHNICE Sistemul biotehnic (SBT) este un complex unic n care direcionat se realizeaz interaciunea dispozitivului tehnic (DT) cu obiectul biologic (OB). Astfel, tehnica medical (dispozitivele medicale) ori, tehnica pentru medicin i biotehnologiile (tehnica biomedical), sunt componente ale diferitor sisteme biotehnice. SBT cuprind clase de sisteme complicate care conin componente biologice I componente tehnice (subsisteme), sunt combinate i funcioneaz ntr-un singur complex de dirijare. Subsistemele de baz sunt: obiectul biologic; dispozitivul tehnic. ntre dispozitivul tehnic i obiectul biologic pot exista legturi: materiale fluxuri de substan, energetice - fluxuri de energie i, informaionale fluxuri de informaie. Baza alegerii parametrilor dispozitivului tehnic este setul de proprieti al obiectului biologic. Subiectul, metodele i sarcinile teoriei SBT sunt urmtoarele:1. Determinarea cerinelor fa de caracteristicile tehnicii medicale i tehnicii biologice avnd la baz principiile sistemice;2. Determinarea legturilor de baz i caracteristicilor SBT, avnd n vedere specificul obiectelor biologice;3. Elaborarea metodelor de descriere cantitativ a obiectelor biologice;4. Formularea sarcinii de analiz i sintez a diferitor clase de SBT. Schema i structura grafului SBT este prezentat n Fig.1

Fig.1. Schema i structura SBT Principiul de baz a descrierii cantitative, analiz i sintez a SBT este: bioadecvarea (adecvarea biologic), ce nseamn corespunderea nivelelor legturilor superioare energetice, materiale i informaionale ntre dispozitivul tehnic i obiectul biologic, cu nivelele de interaciune ntre subsistemele obiectului biologic, care sunt specifice strii de homeostaz, cnd mediul intern al organismului este ntr-o stare de stabilitate (echilibru stabil cu mediul extern i capacitatea de a se autoechilibra fa de schimbrile mediului extern). Exemplu de homeostaz poate servi autoechilibrarea organismului la schimbrile temperaturii mediului. Stabilitatea funciilor fiziologice a omului depinde de pstrarea temperaturii normale a corpului la nivelul de 36...37 0 C. La temperaturi joase ale mediului are loc ngustarea capilarelor sangvine i micorarea fluxului sangvin n spre piele, care provoac micorarea fluxului termic de pe suprafaa pielii. Creterea temperaturii mediului provoac dilatarea capilarelor i creterea fluxului de snge spre piele. Are loc pierderea cldurii i pstrarea temperaturii normale a corpului. Obiectele biologice au o prioritate fundamental numit ierarhie. Ierarhia reprezint relaiile structurale n sistemele complicate n multe nivele care se caracterizeaz printr-o arangare a componentelor i legturilor de la nivele superioare spre cele inferioare (Fig.1). Ierarhia poate fi pus la baza clasificrii sistemelor. Pentru obiectele biologice este caracteristic urmtoarea ierarhie, de la simplu la compus: molecule (nivel molecular), celule (nivel supramolecular); esuturi; organe; sisteme de organe; organism; populaie; biocenez; biosfer. Condiia necesar pentru determinarea structurii (dispozitivului) oricrui sistem, inclusiv OB, este analiza divizarea sistemului n elemente subsisteme de nivel mai inferior. Analiza este inelul fiecrei cercetri experimentale i teoretice. Cel mai simplu mijloc de divizare a OB n pri const n aciunea energetic din exterior, care aduce la descompunerea n subsisteme (Fig.2).

Fig.2 Schema divizrii n subsisteme Exemplu de cercetare a OB i subsistemele acestuia prin metoda de divizare n componente poate fi cercetarea anatomic prin analiza chirurgical a organelor i esutului. Criteriul obiectiv al divizrii este diferenierea elementelor sistemei dup nivelul de energie a legturii. Acest principiu de difereniere energetic poate fi exprimat prin relaia Ej+1 Ej, (1)unde: Ej+1 i Ej - sunt energiile de legtur ntre elementele nivelului j i nivelele mai superioare j+1.Structura sistemei formal poate fi descris ca , . (2) unde: R - mulimea de legturi n mulimea de elemente, ntr-un moment dat, starea sistemului caracterizat printr-o structur (legturi ntre elemente n diferite configuraii) i printr-un set de proprieti a elementelor. Exemplu de caracterizare numeric a parametrilor sistemului cardiovascular n organismul omului poate fi: frecvena contraciilor inimii (68 bti pe min); presiunea sistolic ( 150 mmHg); presiunea diastolic (110 mmHg); debitul de snge ntr-o minut 7 Litri. Prima etap de cercetare a OB este determinarea structurii n regim static fr considerarea schimbrilor n timp a caracteristicilor elementelor i legturilor ntre acestea. Etapa II este cercetarea proceselor de trecere a sistemului dintr-o stare n alta (n timp). Exemplu de astfel de cercetare ar putea fi procesul de cretere a populaiei de indivizi dintr-o stare cu un anumit numr n alt stare cu alt numr. OB pot fi caracterizate prin valorile de stare energetic prin intermediul variabilelor termodinamice: E i m. n dependen de caracterul interaciunii cu mediul nconjurtor sistemele termodinamice se clasific n sisteme:1. Izolate, n care lipsete schimbul de energie i substan (E =0, m=0),2. nchise, n care schimbul de energie cu substana este exclus (E 0, m=0);3. Deschise, n care exist schimb de substan i energie ((E 0, m) (Fig.3).

Fig.3 Clasificarea sistemelor termodinamice dup caracterul schimbului de substani energie cu mediul: a) sistem izolat; b) nchis; c) deschis

Populaia de celule se afl pe nivelul de clasificare a OB n care subsisteme sunt celulele care aparin diferitor grupe (exemplu de vrst). Starea populaiei de celule este determinat de ctre variabilele de stare: numrul de celule Nk n grupa dat k (k=1,2,...k) , i de coninutul mediului Xk - concentraia substanei chimice (k=1,2,...L). Vectorul variabil de stare =(Nk, Xk) determin starea populaiei de celule i poziia punctului ce reprezint populaia, mediul n spaiul variabilelor Nk i Xk. Nk i Xk este spaiul de faze a sistemului (Fig.4).

Fig.4 Spaiul de faze a biosistemei: Q1, Q2 - vectorii de stare 1 i 2 a sistemei,G regiunea de homeostaz

Dinamica sistemei se descrie prin schimbarea n timp a variabilelor de stare Nk(t) i Xk(t) i corespund deplasrii n spaiul de faze a punctului (t) vrful vectorului de stare. Starea care corespunde unei devieri ndelungate a biosistemei de la normalitate (patologie) poate fi privit ca ieirea punctului (t) din limitele regiunii de homeostaz G.1. .., ... . . // - . .., .2011, 528 .4