המודל הוא כלי מדעי נפוץ ורב חשיבות, אולי החשוב ביותר, במדעי הטבע, מדעי החיים והרפואה וכן במדעי החברה, שם הוא משמש לתיאור תהליכים כלכליים, ניהוליים ("מודל עסקי") או חברתיים. גם במדעי הרוח מקומו לא נפקד ומודלים של דרכי התפתחותם של רעיונות הם שכיחים למדי.
מה המשותף לדוגמנית, למפת הרכבת התחתית של לונדון לכלי מדעי-מחקרי נפוץ, אולי בין הנפוצים ביותר במדע ולמלה הנפוצה יותר מ-sex בגוגל? זו אינה תחילתה של בדיחה, והתשובה: כולם מודלים. האם יש קשר בין כל המודלים הללו או שהקשר הוא לשוני-מקרי גרידא כמו בין נשק ונשיקה? התשובה: כולם מודלים כשרים למהדרין.
אכן המונח "מודל" שגור, במדע ובחיי היום יום, בהקשרים רבים ומגוונים שאין ביניהם לכאורה קשר כלשהו. רובנו, אם לא כולנו, התוודענו למלה מודל בשלב מוקדם בחיינו. הדוגמנית כונתה בעבר, עוד קודם שהאקדמיה העברית חידשה מלה זו,"מודל", אם כי לא תמיד ברור היה אם המודל היא הדוגמנית או דווקא הבגד המוצג על ידה, או שניהם (התשובה: שניהם). דגם נוסף שגם אליו אנו מתוודעים בשלב מוקדם בחיינו הוא של מבנים שונים (ירושלים בימי בית שני, דגמי אוניות וכו'). גם ברפואה, מוכרות תבניות שונות, אנטומיות, מורפולוגיות או פונקציונליות, שתפקידן להעתיק במדויק (בדומה לדגמים ברפואת שיניים) או לחקות ולהדגים בדרך מוחשית וקלה יותר להבנה תופעות שונות או מנגנונים שונים (כמו דרך פעולת "הסליל הכפול" בביולוגיה המולקולרית). נראה בהמשך שגם מפת הרכבת התחתית של לונדון עומדת יפה בהגדרת המודל, למרות שהיא קרויה מפה ולא מודל. המודל הוא כלי מדעי נפוץ ורב חשיבות, אולי החשוב ביותר, במדעי הטבע, מדעי החיים והרפואה וכן במדעי החברה, שם הוא משמש לתיאור תהליכים כלכליים, ניהוליים ("מודל עסקי") או חברתיים. גם במדעי הרוח מקומו לא נפקד ומודלים של דרכי התפתחותם של רעיונות הם שכיחים למדי.
מהו סוד קסמו של המודל? מהו סוד כוחו במדע וברפואה שהוא כה נפוץ? האם הדבר נובע מכך המוח האנושי הנו יוצר מודלים וירטואוזי ושאנו מבינים את העולם, על תופעותיו, באמצעות מודלים או סכמות? יתכן שכן רק כך ניתן להסביר שזו אולי המלה הנפוצה ביותר במנוע החיפוש גוגל, יותר אפילו מ-sex . למלה model (ביחיד וברבים) יש 1,370,000,000 אזכורים ואילו למלה sex 746,000,000 "בלבד". אם התחושה של הקורא שהסיבה לריבוי זה מיוחסת דווקא ל-top-models מסוגה של בר רפאלי יתכן שאין הוא טועה ממש, אך עדיין מאות מיליוני אזכורים מתייחסים למודלים מדעיים מסוגים שונים (ומתוכם 66,600,000 אזכורים לפחות למודלים בתחום הרפואה והבריאות). 205,538 מאמרים מדעיים בנושאי רפואה נשאו את המלה model בשם המאמר עצמו (מקור:PubMed ). המלה "מודל" הופיעה בשמות (כותרת) עבודותיהן של 160 עבודות גמר לתארים גבוהים ברפואה ובמדעים הנלווים לה, המקוטלגות בספרית בית הספר לרפואה בי-ם.
ראוי אולי שנעמוד על טיבה של המלה ועל הגדרת המונח. הגדרה מקובלת, אך יובשנית אולי, של "מודל" היא: "צורה, דפוס, תכנית, ייצוג (לרוב מיניאטורי) שמטרתו לתאר עצם, מערכת או רעיון". אך נראה מעניין ומאתגר יותר להגדיר את השימוש הנרחב והמבוזר במלה "מודל" דווקא על דרך השלילה: כל המודלים מתאפיינים בכך שהם לעולם אינם ה"דבר האמיתי" ושמטרתם להדגים איך נראה ופועל "הדבר האמיתי" בכל מיני רמות והקשרים. לכאורה נראה שלא כל השימושים במלה עונים להגדרה זו. האם הדוגמנית אינה "הדבר האמיתי"? למעשה לא, שכן מטרת התצוגה היא שהקונה הפוטנציאלית תדמיין איך יראה הבגד עליה עצמה; הדוגמנית, כמו קולב או בובת תצוגה, היא רק כלי לכך. נבדוק שימוש נוסף שלכאורה אינו עולה, גם הוא, בקנה אחד עם ההגדרה: כשמצביעים על מישהי ואומרים "היא מודל לאישה אידיאלית" האם אין הכוונה לאישה בשר-ודם, קונקרטית, אמיתית. בודאי, אך זו דוגמא לחמקנותן של מילים, שכן במקרה זה השימוש במלה "מודל" הוא בהשאלה: אנו בעצם מתכוונים לומר "אם היינו בונים מודל שידמה בתכונותיו אישה אידיאלית היו מכלול תכונותיה של אישה זו משמשים בסיס איתן למודל זה".
המודלים בכלל ובמדעי הטבע בפרט כוללים בעיקר מודלים מתמטיים אך גם מודלים מופשטים או מודלים גראפיים. נעמוד על שתי תכונות חשובות של מודלים.
מטרת המודל ותחום הגדרתו: תכונה חשובה של מודלים היא תחום ההגדרה, המצומצם לרוב, של מטרתן. המודל אינו מתאר לרוב את התופעה במלואה אלא מתייחס להיבט או היבטים אחדים שלה. לדוגמא, מטרת מודל (מפת) הרכבת התחתית המיועדת לנוסעים היא להגדיר את מיקום התחנות ואפשרויות המעבר ((connections ביניהן ותו לא. אין במודל זה תיאור שלם, או אפילו החותר להיות כזה, מהסיבה הפשוטה שאין זו מטרתו. לדוגמא, העובדה שהקו האדום משורטט מעל (צפונה) הכחול המקביל לו, אינה אומרת דבר. יתכן שקו הרכבת הפיזי ממוקם מצפונה לו או מדרומה או מתחתיו. מודל אחר (מפה, שרטוט) המשמש את אנשי התחזוקה וכוחות ההצלה של הרכבת התחתית הוא שייתן מענה לכך. אם, בדוגמא אחרת, ברצוננו להדגים את השפעת מגדל מגורים שעתיד להבנות על סביבתו, אין צורך לכלול במודל זה של המגדל את החלוקה הפנימית של כל קומה לדירות וחדרים. כך גם באשר לשאלות המחקריות שהמודל אמור להתייחס אליהן ולענות עליהן: הן צריכות להיות מוגדרות היטב והן גם מצומצמות לרוב.
הנחות המודל: בכל מודל יש הנחות גלויות או סמויות המתבססות על עובדות מוכחות או קירוב סביר שלהן (לדוגמא ההנחה שלחדר השמאלי של הלב צורת כדור או אליפסואיד, אף שאנו יודעים שאין זה כך במדויק אלא בקירוב). מטרת ההנחות היא לאפשר לייצג את המודל על ידי משואות מתמטיות ברות-פתרון ולהפכו לכלי יעיל.
המודלים במדע הם רבים ומגוונים כאשר לכל תחום מדעי יש מודלים בעלי אפיונים וסיווגים משלו.
כדי לקצר את היריעה אנו נתמקד להלן במודלים בפיזיולוגיה וברפואה. כדי להדגים את מהות המודלים האלו ראוי אולי לסווגם בדרך האבולוציונית או ההיררכית הבאה:
1) מודלים של פרספציה: למודלים של פרספציה, דהיינו "המחשה" "תובנה" או "תפיסה" של התופעה, בדפוסי חשיבה מוכרים, יש חשיבות רבה במדע, גם אם הם מפתיעים לעיתים בפשטותם (וגורמים לעיתים לתגובה: "איך לא חשבנו על זה קודם"). דוגמה טובה לכך היא התפיסה הבסיסית על מהות פעולתו של השריר, בין אם זה שריר שלד הפועל בגפיים ומאפשר לנו תנועתיות והפעלת כוח או בין אם זה שריר הלב. אנו יודעים שהשריר בהתכווצותו מסוגל להפעיל כוח ו/או התקצרות, אך איך נתאר בצורה קונקרטית את פעולתו בכלל ואת הדואליות שביצירת כוח והתקצרות בפרט? נתבונן למשל במודל הנודע של התכווצות השריר שהגה בשנת 1938 המדען האנגלי הדגול וחתן פרס נובל A.V. Hill. במודל זה השריר מתואר ע"י שני רכיבים: האחד רכיב התכווצותי, מן גנרטור שעם קבלת הגירוי החשמלי "יוצר כוח והתקצרות" והשני, המחובר אליו בטור, הוא רכיב אלסטי, דמוי קפיץ. מטרת מודל זה היא לתאר את תהליך יצירת הכוח בהתכווצות. למרות פשטותו ותחום הגדרת מטרתו המצומצמת, קידם מודל זה בזמנו את המחקר להבנת פעולת השריר במידה משמעותית. גדולת המודל היא בכך, שבפעם הראשונה, הוא הציע תפיסה כיצד פועל השריר. למרות פשטותו המופלגת, ואולי בגינה, מודל זה משמש עד היום כבסיס להבנת פעולת השריר וכאבן יסוד למודלים מתקדמים יותר. מודל זה מבטא ומדגים את הרעיון שאנו מבינים את העולם, על תופעותיו, באמצעות מודלים (של פרספציה) או סכמות. לפי השקפה זו המוח האנושי הנו, כאמור,יוצר מודלים וירטואוזי. ברם, לעיתים יש כנראה צורך בעיבוד מקדים (יצירת מודל מוכר כמו זה של היל עם אלמנטים מוחשיים כמו גנרטור וקפיץ) כדי ש"הכניסה" למוח תהיה חלקה ופשוטה יותר.
2) מודלים להבנת "מנגנון ההפעלה" של תופעה. לאחר שיש לנו פרספציה של תופעה יש צורך במודלים מפורטים יותר שיציעו מנגנונים קונקרטיים להסברת דרך פעולה אפשרית של תופעות עלומות, המצויות במה שקרוי "קופסאות שחורות". "הקופסה השחורה" מתאפיינת בכך שאנו יכולים להזין אותה ב"כניסות" (inputs) ולקבל את תגובותיה(outputs) ל"כניסות" אלה, אך אין לנו גישה לנעשה בקופסה עצמה, פנימה. יש להדגיש שניתן לתאר תופעה אחת ע"י מודלים שונים. המודל מתבסס על הידע הניסויי הקיים ומשלים אותו בהנחות נחוצות. בדוגמת שריר הלב, למשל, נדרש מודל שיתאר את מנגנון יצירת הכוח ("התגובה") המשתנה בתלות בקצב הלב או כתוצאה מאי סדירות בפעולת הלב ("הכניסות").
3) מודלים הכוללים סימולציות : אלה לרוב מודלים מתמטיים מפורטים ומקיפים יותר המתבססים, לרוב אך לא בהכרח, על המודלים שתוארו למעלה. מודלים של חיזוי מזג אוויר, שאת תוצאותיהן אנו רואים על מסכי הטלוויזיה, הן דוגמא למודלים מתמטיים מרובי משואות, פרמטרים ומשתנים עם תוכנת סימולציה מורכבת הדורשת כוח מחשוב רב. אם נחזור לדוגמת השריר, גם כאן מודלים עם סימולציות יכולים לבוא לידי ביטוי בדרכים מגוונות. למשל, במודלים של הליכה הסימולציה תספק את תיאור התנועתיות, המאמצים, הלחצים והכוחות בכף הרגל או באזורים אחרים ברגל, הכול לפי מטרת המודל. בתחום שריר הלב אפשרית סימולציה של פעולת החדר השמאלי, למשל, בהתבסס על הכוחות שמפעיל שריר הלב על נפח הדם המצוי בחלל החדר, תיאור הלחץ המתפתח בחדר והתפתחות הלחץ והזרימה בעורקים לאחר פתיחת המסתם האאורטלי, בתלות בכושר התכווצות שריר הלב, קצב הלב, הלחץ באאורטה לפני פתיחת המסתם וכו'. סימולציה מעין זו יכולה לסייע בין השאר בבדיקת השפעתן של תרופות או בבניית מסתמים מלאכותיים ע"י בחינת פרופילי הזרימה שהם יוצרים. לעיתים במודלים מסוג זה חשיבות הסימולציה היא בבדיקת התנהגות מערכות כאלה בתחום רחב ובמיוחד במצבי קצה: לדוגמא תפוקת הלב בקצבים נמוכים או גבוהים מאוד (בדוגמא מתחום אחר: מציאת גבול הסיבולת של גשר לעומסים חריגים). האפשרות לבדוק את התנהגות המודל בתלות של משתנים רבים בתחום רחב עשויה, בתכנון נכון ובשום שכל, לחסוך משאבים יקרים או גם לצמצם בדיקות אנושיות או ניסויים בבעלי חיים.
לסיכום: הדרך המקובלת של יצירת מודל היא לאפיין אותו ע"י הגדרת מטרתו ולהניח הנחות (מפשטות לרוב) ואז, בהתאם לסוג המודל, לבנות גם משוואות מתמטיות ותוכנת סימולציה ממוחשבת, שתוצאתה תלויה הן בערכי הפרמטרים המוזנים והן בטווח ערכי המשתנים. תוכנה ממוחשבת מסוג זה מאפשרת לחוקר ולעמיתיו לצפות בהתנהגות המערכת ובעיקר לבחון את תגובתה כתוצאה משינוי ערכי הפרמטרים ובדרך זו לעמוד, בדרך קלה וזולה יחסית, על מהות התופעה או התהליך הנבחנים ורגישותה לשינויים בפרמטרים שונים. אמינות ויעילות המודל נבחנים לרוב הן ביכולתו להסביר תופעות שנצפו בעבר והן ביכולת הניבוי שלו לגבי תופעות בעתיד. השימוש במודלים קידם את המדע ואת הרפואה במידה שלא תשוער למרות ששום חולה לא נרפא עדיין כתוצאה מבליעת "מודלים" לארוחת הבוקר.
ד"ר דוד אדלר שימש עד לאחרונה כמנהל האגף למכשור, הנדסה רפואית ותקשורת במרכז הרפואי "הדסה" בי-ם ותחום עיסוקו המחקרי הנו "תפקידם של מודלים" בכלל ו"מודלים במערכת הקרדיו-וסקולרית" בפרט.