Биофизика на уроках физики
Уже на первых уроках физики мои учащиеся узнают о том, что все естественные науки используют законы физики. На последующих уроках я показываю детям ее связь с жизнедеятельностью человека, растений, птиц, рыб и т.д..
Например, при изучении темы «Масса тела. Плотность» и при составлении задач на определение плотности вещества я использую справочник по физике и технике А.С.Еноховича. Приведу несколько задач этого типа:
1.Определить массу березовой древесины, если ее объем 5 метров кубических.
2. Какова масса льняного масла, занимавшего объем 5 литров.
3. Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.
4. Определить плотность бальзового дерева, если его масса 50 тонн, а объем 500 метров кубических.
При изучении темы «Сила тяжести» можно провести тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита – 70000кг, слона – 4000 кг, носорога – 2000 кг, быка – 1200 кг, медведя – 400 кг, свиньи – 200 кг, человека – 70 кг, волка – 40 кг, зайца – 6 кг. Найти их вес в Ньютонах.
Можно сообщить еще интересные факты. Самый крупный из млекопитающих - это синий кит. Например, один из добытых китов достигал в длину 33 метра и весил 1500 кН, что соответствует 30 слонам и 150 быкам.
Самая крупная современная птица – африканский страус, достигающий 2,75 м в высоту, 2 м в длину.
Большой биофизический материал можно взять при изучении темы «Сила трения». Например, малое трение в суставах объясняется их гладкой поверхностью, наличием синовиальной жидкости, играющей роль своеобразной смазки. Такую же роль при проглатывании пищи играет слюна.
Среди живых организмов распространены приспособления, благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим - при движении в противоположном направлении. На этом же принципе основано движение дождевого червя.
А скорости многих рыб достигают десятков километров в час. Такую скорость они могут развивать благодаря обтекаемой форме тела, обусловливающей малое лобовое сопротивление.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Межпредметные связи на уроках физики в средней школе. Биофизика.
Методическая разработка «Межпредметные связи на уроках физики и биологии. Биофизика» наряду с теоретической частью, где даются понятия и классификация межпредметных связей, их формы и функции, с...
Биофизика (биологическая физика) - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном.
Введение
Теоретические построения и модели биофизики основаны на понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Эти понятия отражают природу основных взаимодействий и законов движения материи, что, как известно, составляет предмет физики - фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики - проникновение в самые глубокие, элементарные уровни, составляющие основу структурной организации живого.
Становление и развитие биофизики тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии , физики, химии и математики .
Современная классификация биофизики, принятая ИЮПАБ
Классификация, принятая Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961), которая отражает основные биологические объекты в области биофизических исследований, включает следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы жизнедеятельности клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. Выделяют также разделы биофизики: строение биополимеров (белки, ДНК, липиды), биомеханика, биологическая оптика, биомагнетизм, биологическая термодинамика. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующая радиация, электромагнитные поля и др.).
История проникновения начал физики и математики в биологию
Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 в.), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Итальянский физик Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 в. важное значение для понимания физико-химических процессов, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М.В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии для неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтаи Л. Гальвани по проблеме открытия последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии и сыграла важную роль в исследованиях электричества в целом.
Развитие биофизики в XIX - начале XX века
В 19 в. развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениуса, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернста . Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц , Э. Дюбуа-Реймон , Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лёба (США), В. Нернста и Р. Гербера (Германия). Всё это позволило Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действиями каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».
Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И.М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В.Ю. Чаговцем. К.А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественные закономерности, связывающие скорость процесса фотосинтеза и поглощение хлорофиллом в листьях света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 гг. Н.К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов, катионов) в жизни клетки. П.П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в их число входили С.И. Вавилов, С.В. Кравков, В.В. Шулейкин, С.В. Дерягин и др.). В 1919 им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В.И. Вернадского (« Биосфера», 1926), Э.С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д.Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н.К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д.Н. Насонова и В.Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др.
Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с достижениями в области физики и химии, с развитием и совершенствованием методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. С развитием биофизики в биологию проникли такие точные экспериментальные методы исследований как спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии и радиационной биофизики.
Основной итог начального периода развития биофизики - это вывод о принципиальной приложимости в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи. Важное общеметодологическое значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики), утверждение принципов химической кинетики как основы динамического поведения биологических систем, концепция открытых систем и второго закона термодинамики в биологических системах, наконец, вывод об отсутствии каких-либо особых «живых» форм энергии. Все это во многом повлияло не развитие биологии, наряду с успехами биохимии и успехами в изучении структуры биополимеров, способствовало формированию ведущего современного направления биологической науки - физико-химической биологии , в котором биофизика занимает важное место.
Основные направления исследований и достижения современной биофизики
В современной биофизике можно выделить 2 основных направления, составляющих предмет биофизики, - теоретическая биофизика решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, рассматривает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, механизмы трансформации в них энергии; и биофизика конкретных биологических процессов (биофизика клетки ), анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция развития биофизики связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого.
На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные, прежде всего, с бурным развитием теоретических разделов биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. Именно в этих областях, занимающихся закономерностями динамического поведения биологических систем и механизмами молекулярных взаимодействий в биоструктурах, получены общие результаты, на основании которых в биофизике сформировалась собственная теоретическая база. Теоретические модели, разрабатываемые в таких разделах как кинетика, термодинамика, теория регуляции биологических систем, строение биополимеров и их электронные конформационные свойства, составляют в биофизике основу для анализа конкретных биологических процессов. Создание таких моделей необходимо для выявления общих принципов фундаментальных биологически значимых взаимодействий на молекулярном и клеточном уровне, раскрытия их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработки на основе этого исходных обобщенных понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям.
Важнейшей особенностью является то, что построение моделей в биофизике требует такой модификации идей смежных точных наук, которая равносильна выработке новых понятий в этих науках в применении к анализу биологических процессов. Биологические системы сами являются источником информации, которая стимулирует развитие некоторых областей физики, химии и математики.
В области биофизики сложных систем использование принципов химической кинетики для анализа метаболических процессов открыло широкие возможности их математического моделирования с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. На этом этапе было получено много важных результатов, в основном в области моделирования физиолого-биохимических процессов, динамики роста клеток и численности популяций в экологических системах. Принципиальное значение в развитии математического моделирования сложных биологических процессов имел отказ от идеи обязательного нахождения точных аналитических решений соответствующих уравнений и использование качественных методов анализа дифференциальных уравнений, которые позволяют раскрыть общие динамические особенности биологических систем. К числу этих особенностей относятся свойства стационарных состояний, их число, устойчивость, возможность переключения из одного режима в другой, наличие автоколебательных режимов, хаотизация динамических режимов.
На этой основе были развиты представления об иерархии времен и «минимальных» и адекватных моделях, достаточно полно отражающих основные свойства объекта. Был также развит параметрический анализ динамического поведения систем, в том числе анализ базовых моделей, отражающих те или иные стороны самоорганизации биологических систем во времени и пространстве. Кроме того, все большее значение приобретает использование вероятностных моделей, которые отражают влияние стохастических факторов на детерминистсткие процессы в биологических системах. Бифуркационная зависимость динамического поведения системы от критических значений параметров отражает возникновение в системе динамической информации, которая реализуется при смене режима функционирования.
К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток, как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Пригожин ); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях. Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах.
В целом развитие единого молекулярно-кинетического описания является актуальной проблемой биофизики, которая требует разработки исходных базовых понятий. Так, в области термодинамики необратимых процессов понятие химического потенциала, зависящего от общей концентрации какого-либо компонента, и, строго говоря, понятие энтропии уже несправедливы для гетерогенных систем, далеких от равновесия. В активных макромолекулярных комплексах внутримолекулярные превращения в первую очередь зависят от характера их организации, а не от суммарной концентрации отдельных составляющих компонентов. Это требует разработки новых критериев устойчивости и направленности необратимых процессов в гетерогенных неравновесных системах.
В молекулярной биофизике изучение конкретных биологических процессов основано на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки, внутримолекулярной подвижности и т.д. Большое значение в биофизике имеет использование современных экспериментальных методов и прежде всего радиоспектроскопии (ЯМР , ЭПР ), спектрофотометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии, различных электрометрических методов, в том числе с использованием микроэлектродной техники. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. В настоящее время установлена структура около 1000 белков. Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. Возможности направленного синтеза биологически активных веществ, в том числе лекарственных препаратов, базируются также на фундаментальных исследованиях связи молекулярной подвижности и биологической активности таких молекул.
В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях - ЭКВ (М.В. Волькенштейн ), стохастических свойствах белка (О.Б. Птицын ) составляют основу понимания принципов функционирования биомакромолекул. Специфика биологических закономерностей, полностью раскрывающихся на высших уровнях организации развитой биологической системы, тем не менее, проявляется уже на низших молекулярных уровнях живого. Трансформация энергии и появление продуктов реакции в комплексах достигается в результате внутримолекулярных взаимодействий отдельных частей макромолекулы. Отсюда логически вытекают представления о своеобразии макромолекулы как физического объекта, сочетающего в себе взаимодействия по статистическим и механическим степеням свободы. Именно представления о макромолекулах, прежде всего белковых, как своего рода молекулярных машинах (Л.А. Блюменфельд , Д.С. Чернавский ) позволяют объяснить трансформацию различных видов энергии в результате взаимодействия в пределах одной макромолекулы. Плодотворность биофизического метода анализа и построения обобщенных моделей физического взаимодействия сказывается в том, что принцип ЭКВ позволяет с единых общенаучных позиций рассматривать функционирование молекулярных машин, казалось бы, далеких друг от друга по своей биологической роли - например, молекулярных комплексов, участвующих в первичных процессах фотосинтеза и зрения, фермент-субстратных комплексов ферментативных реакций, молекулярных механизмов работы АТФ-синтетазы, а также переноса ионов через биологические мембраны.
Биофизика изучает свойства биологических мембран , их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, их устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, их проницаемость для неэлектролитов и для различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии в биоструктурах (см. ст. Биоэнергетика ), где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации, а также в развитии ряда других патологических процессов (Н.М. Эмануэль , Б.Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергии, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает «квантовая» биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез , зрение , воздействие на кожные покровы и т.д.), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты ) на биологические объекты. Еще в 40-х гг. 20 в. А.Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов . А.А. Красновский показал способность возбужденного светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза . Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике соответствующих фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в диапазоне от 50-100 фемтосекунд до 10 -12 -10 -6 с и более.
Идеи и методы биофизики не только находят широкое применение при изучении биологических процессов на макромолекулярном и клеточном уровнях, но и распространяются, особенно в последние годы, на популяционный и экосистемный уровни организации живой природы.
Достижения в биофизике в большой степени используются в медицине и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, люминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). анализирует молекулярные механизмы действия абиотических факторов (температура, свет электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на биологические структуры, жизнеспособность и устойчивость организмов. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс методов для оценки состояния экосистем. В этой области одной из важнейших задач становится оценка токсичности принципиально новых материалов - наноматериалов, а также механизмов их взаимодействия с биологическими системами.
В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и ВУЗов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1962 был организован Институт биологической физики АН СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки РАН (директор - чл.-корр. РАН Е.Е.Фесенко) и Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН (директор - чл.-корр. РАН Г.Р. Иваницкий . Биофизика активно развивается в Институте биофизики МЗ РФ , Институте молекулярной биологии РАН и Институте белка РАН , Институте биофизики СО РАН (директор - чл.-корр. РАН Дегермеджи А.Г. ), в университетах Москвы. С.-Петербурга и Воронежа, в , в и др.
Развитие биофизического образования в России
Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики на биолого-почвенном факультете МГУ была организована в 1953 г. (Б. Н. Тарусов), а в 1959 была открыта кафедра биофизики на физическом факультете МГУ (Л.А. Блюменфельд). Обе эти кафедры являются не только образовательными центрами, готовящими квалифицированных специалистов-биофизиков, но и крупными научно-исследовательскими центрами. Кафедры биофизики затем были организованы в ряде других ВУЗов страны, в том числе в Государственном университете «Московский физико-технический институт» , в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» , а также в ведущих медицинских университетах. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах во многих странах мира. Международные конгрессы по биофизике проводятся регулярно каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы.
Среди периодических изданий, в которых публикуются статьи по биофизике: «Биофизика» (М., 1956 —); «Молекулярная биология» (М., 1967 —); «Радиобиология» (М., 1961 — в настоящее время «Радиационная биология. Радиоэкология»); «Биологические мембраны» (М., 19 —) .«Advances in Biological and Medical Physics» (N.Y., 1948 —); «Biochimica et Biophysica Acta» (N.Y. - Amst., 1947 —); «Biophysical Journal» (N.Y., I960 —); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939 —); «Journal of Cell Biology» (N.Y., 1962 — . В 1955 — 1961 «Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»); «Journal of Molecular Biology» (N.Y. - L., 1959 —); «Journal of Ultrastructure Research» (N.Y. - L., 1957 —)» «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950 —) ; European Journal of biophysics (); Jurnal of Theoretical biology (1961).
Рекомендуемая литература
Блюменфельд Л.А . Проблемы биологической физики. М., 1977
Волькенштейн М.В. Биофизика. М., 1981
М. Джаксон . Молекулярная и клеточная биофизика. М., «Мир». 2009
Николис Г., Пригожин И . Самоорганизация в неравновесных структурах. пер. с англ. М., 1979;
Рубин А.Б. Биофизика. Т. I. М., 2004. Т. 2. М., 2004 (изд. 3-е)
А.В., Птицын О.Б. Физика белка. М., 2002.
Что такое биофизика
Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях человек опирается на науку и технику. Громадные радиотелескопы услышали "голос" далеких галактик, прочные батискафы помогли открыть на дне океана новый мир с невиданными животными, мощные ракеты вышли из сферы земного притяжения и открыли дорогу в космос...
Есть в окружающей нас природе еще одна "крепость". Это сама жизнь. Да,
жизнь, живой организм, живая клетка - невидимый глазом комочек
протоплазмы (или цитоплазмы) с ядром, заключенный в оболочку,- одно из
самых загадочных явлений в мире. И эта "крепость" должна сдаться, мощное
оружие - ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых
клеток, проникая в самую сущность жизни.
Изучение человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким
неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки
старых наук. Например, физика - одна из наиболее важных наук о природных
явлениях - развилась так широко, что возникла потребность выделить
новые, самостоятельные области - квантовую физику, ядерную, физику
твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Процесс расширения и
углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и таких
разделов наук, которые изучают процессы и явления, относящиеся
одновременно к различным областям знания.
Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии,
является биофизика, играющая особую роль в изучении свойств живой
материи.
Биофизика - это наука о физических и физико-химических процессах и их
регулировании в живом организме.
От биофизики в свою очередь отпочковываются новые науки, расширяющие
горизонты человеческих знаний. Так выделилась радиобиология - наука о
действии различных видов радиации на живые организмы; космическая
биология - наука, изучающая особенности жизни в космосе; механохимия,
исследующая взаимное превращение химической и механической энергии,
происходящее в мышечных волокнах; совсем недавно возникла бионика,
изучающая живые организмы с целью использовать принципы их работы для
создания новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов.
Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы
слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных
направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах -
молекулярной биофизике, клеточной и биофизике процессов управления.
Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей -
теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом,
взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия.
Теоретическая биофизика изучает первичные явления и процессы,
происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят
ученые, веществах, т. е. на выделенных из живого организма или
искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают
основные процессы фотосинтеза, природу биопотенциалов, биолюминесценцию
и другие явления.
Экспериментальная же (прикладная) биофизика изучает работу организма в
целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической
биофизики (биофизика движения, зрения, регулирования физиологических
функций).
Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется
молекулярной биофизикой. Этот отдел изучает свойства биологических
молекул, физико-химические процессы, происходящие в чувствительных
клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание
уделяется при этом изучению свойств ферментов - белков, обладающих
свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых
организмах.
Благодаря успехам молекулярной биофизики люди узнали много нового о том,
как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит
передвижение молекул и ионов, как идет синтез белков, как запасается
энергия в живых клетках. Молекулярная биофизика помогает в изучении
фотосинтеза.
Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие
удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или
черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное
количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые
листья, улавливающие ее, создающие с ее помощью органическое вещество и
тем самым дающие жизнь всему живому на Земле.
Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в
клетках листа, - хлоропластах, содержащих растительные пигменты -
хлорофилл и каротиноиды.
Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят
фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а
затем и протон используется для восстановления углекислого газа до
углеводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода;
этот атом по частям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и
присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же
воды (его называют гидроксилом) разлагается особыми ферментами, образуя
кислород, которым дышит все живое.
Мы рассказали очень сжато о фотосинтезе. На самом деле превращение
световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в химическую энергию веществ,
синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконечную цепь
молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с
одних молекул на другие, образуются и распадаются молекулы соединений,
обладающие большой энергией, происходят сотни тысяч реакций.
Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и
выяснению его деталей мы обязаны молекулярной биофизике.
Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над
тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист - это как бы
миниатюрный "завод", вырабатывающий вещества, составляющие основу
питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения
потребляют в год громадные количества углекислого газа - 150 000 000 000
г! Если ученые разгадают до конца великую тайну зеленого листа,
человечество получит самый быстрый и самый экономичный способ получения
питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня
дают человеку зеленые растения.
Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают
в животных организмах, например в их органах чувств.
Одна из таких удивительных и необычайных страниц молекулярной биофизики
- изучение запаха. Химики создали около 1 млн. органических соединений,
и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может различать
несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно
исключительно малых количеств, чтобы их ощутить, - всего миллионные и
миллиардные доли миллиграмма на литр воды (например, таких веществ, как
скатол, тринитробутилтолуол, [достаточною-7-Ю-9 мг/л).
Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например,
различают около полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно
собаки-ищейки) чувствовать нужный запах, даже если он ничтожно слаб.
Стоит человеку только чуть-чуть прикоснуться к предмету - и собака уже
может определить, кто это сделал. Известны случаи, когда натренированные
собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под
землей на глубине 2-3 м.
Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы
ощущают пахучее вещество при его неизмеримо малом содержании-10" мг/л.
Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. м3 воды!
Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких
километров. Расчеты показывают, что в таком случае бабочки обнаруживают
чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 мг
воздуха. Как это происходит, остается пока загадкой. Некоторые ученые
предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные
волны, энергия которых воспринимается чувствительными клетками насекомых
и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях.
Недавно внимание биофизиков привлекла необычная способность некоторых
видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапками какого-либо вещества,
мгновенно производит точный химический анализ. Механизм этого явления
неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках
определяют "вкус" вещества электромагнитным путем!
Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различия в
чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных,
рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас
установлено, что имеется несколько основных (6-7) запахов, сочетаниями
которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам
соответствуют определенные типы обонятельных клеток, воспринимающих
запах. В клетках есть молекулярные по размерам углубления строго
определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих
веществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса - диска и
т. д.). Попадая в "свое" углубление, молекула раздражает нервные
окончания и создает ощущение запаха.
Даже из краткого рассказа видно, что существует тесная связь между
изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е.
между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает
молекулярные изменения, свойства биологических молекул, а также те
системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят,
субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая
исследует свойства и функционирование клеток - выделительных,
сократительных, обонятельных и др.
Развитию биофизики клетки, о которой мы сейчас расскажем, во многом
способствовало изобретение электронного микроскопа. Применение
электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз
намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о
их внутреннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом
сразу открылся новый мир ультрамикроскопических (самых мельчайших)
клеточных структур. Электронные микроскопы позволили увидеть различной
толщины мембраны, мельчайшие трубочки, в сотни тысяч раз тоньше
человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, канальцы.
Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры -
митохондрии, хлоропласты - тоже имеют довольно сложное строение. Стало
ясно, что любая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром,
представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших
клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в
строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно.
Особенно поразило исследователей многообразие структурных элементов.
Например, в нервной клетке находится до 70 тыс. частиц - митохондрий,
благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей
деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотни тысяч самых мелких
частиц - рибосом, создающих белковые молекулы.
Самое удивительное то, что в любой маленькой клеточке живого организма
происходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых
веществ и выделение ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим
клетки выполняют специальные функции: клетки сетчатки глаза определяют
силу и качество света, клетки слизистой оболочки носа определяют запах
веществ, клетки различных желез выделяют особые вещества - ферменты,
способствующие пищеварению, и гормоны, помогающие росту и развитию
организма.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки
сообщают нервными электрическими импульсами в головной мозг - главный
координирующий центр. Как клетки получают необходимые сведения из
окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических
сигналах-импульсах, как образуются биологические потенциалы в клетках,
какова связь с головным мозгом - все эти и многие другие вопросы изучает
биофизика клетки.
Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно
известно, что многие живые организмы обладают способностью к свечению -
люминесценцией. Сильно свечение многих обитателей морей - рыб, губок,
звезд и т. д. Но оказывается, клетки любых организмов обладают
люминесценцией - так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь
ничтожен, что обнаружить его могут лишь особые приборы - фотоэлектронные
умножители, способные в миллионы раз усиливать падающий световой поток.
Сверхслабое свечение наблюдается в корешках и листьях растений, в
клетках различных органов животных. Сверхслабое свечение присуще всем
клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических
реакций, протекающих в клетках.
Ученые выяснили, что сверхслабое свечение имеет свои особенности у
различных групп животных, насекомых и растений. По интенсивности
сверхслабого свечения биофизики уже сейчас могут определить засухо- и
морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем
самым помочь селекционерам и физиологам растений в выведении нужных
сортов.
Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них
реакции, несмотря на их сложность, протекают с удивительной
правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с
головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма
изучает возникший совсем недавно отдел науки - биофизика процессов
управления и регуляции.
Расскажем о работе этого отдела на следующем примере. Каждый орган
человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих
специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая
оболочка носа - так называемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка
занимает площадь не более 4 с но содержит чуть ли не 500 млн.
обонятельных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в
обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн.,
и далее в мозг. Отделы мозга - полушария головного мозга - содержат 2
1010 клеток, а в мозжечке их еще больше-10й. Даже] трудно себе
представить, какой поток информации получает мозг каждую секунду от
всех органов и тканей.
Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов,
должны быть правильно расшифрованы, затем необходимо принять
соответствующие "решения" и передать ответные сигналы - указания о
том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы в целом в
определенных условиях. Ясно, что в центральную нервную систему
поступают тысячи разнообразных сигналов из внешней среды в виде звуков,
света, запахов и пр. Таким образом, | мы видим, насколько сложны
взаимосвязи в любом организме, как сложна работа по управлению клетками,
регулированию их состояния, контролю за согласованностью всех
жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на законы, открытые другой наукой
- кибернетикой. Пользуясь ее методами, биофизики, изучающие процессы
управления и регулирования, разработали электронные модели живых
организмов, органов, клеток и даже отдельных процессов, происходящих в
этих клетках. Такие электронные модели (например, электронная черепаха,
электронная нервная клетка, электронная модель процесса фотосинтеза)
облегчают изучение всех | сложных явлений регуляции в живом организме.
Биофизики, изучающие регуляцию и управление в живом организме, выяснили,
что как клетки, так и органы живых организмов представляют собой
систему, обладающую удивительным свойством. Клетки и органы, как говорят
биофизики,- это САМО-регулирующиеся, САМОорганизующиеся,
САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы, т. е. вся их работа,
необычные качества и свойства, характеризующие их, постоянство состава
среды внутри них и выполняемой ими работы - все обусловлено процессами,
протекающими в них самих.
Чтобы немного подробнее представить себе работу биофизиков, расскажем об
одном интересном направлении, возникшем на основе биофизики и уже
оформившемся в самостоятельную биофизическую науку - бионику.
Это наука, которая изучает живые организмы для создания совершенных
искусственных систем, машин и приборов. Результаты исследований биоников
показали, что инженерам-конструкторам всех специальностей есть чему
поучиться у природы. Вот несколько примеров.
В конструкцию современных электронных вычислительных машин входит
большое количество различных деталей (полупроводниковые диоды, триоды,
сопротивления, конденсаторы и т. д.). Размеры электронных вычислительных
машин зависят от того, сколько таких деталей (элементов) находится в 1
см3 машины. Чем больше рабочих элементов в 1 см3 (так называемая
плотность монтажа), тем более емка "память" машины, больше возможностей
проводить нужные операции, лучше работа. Оказывается, что если наивысшая
плотность монтажа в технических схемах машин достигает 2000 элементов в
1 слг3, то плотность монтажа элементов мозга в 50 тыс. раз больше: 100
ООО ООО элементов в 1 см3.
Отличие живых организмов от самых сложных современных машин и приборов
проявляется не только в строении, но и в свойствах. Возьмем, к примеру,
органы зрения. Глаза у животных не только разной величины - от
микроскопически малых у муравья (0,1 мм) до гигантских (20-30 см) у
кальмаров, - но отличаются и другими свойствами.
Оказывается, глаз рыбы-мечехйоста способен усиливать контраст между
краем видимого изображения и общим фоном, так что предмет становится
резко очерченным - подобно тому как это делают на экране телевизора,
усиливая или ослабляя контраст. Интересным свойством обладает также глаз
обыкновенной болотной лягушки. Известно, что лягушка питается только
движущейся пищей - мухами, мошками, жучками. Но если насекомое не
движется, лягушка никогда не найдет свою пищу и останется голодной: ее
глаз воспринимает лишь движущиеся предметы, оставляя без внимания фон.
Давно было известно, что ночные лесные птицы (филин, сова) отлично видят
в темноте, но совсем недавно выяснилась необычайная способность
некоторых животных (лягушки, мыши) видеть даже "невидимые" ионизирующие
лучи - рентгеновскую и космическую радиацию.
Природа оказалась исключительным конструктором, достигшим необычайных
высот мастерства и в области слуха. Опыты показали, что человеческое ухо
по своей чувствительности способно воспринимать звуки, ничтожно малую
интенсивность которых даже трудно себе представить. Ее можно сравнить
разве что с "шумом", с которым происходит тепловое движение молекул! Не
менее поразителен слуховой орган кузнечика, расположенный у него на
ножке. Этот орган позволяет кузнечику чувствовать колебания, размах
которых (амплитуда) составляет половину диаметра атома водорода!
Чувствительность слуха кузнечика настолько высока, что, находясь в
Москве, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие в
районе Дальнего Востока.
Бионика стремится познать все необычные свойства живых организмов и
применить полученные данные для создания машин и приборов. Например,
ученые разрабатывают прибор, который даст возможность слепым читать
книги, набранные обычным типографским шрифтом. Уже создана модель
искусственной руки, управляемой мыслью человека, точнее говоря,
биопотенциалами, возникающими в мышцах. На основе изучения глаз пчелы и
стрекозы (у них, кстати, очень большой угол зрения - 240-300°)
конструкторы создали прибор - небесный компас, используемый при движении
судов, самолетов. Изучение медузы помогло сконструировать прибор,
предупреждающий о наступлении шторма почти за 15 часов. Список приборов,
разработанных биониками, весьма большой, и даже простое их перечисление
заняло бы много времени.
Но бионики не только копируют функции и строение отдельных органов
животных. Они исследуют и используют особенности передачи информации у
насекомых, птиц, рыб. Результаты этих работ очень интересны. Так,
недавно стало известно, что комары поддерживают между собой связь с
помощью электромагнитных волн миллиметрового диапазона (13-17 мм),
причем дальность действия комариной "радиостанции" - 15 м\ Записаны
звуки, издаваемые комарами при "испуге", "страшной опасности" (например,
при появлении летучей мыши). Ученые работают над созданием
ультразвуковых аппаратов, отпугивающих вредных насекомых и привлекающих
полезных. (О бионике также см. ст. "Что такое техническая кибернетика и
бионика".)
Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше как в области изучения молекул, клеток, так и организма в целом. Наш век - это время великих свершений во всех областях знания, в том числе в познании живой природы.
А.П. Дубов
Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
Биофизика (БФ), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.
Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов. Возникновение БФ -это прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. БФ – с лекции – это физическая химия; это химическая физика биолог. систем. Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте.
Живые огранизмы
Точки зрения: 1) эволюционисты (редукционисты): все био проц. можно свести к законам физики и химии; 2) антиэволюц. (антиредукционт.): нельзя свести.
Физ. методы достаточно грубые и ведут к разрушению биосист. (напр: воздействие током) => необходимо проникновение ч/з химию.
Методы: 1) Микроэлектронный. Для изуч. биоэлектр-ого потенциала. Принцип: отбир. объект (аксон кальмара). 2) Метод моделирования био мембран. Исп. искусственные мембраны: а) липосомы, б) бислойные био мембраны, в) протеолипосома. Изуч. процесс транспорта и св-ва биомембран. 3) оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.
Задачи БФ (проблемы) :
1. изучение вопросов связанных с возникнов., обменом, передачей Е в живых сист.
2. исслед. роли микроскопич. единиц, физ.-хим. структур в функционировании биосистем.
3. возн. и проведение нервн. импульсов.
5. действие ионизирующего излучения (на м-лы, органы, организмы).
7. проблема проницаемости кл. и тканей.
8. изуч. биолог. мембран: характер молек. мембран; возникнов. потенциала.
9. изуч. высокомол-ных соединений с т.зр. физики.
10. изуч. м-мов хранения и передачи насл. инфо.
11. автономность.
Разделы биофизики :
1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул.
2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем.
3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем.
История: 1892- начали смотреть на био. с т.зр физики. Прорыв в конце 30х гг – первый институт БФ в СССР (лучистая Е и биосист., возникн. и провед. импульсов, биоэлектричество). 1953 – кафедра БФ в МГУ. 1974 – кафедра БФ в БГУ.
Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.
Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.
Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте; мышечное сокращение объяснялось работой пьезо элементов; рост клетки. Первоначально физика проникла в химию - необходимость объяснить как разл. соединения взаимод-ют в организме - физическая химия и химическая физика.
Сущ 2 лагеря современ. физики:
1) Редукционисты: Любой био процесс происх. в жив организме можно свести к суме хим., физ. и механич. процессов. Объяснение сложного ч/з более простое, непонятное ч/з известное. Зная св-ва отдельных элементов, сост. систему и особенности их взаимод-вия, можно вывести все свойства этой системы. Обр. более сложного уровня - это результат усложнения более простых. Иногда: попытки заменить исследование реального объекта его упрощенной моделью. Достижение: предсказание существования планеты Нептун. Но как метод мышления не является универсальным. Неудача в биологии: не могут объяснить с этой т.зр. феномен жизни.
2) Антиредукционисты: Принцип качественной несводимости или био антиред., т.е. невозможность свести законы и принципы, управляющие живой материей к элементарной сумме физико-хим и мех. процессов процесс жизнедеятельности. Т.е. физико-матем. модели не м.б. адекватными, если в них не сод-ся элементы функциональной организации живых систем. Т.е. существует предел, после которого физические представления перестают быть самодостаточным средством познания, а дальше определяющим фактором становятся некоторые био истины, без которых уже не обойтись.
Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.
Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов.
Разделы биофизики : (и уровни такие же… наверно))))
1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул, биополимеров и надмол-ных систем.
2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем. БФ мембранных процессов – св-ва био мембран и их частей; БФ фотобиол. процессов - воздействия внешних источников света на живые системы; радиационная БФ: влияния ионизирующего излучения на организм.
3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем - преобразования Е в живых структурах.
Современная БФ стремительно развивается, ее достижения способствуют переходу биологии на качественно более высокий молекулярный уровень исследования.
Не знаю, что сюда ещё, из Википедии, можно как направления: математическая БФ. Прикладная БФ: биоинформатика (хотя не является собственным разделом БФ, но очень тесно связана с ней); биометрия; биомеханика (функции и структура опорно-двигального аппарата и физ. движения биосистем); БФ эволюционных процессов; медицинская БФ; экологическая БФ.
Био объекты очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, кот. зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, кот. описываются законами ТД, электродинамики, квантовой и классической механики. С пом. корреляции физ. данных с биол-ми можно получить более глубокое понимание процессов в био объекте. Для получения инфо в био системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.
4. Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи. Практическое значение ТД в БФ исследованиях.
ТД – это н. о превращения Е. ТД - это н., изуч. наиболее общие закономерности превращения различных видов Е в системе.
Предмет ТД: Е; возникновение Е в живых сист.; взаимодейств. жив. сист. с окруж. средой. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют ТД параметры только в исходном и конечном состоянии.
Методы: статистический (но не даёт представление о процессе).
Направления: 1) изуч. и расчёт Е в состоянии покоя и при совершении работы. Изуч-ся и опр-ся КПД разл биол процессов. 2) изуч. динамических процессов в живых сист. (транспорт в-ва).
Значение: Позволяет оценить энергетические изменения, происх. в результате биохим. р-ций; рассчитать Е разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмот. давление по обе стороны полупрониц. мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в р-ре на растворимость макром-л. Применяется для описания процессов, происх. в электрохим. ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.
Предмет: изучение изменения баланса в системе живой организм - окружающая среда.
Выделяют 2 осн. направления использования термодинамики:
а) расчёт Е превращения в живом орг-ме и в отд системах орг и в состоянии покоя и при совершении работы. Определение КПД разл биол процессов.
б) Исследование живых организмов как отрытых т\д систем.
Термодинамика биологических процессов
1. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.
2. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле
Познание функций человека - одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит - дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача - как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов
Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.
Выделяют-
- молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
- биофизика клеток - изучение структуры клеток и физико-химические проявления - проницаемость, образование биопотенциалов
- биофизика органов чувств - физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
- Биофизика сложных системы - процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
- Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света
Задачи биофизика
- Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
- Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм
Эйлер(1707-1783) - законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам
Лавуазье (1780) - изучал обмен энергии в организме
Гальвани(1786) - основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве
Гельмгольц(1821)
Рентген - пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов
Аррениус - законы классической кинетики для объяснения биологических процессов
Ломоносов - закон сохранения и превращения энергии
Сеченов - изучал транспорт газа в крови
Лазарев - основоположник отечественной биофизической школы
Полинг - открытие пространственной структуры белка
Уотсон и Крик - открытие двойной структуры ДНК
Ходжкин, Хаксли, Катц - открытие ионной природы биоэлектрических явлений
Пригожин -теория термодинамики необратимых процессов
Эйген - теория гиперциклов, как основа эволюции
Сакман, Неер - установили молекулярную структуру ионных каналов
Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.
Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне
Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов - радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки
Методы биофизических исследований
- Рентгеноструктурный анализ - исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
- Колоночная хроматография - различное распределение и анализ смесей между 2 фазами - подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом - колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
- Спектральный анализ - качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания - эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения - абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию - электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
- Изотопная индикация
- Электронная микроскопия
- Ультрафиолетовая микроскопия - исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата
Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс - регуляция и управление физиологическими функциями.
Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика - искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.
Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»
Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.
Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.
Системы - организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива - люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.
Программа - последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.
Связь - процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.
Сообщения бывают непрерывными и дискретными.
Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).
Дискретное - состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)
Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода - символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).
Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.
Сообщение и информация - это не одно и тоже, ибо по теории информации
Информация - мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.
Возможность наступления события - априорная информация .
Та вероятность события после получения информации - апостериорная информация.
Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.
Свойства информации.
- Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) - «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
- Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
- Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
- Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
- Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.
Дезинформация - отрицательное значение информации.
Мера неопределенности событий - энтропия (H)
Если log2 N=1, тогда N=2
Единица информации - бит (двойничная единица информации)
H=lg N (хартли)
1 хартли - количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит
Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции
Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.
Наиболее древний - гуморальный механизм регуляции.
Нервный механизм.
Нервно-гуморальный механизм.
Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.
Форпостный механизм (у человека) - в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.
