Glavni pravci razvoja moderne biofizike. Nivoi biofizičkih istraživanja. Predavanja o biofizici Momci da su nas pitali o mikro biofizici

UVOD

"Logika prirode je najpristupačnija i najkorisnija logika za djecu."
K. D. Uminsky

U ovom priručniku, koji predstavlja opis radnog iskustva, pokušava se sagledati glavni pravci i karakteristike povezanosti školskih predmeta fizike i biologije i navesti moguće načine i oblike jačanja te veze.
Osnovni pravci ovog rada su: upoznavanje studenata sa fizičkim metodama istraživanja i uticaja, koje se široko koriste u biologiji i medicini, sa fizikom divljih životinja, sa nekim elementima bionike.
Veliki broj biofizičkih primjera može se odabrati za gotovo sve dijelove kursa fizike (što smo i radili, vidi dodatak), ali ih je preporučljivo koristiti samo djelimično, uz tehničke primjere i primjere iz nežive prirode.
Glavni cilj privlačenja biofizičkih primjera je postizanje bolje asimilacije predmeta fizike. Biofizički materijal treba da bude direktno povezan sa nastavnim planovima i programima predmeta fizika i biologija i da odražava najperspektivnije pravce u razvoju nauke i tehnologije.
Mogu se naznačiti tri glavna pravca odabira biofizičkog materijala.
Prvi smjer ima za cilj – pokazati učenicima jedinstvo zakona prirode, primjenjivost zakona fizike na živi organizam.
Drugi pravac odgovara upoznavanju sa fizičkim metodama utjecaja i istraživanja koje se široko koriste u biologiji i medicini. Na predmetu fizike u srednjoj školi učenici se upoznaju samo sa optičkim instrumentima (lupa, mikroskop), koristeći rendgenske zrake i „označene atome“. Međutim, već u običnoj gradskoj klinici svaka osoba se suočava s velikim brojem fizičkih metoda za pregled svog tijela - mjeri se krvni tlak, bilježe biopotencijali srca itd., o kojima se u školi ne razmišlja.
Treći pravac uključuje upoznavanje učenika sa idejama i nekim rezultatima bionike. Na primjer, prilikom proučavanja vibracija, učenicima se kaže da slušni organ moljca percipira zvučne vibracije u frekvencijskom opsegu od 10 do 100 kHz i omogućava otkrivanje približavanja šišmiša (za njega je moljac omiljena hrana ) na udaljenosti od 30 m. Ova "dostignuća" divljači su veća od rezultata dobijenih u oblasti ehosondera, ultrazvučnih radara, detektora grešaka, pa čak i radara. Mnogo je takvih primjera. Međutim, treba naglasiti da bionika nema za cilj slijepo oponašanje bioloških sistema, već otkrivanje principa njihove konstrukcije.

Poglavlje I
UPOTREBA BIOFIZIČKOG MATERIJALA NA ČASU FIZIKE

Načini upoznavanja učenika sa biofizičkim materijalom suštinski se ne razlikuju od načina njihovog upoznavanja sa elementima tehnologije. Fizika je osnova tehnologije; s druge strane, fizika se široko koristi za istraživanja u biologiji i pomaže da se razumiju karakteristike strukture i života bioloških objekata.
Već na prvim časovima djeca uče da sve prirodne nauke koriste zakone fizike. Ovu ideju treba pojasniti i proširiti. Prilikom prvog upoznavanja sa predmetom - fizikom, poželjno je pokazati učenicima primjenjivost njenih zakona na život ljudi i biljaka, ptica, riba itd. Da biste to učinili, možete uporediti let ptica, insekata i aviona. , govore o lokaciji u životinjskom svijetu u polju nečujnih zvukova. Možete, na primjer, govoriti o činjenici da je proučavanje strukture tijela krtice pomoglo inženjerima da stvore mašinu za zemljoradnju, a opažanja delfina i riba pomažu u poboljšanju podmornica. Poznata su klasična zapažanja Leonarda da Vinčija o letu ptica i dizajnu njihovih krila i upotreba ovih ideja od strane savremenih inženjera u dizajnu aviona, zamajca i raketa. Važno je da se od prvih časova u svijest učenika utisne ideja da je fizika ključ za razumijevanje fenomena i nežive i žive prirode.
Prilikom izlaganja novog gradiva iz fizike najbolje je ilustrativne biofizičke informacije prezentirati samom nastavniku. To mogu biti i numerički podaci koji karakteriziraju žive organizme, i opis istraživačkih metoda koje se koriste u biologiji, i kratki podaci o medicinskoj ili biološkoj opremi.
Prezentacija novog gradiva može se izmjenjivati ​​s razgovorom, posebno u nižim razredima. Nastavnik se poziva na životno iskustvo učenika, na informacije koje su dobili tokom učenja u osnovnoj školi, na časovima botanike, geografije i drugih srodnih disciplina. Rješavanje problema iz fizike žive prirode može igrati važnu ulogu u upoznavanju sa elementima biofizike. Na primjer, koristeći tabelu sportskih rekorda za trčanje, klizanje, itd., možete pronaći prosječne brzine, vježbati pretvaranje jedinica brzine iz jednog sistema u drugi.
Prilikom ponavljanja prošlosti moguće je uključiti i biofizički materijal. Ovaj oblik rada koristili smo nakon proučavanja nekih tema, na kraju školske godine i prilikom ponavljanja pred završni ispit. Navedimo neke teme recenzijskog ponavljanja: mehanika u divljini, elektricitet i životinjski svijet, optika i život, utjecaj elektromagnetnih polja na životinje i biljne organizme.
Niz biofizičkih problema svrsishodno je predstaviti koristeći fragmente iz nekih filmova i filmskih traka, crteže, dijagrame i tabele, kao i vizuelna pomagala dostupna u učionici biologije.
Nastavnici fizike najčešće u učionici biologije mogu dobiti samo vrlo ograničen asortiman opreme (mikroskop, modeli oka, uha, odgovarajuće tabele). U međuvremenu, ovo je daleko od sve opreme koja je dostupna u učionicama biologije koja se može korisno koristiti u proučavanju fizike. Već tokom naše prve biofizičke večeri „Fizika i medicina“ koristili smo sljedeću opremu iz kabineta za biologiju: aparat za mjerenje vitalnog volumena pluća, uređaj za mjerenje krvnog pritiska, očne i ušne modele, dinamometre za mjerenje mišićne snage.
Kasnije, u praksi našeg rada, upoznajući studente sa elementima biofizike, pokušali smo da koristimo i opremu kabineta biologije u tu svrhu: „Tabele o anatomiji i fiziologiji čoveka” A. N. Kabanova, „Mnr životinje” - a. serija višebojnih tablica A. A. Yakhontov, herbarije i zbirke leptira, vretenaca, buba, kornjača itd. Također je korisno prikazati neke edukativne filmove i filmske trake o biologiji.
Ubuduće ćemo naznačiti gdje i koja vizuelna sredstva i tehnička sredstva mogu da se koriste, kao i koja vizuelna sredstva mogu sami učenici izraditi.

§ 1. Elementi biofizike u proučavanju mehanike

Kretanje i sile
Prilikom izučavanja teme „Kretanje i sile“ u VI razredu učenici se mogu upoznati sa brzinama kretanja različitih živih bića. Puž prepuzi oko 5,5 m za 1 sat Kornjača se kreće brzinom od oko 70 m/h Muva leti brzinom od 5 m/s. Prosječna brzina hoda je oko 1,5 m/s, odnosno oko 5 km/h. Pješadijska vojna jedinica može se kretati brzinom do 7 km/h. Konj se može kretati brzinom od 6 do 30 km/h i više.
Od životinja srednje trake, zec trči najbrže, njegova brzina doseže 50 - 60 km / h. Nešto inferiorniji od njega je vuk, koji može trčati brzinom do 45 km / h. ;
Mnoge ribe kreću se prosječnom brzinom od oko 4 km / h, ali neke od njih mogu postići mnogo veće brzine: na primjer, sabljarke mogu postići brzinu i do 90 km / h.
Također je zanimljivo razmotriti brojke date u tabeli brzina kretanja riba.
Ovdje je vrlo važno obratiti pažnju na procjenu brzine ribe u centimetrima u sekundi, kao i dužine tijela u sekundi. Prema ovim podacima, pastrmka se pokazuje najbržom, iako je apsolutna vrijednost njene brzine relativno mala.
Koristeći podatke o brzini različitih predstavnika životinjskog svijeta, moguće je riješiti različite vrste problema. Pogledajmo neke od njih.
Brzina kretanja pužnice je 0,9 mm/sec. Ovu brzinu izrazite u cm/min, m/h.
Sivi sokol, jureći plijen, roni brzinom od 300 km / h. Koju udaljenost prijeđe za 5 sekundi?
1 Brzina mnogih živih bića izražena je posebnom vrijednošću koja je jednaka broju dužina njihovog tijela koje se kreću u sekundi
Brzina leta goluba pismonoša 1800 m/min. Izrazite ovu vrijednost u km/h. Koliki put pređe golub za 3 sata leta? Da li je moguće prestići goluba u automobilu sa prosječnom brzinom od 60 km/h?
Poznato je da je prosječna stopa rasta hrasta oko 30 cm godišnje. Koliko je staro drvo visoko 6,3 m?
Sovjetski atletičar Vladimir Kuts istrčao je 5000 m za 815 sekundi. Odredite njegovu brzinu u km/h.

Tel težina Gustina
Prilikom upoznavanja pojma „masa tijela“ i prilikom sastavljanja zadataka za određivanje gustine tvari i zapremine koju tijelo zauzima, koristili smo se nekim dodatnim tabelarnim podacima (tablica 2).
Primjer. Odredite masu brezovog drveta ako je njegova zapremina 5 m3.
Primjer. Kolika je masa lanenog ulja koje zauzima zapreminu od 5 litara?
Primjer. Odredite zapreminu suvog bambusa ako je njegova masa 4800 kg.

Gravitacija. Tjelesna težina
Kada proučavate ovu temu, možete provesti sljedeći rad na obuci. Date su mase različitih sisara: kit - /0000 kg, slon - 4000 kg, nosorog - 2000 kg, bik - 1200 kg, medvjed - 400 kg, svinja - 200 kg, čovjek - 70 kg, vuk - 10 kg, zec - 6 kg. Pronađite njihovu težinu u njutnima.
Isti podaci se mogu koristiti za grafički prikaz sila.
Usput se mogu dobiti još neke zanimljive informacije.
Najveće životinje pripadaju klasi sisara, od kojih je plavi kit posebno upečatljiv po veličini i težini. Primjerice, jedan od uhvaćenih kitova dosegao je dužinu od 33 m i težak 1500 kn, što je odgovaralo težini 30 slonova ili 150 bikova. Najveća moderna ptica je afrički noj, koji doseže 2,75 m visine, 2 litre dužine (od vrha kljuna do kraja repa) i težine 75 kg. Najmanje ptice su kolibri. Kolibri jedne od vrsta imaju masu od oko 2 g, raspon krila 3,5 cm.
Sile trenja i otpora.

Trenje u živim organizmima
Velika količina biofizičkog materijala može se iskoristiti u postavljanju problema sila trenja. Poznato je da tekućine koje se koriste za smanjenje trenja (ulje, katran, itd.) uvijek imaju značajan viskozitet. Isto je i u živom organizmu: tekućine koje služe za smanjenje trenja su u isto vrijeme vrlo viskozne.
Krv je, na primjer, tečnost koja je viskoznija od vode. Kada se kreće kroz vaskularni sistem, doživljava otpor zbog unutrašnjeg trenja i trenja na površini krvnih sudova. Što su krvni sudovi tanji, to je veće trenje i krvni pritisak više pada.
Nisko trenje u zglobovima je zbog njihove glatke površine, njihovog podmazivanja sinovijalnom tekućinom. Pljuvačka igra ulogu podmazivanja prilikom gutanja hrane. Trenje mišića ili tetiva o kosti se smanjuje zbog oslobađanja posebne tekućine iz vrećica u kojima se nalaze. Broj takvih primjera se može nastaviti.
Značajno trenje je bitno za radne površine organa za kretanje. Neophodan uslov za kretanje je pouzdana "spojnica" između pokretnog tela i "oslonca". Hvatanje se postiže ili točkama na udovima (kandže, oštri rubovi kopita, potkovičasti šiljci), ili malim nepravilnostima, na primjer, čekinjama, ljuskama, tuberkulama itd. Za hvatanje organa potrebno je i značajno trenje. Njihov oblik je zanimljiv: to su ili kliješta, uzbudljiva
predmet sa dvije strane, ili pramenovi koji ga obavijaju (ako je moguće, nekoliko puta). Ruka kombinuje djelovanje pinceta i punu pokrivenost sa svih strana; meka koža dlana dobro prijanja uz hrapavost predmeta koje treba držati.
Mnoge biljke i životinje imaju različite organe koji služe za hvatanje (antene biljaka, slonova surla, žilavi repovi penjačica itd.). Svi imaju oblik pogodan za namotavanje i hrapavu površinu za povećanje koeficijenta trenja (slika 1).
Među živim organizmima uobičajene su adaptacije (vuna, čekinje, ljuske, šiljci smješteni koso na površinu), zbog čega je trenje malo kada se kreće u jednom smjeru, a veliko kada se kreće u suprotnom smjeru. Kretanje kišne gliste zasniva se na ovom principu. Čekinje, usmjerene unazad, slobodno prolaze tijelom crva naprijed, ali inhibiraju kretanje unatrag. Kada se tijelo izduži, dio glave se pomiče naprijed, dok repni dio ostaje na mjestu, dok se skupljajući dio glave zadržava, a repni dio se privlači prema njemu.
Promjena otpora pri kretanju u različitim smjerovima također se opaža kod mnogih vodenih ptica. Na primjer, opne za plivanje na nogama pataka ili gusaka koriste se kao vesla. Prilikom pomicanja stopala unatrag, patka grablja vodu ispravljenom membranom, a kada se kreće naprijed, patka pomiče prste - otpor se smanjuje, zbog čega se patka kreće naprijed.
Najbolji plivači su ribe i delfini. Brzina mnogih riba doseže desetine kilometara na sat, na primjer, brzina plave ajkule je oko 36 km/h. Ribe mogu razviti takvu brzinu zbog aerodinamičnog oblika tijela, konfiguracije glave, što uzrokuje mali otpor1.
1 Smanjenje otpora zbog aerodinamičnog oblika tijela ribe može se ilustrirati na punjenom smuđu, štuki; možete pokazati i tabelu "Ajkula" iz serije A. A. Yakhontova "Svijet životinja".
Interes stručnjaka privukla je sposobnost delfina da se kreću u vodi bez mnogo napora pri velikoj brzini (u blizini pramca broda 55 - 60 km / h, slobodno plivajući - 30 - 40 km / h). Uočeno je da se oko dupina u pokretu javlja samo lagano mlazno (laminarno) kretanje koje se ne pretvara u vrtlog (turbulentno).
Istraživanja su pokazala da je tajna delfinove "anti-turbulencije"
skriven u njegovoj koži. Sastoji se od dva sloja - vanjskog, izuzetno elastičnog, debljine 1,5 mm, i unutrašnjeg, gustog, debljine 4 mm.
Između ovih slojeva nalaze se izrasline ili šiljci. Ispod su gusto tkana vlakna, prostor između kojih je nekoliko centimetara ispunjen masnoćom.
Ova koža djeluje kao odličan amortizer. Osim toga, koža delfina stalno ima tanak sloj posebnog "maziva" koji proizvode posebne žlijezde. Time se smanjuje sila trenja.
Od 1960. godine proizvode se umjetni prigušni premazi, slični po svojim svojstvima „koži delfina“. I već prvi eksperimenti s torpedom i čamcem obloženim takvom kožom potvrdili su mogućnost smanjenja vodootpornosti za 40 - 60%.
Poznato je da se ribe kreću u školama. Male morske ribe hodaju u jatu, po obliku sličnom kapi, dok je otpor vode kretanju jata najmanji.
Mnoge ptice se okupljaju u lancu ili jatu tokom letova na velike udaljenosti. U potonjem slučaju, jača ptica leti naprijed, a njeno tijelo seče kroz zrak kao što kobilica broda seče kroz vodu. Ostale ptice lete na takav način da zadrže oštar ugao škole; oni instinktivno održavaju ispravan položaj u odnosu na vodeću pticu, jer odgovara minimalnim silama otpora.
planiranje leta. Klizni let se prilično često opaža i u biljnom i u životinjskom carstvu. Mnogi plodovi i sjemenke opremljeni su ili snopovima dlaka (maslačak, pamuk itd.), koji djeluju poput padobrana, ili nosećim ravninama u obliku nastavki i izbočina (četinari, javor, breza, lipa i mnoge kišobrane). Neki plodovi i sjemenke opremljeni "glajderima" prikazani su na slici 2, a.
Biljne jedrilice su na mnogo načina čak i naprednije od onih koje je napravio čovjek. Podižu mnogo veći teret u odnosu na svoju težinu, osim toga, stabilniji su.
Zanimljiva je struktura tijela leteće vjeverice, koleoptera i slepih miševa (sl. 2b). Koriste svoje membrane za velike skokove. Dakle, vjeverice leteće mogu skočiti na udaljenosti do 20 - 30 m od vrha jednog drveta do nižih grana drugog.

Pritisak tečnosti i gasova
Uloga atmosferskog pritiska u životu živih organizama.
Na ljudsko tijelo, čija je površina, mase 60 kg i visine 160 cm, približno jednaka 1,6 m2, djeluje sila od 160 hiljada n, zbog atmosferskog pritiska. Kako tijelo izdržava tako veliko opterećenje?
To se postiže činjenicom da pritisak tekućina koje ispunjavaju sudove tijela uravnotežuje vanjski pritisak.
Usko povezano s ovim pitanjem je mogućnost boravka pod vodom na velikim dubinama. Činjenica je da prijenos tijela na drugi visinski nivo uzrokuje slom njegovih funkcija. To je, s jedne strane, zbog deformacije zidova posuda, dizajniranih za određeni pritisak iznutra i izvana. Osim toga, kada se pritisak promijeni, mijenja se i brzina mnogih kemijskih reakcija, uslijed čega se mijenja i hemijska ravnoteža tijela. Sa povećanjem pritiska dolazi do povećane apsorpcije gasova telesnim tečnostima, a sa smanjenjem pritiska dolazi do oslobađanja otopljenih gasova. Uz brzo smanjenje tlaka zbog intenzivnog oslobađanja plinova, krv takoreći ključa, što dovodi do začepljenja krvnih žila, često fatalnog. Ovo određuje maksimalnu dubinu na kojoj se mogu izvoditi ronilačke operacije (u pravilu ne niža od 50 m). Spuštanje i podizanje ronioca mora biti veoma sporo, tako da do oslobađanja gasova dolazi samo u plućima, a ne odmah u celom cirkulatornom sistemu.
Zanimljivo je dalje detaljnije analizirati princip rada organa koji djeluju pod utjecajem atmosferskog tlaka.
Rad organa koji djeluju zbog atmosferskog pritiska. usisni mehanizam. Mišićni napor (kontrakcija mišića jezika, nepca i sl.) stvara negativan pritisak (razrjeđivanje) u usnoj šupljini, a atmosferski pritisak tamo potiskuje dio tekućine.
Mehanizam djelovanja raznih vrsta gumenih čašica. Odojke imaju oblik ili poluloptaste zdjele sa ljepljivim rubovima i jako razvijenim mišićima (rubovi su pritisnuti na plijen, a zatim se povećava volumen sisa; kao primjer mogu poslužiti sise pijavica i glavonožaca) ili se sastoje od red kožnih kvačila u obliku uskih džepova. Rubovi se nanose na površinu na kojoj se drže; kada pokušate da povučete usisnu čašu, dubina džepova se povećava, pritisak u njima se smanjuje, a atmosferski pritisak (za vodene životinje pritisak vode) jače pritiska vakuum na površinu. Na primjer, ljepljiva riba, ili remora, ima sisalo koje zauzima gotovo cijelu dužinu glave. Ova riba se lijepi za druge ribe, kamenje, kao i čamce i brodove. Zalijepi toliko čvrsto da ga je lakše slomiti nego otkačiti, zahvaljujući čemu može poslužiti kao svojevrsna udica za pecanje.
Na slici 3 prikazana je toljaga - kraj jednog od dva najduža pipaka lignje za hvatanje, gusto sjede s odojcima različitih veličina.
Na sličan način su raspoređeni i odojci svinjske trakavice, pomoću kojih se ova trakavica drži za zid ljudskog crijeva.
Struktura ovih sisaljki može se prikazati na vlažnom preparatu od trakavice, koji je dostupan u kabinetu za biologiju.
Hodanje po ljepljivom tlu. Utjecaj atmosferskog tlaka je vrlo primjetan pri hodanju po viskoznom tlu (usisni efekat močvare). Kada je noga podignuta, ispod nje se formira razrijeđeni prostor; višak spoljašnjeg pritiska sprečava podizanje noge. Sila pritiska na nogu odrasle osobe Sl. 3.
može dostići 1000 k. To je posebno vidljivo kod hodanja konja, čije tvrdo kopito djeluje kao klip.
Mehanizam udisanja i izdisaja. Pluća se nalaze u grudnom košu i odvojena su od njega i od dijafragme nepropusnom šupljinom koja se naziva pleuralna šupljina. S povećanjem volumena grudnog koša, volumen pleuralne šupljine se povećava, a tlak zraka u njoj opada, i obrnuto. Pošto su pluća* elastična, pritisak u njima se reguliše samo pritiskom u pleuralnoj šupljini. Prilikom udisanja povećava se volumen grudnog koša, zbog čega se smanjuje pritisak u pleuralnoj šupljini (slika 4.6); ovo uzrokuje povećanje volumena pluća za skoro 1000 ml. Istovremeno, pritisak u njima postaje manji od atmosferskog, a vazduh juri kroz disajne puteve u pluća. Pri izdisaju se smanjuje volumen grudnog koša (slika 4c), zbog čega raste pritisak u pleuralnoj šupljini, što uzrokuje smanjenje volumena pluća. Pritisak vazduha u njima postaje veći od atmosferskog, a vazduh iz pluća juri u okolinu.
Pri normalnom mirnom dahu udahne se oko 500 ml vazduha, isto toliko se izdahne pri normalnom izdisaju, a ukupna zapremina vazduha u plućima je oko 7 l.
1 Za objašnjenje mehanizma udisanja - izdisaja može se koristiti model dijagrama grudnog koša koji je dostupan u biološkoj ordinaciji. Ovdje se može demonstrirati vodeni spirometar koji služi za mjerenje vitalnog kapaciteta pluća. Prilikom proučavanja ove teme može se prikazati i film "Struktura i funkcije organa za disanje", koji je objavio Lenjingradski obrazovni filmski studio 1964. godine.
Srce je pumpa.
Srce je neverovatna pumpa koja radi bez prestanka tokom celog života čoveka.
Pumpa 0,1 litar krvi u 1 sekundi, 6 litara u minuti, 360 litara za 1 sat, 8640 litara u jednom danu, više od 3 miliona litara godišnje i oko 220 miliona za 70 godina života. , l.
Ako srce ne pumpa krv kroz zatvoreni sistem, već je pumpa u neku vrstu rezervoara, tada bi bilo moguće napuniti bazen dužine 100 m (PC) m širine i 22 m dubine.
Pufferfish u borbi za postojanje. Zanimljiva je "primjena" zakona o plinu u životu jedne vrste ribe - napuhača. Živi u Indijskom okeanu i Sredozemnom moru. Tijelo joj je gusto prošarano brojnim šiljcima - modificiranim ljuskama; u mirovanju su manje-više blizu tijela. Kada se pojavi opasnost, riba napuhača odmah juri na površinu vode i, gutajući zrak u crijeva, pretvara se u natečenu loptu; šiljci se uzdižu i strše u svim smjerovima (slika 5). Riba se drži blizu površine, prevrće se trbuhom, a dio tijela viri iznad vode. U ovom položaju, ribica je zaštićena od grabežljivaca i odozdo i odozgo. Kada opasnost prođe, riba napuhava ispušta zrak, a njeno tijelo poprima sveobuhvatan oblik.
Hidrostatički uređaji u divljini. Zanimljivi aparati prostate postoje u divljim životinjama. Na primjer, glavonošci iz roda nautilus žive u školjkama odvojenim pregradama u zasebne komore (slika 6). Sama životinja zauzima posljednju komoru, dok su ostale napunjene plinom. Da bi potonuo na dno, mekušac puni školjku vodom, postaje teška i lako tone. Da bi isplivao na površinu, nautilus pumpa gas u odjeljke školjke; plin istiskuje vodu i sudoper prska.
U ljusci su tečnost i gas pod pritiskom, zbog čega sedef kuća ne puca ni na dubini od 4 cm1.sto metara.
Zanimljiv je način kretanja morskih zvijezda, morskih ježeva, holotura, koji se kreću zbog razlike u hidro-titičkim pritiscima. Tanke, šuplje i elastične noge morske zvijezde nabreknu dok se kreće. Tijela-pumpe pod dpnlsipem pumpaju vodu u njih. Voda ih rasteže, vuku naprijed, lijepe se za kamenje. Usisane noge se sabijaju i povlače morsku zvijezdu naprijed, zatim se voda upumpava u druge noge i vozila kreću dalje. Prosječna brzina morskih zvijezda je oko 10 m/h. Ali s druge strane, ovdje se postiže potpuno prigušivanje pokreta!

Arhimedova sila
Riba. Gustoća živih organizama koji nastanjuju vodenu sredinu vrlo se malo razlikuje od gustine vode, pa je njihova težina gotovo u potpunosti uravnotežena Arhimedovom silom. Zahvaljujući tome, vodene životinje ne trebaju tako masivne skelete kao kopnene (Sl. 7).
Zanimljiva je uloga plivačke bešike u ribama. Ovo je jedini dio tijela ribe koji ima primjetnu stisljivost; Stiskanjem mjehurića naporima prsnih i trbušnih mišića, riba mijenja volumen svog tijela, a time i prosječnu gustoću, zahvaljujući kojoj može, u određenim granicama, regulirati dubinu svog ronjenja.
Vodene ptice. Važan faktor u životu vodenih ptica je prisustvo debelog sloja perja i paperja koji ne propušta vodu, a koji sadrži značajnu količinu zraka; zbog ovog neobičnog vazdušnog mehurića koji okružuje celo telo ptice, njena prosečna gustina je veoma niska. To objašnjava činjenicu da patke i druge vodene ptice ne potapaju mnogo kada plivaju.
Srebrni pauk. Sa stanovišta zakona fizike, postojanje srebrnog pauka je vrlo zanimljivo. Srebrni pauk uređuje svoje prebivalište - podvodno zvono - iz snažne mreže. Ovdje pauk donosi mjehuriće zraka sa površine, koji se zadržavaju između tankih dlačica trbuha. U zvonu skuplja zalihe zraka, koje s vremena na vrijeme dopunjuje; zahvaljujući tome, pauk može dugo ostati pod vodom.
Vodene biljke. Mnoge vodene biljke održavaju uspravan položaj, uprkos izuzetnoj fleksibilnosti svojih stabljika, jer su na krajevima njihovih grana zatvoreni veliki mjehurići zraka koji igraju ulogu plovaka.
Vodeni kesten. Zanimljiva vodena biljka je čilim (vodeni preks). Raste u rukavcima Volge, u jezerima i estuarijima. Njegovi plodovi (vodeni orasi) dostižu 3 cm u prečniku i imaju oblik sličan morskom sidru sa ili bez nekoliko oštrih rogova. Ovo "sidro" služi za zadržavanje mlade klijalice na odgovarajućem mjestu. Kada čili bledi, pod vodom se počinju formirati teški plodovi. Mogli bi utopiti biljku, ali baš u to vrijeme na peteljkama listova nastaju otekline - neka vrsta "pojasa za spašavanje". Time se povećava volumen podvodnog dijela biljaka; stoga raste sila uzgona. Time se postiže ravnoteža između težine ploda i sile uzgona koju stvara bubrenje.
Sifonofor za plivanje. Zoolozi nazivaju sifonofore posebnom grupom crijevnih životinja. Poput meduza, one su morske životinje koje slobodno plivaju. Međutim, za razliku od prvih, formiraju složene kolonije sa vrlo izraženim polimorfizmom*. Na samom vrhu kolonije obično se nalazi jedinka, uz pomoć koje se cijela kolonija zadržava u vodenom stupcu i kreće - to je mjehur koji sadrži plin. Plin se proizvodi posebnim žlijezdama. Ovaj mjehur ponekad doseže 30 cm dužine.
Bogat biofizički materijal ove sekcije omogućava izvođenje nastave sa učenicima šestog razreda na raznovrstan i zanimljiv način.
Opišimo, na primjer, razgovor u procesu proučavanja teme „Arhimedova sila“. Učenici su upoznati sa životom riba, sa karakteristikama vodenih biljaka. Već su se upoznali sa djelovanjem uzgonske sile. Postepeno ih dovodimo do razumijevanja uloge Arhimedovog zakona za sva stvorenja u vodenoj sredini. Razgovor počinjemo postavljanjem pitanja: zašto riba ima slabiji kostur od stvorenja koja žive na kopnu? Zašto alge ne trebaju čvrste stabljike? Zašto nasukani kit umire pod vlastitom težinom? Ovakva neobična pitanja na času fizike iznenađuju učenike. Oni su zainteresovani. Nastavljamo razgovor i podsećamo momke da je potrebno mnogo manje sile u vodi da bi se podržao drug nego na obali (u vazduhu). Sumirajući sve ove činjenice, usmjeravajući učenike na njihovu ispravnu interpretaciju, djecu dovodimo do dalekosežne generalizacije o utjecaju fizičkog faktora (sila uzgona, koja se ispostavi da je u vodenoj sredini mnogo veća nego u zraku). o razvoju i strukturnim karakteristikama vodenih bića i biljaka.

Newtonovi zakoni
Neke manifestacije inercije. Zrele mahune mahunarki, koje se brzo otvaraju, opisuju lukove. U ovom trenutku, sjeme se, odvajajući se od mjesta pričvršćenja, po inerciji pomiče tangencijalno na strane. Ova metoda širenja sjemena prilično je uobičajena u biljnom carstvu.
U tropskim zonama Atlantskog i Indijskog okeana često se zapaža let takozvanih letećih riba, koje, bježeći od morskih grabežljivaca, iskaču iz vode i uz povoljan vjetar klizeći lete, prelazeći udaljenosti do 200 - 300 m na visini od 5 - 7 m zraka zbog brzih i jakih vibracija repne peraje. U početku riba juri po površini vode, a zatim je snažan udarac repom podiže u zrak. Raširene duge prsne peraje podupiru tijelo ribe poput jedrilice. Let ribe stabilizuju repna peraja; ribe se kreću samo po inerciji.
Plivanje i Njutnov treći zakon. Lako je vidjeti da u procesu kretanja ribe i pijavice potiskuju vodu nazad, dok se same kreću naprijed. Plivačka pijavica tjera vodu natrag talasastim pokretima tijela, a riba koja pliva mahanjem repa. Tako kretanje riba i pijavica može poslužiti kao ilustracija Njutnovog trećeg zakona.
Let i Njutnov treći zakon. Let insekata je baziran na mahanju krilima (leteće). Kontrola leta se postiže gotovo isključivo pomoću krila. Promjenom smjera ravnine mahanja krilima, insekti mijenjaju smjer kretanja: naprijed, nazad, letenje na jednom mjestu, okretanje itd. Neki od najspretnijih insekata u letu su muhe. Omi često pravi oštre okrete u stranu. To se postiže naglim isključivanjem krila jedne strane tijela - njihovo kretanje na trenutak prestaje, dok krila druge strane tijela nastavljaju oscilirati, što uzrokuje okretanje u stranu iz prvobitnog smjera leta. .
Leptiri-brazh-nnkp i konji imaju najveću brzinu leta - 14 - 15 m / s. Vilin konjic leti brzinom od 10 m / s, balege - do 7 m / s, pčele - do 6 - 7 m / s. Brzina leta insekata je spora u poređenju sa pticama. Međutim, ako izračunamo relativnu brzinu (brzinu kojom se bumbar, brzalica, čvorak i avion kreću na udaljenosti koja je jednaka dužini njegovog vlastitog tijela), ispada da će ona biti najmanja za avion i najviše za insekte.
Hans Leonardo da Vinci proučavao je let ptica u potrazi za načinima za okretanje aviona. II je bio zainteresovan za let ptica. V. Žukovski, koji je razvio osnove aerodinamike. Sada princip letećeg leta ponovo privlači pažnju samograditelja
Mlazni pogon u divljim životinjama. Neke životinje se kreću po principu mlaznog pogona, na primjer, lignje, hobotnice (slika 8), sipe. Morski mekušac-I prssshok, oštro stišćući ventile školjke, može se kretati naprijed u trzajima zbog reaktivne sile vodenog mlaza bačenog u školjku. Otprilike isti se kreću i neki drugi mekušci. Larve vilinog konjica uvlače vodu u stražnje crijevo, a zatim je izbacuju i skaču naprijed zbog sile III „naleta“.
Budući da su u ovim slučajevima udari međusobno razdvojeni značajnim vremenskim intervalima, ne postiže se velika brzina kretanja. Da bi se povećala brzina kretanja, odnosno broj reaktivnih impulsa u jedinici vremena, neophodna je povećana provodljivost nerava koji pobuđuju kontrakciju mišića koji opslužuju mlazni motor. Tako velika provodljivost moguća je s velikim promjerom živca. Poznato je da lignje imaju najveća nervna vlakna u životinjskom carstvu. Oni dostižu prečnik od 1 mm - 50 puta veći od prečnika većine sisara - i vrše ekscitaciju brzinom od 25 m/sec. To objašnjava veliku brzinu kretanja lignji (do 70 km / h).
Ubrzanja i preopterećenja koja su živa bića u stanju da izdrže. Prilikom proučavanja Newtonovih zakona učenici se mogu upoznati sa ubrzanjima s kojima se čovjek suočava u različitim životnim situacijama.
Ubrzanja u liftu Maksimalno ubrzanje (ili usporavanje) tokom kretanja kabine lifta tokom normalnog rada ne bi trebalo da prelazi 2 m/s2 za sve liftove. Prilikom zaustavljanja „stop“, maksimalna vrijednost ubrzanja ne bi trebala prelaziti 3 m/s2.
Ubrzanje u avijaciji. Kada tijelo doživi ubrzanje, kaže se da je podvrgnuto preopterećenju. Veličinu preopterećenja karakterizira omjer ubrzanja kretanja a i ubrzanja slobodnog pada g:
k = - . g
Prilikom padobranstva dolazi do velikih ubrzanja i, posljedično, preopterećenja.
Ako otvorite padobran na visini od 1000 m 15 sekundi nakon pada, tada će preopterećenje biti oko 6; otvaranje padobrana nakon istog kašnjenja na 7000 m uzrokuje preopterećenje od 12; na visini od 11.000 m pod istim uslovima preopterećenje će biti skoro tri puta veće nego na visini od 1000 m.
Pri slijetanju padobranom dolazi i do preopterećenja, koja su manja što je duži put kočenja. Stoga će g-sila biti manja pri slijetanju na meko tlo. Sa brzinom spuštanja od 5 m/s i njenom otplatom na putu od oko 0,5 m zbog savijanja koljena i trupa, preopterećenje je cca 3,5.
Maksimalna, iako vrlo kratkoročna, ubrzanja doživljava osoba prilikom katapultiranja iz aviona. Istovremeno, brzina izlaska sjedišta iz kabine je približno 20 m/s, putanja ubrzanja je -1 - 1,8 m. Maksimalna vrijednost ubrzanja dostiže 180 - 190 m/s2, preopterećenje - 18 - 20.
Međutim, uprkos velikoj vrijednosti, takvo preopterećenje nije opasno po zdravlje, jer djeluje kratko, otprilike 0,1 sek.
Utjecaj ubrzanja na žive organizme. Razmotrite kako ubrzanja utiču na ljudsko tijelo. Nervni impulsi koji signaliziraju prostorno kretanje iivije, uključujući i glavu, ulaze u poseban organ - vestibularni aparat. Vestibularni aparat također obavještava šavni mozak o promjeni brzine kretanja, pa se naziva i organ osjetila ubrzanja. Ovaj pijarat se stavlja u unutrašnje uho.
Karakteristike graničnih vrijednosti iritacije vestibularnog aparata koje dopiru do svijesti osobe, kao i ubrzanja retine pri različitim pokretima, prikazane su u tabeli 3.

Lakše se podnose ubrzanja usmjerena od leđa prema grudima, od grudi ka leđima i s jedne na drugu stranu. Stoga je vrlo važno pravilno držanje osobe. Preduvjet je opća fizička obuka koja vodi dobrom razvoju mišića cijelog tijela.
Osim toga, potrebno je posebno trenirati tijelo kako bi se povećala izdržljivost na ubrzanja. Takva obuka se izvodi na specijalnim linearnim akceleratorima, u centrifugama i na drugim instalacijama.
Koriste se i posebna anti-g odijela, čiji dizajn osigurava fiksaciju unutrašnjih organa.
Ovdje je zanimljivo podsjetiti da je K. E. Tsiolkovsky, kako bi povećao izdržljivost osobe na djelovanje ubrzanja, predložio da se njegovo tijelo stavi u tečnost iste gustine kao i ona. Treba napomenuti da je takva zaštita tijela od ubrzanja prilično raširena u prirodi. Tako je embrion zaštićen u jajetu, tako je zaštićen fetus u maternici. K. E. Tsiolkovsky stavio je kokošje jaje u teglu sa rastvorom soli i spustio ga sa visine. Jaje se nije razbilo.
Trenutno postoje podaci o sličnim eksperimentima s ribama i žabama. Ribe i žabe stavljene u vodu izdržale su udarna ubrzanja od 1000 g i više.
Swordfish amortizer. U prirodi postoje različite adaptacije koje omogućavaju živim organizmima da bezbolno podnose preopterećenja koja nastaju prilikom ubrzanja i usporavanja. Poznato je da potisak tokom skoka omekšava ako doskočite na polusavijene noge; ulogu amortizera igra kičma, u kojoj su hrskavični jastučići svojevrsni odbojnici.
Sabljarka ima zanimljiv amortizer. Sabljarka je poznata kao rekorder među morskim plivačima. Njegova brzina doseže 80 - 90 km / h. Njen mač je sposoban da probije hrastov trup broda. Ona ne trpi takav udarac. Ispostavilo se da se u njenoj glavi u podnožju mača nalazi hidraulički amortizer - male šupljine u obliku saća ispunjenih masnoćom. Oni ublažavaju udarac. Hrskavični jastučići između pršljenova sabljarke su vrlo debeli; poput odbojnika na vagonima, smanjuju silu guranja.
Jednostavni mehanizmi u divljini
U skeletu životinja i ljudi, sve kosti koje imaju određenu slobodu kretanja su poluge, na primjer, kod ljudi - kosti udova, donja vilica, lobanja (uporište je prvi kralježak), falange prsti. Kod mačaka, pokretne kandže su poluge; mnoge ribe imaju bodlje na leđnoj peraji; kod artropoda, većina segmenata njihovog vanjskog skeleta; školjkaši imaju ljuske.
Skeletne veze su obično dizajnirane da dobiju brzinu uz gubitak snage. Posebno veliki dobici u brzini postižu se kod insekata.
Odnos dužine krakova polužnog elementa skeleta usko je ovisan o vitalnim funkcijama koje obavlja ovaj organ. Na primjer, duge noge hrta i jelena određuju njihovu sposobnost brzog trčanja; kratke šape krtice dizajnirane su za razvoj velikih sila pri maloj brzini; duge čeljusti hrta omogućavaju vam da brzo zgrabite plijen u bijegu, a kratke čeljusti buldoga se polako, ali snažno zatvaraju (mišić za žvakanje je pričvršćen vrlo blizu očnjaka, a snaga mišića se prenosi na očnjaci gotovo bez slabljenja).
Elementi poluge nalaze se u različitim dijelovima tijela životinje i osobe - to su, na primjer, udovi, čeljusti.
Razmotrimo uslove ravnoteže poluge na primeru lobanje (slika 9, a). Ovdje os rotacije poluge O prolazi kroz artikulaciju lubanje sa prvim pršljenom. Ispred uporišta na relativno kratkom ramenu djeluje sila gravitacije glave, iza nje je sila F vuče mišića i ligamenata pričvršćenih za potiljačnu kost.
Drugi primjer rada poluge je djelovanje svoda stopala pri podizanju na prste (slika 9, b). Oslonac O poluge, kroz koji prolazi os rotacije, su glave metatarzalnih kostiju. Savladana sila R - težina cijelog tijela - primjenjuje se na talus. Djelujuća mišićna sila F, koja podiže tijelo, prenosi se kroz Ahilovu tetivu i primjenjuje na izbočenje kalkaneusa.
U biljkama su polužni elementi rjeđi, što se objašnjava slabom pokretljivošću biljnog organizma. Tipična poluga je deblo i glavni korijen koji čini njegov nastavak. Korijen bora ili hrasta koji zalazi duboko u zemlju ima veliku otpornost na prevrtanje (rame otpora je veliko), pa se borovi i hrastovi gotovo nikada ne okreću naopačke. Naprotiv, smreke, koje imaju čisto površinski korijenski sistem, vrlo se lako prevrću.
Zanimljivi mehanizmi povezivanja mogu se naći u nekim cvjetovima (kao što su prašnici kadulje), kao i u nekim padajućim plodovima.
Razmotrimo strukturu livadske žalfije (Sl. 10). Izduženi prašnik služi kao duga ruka A poluge. Na njegovom kraju je anter. Kratki krak B poluge, takoreći, čuva ulaz u cvijet. Kada se insekt (najčešće bumbar) uvuče u cvijet, on pritisne kratak krak poluge. Istovremeno, duga ruka prašnikom udara u leđa bumbara i ostavlja polen na njemu. Leteći do drugog cvijeta, insekt ga oprašuje ovim polenom.
U prirodi su uobičajeni fleksibilni organi koji mogu mijenjati svoju zakrivljenost u širokom rasponu (kičma, rep, prsti, tijelo zmija i mnoge ribe). Njihova fleksibilnost je zbog kombinacije velikog broja kratkih poluga sa sistemom povezivanja,
ili kombinacija relativno nefleksibilnih elemenata sa međuelementima koji se lako deformiraju (slonova surla, tijelo gusjenice, itd.). Kontrola savijanja u drugom slučaju postiže se sistemom uzdužnih ili koso postavljenih šipki.
"Alati za pirsing" mnogih životinja - kandže, rogovi, itd., imaju oblik klina (izmijenjena nagnuta ravan); šiljasti oblik glave ribe koja se brzo kreće sličan je klinu. Mnogi od ovih klinova su zubi, bodlje (slika 11) imaju vrlo glatke tvrde površine (minimalno trenje), zbog čega su vrlo oštri.

Deformacije
Ljudsko tijelo doživljava prilično veliko mehaničko opterećenje od vlastite težine i od mišićnih napora koji se javljaju tokom radne aktivnosti. među-
Resno da se na primjeru osobe mogu pratiti sve vrste deformacija. Kompresijska naprezanja doživljavaju kičmeni stub, donji ekstremiteti i integument stopala. Naprezanje - gornji udovi, ligamenti, tetive, mišići; savijanje - kičma, karlične kosti, udovi; torzija - vrat pri okretanju glave, trup u donjem dijelu leđa pri okretanju, ruke pri rotaciji itd.
Za sastavljanje zadataka za deformacije koristili smo podatke date u tabeli 4.
Tabela pokazuje da je modul elastičnosti za kost ili tetivu u napetosti vrlo velik, a za mišiće, vene, arterije vrlo mali.
Krajnji napon koji razara kost ramena je oko 8-107 N/m2, a krajnji stres koji uništava butnu kost je oko 13-107 N/m2. Vezivna tkiva u ligamentima, u plućima itd. su vrlo elastična, na primjer, okcipitalni ligament se može istegnuti više od dva puta.
Konstrukcije sastavljene od pojedinačnih šipki (trusses) ili ploča koje se konvergiraju pod uglom od 120° imaju maksimalnu čvrstoću uz minimalnu potrošnju materijala. Primjer takvih struktura su heksagonalne ćelije u obliku saća.
Otpor na torziju raste vrlo brzo sa povećanjem debljine, pa su organi dizajnirani za izvođenje torzijskih pokreta obično dugi i tanki (vrat ptice, tijelo zmije).
Tijekom skretanja, materijal se rasteže duž svoje konveksne strane i sabija duž svoje konkavne strane; srednje čeljusti uočljivog de-
formacije nisu testirane. Stoga se u tehnologiji čvrste šipke zamjenjuju cijevima, grede se izrađuju od T-greda ili I-greda; ovo štedi materijal i smanjuje težinu jedinica. Kao što znate, kosti udova i stabljike brzorastućih biljaka - žitarica (Sl. 12), kišobrana itd. imaju cevastu strukturu. Kod suncokreta i drugih biljaka, stabljika ima labavu jezgru. Mladi, nezreli listovi žitarica uvijek su presavijeni u cijev.
Strukture slične T-gredi nalaze se u prsnoj kosti ptica, u školjkama mnogih mekušaca koji žive u zoni surfanja itd. Greda, zakrivljena prema gore i ima pouzdane oslonce koji ne dozvoljavaju da se njegovi krajevi razdvoje (luk) , ima veliku snagu u odnosu na napore koji djeluju na njegovoj konveksnoj strani (arhitektonski lukovi, burad; au organizmima - lobanja, grudi, ljuske jaja, orasi, ljuske buba, rakova, kornjača itd.).
Pad živih bića. Galileo Galilei je napisao: „Ko ne zna da konj, pavši sa visine od tri ili četiri lakta, lomi noge, dok pas ne pati, a mačka ostaje nepovređena, bačena sa osam do deset lakata, baš kao cvrčak, koji je pao sa vrha tornja, ili mrav koji je pao na zemlju barem sa lunarne sfere.
Zašto mali insekti, koji padaju na zemlju sa velike visine, ostaju neozlijeđeni, dok velike životinje umiru?
Snaga kostiju i tkiva životinje proporcionalna je njihovoj površini poprečnog presjeka. Sila trenja o zrak kada tijela padaju također je proporcionalna ovoj površini. Masa životinje (i njena težina) proporcionalna je njenoj zapremini. Kako se veličina tijela smanjuje, njegov volumen se smanjuje mnogo brže od površine. Dakle, sa smanjenjem veličine životinje koja pada, njena sila usporavanja prema zraku (po jedinici mase) raste u usporedbi sa silom usporavanja po jedinici mase veće životinje. S druge strane, kod manjih životinja povećavaju se snaga kostiju i mišićna snaga (također po jedinici mase).
Nije sasvim ispravno uspoređivati ​​snagu konja i mačke kada padaju, jer imaju drugačiju strukturu tijela, posebno su različiti uređaji za "apsorpciju udara" koji ublažavaju udarce prilikom udara. Ispravnije bi bilo uporediti tigra, risa i mačku. Najjača među ovim mačkama bila bi mačka!
"Građevinska oprema" u svijetu divljih životinja. Nakon proučavanja teme "Čvrsto tijelo" korisno je govoriti o analogijama u "tehnici građenja prirode" i tehnici koju je stvorio čovjek.
Graditeljska umjetnost prirode i ljudi razvija se po istom principu – uštedi materijala i energije.
Od davnina su različiti dizajni divljih životinja izazivali iznenađenje i oduševljenje. Snaga i elegancija paukove mreže je nevjerovatna, graditeljska umjetnost pčelinjeg stana oduševljava - stroga geometrija njihovog saća koje se sastoji od pravilnih šesterokutnih ćelija. Strukture mrava i termita su nevjerovatne. Nevjerovatna koralna ostrva i grebeni formirani od vapnenačkih koraljnih skeleta. Neke morske alge prekrivene su nježno oblikovanim tvrdim školjkama. Na primjer, peridinije su odjevene u bizarne školjke formirane od odvojenih tvrdih školjki. Oni su prikazani sa velikim uvećanjem na slici 13.
Još raznovrsniji su morski radiolarije (najjednostavnije životinje), čiji su sićušni kosturi prikazani na slici 14 (za poređenje, pahulje su prikazane pod brojevima - 3).
Nedavno su pažnju graditelja okupirali uzorci biljnog svijeta. K. A. Timiryazev je pisao: „Uloga stabljike, poznato je, katz je uglavnom arhitektonska: to je čvrst kostur čitave zgrade, nosi šator od lišća, au čijoj su debljini, poput vodovodnih cijevi, posude koje nose sokove. položeno... Upravo na stablima smo saznali čitav niz nevjerovatnih činjenica koje dokazuju da su građene po svim pravilima građevinske umjetnosti.
Ako uzmemo u obzir poprečne presjeke stabljike i modernog tvorničkog dimnjaka, onda je sličnost njihovih dizajna upadljiva. Svrha cijevi je stvaranje propuha i uklanjanje štetnih plinova iz tla. Hranjive tvari se uzdižu uz stabljiku biljke iz korijena. I cijev i stub su pod stalnim utjecajem iste vrste statičkih i dinamičkih opterećenja – vlastite težine, vjetra itd. To su razlozi njihove strukturne sličnosti. Oba dizajna su šuplja. Pramenovi stabljike, kao i uzdužna armatura cijevi, nalaze se duž periferije cijelog obima. Duž zidova obje strukture nalaze se ovalne šupljine. Ulogu spiralnog ojačanja u stabljici igra koža.
Poznato je da se čvrsti materijal u kostima nalazi u skladu sa putanjama glavnih naprezanja. To se može naći ako uzmemo u obzir uzdužni presjek gornjeg dijela ljudske butne kosti i zakrivljenu kransku gredu koja radi u savijanju pod djelovanjem vertikalnog opterećenja raspoređenog na određenom području gornje površine. Zanimljivo je da čelični Eiffelov toranj po svojoj strukturi podsjeća na cjevaste kosti osobe (femur ili tibija). Sličnost je u vanjskim oblicima konstrukcija, te u uglovima između "greda" i "greda" kosti i nosača tornja.
Modernu arhitekturu i građevinsku tehnologiju odlikuje pažnja prema najboljim "primjerima" divljih životinja. Uostalom, savremeni zahtevi su čvrstoća i lakoća, koji se lako mogu zadovoljiti upotrebom čelika, armiranog betona, aluminijuma, armiranog cementa i plastike u građevinarstvu. Sistemi prostornih rešetki postaju sve popularniji. Njihovi prototipovi su "skeleti" stabljike ili debla drveta, formirani od izdržljivijeg tkiva od ostatka biljnog materijala, koji obavlja biološku i izolacijsku funkciju. Ovo je sistem žila lista drveta i rešetka korijenskih dlačica. Takve konstrukcije podsjećaju na korpe, žičani okvir abažura, zakrivljenu rešetku balkona itd. Talijanski inženjer P. Nervi koristio je princip strukture lista drveta u pokrivanju izložbene hale u Torinu, zahvaljujući koja lagana i tanka konstrukcija proteže raspon od 98 metara bez oslonaca. Na koricama naše knjige prikazana je građevina ovog tipa, koja liči ili na školjku ili na prevrnutu čašu cvijeta.
Karakteristična je upotreba pneumatskih konstrukcija, koje su sasvim u skladu sa prirodnim oblicima: oblikom plodova, mjehurića zraka, krvnih sudova, listova biljaka itd.
Kako bi ojačali građevinske materijale, fiziokemičari su se okrenuli proučavanju najmanjih struktura i sada razvijaju tehnologiju za proizvodnju ultra jakih materijala sastavljenih od mnoštva finih vlakana, filmova i zrna prema principima koje predlaže priroda. Da bi se dobile teške konstrukcije, međutim, nije dovoljno ojačati građevinske materijale. Poznato je da koštane strukture ponekad nadmašuju čelične konstrukcije u nizu pokazatelja, ali to se događa zbog "distribucije" koštanog materijala, koji je inferiorniji po čvrstoći od čelika.
Stvarajući ovu ili onu strukturu, priroda rješava mnoge probleme - uzima u obzir potrebnu otpornost na vanjske mehaničke utjecaje i fizičke i kemijske utjecaje okoline, osigurava biljkama vodu, zrak, sunce. Sve ovo
zadaci se rješavaju sveobuhvatno, sve podliježe zajedničkom zadatku, općem ritmu života organizma. U biljkama nećete vidjeti slobodno suspendirane vodene kapilare, kao u ljudskim strukturama. Osim zadatka ravnomjernog i stalnog kretanja vode, obavljaju i mehaničku funkciju, odupirući se vanjskim mehaničkim utjecajima okoline.
A ako zamislite mogućnost samoobnavljanja konstruktivnog materijala tokom njegovog rada, što je svojstveno živoj prirodi! Očigledno, zaštita od štetnih hemijskih uticaja, od niskih i visokih temperatura može se naći u proučavanju integumentarnih tkiva biljaka i životinja.
Umjetnost građenja, naoružana bionikom, stvorit će svijet struktura i zgrada prirodniji i savršeniji od onog na koji smo navikli.

Moć koju je razvio čovek
Prilikom prolaska kroz temu “Rad i moć” zanimljivo je dati neke informacije o moći koju je osoba sposobna razviti.
Vjeruje se da osoba u normalnim radnim uvjetima može razviti snagu od oko 70 - 80 vati (ili približno 0,1 KS). Međutim, moguće je kratkoročno povećanje snage za nekoliko puta.
Dakle, osoba teška 750 k može skočiti do visine od 1 m za 1 sekundu, što odgovara snazi ​​od 750 vati. Uz brzi uspon, na primjer, 7 stepenica, od kojih je svaki visok oko 0,15 m, snaga od oko 1 litre razvija se u roku od 1 sekunde. With. ili 735 vati.
Nedavno je olimpijski biciklista Brian Jolly testirao 480 vati za 5 minuta, što je skoro 2/3 KS. With.
Za osobu je moguće trenutno, ili eksplozivno, oslobađanje energije, posebno u sportovima kao što su bacanje kugle ili skok u vis. Zapažanja su pokazala da tokom skokova uvis uz istovremeni odboj s obje noge, neki muškarci razviju prosječnu snagu od oko 5,2 litara u roku od 0,1 sek. s., a žene - 3,5 a. With.

Uređaji za promjenu sile dizanja
Zanimljive informacije o strukturi tijela morskih pasa i jesetra mogu se izvijestiti u vezi sa proučavanjem problema sile dizanja krila aviona. Poznato je da su pri slijetanju aviona, kada je njegova brzina, a samim tim i sila podizanja, mala, potrebni dodatni uređaji za povećanje sile uzgona. U tu svrhu koriste se posebni štitovi -
zakrilci smješteni na donjoj površini krila, koji služe za povećanje zakrivljenosti njegovog profila. Pri slijetanju se sagnu.
Koštane ribe (koje uključuju ogromnu većinu modernih riba) regulišu svoju prosječnu gustoću i, shodno tome, dubinu uranjanja uz pomoć plivajućeg mjehura. Ribe hrskavice nemaju takvu adaptaciju. Njihova sila dizanja mijenja se promjenom profila, kao kod aviona, na primjer, morski psi (hrskavičaste ribe) mijenjaju silu dizanja uz pomoć prsnih i trbušnih peraja.

Aparat za srce i pluća (APC)
Završavajući studij mehanike, korisno je studentima pričati o uređaju srčano-plućnog aparata.
Prilikom operacija na srcu često je potrebno privremeno isključiti ga iz cirkulacije i operisati suvo srce.
Rice. petnaest.
Aparat srce-pluća sastoji se od dva glavna dijela: pumpnog sistema i oksigenatora. Pumpe obavljaju funkciju srca - održavaju pritisak i cirkulaciju krvi u krvnim sudovima tokom operacije. Oksigenator obavlja funkciju pluća i osigurava zasićenje krvi kisikom.
Pojednostavljeni dijagram uređaja prikazan je na slici 15. Klipne pumpe 18 pokreće elektromotor 20 kroz regulator 19 \ koji postavlja ritam i hod klipova pumpe. Pritisak kroz cijevi napunjene uljem prenosi se na pumpe 4 i 9, koje pomoću gumenih dijafragmi i ventila stvaraju potreban vakuum u venskom dijelu (pumpa 4) i kompresiju u arterijskom dijelu (pumpa 9) fiziološke jedinice. uređaja. Fiziološki blok se sastoji od cirkulatornog sistema, koji pomoću polietilenskih katetera komunicira s velikim krvnim žilama na mjestu njihovog izlaza iz srca i oksigenatora.
Krv se usisava kroz zračnu zamku 1, elektromagnetnu stezaljku 2, ekvilizatorsku komoru 3, koja obavlja funkciju atrijuma, te se pomoću pumpe 4 ubrizgava u gornju komoru 5 oksigenatora. Ovdje je krv ravnomjerno raspoređena po stupcu krvne pjene koji ispunjava njegovu srednju komoru 6. To je cilindar od najlonske mreže, na čijem se dnu nalazi razdjelnik kisika 7. Kiseonik ravnomjerno kroz 30 rupa ulazi u komoru kroz sloj vazduha formiran na dnu komore. Ukupna površina mjehurića u stupcu pjene je približno 5000 cm2 (sa zapreminom krvi od 150 - 250 cm3). U oksigenatoru krv je zasićena kiseonikom, oslobađa ugljen-dioksid u okolnu atmosferu i teče u donju komoru 8, odakle preko pumpe 9, stezaljke 10 i vazdušne zamke 11 ulazi u arterijski sistem tela. Kiseonik ulazi u oksigenator preko plinomjera 17 i ovlaživača 16. U gornjem dijelu oksigenatora nalazi se protivpjenivač 12 i izlaz za plin. Posuda 15 s rezervnom krvlju ili tekućinom zamjenom krvi komunicira sa oksigenatorom preko stezaljke 14. Protok krvi iz oksigenatora regulira se plovkom 13 koji je induktivno povezan sa zavojnicom smještenom izvana, koja kontrolira aktiviranje elektromagnetnih stezaljki uređaja.

Pitanja i zadaci

Prilikom rješavanja problema u vezi sa živim objektima mora se voditi računa da se spriječi pogrešno tumačenje bioloških procesa.
Razmotrimo rješenje nekoliko problema koje smo predložili studentima.

Zadatak 1. Kako uz pomoć fizičkih predstava objasniti da se u oluji smrča lako izbija zajedno s korijenom, dok se deblo brže lomi u boru?
Prije nego što se odlučimo, pročitali smo karakteristike ovih stabala.
„Svojim korijenjem, površno širećim, (smreka. - Ts.K.) može čvrsto da oplete kamenje, zbog čega ima neophodnu stabilnost u planinama, čak i sa vrlo tankim slojem zemlje, ali pošto nema, kao bor, vertikalno napuštajući niz korijen, zatim na ravnicama odvojeno stablo smreke lako iščupa oluja zajedno s korijenom. Krošnja drveta formira ogromnu piramidu."
„Bor koji raste u šumi formira visoko stubasto deblo i malu piramidalnu krošnju. Naprotiv, raste na čisto otvorenom mjestu, dostiže samo mali rast, ali mu krošnja raste široko.
Zatim su sa učenicima razgovarali o mogućnosti primjene pravila momenata za rješavanje problema.
Zainteresovani smo za analizu samo kvalitativne strane problema. Osim toga, zanima nas pitanje uporednog ponašanja oba stabla. Ulogu opterećenja u našem problemu igra sila vjetra FB. Moguće je dodati silu vjetra koji djeluje na stablo sili vjetra koji djeluje na krošnju, pa čak i pretpostaviti da su sile vjetra koji djeluju na oba stabla iste. Tada bi, očigledno, dalje rezonovanje trebalo da bude "sljedeće. Korenov sistem bora ide dublje u zemlju nego kod smreke. Zbog toga je rame sile koja drži bor u zemlji veće od onog kod smreke ( Slika 16). Dakle, da bi se smrča iz korijena okrenula prema gore, potrebno je manje snage vjetra nego za bor, a potrebno je više vjetra da bi se bor iščupao iz korijena nego da bi ga slomio. čupa se češće od bora, a bor se češće lomi od smrče.

KOHETS FRAGMEHTA KNJIGE

Poznavanje ljudskih funkcija jedan je od najtežih zadataka. Dolazi do razvoja nauke u prvim fazama - diferencijacije disciplina usmjerenih na duboko proučavanje određenih problema. U prvoj fazi pokušavamo da upoznamo određeni dio, a kada to uspijemo, postavlja se još jedan zadatak – kako napraviti opštu ideju. Na spoju izvornih specijalnosti nalaze se naučne discipline. To se odnosi i na biofiziku, koja se pojavila na razmeđu fiziologije, fizike, fizičke hemije i otvorila nove mogućnosti u razumevanju bioloških procesa.

Biofizika- nauka koja proučava fizičke i fizičko-hemijske procese na različitim nivoima žive materije (molekularni, ćelijski, organski, ceo organizam), kao i obrasce i mehanizme uticaja fizičkih faktora sredine na živu materiju.

dodijeliti-

• molekularna biofizika - kinetika i termodinamika procesa
• biofizika ćelije - proučavanje ćelijske strukture i fizičko-hemijskih manifestacija - permeabilnost, formiranje biopotencijala
• biofizika organa čula - fizički i hemijski mehanizmi prijema, transformacije energije, kodiranja informacija u receptorima.
• Biofizika složenih sistema - procesi regulacije i samoregulacije i termodinamičke karakteristike ovih procesa
• Biofizika uticaja spoljašnjih faktora - istražuje uticaj na organizam jonizujućeg zračenja, ultrazvuka, vibracija, izlaganja svetlosti

Zadaci iz biofizike

1. Uspostavite obrasce divlje prirode proučavajući fizičke i hemijske pojave u tijelu
2. Proučavanje mehanizama uticaja fizičkih faktora na organizam

Euler (1707-1783) - zakoni teorije hidrodinamike, da se objasni kretanje krvi kroz sudove

Lavoisier (1780) - proučavao je razmjenu energije u tijelu

Galvani (1786) - osnivač doktrine o biopotencijalima, životinjskom elektricitetu

Helmholtz (1821.)

Rendgen - pokušao je objasniti mehanizme mišićne kontrakcije sa pozicije piezo efekta

Arrhenius - zakoni klasične kinetike za objašnjenje bioloških procesa

Lomonosov - zakon održanja i transformacije energije

Sechenov - proučavao je transport gasa u krvi

Lazarev - osnivač nacionalne biofizičke škole

Pauling - otkriće prostorne strukture proteina

Watson i Crick - otkriće dvostruke strukture DNK

Hodgkin, Huxley, Katz - otkriće jonske prirode bioelektričnih fenomena

Prigogin - teorija termodinamike ireverzibilnih procesa

Eigen - teorija hiperciklusa, kao osnova evolucije

Sakman, Neher - ustanovili molekularnu strukturu jonskih kanala

Biofizika je postala u vezi sa razvojem medicine, jer. korišćene su metode fizičkog uticaja na telo.

Biologija se razvijala i bilo je potrebno proniknuti u tajne bioloških procesa koji se odvijaju na molekularnom nivou

Potreba industrije čiji je razvoj doveo do djelovanja raznih fizičkih faktora na tijelo - radioaktivnog zračenja, vibracija, bestežinskog stanja, preopterećenja

Metode biofizičkih istraživanja

• Analiza difrakcije rendgenskih zraka- proučavanje atomske strukture materije, korištenjem rendgenske difrakcije. Raspodjela elektronske gustoće tvari utvrđuje se iz difrakcionog uzorka, a već iz njega se može odrediti koji su atomi sadržani u tvari i kako se nalaze. Proučavanje kristalnih struktura, tekućina i proteinskih molekula.
• Kromatografija na koloni- različita distribucija i analiza mješavina između 2 faze - mobilne i stacionarne. To može biti povezano s različitim stupnjevima apsorpcije tvari ili različitim stupnjevima izmjene jona. Može biti gas ili tečnost. Raspodjela tvari se koristi u kapilarnim - kapilarnim, ili u cijevima punjenim sorbentom - stupasto. Može se raditi na papiru, tanjirima
• Spektralna analiza- kvalitativno i kvantitativno određivanje supstance optičkim spektrom. Supstanca se određuje ili spektrom emisije - spektralna analiza emisije ili spektrom apsorpcije - apsorpcija. Sadržaj supstance je određen relativnom ili apsolutnom debljinom linija u spektru. Također uključuje radiospektroskopiju - elektronsku paramagnetnu rezonancu i nuklearnu magnetnu rezonancu.
• Indikacija izotopa
• elektronska mikroskopija
• ultraljubičasta mikroskopija- proučavanje bioloških objekata u UV zracima povećava kontrast slike, posebno unutarćelijskih struktura, i omogućava vam da pregledate druge ćelije bez prethodnog bojenja i fiksiranja preparata

Jedan od najvažnijih uslova postojanja je adekvatna adaptacija funkcija, organa i tkiva, sistema na životnu sredinu. Postoji stalna ravnoteža organizma i okoline. U ovim procesima, glavni proces je regulacija i kontrola fizioloških funkcija.

Opšte zakonitosti implementacije, upravljanja i obrade informacija u različitim sistemima proučava nauka kibernetike (kibernetika je umjetnost upravljanja).Zakoni upravljanja zajednički su i ljudima i tehničkim uređajima. Pojava kibernetike pripremljena je razvojem teorije automatskog upravljanja, razvojem radio elektronike i stvaranjem teorije informacija.

Ovaj rad je predstavio Shannon (1948) u "Matematičkoj teoriji komunikacije"

kibernetika bavi se proučavanjem sistema bilo koje prirode koji su sposobni da primaju, pohranjuju i obrađuju informacije i koriste ih za upravljanje i regulaciju. Kibernetika proučava one signale i faktore koji dovode do određenih kontrolnih procesa.

Za medicinu je od velikog značaja. Analiza bioloških procesa omogućava kvalitativno i kvantitativno proučavanje mehanizama regulacije. Informacioni procesi upravljanja i regulacije su odlučujući u organu, tj. su primarni, na osnovu kojih se odvijaju svi procesi.

Sistemi- organizovani kompleks međusobno povezanih elemenata koji obavljaju određene funkcije u skladu sa programom čitavog sistema. Elementi mozga će biti neuroni. Elementi tima su ljudi koji ga čine. Samo gomila nije kibernetički sistem.

Program- redoslijed promjena u sistemu u prostoru i vremenu, koji se mogu ugraditi u strukturu sistema ili u nju ući izvana.

Veza- proces interakcije elemenata jedni s drugima, u kojem dolazi do razmjene materije, energije, informacija.

Poruke su kontinuirane i diskretne.

Kontinuirano imaju karakter konstantno promenljive vrednosti (krvni pritisak, temperatura, napetost mišića, muzičke melodije).

Diskretno- sastoje se od zasebnih koraka ili gradacija koje se međusobno razlikuju (dijelovi medijatora, dušična baza DNK, tačke i crtice Morzeove azbuke)

Važan je i proces kodiranja informacija. Kodiran je nervnim impulsima za percepciju informacija od strane nervnih centara. Elementi koda - simboli i pozicije. Simboli su bezdimenzionalne veličine koje nešto razlikuju (slova abecede, matematički znakovi, nervni impulsi, molekuli mirisnih tvari i položaji određuju prostorni i vremenski raspored simbola).

Informacijski kod sadrži iste informacije kao i originalna poruka. Ovo je fenomen izomorfizma. Kodni signal ima vrlo nisku energetsku vrijednost. Dolazak informacija ocjenjuje se prisustvom ili odsustvom signala.

Poruka i informacija nisu ista stvar, jer prema teoriji informacija

Informacije- mjera količine neizvjesnosti koja se eliminira nakon prijema poruke.

Mogućnost događaja a priori informacije.

Vjerovatnoća događaja nakon prijema informacije je a posteriori informacija.

Informativnost poruke će biti veća ako primljena informacija poveća posteriornu vjerovatnoću.

Svojstva informacija.

1. Informacija ima smisla samo ako postoje njeni prijemnici (potrošači) - "ako je TV u sobi, a u njoj nema nikoga"
2. Prisustvo signala ne znači nužno da se informacija prenosi, jer postoje poruke koje ne nose ništa novo za potrošača.
3. Informacije se mogu prenositi i na svjesnom i na podsvjesnom nivou.
4. Ako je događaj pouzdan (tj. njegova vjerovatnoća je P=1), poruka da se dogodio ne nosi nikakvu informaciju za potrošača
5. Poruka o događaju čija je vjerovatnoća P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Dezinformacije- negativna vrijednost informacije.

Mera neizvesnosti događaja - entropija(H)

Ako je log2 N=1 onda je N=2

Jedinica informacija - bit(dvostruka jedinica informacija)

H=lg N (hartli)

1 Hartley je količina informacija potrebna za odabir jedne od deset jednako vjerovatnih mogućnosti. 1 Hartley = 3,3 bita

Regulator može raditi na kompenzaciju, kada je učinak na tijelo kompenzacijsko djelovanje regulatora, što dovodi do normalizacije funkcije

Upravljanje je usmjereno na pokretanje fizioloških funkcija, njihovu korekciju i koordinaciju procesa.

Najstariji je humoralni mehanizam regulacije.

nervnog mehanizma.

neurohumoralni mehanizam.

Razvoj regulatornih mehanizama dovodi do činjenice da se životinje mogu kretati i mogu napustiti nepovoljno okruženje, za razliku od biljaka.

Outpost mehanizam (kod ljudi) - u obliku uslovnih refleksa. Na signalne podražaje možemo implementirati mjere za uticaj na okolinu.

Biofizika (biološka fizika) - nauka o najjednostavnijim i fundamentalnim interakcijama koje leže u osnovi bioloških procesa koji se odvijaju na različitim nivoima organizacije žive materije - molekularnom, ćelijskom, organizmu i populaciji.

Uvod

Teorijske konstrukcije i modeli biofizike zasnivaju se na konceptima energije, sile, vrste interakcija, na opštim konceptima fizičke i formalne kinetike, termodinamike i teorije informacija. Ovi koncepti odražavaju prirodu osnovnih interakcija i zakona kretanja materije, što je, kao što znate, predmet fizike - fundamentalne prirodne nauke. Biofizika kao biološka nauka fokusira se na biološke procese i pojave. Glavni trend moderne biofizike je prodor u najdublje, elementarne nivoe koji čine osnovu strukturalne organizacije živog.

Nastanak i razvoj biofizike usko je povezan sa intenzivnim prožimanjem ideja, teorijskih pristupa i metoda savremene biologije, fizike, hemije i matematike.

Moderna klasifikacija biofizike koju je usvojio IUPAB

Klasifikacija koju je usvojila Međunarodna unija čiste i primenjene biofizike (1961), koja odražava glavne biološke objekte u oblasti biofizičkih istraživanja, uključuje sledeće sekcije: molekularnu biofiziku, čiji je zadatak da proučava fizička i fizičko-hemijska svojstva makromolekule i molekularni kompleksi; biofizika ćelije, koja proučava fizičko-hemijske osnove života ćelije, odnos između molekularne strukture membrana i ćelijskih organela i njihovih funkcija, obrazaca koordinacije ćelijskih procesa, njihovih mehaničkih i električnih svojstava, energije i termodinamike ćelijskih procesa; biofizika složenih sistema, koji uključuju pojedinačne organele, čitave organizme i populacije; biofizika procesa upravljanja i regulacije, koja se bavi proučavanjem i modeliranjem principa upravljanja u biološkim sistemima. Postoje i dijelovi biofizike: struktura biopolimera (proteini, DNK, lipidi), biomehanika, biološka optika, biomagnetizam, biološka termodinamika. Biofizika takođe obuhvata oblasti nauke koje proučavaju mehanizme uticaja na biološke sisteme različitih fizičkih faktora (svetlo, jonizujuće zračenje, elektromagnetna polja, itd.).

Istorija prodora principa fizike i matematike u biologiju

Početak proučavanja fizičkih svojstava bioloških objekata vezuje se za radove G. Galilea i R. Descartesa (17. vek), koji su postavili temelje mehanike, na čijim principima su učinjeni prvi pokušaji da se objasne neki životni procesi. Descartes je, na primjer, vjerovao da je ljudsko tijelo poput složene mašine, koja se sastoji od istih elemenata kao i neorganska tijela. Italijanski fizičar G. Borelli primijenio je principe mehanike u opisivanju mehanizama kretanja životinja. W. Harvey je 1628. godine opisao mehanizam cirkulacije krvi na osnovu zakona hidraulike. U 18. vijeku otkrića u oblasti fizike i unapređenje njenog matematičkog aparata bila su od velikog značaja za razumevanje fizičko-hemijskih procesa koji se dešavaju u živim organizmima. Upotreba fizičkih pristupa dala je poticaj uvođenju eksperimentalnih metoda i ideja egzaktnih znanosti u biologiju. L. Euler je matematički opisao kretanje krvi kroz krvne sudove. M.V. Lomonosov je napravio niz općih sudova o prirodi okusa i vizualnih osjeta, iznio jednu od prvih teorija vida boja. A. Lavoisier i P. Laplace su pokazali jedinstvo zakona hemije za neorganska i organska tela, utvrdivši da je proces disanja sličan sporom sagorevanju i da je izvor toplote za žive organizme. Kreativna rasprava između A. Voltaija i L. Galvanija o problemu otkrića "živog elektriciteta" od strane potonjeg formirala je osnovu elektrofiziologije i odigrala je važnu ulogu u proučavanju elektriciteta općenito.

Razvoj biofizike u 19. - ranom 20. vijeku

U 19. vijeku razvoj biologije pratilo je obogaćivanje znanja o fizičko-hemijskim svojstvima bioloških struktura i procesa. Od velikog značaja bilo je stvaranje elektrolitičke teorije rastvora S. Arrheniusa, jonske teorije bioelektričnih fenomena V. Nernsta. Dobijene su osnovne ideje o prirodi i ulozi akcionih potencijala u mehanizmu nastanka i širenja ekscitacije duž nerva ( G. Helmholtz, E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Njemačka); Značaj osmotskih i električnih fenomena u životu ćelija i tkiva razjašnjen je zahvaljujući radu J. Loeba (SAD), W. Nernsta i R. Gerbera (Nemačka). Sve je to omogućilo Dubois-Reymondu da zaključi da se u materijalnim česticama organizama ne nalaze nove sile koje ne bi mogle djelovati izvan njih. Ovakav principijelni stav doveo je do kraja objašnjenja životnih procesa djelovanjem nekih posebnih "živih faktora koji nisu podložni fizičkim mjerenjima".

Domaći naučnici dali su značajan doprinos razvoju biofizike. NJIH. Sechenov proučavao obrasce rastvaranja plinova u krvi, biomehaniku pokreta. Kondenzatorsku teoriju ekscitacije nervnog tkiva, zasnovanu na nejednakoj pokretljivosti jona, predložio je V.Yu. Chagovets. K.A. Timirjazev je odredio fotosintetičku aktivnost pojedinih delova sunčevog spektra, uspostavljajući kvantitativne obrasce koji povezuju brzinu procesa fotosinteze i apsorpciju svetlosti hlorofilom u listovima različitog spektralnog sastava. Ideje i metode fizike i fizičke hemije korišćene su u proučavanju pokreta, organa sluha i vida, fotosinteze, mehanizma generisanja elektromotorne sile u nervima i mišićima, važnosti jonskog okruženja za vitalnu aktivnost ćelije i tkiva. Godine 1905-15. N.K. Koltsov je proučavao ulogu fizičko-hemijskih faktora (površinski napon, koncentracija vodonikovih jona, katjona) u životu ćelije. P.P. Lazarev je zaslužan za razvoj jonske teorije ekscitacije (1916) i proučavanje kinetike fotohemijskih reakcija. Stvorio je prvu sovjetsku školu biofizičara, ujedinio oko sebe veliku grupu istaknutih naučnika (uključili su S.I. Vavilov, S.V. Kravkov, V.V. Shuleikin, S.V. Deryagin i drugi). Godine 1919. osnovao je Institut za biološku fiziku Narodnog komesarijata zdravlja u Moskvi, gdje su se radili na ionskoj teoriji ekscitacije, proučavanju kinetike reakcija koje se odvijaju pod djelovanjem svjetlosti, spektra apsorpcije i fluorescencije. bioloških objekata, kao i procesi primarnog uticaja na organizam različitih faktora sredine. Knjige V.I. Vernadsky (“Biosfera”, 1926), E.S. Bauer (“Teorijska biologija”, 1935), D.L. Rubinshtein (“Fizičko-hemijske osnove biologije”, 1932), N.K. Koltsov („Organizacija ćelije“, 1936), D.N. Nasonov i V.Ya. Aleksandrova („Reakcija žive materije na spoljašnje uticaje“, 1940) itd.

U drugoj polovini 20. veka napredak biofizike bio je u direktnoj vezi sa napretkom u fizici i hemiji, sa razvojem i unapređenjem istraživačkih metoda i teorijskih pristupa, te upotrebom elektronskih računara. S razvojem biofizike u biologiju su prodrle tako precizne eksperimentalne metode istraživanja kao što su spektralne, izotopske, difrakcijske i radiospektroskopske. Široki razvoj atomske energije podstakao je interesovanje za istraživanja u oblasti radiobiologije i radijacione biofizike.

Glavni rezultat početnog perioda razvoja biofizike je zaključak o fundamentalnoj primjenjivosti u oblasti biologije osnovnih zakona fizike kao fundamentalne prirodne nauke o zakonima kretanja materije. Od velikog opšteg metodološkog značaja za razvoj različitih oblasti biologije su dokazi zakona održanja energije dobijeni u ovom periodu (prvi zakon termodinamike), odobravanje principa hemijske kinetike kao osnove za dinamičko ponašanje. bioloških sistema, koncept otvorenih sistema i drugi zakon termodinamike u biološkim sistemima, i konačno, zaključak o odsustvu bilo kakvih posebnih "živih" oblika energije. Sve je to u velikoj mjeri uticalo na razvoj biologije, uz uspjehe biohemije i napredak u proučavanju strukture biopolimera, doprinijelo je formiranju vodećeg modernog pravca u biološkoj nauci - fizičke i hemijske biologije, u kojoj biofizika zauzima značajno mjesto. mjesto.

Glavni pravci istraživanja i dostignuća savremene biofizike

U modernoj biofizici postoje 2 glavne oblasti koje čine predmet biofizike - teorijska biofizika rješava opšte probleme termodinamike bioloških sistema, dinamičke organizacije i regulacije bioloških procesa, razmatra fizičku prirodu interakcija koje određuju strukturu, stabilnost i intramolekularnu dinamičku pokretljivost makromolekula i njihovih kompleksa, mehanizme transformacije energije u njima; i biofiziku specifičnih bioloških procesa ( ćelijska biofizika), čija se analiza vrši na osnovu opštih teorijskih koncepata. Glavni trend u razvoju biofizike povezan je sa prodorom u molekularne mehanizme koji leže u osnovi bioloških pojava na različitim nivoima organizacije živog.

U sadašnjoj fazi razvoja biofizike došlo je do temeljnih pomaka povezanih prvenstveno sa brzim razvojem teorijskih dijelova biofizike složenih sistema i molekularne biofizike. Upravo u ovim oblastima, baveći se pravilnostima dinamičkog ponašanja bioloških sistema i mehanizmima molekularnih interakcija u biostrukturama, dobijeni su opšti rezultati na osnovu kojih je biofizika formirala svoju teorijsku osnovu. Teorijski modeli razvijeni u odeljcima kao što su kinetika, termodinamika, teorija regulacije bioloških sistema, struktura biopolimera i njihova elektronska konformaciona svojstva čine osnovu u biofizici za analizu specifičnih bioloških procesa. Stvaranje ovakvih modela neophodno je da se identifikuju opšti principi fundamentalnih biološki značajnih interakcija na molekularnom i ćelijskom nivou, da se otkrije njihova priroda u skladu sa zakonima moderne fizike i hemije koristeći najnovija dostignuća matematike i da se razvijaju na osnovu ovih početnih generalizovanih pojmova koji su adekvatni opisanim biološkim fenomenima.

Najvažnija karakteristika je da konstrukcija modela u biofizici zahteva takvu modifikaciju ideja srodnih egzaktnih nauka, što je ekvivalentno razvoju novih koncepata u ovim naukama u primeni na analizu bioloških procesa. Sami biološki sistemi su izvor informacija koji stimulišu razvoj određenih oblasti fizike, hemije i matematike.

U oblasti biofizike složenih sistema, korišćenje principa hemijske kinetike za analizu metaboličkih procesa otvorilo je široke mogućnosti za njihovo matematičko modelovanje korišćenjem običnih diferencijalnih jednačina. U ovoj fazi dobijeni su mnogi važni rezultati, uglavnom u oblasti modeliranja fizioloških i biohemijskih procesa, dinamike rasta ćelija i veličine populacije u ekološkim sistemima. Od fundamentalnog značaja u razvoju matematičkog modeliranja složenih bioloških procesa bilo je odbacivanje ideje o obaveznom pronalaženju tačnih analitičkih rješenja odgovarajućih jednačina i korištenje kvalitativnih metoda za analizu diferencijalnih jednadžbi, koje omogućavaju otkrivaju opšte dinamičke karakteristike bioloških sistema. Ove karakteristike uključuju svojstva stacionarnih stanja, njihov broj, stabilnost, mogućnost prelaska iz jednog režima u drugi, prisustvo samooscilirajućih modova i haotizaciju dinamičkih modova.

Na osnovu toga su se razvile ideje o hijerarhiji vremena i „minimalnim“ i adekvatnim modelima koji sasvim u potpunosti odražavaju glavna svojstva objekta. Razvijena je i parametarska analiza dinamičkog ponašanja sistema, uključujući analizu osnovnih modela koji odražavaju različite aspekte samoorganizacije bioloških sistema u vremenu i prostoru. Uz to, sve važnija postaje upotreba vjerovatnog modela, koji odražavaju utjecaj stohastičkih faktora na determinističke procese u biološkim sistemima. Bifurkaciona zavisnost dinamičkog ponašanja sistema o kritičnim vrednostima parametara odražava pojavu dinamičke informacije u sistemu, koja se ostvaruje pri promeni režima rada.

Dostignuća biofizike koja su od opšteg biološkog značaja uključuju razumevanje termodinamičkih svojstava organizama i ćelija kao otvorenih sistema, formulaciju, na osnovu 2. zakona termodinamike, kriterijuma za evoluciju otvorenog sistema do stabilnog stanja. ( I. Prigogine); otkrivanje mehanizama oscilatornih procesa na nivou populacija, enzimskih reakcija. Na osnovu teorije autotalasnih procesa u aktivnim medijima, uspostavljeni su uslovi za spontanu pojavu disipativnih struktura u homogenim otvorenim sistemima. Na osnovu toga se grade modeli procesa morfogeneze, formiranja pravilnih struktura tokom rasta bakterijskih kultura, propagacije nervnog impulsa i nervnog pobuđivanja u neuronskim mrežama. Područje teorijske biofizike u razvoju je proučavanje porijekla i prirode bioloških informacija i njihovog odnosa sa entropijom, uslovima haosa i formiranja fraktalnih samosličnih struktura u složenim biološkim sistemima.

Generalno, razvoj jedinstvenog molekularno-kinetičkog opisa je hitan problem u biofizici, koji zahtijeva razvoj početnih osnovnih koncepata. Dakle, u oblasti termodinamike ireverzibilnih procesa, koncept hemijskog potencijala koji zavisi od ukupne koncentracije bilo koje komponente, i, striktno govoreći, koncept entropije više ne važe za heterogene sisteme koji su daleko od ravnoteže. U aktivnim makromolekularnim kompleksima intramolekularne transformacije prvenstveno zavise od prirode njihove organizacije, a ne od ukupne koncentracije pojedinih sastavnih komponenti. To zahtijeva razvoj novih kriterija za stabilnost i usmjerenost ireverzibilnih procesa u heterogenim neravnotežnim sistemima.

U molekularnoj biofizici proučavanje specifičnih bioloških procesa zasniva se na podacima iz proučavanja fizičko-hemijskih svojstava biopolimera (proteina i nukleinskih kiselina), njihove strukture, mehanizama samosastavljanja, unutarmolekulske mobilnosti itd. U biofizici je od velikog značaja primena savremenih eksperimentalnih metoda, prvenstveno radio spektroskopije (NMR, EPR), spektrofotometrije, analize difrakcije rendgenskih zraka, tunelske mikroskopije elektrona, mikroskopije atomske sile, laserske spektroskopije, raznih elektrometrijskih metoda, uključujući i korišćenje mikroelektrodne tehnologije. Oni omogućuju dobivanje informacija o mehanizmima molekularnih transformacija bez narušavanja integriteta bioloških objekata. Trenutno je utvrđena struktura od oko 1000 proteina. Dešifrovanje prostorne strukture enzima i njihovog aktivnog centra omogućava razumevanje prirode molekularnih mehanizama enzimske katalize i planiranje stvaranja novih lekova na osnovu toga. Mogućnosti ciljane sinteze biološki aktivnih supstanci, uključujući i lijekove, također se temelje na fundamentalnim istraživanjima odnosa između molekularne pokretljivosti i biološke aktivnosti takvih molekula.

U oblasti teorijske molekularne biofizike, ideje o elektronsko-konformacione interakcije - EKV(M.V. Wolkenstein), stohastička svojstva proteina ( O. Ptitsyn) čine osnovu za razumevanje principa funkcionisanja biomakromolekula. Specifičnost bioloških obrazaca, koji se u potpunosti otkrivaju na najvišim nivoima organizacije razvijenog biološkog sistema, ipak se manifestuje već na nižim molekularnim nivoima živog. Transformacija energije i pojava produkta reakcije u kompleksima postiže se kao rezultat intramolekularnih interakcija pojedinih dijelova makromolekule. Iz ovoga logično slijede ideje o jedinstvenosti makromolekula kao fizičkog objekta koji kombinuje interakcije u statističkim i mehaničkim stupnjevima slobode. Riječ je o idejama o makromolekulama, prvenstveno proteinskim, kao svojevrsnim molekularnim mašinama ( L.A. Blumenfeld, D.S. Chernavsky) omogućavaju objašnjenje transformacije različitih vrsta energije kao rezultat interakcije unutar jedne makromolekule. Plodnost biofizičke metode analize i izgradnje generaliziranih modela fizičke interakcije ogleda se u činjenici da nam princip EQI omogućava da funkcionisanje molekularnih mašina, naizgled udaljenih jedna od druge u svojoj biološkoj ulozi, razmotrimo iz jedinstvenog opštenaučnog. položaj - na primjer, molekularni kompleksi uključeni u primarne procese fotosinteze i vida, enzimsko-supstratni kompleksi enzimskih reakcija, molekularni mehanizmi ATP sintetaze, kao i prijenos iona kroz biološke membrane.

Biofizika proučava svojstva biološke membrane, njihova molekularna organizacija, konformaciona pokretljivost proteinskih i lipidnih komponenti, njihova otpornost na temperaturu, peroksidacija lipida, njihova permeabilnost za neelektrolite i različite jone, molekularna struktura i mehanizmi funkcionisanja jonskih kanala, međućelijske interakcije. Velika pažnja se poklanja mehanizmima konverzije energije u biostrukturama (videti čl. Bioenergetika), gde su oni povezani sa prenosom elektrona i sa transformacijom energije elektronske ekscitacije. Uloga slobodnih radikala u živim sistemima i njihov značaj u štetnom dejstvu jonizujućeg zračenja, kao i u razvoju niza drugih patoloških procesa ( N.M. Emanuel, B.N. Tarusov). Jedna od grana biofizike koja se graniči sa biohemijom je mehanohemija, koja proučava mehanizme međukonverzije hemijske i mehaničke energije povezane sa kontrakcijom mišića, kretanjem cilija i flagela, kretanjem organela i protoplazme u ćelijama. Važno mjesto zauzima "kvantna" biofizika, koja proučava primarne procese interakcije bioloških struktura sa kvantima svjetlosti (fotosinteza, vid, efekti na kožu, itd.), mehanizme bioluminiscencije i fototropnih reakcija, djelovanje ultraljubičastog i vidljivo svjetlo ( fotodinamički efekti) na biološkim objektima. Još 40-ih godina. 20 in . A.N. Terenin otkrili su ulogu tripletnih stanja u fotohemijskim i brojnim fotobiološkim procesima. AA. Krasnovsky pokazali su sposobnost hlorofila pobuđenog svjetlošću da se podvrgne redoks transformacijama, koje su u osnovi primarnih procesa fotosinteze. Savremene metode laserske spektroskopije daju direktne informacije o kinetici odgovarajućih fotoindukovanih elektronskih prelaza, vibracija atomskih grupa u rasponu od 50-100 femtosekundi do 10 -12 -10 -6 s i više.

Ideje i metode biofizike ne samo da se široko koriste u proučavanju bioloških procesa na makromolekularnom i ćelijskom nivou, već su se proširile, posebno poslednjih godina, na populacijske i ekosistemske nivoe organizacije žive prirode.

Napredak biofizike se u velikoj mjeri koristi u medicini i ekologiji. Medicinska biofizika se bavi identifikacijom u tijelu (ćeliji) na molekularnom nivou početnih faza patoloških promjena. Rana dijagnoza bolesti zasniva se na registraciji spektralnih promjena, luminescencije, električne provodljivosti krvi i uzoraka tkiva koji prate bolest (na primjer, nivo hemiluminiscencije može se koristiti za suđenje prirode peroksidacije lipida). analizira molekularne mehanizme djelovanja abiotskih faktora (temperatura, svjetlost, elektromagnetna polja, antropogena zagađenja itd.) na biološke strukture, održivost i stabilnost organizama. Najvažniji zadatak ekološke biofizike je razvoj ekspresnih metoda za procjenu stanja ekosistema. U ovoj oblasti jedan od najvažnijih zadataka je procena toksičnosti fundamentalno novih materijala – nanomaterijala, kao i mehanizama njihove interakcije sa biološkim sistemima.

U Rusiji se istraživanja u biofizici sprovode u brojnim istraživačkim institutima i univerzitetima. Jedno od vodećih mesta pripada naučnom centru u Puščinu, gde je 1962. godine organizovan Institut za biološku fiziku Akademije nauka SSSR, koji je kasnije podeljen na Institut za biofiziku ćelije RAS(direktor - dopisni član Ruske akademije nauka E.E. Fesenko) i Institut za teorijsku i eksperimentalnu biofiziku RAS(direktor - dopisni član RAN G.R. Ivanitsky. Biofizika se aktivno razvija u Institut za biofiziku Ministarstva zdravlja Ruske Federacije, Institut za molekularnu biologiju RAS i Institut za proteine ​​RAS, Institut za biofiziku SB RAS(direktor - dopisni član Ruske akademije nauka Degermedzhi A.G.), na univerzitetima u Moskvi. Sankt Peterburg i Voronjež, u, u itd.

Razvoj biofizičkog obrazovanja u Rusiji

Paralelno sa razvojem istraživanja, odvijalo se formiranje baze za obuku stručnjaka iz oblasti biofizike. Prvi u SSSR Katedri za biofiziku na Fakultetu za biologiju i nauku o zemljištu Moskovskog državnog univerziteta organizovana je 1953. (B.N. Tarusov), a 1959. godine otvorena je katedra za biofiziku na Fizičkom fakultetu Moskovskog državnog univerziteta (L.A. Blumenfeld). Oba ova odjela nisu samo edukativni centri koji obučavaju kvalifikovane biofizičare, već i veliki istraživački centri. Odsjeci za biofiziku tada su organizirani na nizu drugih univerziteta u zemlji, uključujući Državni univerzitet "Moskovski institut za fiziku i tehnologiju", in Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet "MEPhI" kao i na vodećim medicinskim univerzitetima. Kurs biofizike se predaje na svim univerzitetima u zemlji. Biofizička istraživanja se provode na institutima i univerzitetima u mnogim zemljama svijeta. Međunarodni kongresi o biofizici održavaju se redovno svake 3 godine. Društva biofizičara postoje u SAD-u, Velikoj Britaniji i nizu drugih zemalja. U Rusiji, Naučni savet za biofiziku pri Ruskoj akademiji nauka koordinira naučni rad i ostvaruje međunarodne odnose. Sekcija za biofiziku je dostupna na Moskovsko društvo prirodnjaka.

Među časopisima u kojima se objavljuju članci o biofizici su: "Biofizika" (M., 1956 -); "Molekularna biologija" (M., 1967 -); "Radiobiologija" (M., 1961 - trenutno "Radicijska biologija. Radioekologija"); "Biološke membrane" (M., 19 -) "Napredak u biološkoj i medicinskoj fizici" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N.Y. - Amst., 1947. -); "Biophysical Journal" (N.Y., I960 -); "Bilten matematičke biofizike" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. U 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 -) ; Evropski časopis za biofiziku (); Časopis za teorijsku biologiju (1961).

Preporučeno čitanje

Blumenfeld L.A. Problemi biološke fizike. M., 1977

Volkenstein M.V. Biofizika. M., 1981

M. Jackson. Molekularna i ćelijska biofizika. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Samoorganizacija u neravnotežnim strukturama. per. sa engleskog. M., 1979;

Rubin A.B. Biofizika. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004. (3. izdanje)

A.V., Ptitsyn O.B. Fizika proteina. M., 2002.

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE

DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA

VISOKO STRUČNO OBRAZOVANJE

"IRKUTSKI DRŽAVNI PEDAGOŠKI UNIVERZITET"

Odsjek za fiziku

Fakultet matematike, fizike i

informatika

specijalnost „540200 – fizička

matematičko obrazovanje"

profil fizike

Kvalifikacija diplomirani fizičko-matematičko obrazovanje

Dopisni oblik obrazovanja

NASTAVNI RAD

Biofizika na časovima fizike u 7-9 razredu

Završila: Rudykh Tatyana Valerievna

Naučni savjetnik: kandidat

fizike i matematike Lyubushkina Lyudmila Mikhailovna

Datum zaštite ___________________

Označi _______________________

Irkutsk 2009

Uvod 3

POGLAVLJEI . FORMIRANJE BIOFIZIKE

1.1. Doprinos naučnika razvoju biofizike 5

1.2. Osnivač biofizike 10

1.3. Stvaranje kvantne teorije 11

1.4. Primijenjena biofizika 14

1.5. Promjene u biofizici 16

1.6. Biofizika kao teorijska biologija 18

1.7. Biofizička istraživanja u fizici 21

1.8. Biofizička istraživanja u biologiji 23

POGLAVLJEII. BIOFIZIKA NA ČASIMA FIZIKE

2.1. Elementi biofizike u nastavi fizike u 7-9 razredima 24

2.2. Primena biofizike u nastavi u osnovnoj školi 25

2.3. Blitz turnir "Fizika u divljini" 33

Zaključak 35

Literatura 36

Uvod

Relevantnost istraživanja:

Pogled na svijet je najvažnija komponenta strukture ličnosti. Uključuje sistem uopštenih pogleda na svet, o mestu čoveka u njemu, kao i sistem pogleda, verovanja, ideala, principa koji odgovaraju određenom pogledu na svet. Proces formiranja pogleda na svijet odvija se intenzivno u školskom uzrastu. Već u osnovnoj školi (7-9 razred) učenici treba da shvate da će im proučavanje fizičkih pojava i zakona pomoći u razumijevanju svijeta oko sebe.

Međutim, većina novih udžbenika fizike, posebno za starije osnovne i specijalizovane škole, ne doprinose holističkoj percepciji gradiva koje se izučava. Interes djece za ovu temu postepeno nestaje. Stoga je važan zadatak srednje škole da u svijesti učenika stvori opštu sliku svijeta sa svojim jedinstvom i raznolikošću svojstava nežive i žive prirode. Integritet slike svijeta postiže se uz druge tehnike i interdisciplinarno povezivanje.

Svaka tema školskog kursa fizike uključuje elemente naučnog znanja koji su neophodni za formiranje pogleda na svijet i za asimilaciju osnovnih koncepata discipline koja se proučava od strane školaraca. Budući da sadržaj prirodnonaučnih disciplina nije rigidno strukturiran u obrazovnim standardima i programima, često znanje učenika nije sistematizovano, formalno.

Problem istraživanja sastoji se u potrebi formiranja holističke percepcije fizičke slike svijeta i nedostatku odgovarajuće sistematizacije i generalizacije nastavnog materijala predmetne discipline fizike.

Svrha studije: Pratiti integraciju dva predmeta prirodno-naučnog ciklusa – fizike i biologije.

Predmet studija: Biofizika i njen odnos sa drugim predmetima.

Predmet studija: Biofizika na časovima fizike u 7-9 razreduglavna škola.

Realizacija postavljenog cilja zahtijevala je rješenje niza specifični zadaci:

Proučiti i analizirati nastavnu i metodičku literaturu na temu istraživanja.

Analizirati različite biofizičke pojave.

Odaberite eksperimentalne zadatke, razne vrste zadataka, za čije rješavanje je potrebno poznavanje fizike i biologije.

Praktični značaj studije: rezultati rada se mogu preporučiti za praktičnu upotrebu nastavnici u nastavi fizike u svim obrazovnim institucijama.

Logika studije odredila je strukturu rada, koja se sastoji od uvoda, dva poglavlja, zaključka, liste literature. Prvo poglavlje posvećeno je analizi obrazovne literature na temu "Biofizika i njen odnos sa drugim predmetima", drugo poglavlje ispituje odnos fizike i biologije na primjeru konkretnih zadataka.

U zaključku su sumirani rezultati studije i date preporuke za unapređenje primjene biofizičkih fenomena u izučavanju školskog predmeta fizika.

Poglavlje I. FORMIRANJE BIOFIZIKE

1.1. Doprinos naučnika razvoju biofizike.

Biofizika- grana prirodnih nauka koja se bavi fizičkim i fizičko-hemijskim principima organizacije i funkcionisanja bioloških sistema na svim nivoima (od submolekularnog do biosferskog), uključujući njihov matematički opis. Biofizika se u osnovi bavi mehanizmima i svojstvima živih sistema. Život je otvoren sistem sposoban za samoodržavanje i samoreprodukciju.

Kao multidisciplinarna nauka, biofizika je nastala u 20. veku, ali njena praistorija seže više od jednog veka. Kao i nauke koje su dovele do njenog nastanka (fizika, biologija, medicina, hemija, matematika), biofizika je do sredine prošlog veka doživjela niz revolucionarnih transformacija. Poznato je da su fizika, biologija, hemija i medicina blisko povezane nauke, ali smo navikli da se one proučavaju zasebno i nezavisno. U suštini, nezavisno odvojeno proučavanje ovih nauka je pogrešno. Prirodnjak može postaviti neživoj prirodi samo dva pitanja: "Šta?" I kako?". "Šta" je predmet istraživanja, "kako" - kako je ovaj predmet uređen. Biološka evolucija je dovela divlje životinje do jedinstvene svrhovitosti. Stoga, biolog, ljekar, humanista može postaviti i treće pitanje: „Zašto?“ ili “Za šta?”. Pitajte "Zašto Mjesec?" možda pesnik, ali ne naučnik.

Naučnici su znali kako da prirodi postave prava pitanja. Dali su neprocjenjiv doprinos razvoju fizike, biologije, hemije i medicine – nauka koje su zajedno sa matematikom formirale biofiziku.

Od vremena Aristotel (384 - 322 pne) fizika je uključivala sveukupnost informacija o neživoj i živoj prirodi (od grčkog. "Physis" - "Priroda"). Stepenice prirode u njegovom pogledu: anorganski svijet, biljke, životinje, čovjek. Primarni kvaliteti materije su dva para suprotnosti "toplo - hladno", "suvo - mokro". Osnovni elementi elemenata su zemlja, vazduh, voda, vatra. Najviši, najsavršeniji element je etar. Sami elementi su različite kombinacije primarnih kvaliteta: kombinacija hladnog i suvog odgovara zemlji, hladnog vlažnog - vodi, toplog vlažnog - vazduha, toplog suvog - vatri. Koncept etra je kasnije poslužio kao osnova za mnoge fizičke i biološke teorije. U modernim terminima, Aristotelove ideje se zasnivaju na neaditivnosti dodavanja prirodnih faktora (sinergizam) i hijerarhiji prirodnih sistema.

Kao egzaktna prirodna nauka, kao nauka u savremenom konceptu, fizika potiče iz Galileo Galilei (1564. - 1642.), koji je u početku studirao medicinu na Univerzitetu u Pizi, a tek onda se zainteresovao za geometriju, mehaniku i astronomiju, spise Arhimed (oko 287 - 212 pne) i Euklid (3. vek pne).

Univerziteti pružaju jedinstvenu priliku da doživite vremensku povezanost nauka, posebno fizike, medicine i biologije. Tako je u 16-18 vijeku, smjer medicine, koji se zvao "jatrofizika" ili "jatromehanika" (od grčkog "iatros" - "liječnik"). Doktori su pokušavali da objasne sve pojave u zdravom i bolesnom ljudskom i životinjskom tijelu na osnovu zakona fizike ili hemije. I tada, iu kasnijim vremenima, veza između fizike i medicine, fizičara i biologa bila je najbliža, nakon jatrofizike pojavila se jatrohemija. Podjela nauke na "živo i neživo" dogodila se relativno nedavno. Neosporno je učešće fizike sa svojim snažnim i duboko razvijenim teorijskim, eksperimentalnim i metodološkim pristupima u rješavanju temeljnih problema biologije i medicine, međutim, treba priznati da je u istorijskom aspektu fizike u velikoj mjeri dužna liječnicima, koji bili najobrazovaniji ljudi svog vremena i čiji je doprinos stvaranju temeljnih osnova klasične fizike neprocjenjiv. Naravno, govorimo o klasičnoj fizici.

Među najstarijim predmetima biofizičkih istraživanja, koliko god to na prvi pogled izgledalo čudno, treba spomenuti bioluminiscenciju, budući da je emisija svjetlosti živih organizama dugo bila zanimljiva prirodnim filozofima. Aristotel je prvi put skrenuo pažnju na ovaj efekat sa svojim učenikom Aleksandrom Velikim, kome je pokazao sjaj primorja i razlog tome video u luminiscenciji morskih organizama. Prvu naučnu studiju o "životinjskom" sjaju napravio je Atanasis Kircher (1601. - 1680.), nemački sveštenik, enciklopedista, poznat kao geograf, astronom, matematičar, lingvista, muzičar i lekar, tvorac prvih prirodnih naučnih zbirki i muzeja, dva poglavlja svoje knjige "Umetnost velikog svetla i senke" ("Ars magna Lucis et Umbrae ») posvetio se bioluminiscenciji.

Po prirodi svojih naučnih interesovanja, najveći fizičar se može pripisati biofizičarima Isak Njutn (1643. - 1727.), koji se zanimao za probleme povezanosti fizičkih i fizioloških procesa u organizmima, a posebno se bavio pitanjima vida boja. Dovršavajući svoje Principie, Newton je 1687. napisao: „Sada treba dodati nešto o nekom vrlo tankom etru koji prodire u sva čvrsta tijela i sadržan je u njima, čijom se silom i djelovanjem čestice tijela na vrlo malim udaljenostima međusobno privlače, a kada dolaze u kontakt kohezivna, naelektrisana tela deluju na velike udaljenosti, odbijaju i privlače bliska tela, svetlost se emituje, reflektuje, lomi, odbija i zagreva tela, svako osećanje je uzbuđeno, tera udove životinja da se kreću po volji, bivaju prenosi se vibracijama ovog etra od vanjskih osjetilnih organa do mozga i od mozga do mišića.

Jedan od osnivača moderne francuske hemije Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) zajedno sa svojim sunarodnikom astronomom, matematičarem i fizičarem Pierre Simon Laplace (1749. - 1827.) bavili su se kalorimetrijom, granom biofizike koja bi se sada nazvala biofizička termodinamika. Lavoisier je primijenio kvantitativne metode koje se bave termohemijom, oksidacijskim procesima. Lavoisier i Laplace su potkrijepili svoje ideje da ne postoje dvije hemije - "živa" i "neživa", za neorganska i organska tijela.

Među naše velike prethodnike, koji su postavili temelje biofizike, treba pripisati italijanskog anatoma Luigi Galvani(1737 - 1798) i fizike Alessandro Volta(1745 - 1827), tvorci učenja o elektricitetu. Galvani je eksperimentisao sa električnom mašinom i jedan od njegovih prijatelja je slučajno dodirnuo žablji but nožem koji će se koristiti za supu. Kada su se mišići žablje noge iznenada skupili, Galvanijeva supruga je primijetila da je električna mašina bljesnula i zapitala se "ima li veze između ovih događaja". Iako se Galvanijevo mišljenje o ovom fenomenu u pojedinostima razlikovalo od sljedećeg, sigurno je da je eksperiment ponovljen i potvrđen. , koji je izjavio da je noga služila samo kao detektor razlika u električnom potencijalu izvan nje. Galvanijeve pristalice izveli su eksperiment u kojem nisu bile uključene vanjske električne sile, čime su dokazali da struja koju proizvodi životinja može uzrokovati kontrakciju mišića. Ali bilo je također moguće da je kontrakcija uzrokovana kontaktom s metalima; Volta je napravio odgovarajuća istraživanja, koja su dovela do njegovog otkrića električne baterije, koja je bila toliko važna da su Galvanijeva istraživanja odstupila. Kao rezultat toga, proučavanje električnog potencijala kod životinja nestalo je iz naučne pažnje sve do 1827. Budući da je dugi niz godina žablja noga bila najosjetljiviji detektor razlika u potencijalu, konačno razumijevanje da struje mogu generirati živa tkiva nije došlo do galvanometri dovoljno osjetljivi da mjere struje koje se stvaraju u mišićima i male razlike u potencijalu kroz nervnu membranu.

U vezi s Galvanijevim radovima o "životinjskom elektricitetu" ne može se ne prisjetiti imena jednog austrijskog ljekara - fiziologa. Friedrich Anton Mesmer(1733-1815), koji je razvio ideje o iscjeljujućem "životinjskom magnetizmu", pomoću kojeg je, prema njegovoj pretpostavci, bilo moguće mijenjati stanje tijela, liječiti bolesti. Treba napomenuti da čak i sada efekti djelovanja električnih magnetnih i elektromagnetnih polja na žive sisteme ostaju u velikoj mjeri misterija za fundamentalnu nauku. Problemi ostaju i, zaista, interesovanje savremenih fizičara za proučavanje uticaja spoljašnjih fizičkih faktora na biološke sisteme ne jenjava.

Međutim, prije nego što su biologija i fizika uspjele da se razdvoje, objavljena je poznata knjiga "Gramatika nauke", koju je napisao engleski matematičar. Karl Pearson (1857 - 1935) u kojoj je dao jedna od prvih definicija biofizike (1892.): „Ne možemo sa potpunom sigurnošću reći da je život mehanizam sve dok ne budemo u mogućnosti da preciznije preciziramo šta tačno podrazumevamo pod pojmom „mehanizam“ u primeni na organska tela. Već sada se čini sigurnim da neke generalizacije fizike ... opisuju ... dio našeg osjetilnog iskustva u vezi sa životnim oblicima. Treba nam ... grana nauke koja za zadatak ima primenu zakona neorganskih pojava, fizike na razvoj organskih oblika. ... Činjenice biologije - morfologija, embriologija i fiziologija - čine posebne slučajeve primjene općih fizičkih zakona. ... Bilo bi bolje nazvati to biofizikom.”

1.2. Osnivač biofizike

Treba uzeti u obzir osnivača moderne biofizikeHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), koji je postao izvanredan fizičar, jedan od autora I zakon termodinamike. Dok je još bio mlad vojni hirurg, pokazao je da su metaboličke transformacije u mišićima striktno povezane s mehaničkim radom koji obavljaju i stvaranjem topline. U zrelim godinama mnogo se bavio problemima elektrodinamike. Godine 1858. postavio je temelje za teoriju vrtložnog kretanja tečnosti. Izvodio je i briljantne eksperimente u području biofizike nervnog impulsa, biofizike vida, bioakustike, razvio Jungovu ideju o tri vrste vidnih receptora, električna pražnjenja koja nastaju u električnom kolu imaju oscilatorni karakter. Interesovanje za oscilatorne procese u akustici, tečnostima, elektromagnetnim sistemima dovelo je naučnika do proučavanja talasnog procesa širenja nervnog impulsa. Helmholtz je bio taj koji je prvi počeo proučavati probleme aktivnih medija, mjereći s velikom preciznošću brzinu širenja nervnog impulsa u aksonima, koji su, sa moderne tačke gledišta, aktivni jednodimenzionalni medij. Godine 1868. Helmholtz je izabran za počasnog člana Petrogradske akademije nauka.

Sudbine ruskog naučnika, fiziologa i biofizičara povezane su na neverovatan način, Ivan Mihajlovič Sečenov(1829 - 1905) i Helmholca. Nakon što je 1856. do 1860. diplomirao na Moskovskom univerzitetu, studirao je i radio sa Helmholtzom. Od 1871. do 1876. Sečenov je radio na Novorosijskom univerzitetu u Odesi, zatim na univerzitetima u Sankt Peterburgu i Moskvi, proučavajući električne fenomene u nervnim tkivima i mehanizme transporta gasova u krvi.

1.3. Stvaranje kvantne teorije

Međutim, period klasične fizike 17.-19. vijeka završio se početkom 20. stoljeća najvećom revolucijom u fizici – stvaranjem kvantne teorije. Ovo i niz drugih novih oblasti fizike izdvajalo je iz kruga prirodnih nauka. U ovoj fazi interakcija između fizike i medicine značajno je promijenila svoj karakter: praktično sve moderne metode medicinske dijagnostike, terapije, farmakologije itd. počele su se zasnivati ​​na fizičkim pristupima i metodama. To ne umanjuje izuzetnu ulogu biohemije u razvoju medicine. . Stoga treba govoriti o onim izvanrednim naučnicima čija su imena povezana sa ujedinjenjem nauka i formiranjem biofizike. Riječ je o fizičarima koji su ušli u historiju biologije i medicine, o ljekarima koji su dali značajan doprinos fizici, iako bi se fizičarima činilo teško da uđu u specifične probleme medicine, duboko prožete idejama, znanjima i pristupima hemije. , biohemija, molekularna biologija itd. Istovremeno, liječnici se susreću i sa fundamentalnim poteškoćama u pokušaju da formulišu svoje potrebe i zadatke koji bi se mogli riješiti odgovarajućim fizičkim i fizičko-hemijskim metodama. Postoji samo jedan efikasan izlaz iz situacije i on je pronađen. Ovo je univerzalno univerzitetsko obrazovanje, kada studenti, budući naučnici, mogu i trebaju dobiti dva, tri, pa čak i četiri osnovna obrazovanja - fiziku, hemiju, medicinu, matematiku i biologiju.

Niels Bohr je tvrdio da se "nijedan rezultat biološkog istraživanja ne može nedvosmisleno opisati drugačije osim na osnovu koncepata fizike i hemije." To je značilo da su biologija, medicina, matematika, hemija i fizika ponovo, nakon skoro stoljeće i po razdvojenosti, počele da se spajaju, što je rezultiralo pojavom novih integralnih nauka kao što su biohemija, fizička hemija i biofizika.

Britanski fiziolog i biofizičar Archibald Vivienne Hill (r. 1886.), dobitnik Nobelove nagrade za fiziologiju (1922.) tvorac je temeljnih osnova na kojima se teorija mišićnih kontrakcija i danas razvija, ali već na molekularnom nivou. Hill je biofiziku opisao na ovaj način: „Postoje ljudi koji mogu formulirati problem u fizičkim terminima... koji mogu izraziti rezultat u terminima fizike. Ove intelektualne kvalitete više od bilo kojih posebnih uslova, fizički aparati i metode su potrebni, postati biofizičar ... Međutim ... fizičar koji ne može razviti biološki pristup, koga ne zanimaju živi procesi i funkcije ... koji biologiju smatra samo granom fizike, nema budućnosti u biofizici.

Ne samo u srednjem vijeku, već i u novije vrijeme, liječnici, biolozi i fizičari ravnopravno su učestvovali u razvoju kompleksa ovih nauka. Aleksandar Leonidovič Čiževski (1897-1964), koji je, između ostalih, stekao medicinsko obrazovanje na Moskovskom univerzitetu, dugi niz godina bavio se istraživanjima heliohronobiologije, uticaja zračnih jona na žive organizme i biofizike eritrocita. Njegova knjiga "Fizički faktori istorijskog procesa" nikada nije objavljena uprkos naporima P.P. Lazareva, N.K. Kolcova, narodnog komesara prosvete Lunačarskog i drugih.

Treba istaći i izvanrednog naučnika Gleb Mihajlovič Frank(1904-1976), koji je osnovao Institut za biofiziku Akademije nauka SSSR (1957), dobio je Nobelovu nagradu zajedno sa I. E. Tammom i P. A. Čerenkovom za stvaranje teorije "čerenkovskog zračenja". Oscilatorno ponašanje bioloških sistema svih nivoa, poznato od pamtivijeka, okupiralo je ne samo biologe, već i fizičke hemičare i fizičare. Otkriće fluktuacija u toku hemijskih reakcija u 19. veku kasnije je dovelo do pojave prvih analognih modela, kao što su "gvozdeni nerv", "živino srce".

Termodinamička linija razvoj biofizike bio je prirodno povezan sa evolucijom same termodinamike. Štaviše, neravnotežna priroda otvorenih bioloških sistema, koju su prirodnjaci intuitivno prihvatili, doprinela je formiranju termodinamike neravnotežnih sistema. Termodinamika ravnotežnih sistema, prvobitno povezana uglavnom sa kalorimetrijom, kasnije je dala značajan doprinos opisu strukturnih promena u ćelijama, metabolizmu i enzimskoj katalizi.

Spisak izuzetnih medicinskih fizičara mogao bi se značajno proširiti, ali cilj je da se otkriju duboke veze između biologije, hemije, medicine i fizike, nemogućnost diferenciranog postojanja ovih nauka. Velik dio biofizičkih istraživanja obavili su fizičari zainteresirani za biologiju; stoga, mora postojati način da naučnici obučeni za fiziku i fizičku hemiju pronađu svoj put do biologije i upoznaju se s problemima otvorenim za fizičku interpretaciju. Iako klasično orijentisani odjeli za biologiju često nude mjesta biofizičarima, oni nisu zamjena za centre u kojima su biofizička istraživanja centralna.

Biofizičari imaju sposobnost da podijele biološke probleme u segmente koji su pogodni za direktnu fizičku interpretaciju i da formulišu hipoteze koje se mogu eksperimentalno testirati. Glavno oruđe biofizike je relacija. Ovome se dodaje i sposobnost upotrebe složene fizičke teorije za proučavanje živih bića, na primjer: tehnologija difrakcije rendgenskih zraka bila je potrebna da se uspostavi struktura velikih molekula kao što su proteini. Biofizičari općenito prepoznaju upotrebu novih fizičkih alata, kao što su atomska magnetna rezonanca i elektronska spinska rezonanca, u proučavanju određenih problema u biologiji.

1.4. Applied Biophysics

Razvoj alata za biološke svrhe važan je aspekt nove oblasti primijenjene biofizike. Biomedicinski instrumenti se vjerovatno najčešće koriste u medicinskim ustanovama. Primijenjena biofizika je važna u području terapijske radiologije, u kojoj je mjerenje doze vrlo važno za liječenje, te dijagnostičke radiologije, posebno kod tehnologija koje uključuju lokalizaciju izotopa i skeniranje cijelog tijela, kao pomoć u dijagnostici tumora. Značaj kompjutera u utvrđivanju dijagnoze i liječenja pacijenata raste. Mogućnosti primjene primijenjene biofizike izgledaju beskrajne, jer dugo kašnjenje između razvoja istraživačkih alata i njihove primjene znači da će mnogi naučni alati zasnovani na već poznatim fizičkim principima uskoro postati bitni za medicinu.

Ruska biofizika kao grana nauke u velikoj meri se formirala među istaknutim ruskim naučnicima s kraja prošlog, početka ovog veka - fizičarima, biolozima, lekarima, blisko povezanim sa Moskovskim univerzitetom. Među njima su bili N.K.Koltsov, V.I.Vernadsky, P.N. Lebedev, P.P. Lazarev, kasnije - S.I.Vavilov, A.L. Chizhevsky i mnogi drugi.

James D. Watson(1928) zajedno sa engleskim biofizičarem i genetičarom Francis H.K. plakati(1916) i biofizičar Maurice Wilkins(1916) (koji je prvi dobio visokokvalitetne rendgenske snimke DNK zajedno sa Rosalind Franklin) stvorio je trodimenzionalni model DNK 1953. godine, koji je omogućio objašnjenje njenih bioloških funkcija i fizičko-hemijskih svojstava. Godine 1962. Watson, Crick i Wilkins dobili su Nobelovu nagradu za ovo djelo.

Prvo predavanje u Rusiji pod nazivom "Biofizika" pročitano je za doktore na klinici Moskovskog univerziteta 1922. Petr Petrovič Lazarev(1878. - 1942.), izabran 1917. po nominaciji Ivan Petrovič Pavlov(1849 - 1936) akademik. P. P. Lazarev je diplomirao na Medicinskom fakultetu Moskovskog univerziteta 1901. godine. Zatim je završio potpuni kurs fizike i matematike i radio u laboratoriju za fiziku koji je vodio Petr Nikolajevič Lebedev(1866-1912), jedan od osnivača eksperimentalne fizike u Rusiji, tvorac prve ruske naučne fizičke škole, koji je 1985. primio i proučavao milimetarske elektromagnetne talase, otkrio i izmjerio svjetlosni pritisak na čvrsta tijela i plinove (1999-1907) , koji je potvrdio elektromagnetnu teoriju svjetlosti. Lazarev je 1912. godine vodio laboratoriju svog učitelja. Prvi biofizičar, akademik Lazarev, bio je na čelu jedinstvenog Instituta za fiziku i biofiziku, nastalog još za života Lebedeva. Od 1920. do 1931. P. P. Lazarev je bio na čelu ovog Državnog instituta za biofiziku, nastalog na njegovu inicijativu, Lazarev je osnivač medicinske radiologije, njegov institut je imao prvu i jedinu rendgensku jedinicu na kojoj je Lenjin fotografisan nakon pokušaja atentata 1918. nakon čega je Lazarev postao inicijator i prvi direktor Instituta za medicinsku radiologiju. Lazarev je takođe organizovao rad na magnetnom mapiranju Kurske magnetne anomalije, zahvaljujući čemu je formiran kadar Instituta za fiziku Zemlje. Međutim, Institut za biofiziku i fiziku je uništen nakon hapšenja Lazareva 1931. godine, a 1934. godine u ovoj zgradi je osnovan FIAN Lebedev.

1.5. Promjene u biofizici

Od 1940-ih počele su dramatične promjene u biofizici. I to je bio poziv vremena - sredinom našeg veka fizika, koja je napravila fenomenalan skok, aktivno je ulazila u biologiju. Međutim, do kraja 1950-ih, euforija od iščekivanja brzog rješenja složenih problema života brzo je prošla: fizičarima bez temeljnog biološkog i hemijskog obrazovanja bilo je teško izdvojiti pristupačne fizici, ali „biološki značajne“ aspekte funkcionisanja živih sistema, a pravi biolozi i biohemičari o postojanju specifičnih fizičkih problema i pristupa, po pravilu, nisu sumnjali. Hitna potreba za nauku tih i narednih dana bila je obuka specijalista sa tri osnovne formacije: fizičkom, biološkom i hemijskom.

Kod nas je postojao još jedan važan razlog za nastanak 1940-ih godina bliskog saveza između biologije i fizike. Nakon nestručne, destruktivne intervencije tadašnjih političara u fundamentalne oblasti genetike, molekularne biologije, teorije i prakse upravljanja prirodom, neki od biologa su mogli da nastave svoja istraživanja samo u naučnim ustanovama fizičkog profila.

Kao i svaka granična oblast znanja, zasnovana na fundamentalnim naukama fizike, biologije, hemije, matematike, na dostignućima medicine, geofizike i geohemije, astronomije i fizike svemira itd. Biofizika od svojih nosilaca u početku zahteva integralni, enciklopedijski pristup sebi, budući da je usmerena na rasvetljavanje mehanizama funkcionisanja živih sistema na svim nivoima organizacije žive materije. Štaviše, ovo uslovljava i česte nesporazume u odnosu na biofiziku i biofizičare od strane kolega, predstavnika srodnih disciplina. Teško je, ponekad gotovo nemoguće, razlikovati biofiziku i fiziologiju, biofiziku i ćelijsku biologiju, biofiziku i biohemiju, biofiziku i ekologiju, biofiziku i hronobiologiju, biofiziku i matematičko modeliranje bioloških procesa itd. Dakle, biofizika je usmjerena na rasvjetljavanje mehanizama funkcionisanja bioloških sistema na svim nivoima i na osnovu svih pristupa prirodnih nauka.

1.6. Biofizika - kao teorijska biologija

Poznato je da se biofizikom bave biolozi, hemičari, lekari, inženjeri i vojska, ali se sistem za obuku biofizičara pokazao optimalnim na osnovu opšteg univerzitetskog obrazovanja fizike. Istovremeno, biofizika se tretirala i tretira kao teorijska biologija, tj. nauka o osnovnim fizičkim i fizičko-hemijskim osnovama strukture i funkcionisanja živih sistema na svim nivoima organizacije - od submolekularnog nivoa do nivoa biosfere. Predmet biofizike su živi sistemi, metoda je fizika, fizička hemija, biohemija i matematika.

Pedesetih godina 20. vijeka studenti Fizičkog fakulteta, slijedeći svoje nastavnike, pokazuju interesovanje i za probleme medicine i biologije. Štaviše, činilo se mogućim dati rigoroznu fizičku analizu najčudnijeg fenomena u Univerzumu – fenomena Života. Knjiga je prevedena 1947 E. Schrödinger„Šta je život? Sa stanovišta fizike. Citološki aspekt živog”, predavanja I.E.Tamma, N.V. Timofejev-Resovski, najnovija otkrića u biohemiji i biofizici navela su grupu studenata da se prijave rektoru Moskovskog državnog univerziteta I.G. Petrovsky sa zahtjevom za uvođenje nastave biofizike na Fizičkom fakultetu. Rektor je veliku pažnju posvetio inicijativi studenata. Organizovana su predavanja i seminari, kojima su sa oduševljenjem prisustvovali ne samo inicijatori, već i kolege koji su im se pridružili, koji su kasnije formirali prvu grupu za specijalizaciju „Biofizika“ Fizičkog fakulteta Moskovskog državnog univerziteta i sada su ponos ruskog biofizika.

Katedra za biofiziku Biološkog fakulteta osnovana je 1953. godine. Njegova prva glava bila je B.N. Tarusov. Trenutno vodi Katedru za biofiziku Biološkog fakulteta A.B. Ruby. A u jesen 1959. prvi u svijetu Zavod za biofiziku, koji je počeo da obučava biofizičare od fizičara (prije toga su biofizičari obučavani od biologa ili doktora). Akademici I.G. Petrovsky, I.E. Tamm, N.N. -hemičar). Od strane administracije, stvaranje specijalizacije" biofizika» Dekan Profesor oličen je na Fizičkom fakultetu V.S. Fursov, koji je podržavao njen razvoj svih godina, i njegov zamjenik V.G. Zubov. Prvi zaposleni na odsjeku bili su fiziko-hemičar L.A. Blumenfeld, koji je vodio katedri skoro 30 godina, a sada je njen profesor, biohemičar S.E. Shnol, profesor katedre i fiziolog I.A. Kornienko.

U jesen 1959. godine na Fizičkom fakultetu Moskovskog univerziteta stvoren je prvi svetski odsek za biofiziku, koji je od fizičara počeo da obučava specijaliste za biofiziku. Za vrijeme postojanja odsjeka obučeno je oko 700 biofizičara.

Prvi zaposleni na odjelu bili su fizikohemičar L.A. Blumenfeld (1921. - 2002.), koji je vodio odjel 30 godina, biohemičar S.E. Shnol, profesor katedre, i fiziolog I.A. Kornienko. Formulisali su principe izgradnje sistema biofizičkog obrazovanja fizičara, postavili glavne pravce naučnog istraživanja na katedri.

Na Odsjeku za biofiziku L.A. Dugi niz godina Blumenfeld je držao predavanja "Fizička hemija", "Kvantna hemija i struktura molekula", "Izabrana poglavlja biofizike". Autor više od 200 radova, 6 monografija.

Naučna interesovanja V.A. Tverdislov su povezani sa biofizikom membrana, sa proučavanjem uloge neorganskih jona u biološkim sistemima, mehanizmima prenosa jona kroz ćelijske i modelne membrane pomoću jonskih pumpi. Predložio je i eksperimentalno razvio model za parametarsko odvajanje tečnih smjesa u periodičnim poljima u heterogenim sistemima.

Po obimu Fizičkog fakulteta, Odsjek za biofiziku je mali, ali se historijski pokazalo da istraživanja njegovih djelatnika preklapaju značajnu oblast fundamentalne i primijenjene biofizike. Značajna su dostignuća u oblasti proučavanja fizičkih mehanizama konverzije energije u biološkim sistemima, radio spektroskopije bioloških objekata, fizike enzimske katalize, biofizike membrana, proučavanja vodenih rastvora biomakromolekula, proučavanja procesa samoorganizacije. u biološkim i modelnim sistemima, regulaciji osnovnih bioloških procesa, u oblasti medicinske biofizike, nano- i bioelektronike, itd. Već dugi niz godina Katedra za biofiziku sarađuje sa univerzitetima i vodećim naučnim laboratorijama u Njemačkoj, Francuskoj, Engleskoj, SAD-u, Poljskoj, Češkoj i Slovačkoj, Švedskoj, Danskoj, Kini i Egiptu.

1.7. Biofizička istraživanja u fizici

Interes fizičara za biologiju u 19. veku. kontinuirano povećavao. Istovremeno se u biološkim disciplinama pojačala privlačnost prema fizičkim metodama istraživanja, one su sve više prodirale u najrazličitija područja biologije. Uz pomoć fizike, informacione mogućnosti mikroskopa se šire. Početkom 30-ih godina XX veka. pojavljuje se elektronski mikroskop. Radioaktivni izotopi, sve bolja spektralna tehnika i analiza difrakcije rendgenskih zraka postaju izborni alat za biološka istraživanja. Opseg rendgenskih i ultraljubičastih zraka se širi; elektromagnetne oscilacije se koriste ne samo kao sredstvo istraživanja, već i kao faktori koji utiču na organizam. Široko prodire u biologiju i, posebno fiziologiju, elektronsku tehnologiju.

Uporedo sa uvođenjem novih fizičkih metoda razvija se i molekularna biofizika. Postigavši ​​ogroman uspjeh u razumijevanju suštine nežive materije, fizika počinje tvrditi, koristeći tradicionalne metode, da dešifruje prirodu žive materije. U molekularnoj biofizici stvaraju se vrlo široke teorijske generalizacije uz uključivanje složenog matematičkog aparata. Slijedeći tradiciju, biofizičar nastoji u eksperimentu pobjeći od vrlo složenog („prljavog“) biološkog objekta i radije proučava ponašanje tvari izoliranih iz organizama u najčistijem mogućem obliku. Uvelike se razvija razvoj različitih modela bioloških struktura i procesa – električnih, elektronskih, matematičkih itd. Stvaraju se i proučavaju modeli kretanja ćelija (na primjer, kap žive u kiseloj otopini čini ritmične pokrete, poput amebe), permeabilnosti i provodljivosti živaca. Veliku pažnju posebno privlači model nervnog provođenja koji je kreirao F. Lilly. Ovo je prsten od željezne žice stavljen u otopinu hlorovodonične kiseline. Kada se na njega nanese ogrebotina, uništavajući površinski sloj oksida, nastaje električni potencijalni val, koji je vrlo sličan valovima koji putuju duž nerava kada su uzbuđeni. Mnoge studije (počevši od 1930-ih) su posvećene proučavanju ovog modela, koristeći matematičke metode analize. U budućnosti se stvara napredniji model zasnovan na teoriji kablova. Osnova njegove konstrukcije bila je neka fizička analogija između distribucije potencijala u električnom kablu i nervnom vlaknu.

Ostala područja molekularne biofizike su manje popularna. Među njima treba istaći matematičku biofiziku, čiji je lider N. Raševski. U SAD škola Raševski izdaje časopis Mathematical Biophysics. Matematička biofizika je povezana sa mnogim oblastima biologije. Ona ne samo da opisuje u matematičkom obliku kvantitativne obrasce takvih pojava kao što su rast, dioba ćelija, ekscitacija, već i pokušava analizirati složene fiziološke procese viših organizama.

1.8. Biofizička istraživanja u biologiji

Snažan podsticaj za formiranje biofizike bila je pojava krajem XIX - početkom XX veka. fizičku hemiju, diktiranu potrebom da se identifikuju mehanizmi koji leže u osnovi hemijske interakcije. Ova nova disciplina odmah je privukla pažnju biologa činjenicom da je otvorila mogućnost razumijevanja fizičko-hemijskih procesa u tim „prljavim“ živim sistemima iz ugla fizičara, s kojima im je bilo teško raditi. Brojni trendovi koji su se pojavili u fizičkoj hemiji doveli su do sličnih trendova u biofizici.

Jedan od najvećih razvoja u istoriji fizičke hemije bio je razvoj S. Arrhenius (Nobelova nagrada, 1903.) teorija elektrolitičke disocijacije soli u vodenim rastvorima (1887), koja je otkrila razloge njihove aktivnosti. Ova teorija je izazvala interesovanje fiziologa, koji su bili svjesni uloge soli u fenomenima ekscitacije, provođenju nervnih impulsa, u cirkulaciji krvi i tako dalje. Već 1890. godine mladi fiziolog V.Yu. Chagovets predstavlja studiju "O primjeni teorije Arrheniusove disocijacije na elektromotorne pojave u živim tkivima", u kojoj je pokušao povezati pojavu bioelektričnih potencijala sa neravnomjernom raspodjelom jona.

Određeni broj osnivača fizičke hemije učestvuje u prenošenju fizičko-hemijskih pojmova na biološke pojave. Na osnovu fenomena kretanja jona soli, W. Nernst (1908.) formulisao je svoj dobro poznati kvantitativni zakon ekscitacije: prag fiziološke ekscitacije određen je brojem prenesenih jona. Fizičar i hemičar W. Ostwald razvio je teoriju o nastanku bioelektričnih potencijala na osnovu pretpostavke da je na površini ćelije prisutna membrana koja je polupropusna za jone i koja je sposobna da odvoji ione suprotnog naelektrisanja. Time su postavljeni temelji biofizičkog pravca u tumačenju permeabilnosti i strukture bioloških membrana u širem smislu.

Poglavlje II. BIOFIZIKA NA ČASIMA FIZIKE

2.1. Elementi biofizike u nastavi fizike u 7-9 razredima

Karakteristična karakteristika moderne nauke je intenzivno međusobno prožimanje ideja, teorijskih pristupa i metoda svojstvenih različitim disciplinama. Ovo se posebno odnosi na fiziku, hemiju, biologiju i matematiku. Dakle, fizikalne metode istraživanja imaju široku primjenu u proučavanju žive prirode, a jedinstvenost ovog objekta oživljava nove, naprednije metode fizičkog istraživanja.

Uzimajući u obzir veze između fizike i biologije, potrebno je učenicima ukazati na zajedništvo niza zakona žive i nežive prirode, produbiti njihovo razumijevanje jedinstva materijalnog svijeta, odnosa i uslovljenosti pojava, njihove spoznajnosti, upoznati ih sa upotrebom fizikalnih metoda u proučavanju bioloških procesa.

U nastavi fizike potrebno je naglasiti da je karakterističan znak našeg vremena pojava niza složenih nauka. Razvila se biofizika – nauka koja proučava uticaj fizičkih faktora na žive organizme.

Privlačenje biofizičkih primjera služi za bolju asimilaciju kursa fizike. Biofizički materijal treba da bude direktno povezan sa nastavnim planom i programom predmeta iz fizike i biologije i da odražava oblasti koje najviše obećavaju u razvoju nauke i tehnologije. Veliki broj biofizičkih primjera može se odabrati za gotovo sve dijelove predmeta fizike, preporučljivo ih je koristiti uz primjere iz nežive prirode i iz tehnike.

2.2. Upotreba biofizike u nastavi u osnovnoj školi

Mehanika

Kretanje i sile.

Prilikom proučavanja teme "Kretanje i sile" u 7. razredu možete upoznati učenike sa brzinama kretanja različitih životinja. Puž za 1 sat prepuzi oko 5,5 m. Kornjača se kreće brzinom od oko 70 m/h. Muva leti brzinom od 5 m/s. Prosječna brzina hoda je oko 1,5 m/s, odnosno oko 5 km/h. Konj se može kretati brzinom od 30 km / h i više.

Maksimalna brzina nekih životinja: pas goniča - 90 km / h, noj - 120 km / h, gepard - 110 km / h, antilopa - 95 km / h.

Koristeći podatke o brzini različitih predstavnika životinjskog svijeta, moguće je riješiti različite vrste problema. Na primjer:

Brzina pužnice je 0,9 mm/s. Ovu brzinu izrazite u cm/min, m/h.

Sivi sokol, jureći plijen, roni brzinom od 300 km / h. Koju udaljenost prijeđe za 5 sekundi?

Poznato je da je prosječna stopa rasta hrasta oko 0,3 m godišnje. Koliko je star hrast visok 6,3 m?

Tel težina Gustina.

Tjelesna težina i volumen direktno su povezani s predstavnicima flore, na primjer, daju se sljedeći zadaci:

Odredite masu brezovog drveta ako je njegova zapremina 5 m 3.

Odredite zapreminu suvog bambusa ako je njegova masa 4800 kg.

Odredite gustinu drveta balze ako je njegova masa 50 tona, a zapremina 500 m 3.

Gravitacija.

Kada proučavate ovu temu, možete provesti sljedeći rad na obuci. Date su mase različitih sisara: kit - 70000 kg, slon - 4000 kg, nosorog - 2000 kg, bik - 1200 kg, medvjed - 400 kg, svinja 200 kg, čovjek - 70 kg, vuk - 40 kg, zec - 6 kg. Pronađite njihovu težinu u njutnima.

Isti podaci se mogu koristiti za grafički prikaz sila.

Pritisak tečnosti i gasova.

Na ljudsko tijelo, čija je površina, mase 60 kg i visine 160 cm, približno jednaka 1,6 m 2, djeluje sila od 160.000 N, zbog atmosferskog tlaka. Kako tijelo izdržava tako veliko opterećenje?

To se postiže činjenicom da pritisak tekućina koje ispunjavaju sudove tijela uravnotežuje vanjski pritisak.

Usko povezano s ovim pitanjem je mogućnost boravka pod vodom na velikim dubinama. Činjenica je da prenošenje tijela na drugi nivo uzrokuje slom njegovih funkcija. To je zbog deformacije zidova posuda, dizajniranih za određeni pritisak iznutra i izvana. Osim toga, kada se pritisak promijeni, mijenja se i brzina mnogih kemijskih reakcija, uslijed čega se mijenja i hemijska ravnoteža tijela. Kada se pritisak poveća, dolazi do povećane apsorpcije gasova telesnim tečnostima, a kada se smanji, dolazi do oslobađanja otopljenih gasova. Uz brzo smanjenje tlaka zbog intenzivnog oslobađanja plinova, krv takoreći ključa, što dovodi do začepljenja krvnih žila, često fatalnog. Ovo određuje maksimalnu dubinu na kojoj se mogu izvoditi ronilačke operacije (u pravilu ne niža od 50 metara). Spuštanje i podizanje moraju biti veoma sporo kako bi do oslobađanja gasova došlo samo u plućima, a ne odmah u celom cirkulatornom sistemu.

Primjeri nekih moći u divljini.

Snaga muhe u letu je 10 -5 vati.

Swordfish strike 10 5 -10 6 W.

Vjeruje se da osoba u normalnim radnim uvjetima može razviti snagu od oko 70-80 W, ali je moguće kratkotrajno povećanje snage za nekoliko puta. Dakle, osoba od 750 N može skočiti na visinu od 1 m za 1 s, što odgovara snazi ​​od 750 W; trkač razvija snagu od oko 1000 vati.

Trenutačno, ili eksplozivno, oslobađanje energije moguće je u sportovima kao što su bacanje kugle ili skok u vis. Zapažanja su pokazala da tokom skokova uvis uz istovremeni odboj s obje noge, neki muškarci razvijaju prosječnu snagu od oko 3700 W za 0,1 s, a žene - 2600 W.

Aparat za srce i pluća (AIC)

Završavajući studij mehanike, korisno je studentima pričati o uređaju srčano-plućnog aparata.

Prilikom operacija na srcu često je potrebno privremeno isključiti ga iz cirkulacije u tijelu (oko 4-5 litara za odraslog pacijenta), zadate temperature cirkulirajuće krvi.

Aparat srce-pluća sastoji se od dva glavna dijela: dijelova pumpe i generatora kisika. Pumpe obavljaju funkciju srca - održavaju pritisak i cirkulaciju krvi u krvnim sudovima tokom operacije. Generator kisika obavlja funkciju pluća i osigurava zasićenost krvi od najmanje 95% i održava parcijalni tlak CO 2 na nivou od 35-45 mm Hg. Art. Venska krv iz pacijentovih žila gravitacijom teče u generator kisika koji se nalazi ispod nivoa operacijskog stola, gdje se zasiti kisikom, oslobađa od viška ugljičnog dioksida, a zatim se arterijskom pumpom upumpava u krvotok pacijenta. AIK je dugo vremena u stanju zamijeniti funkcije srca i pluća.

Prilikom rješavanja problema u vezi sa živim objektima mora se voditi računa da se spriječi pogrešno tumačenje bioloških procesa.

Zadatak. Kako uz pomoć fizičkih predstava objasniti da se u oluji smreka lako iščupa iz korijena, dok je veća vjerovatnoća da će se borovo deblo slomiti?

Zainteresovani smo za analizu samo kvalitativne strane problema. Osim toga, zanima nas pitanje uporednog ponašanja oba stabla. Ulogu opterećenja u našem problemu igra sila vjetra F B. Silu vjetra koja djeluje na stablo možete dodati sili vjetra koja djeluje na krošnju, pa čak pretpostaviti da su sile vjetra koje djeluju na oba stabla iste . Tada bi, očigledno, dalje obrazloženje trebalo da bude sledeće. Korenov sistem bora seže dublje u zemlju nego kod smreke. Zbog toga je rame sile koja drži bor u tlu veće od ramena smreke. Stoga je za okretanje smreke s korijenom potreban manji moment sile i vjetra nego da se slomi. Stoga smreka ispada s korijenom češće od bora, a bor se češće lomi od smreke.

Proučavanje toplote i molekularnih fenomena

Uređaj "vještački bubreg"

Ovaj uređaj se koristi za hitnu medicinsku pomoć kod akutne intoksikacije; pripremiti pacijente s kroničnim zatajenjem bubrega za transplantaciju bubrega; za liječenje određenih poremećaja nervnog sistema (šizofrenija, depresija).

AIP je hemodijalizator u kojem krv dolazi u kontakt sa fiziološkom otopinom kroz polupropusnu membranu. Zbog razlike u osmotskim pritiscima, joni i molekuli metaboličkih produkata (urea i mokraćna kiselina), kao i razne toksične tvari koje treba ukloniti iz tijela, prolaze kroz membranu iz krvi u fiziološki rastvor.

kapilarne pojave.

Kada se razmatraju kapilarni fenomeni, treba naglasiti njihovu ulogu u biologiji, jer je većina biljnih i životinjskih tkiva prožeta ogromnim brojem kapilarnih sudova. U kapilarama se odvijaju glavni procesi povezani s disanjem i ishranom tijela, sva najsloženija hemija života, usko povezana s difuznim pojavama.

Sistem mnogih razgranatih cijevi sa elastičnim zidovima može poslužiti kao fizički model kardiovaskularnog sistema. Kako se grananje povećava, ukupni poprečni presjek cijevi se povećava, a brzina fluida se shodno tome smanjuje. Međutim, zbog činjenice da se bifurkacija sastoji od mnogo uskih kanala, gubici unutrašnjeg trenja se jako povećavaju i ukupni otpor kretanju fluida (uprkos smanjenju brzine) značajno raste.

Uloga površinskih pojava u životu žive prirode vrlo je raznolika. Na primjer, površinski film vode je podrška mnogim organizmima pri kretanju. Ovaj oblik kretanja nalazimo kod malih insekata i pauka. Neke životinje koje žive u vodi, ali nemaju škrge, obješene su odozdo na površinski film vode uz pomoć posebnih nemočivih čekinja koje okružuju njihove respiratorne organe. Ovu tehniku ​​koriste larve komaraca (uključujući malariju).

Za samostalan rad možete ponuditi zadatke kao što su:

Kako se poznavanje teorije molekularne kinetike može primijeniti da bi se objasnio mehanizam kojim biljne korijenske dlačice apsorbiraju hranjive tvari iz tla?

Kako objasniti vodootpornost slamnatog krova, sijena u stogovima?

Odrediti do koje se visine, pod dejstvom sila površinskog napona, diže voda u stabljikama biljaka koje imaju kapilare prečnika 0,4 mm. Može li se kapilarnost smatrati jedinim razlogom za porast vode duž stabljike biljke?

Da li je istina da laste koje lete nisko iznad zemlje najavljuju približavanje kiše?

Proučavanje vibracija i zvuka

Primjeri periodičnih procesa u biologiji: mnogi cvjetovi zatvaraju vijence kad padne noć; kod većine životinja postoji periodičnost u pojavljivanju potomstva; poznate su periodične promjene intenziteta fotosinteze u biljkama; fluktuacije doživljavaju veličinu jezgara u stanicama, itd.

Šumski zvuci.

Zvukovi šume (šuštanje) nastaju zbog vibracija lišća pod utjecajem vjetra i njihovog trenja jedno o drugo. To je posebno vidljivo na listovima jasike, jer su pričvršćeni za duge i tanke peteljke, pa su vrlo pokretni i njišu se i pri najslabijim strujama zraka.

Žabe imaju veoma glasan i prilično raznolik glas. Neke vrste žaba imaju zanimljive uređaje za pojačavanje zvuka u obliku velikih sfernih mjehurića na stranama glave, koji nabubre kada plaču i služe kao snažne rezonancije.

Zvuk insekata najčešće je uzrokovan brzim vibracijama krila tokom leta (komarci, muhe, pčele). Let insekta koji češće maše krilima doživljavamo kao zvuk više frekvencije, a samim tim i višeg. Neki insekti, kao što su skakavci, imaju posebne organe zvuka - niz klinčića na zadnjim nogama koji dodiruju rubove krila i uzrokuju njihovo vibriranje.

Pčela radilica koja izleti iz košnice radi mita napravi u prosjeku 180 otkucaja krila u sekundi. Kada se vrati sa opterećenjem, broj udaraca se povećava na 280. Kako to utiče na zvuk koji čujemo?

Zašto je let leptira tih?

Poznato je da mnoge žabe imaju velike, sferične plikove na stranama glave koji nabubre kada zovu. Koja je njihova svrha?

Šta određuje frekvenciju zvuka koji emituju insekti tokom leta?

Proučavanje optike i strukture atoma.

Light.

Svetlost je apsolutno neophodna za živu prirodu, jer joj služi kao izvor energije. Biljke koje nose hlorofil, sa izuzetkom nekih bakterija, jedini su organizmi sposobni sintetizirati vlastitu tvar iz vode, mineralnih soli i ugljičnog dioksida uz pomoć energije zračenja, koju u procesu asimilacije pretvaraju u kemijsku energiju. Svi ostali organizmi koji naseljavaju našu planetu – biljke i životinje – direktno ili indirektno ovise o biljkama koje nose hlorofil. Oni najjače apsorbuju zrake koje odgovaraju apsorpcionim trakama u spektru hlorofila. Dva su od njih: jedan leži u crvenom dijelu spektra, drugi u plavo-ljubičastom. Preostale zrake biljke reflektiraju. Oni su ti koji biljkama koje nose hlorofil daju zelenu boju. Biljke koje sadrže hlorofil predstavljene su višim biljkama, mahovinama i algama.

Oči raznih predstavnika životinjskog svijeta.

Kod vodozemaca, rožnjača oka je vrlo konveksna. Akomodacija očiju se vrši, kao i kod riba, kretanjem sočiva.

Ptice imaju veoma oštar vid, bolji od drugih životinja. Njihova očna jabučica je vrlo velika i ima osebujnu strukturu, zbog čega se vidno polje povećava. Ptice sa posebno oštrim vidom (lešinari, orlovi) imaju izduženu "teleskopsku" očnu jabučicu. Oči sisara koji žive u vodi (na primjer, kitova) podsjećaju na oči dubokomorskih riba u smislu ispupčenja rožnice i velikog indeksa loma.

Kako pčele vide boje.

Vizija pčela je drugačija od vizije ljudi. Osoba razlikuje oko 60 pojedinačnih boja vidljivog spektra. Pčele razlikuju samo 6 boja: žutu, plavo-zelenu, plavu, "ljubičastu", ljubičastu i ultraljubičastu nevidljivu za ljude. Pčelinja "magenta" boja je mješavina žutih i ultraljubičastih zraka spektra, vidljivih pčelama.

Za samostalan rad na ovoj sekciji možete ponuditi sljedeće zadatke:

Čemu služe dva oka?

Mrežnica ljudskog i orlovskog oka je približno ista, ali je promjer nervnih ćelija (čušnica) u orlovom oku u njegovom središnjem dijelu manji - samo 0,3 - 0,4 mikrona (mikrona = 10 -3 mm). Kakav je značaj takve strukture mrežnjače orlovskog oka?

Kako pada mrak, zjenica oka se širi. Kako to utiče na oštrinu slike okolnih objekata? Zašto?

Sočivo ribljeg oka je sferno. Koje karakteristike ribljeg staništa čine ovaj oblik sočiva prikladnim? Razmislite o mehanizmu akomodacije očiju kod riba ako se zakrivljenost sočiva ne promijeni.

2.3. Blitz turnir "Fizika u divljini"

Za organizaciju samostalnih praktičnih aktivnosti za učenike 7. razreda može se ponuditi blitz turnir „Fizika u divljini“.

Svrha lekcije: ponavljanje gradiva na temu „Uopštavanje lekcije za cijeli kurs“; test znanja, domišljatosti, sposobnosti logičkog mišljenja.

Pravila igre

Pitanja se biraju tokom kursa 7. razreda.

Lekcija ide brzim tempom.

Tokom lekcije možete koristiti bilo koju referentnu literaturu, uključujući i udžbenik.

Tokom nastave

Nastavnik čita pitanje. Igrač, spreman da odgovori, podiže ruku; Prva osoba koja podigne ruku dobiva riječ. Tačan odgovor vrijedi 1 bod. Učesnici sa najmanje bodova ispadaju iz igre.

pitanja:

Prilikom izlaska iz vode životinje se tresu. Koji se fizički zakon koristi u ovom slučaju? (Zakon inercije).

Kakav je značaj elastične dlake na tabanima zečijih nogu? (Elastična dlaka na tabanima zečijih nogu produžava vrijeme kočenja pri skakanju i samim tim slabi snagu udarca).

Zašto neke ribe drže peraje blizu sebe kada se brzo kreću? (Da smanjite otpor kretanju).

U jesen se u blizini tramvajskih šina koje prolaze pored vrtova i parkova ponekad okači poster: „Oprez! Opadanje lišća. Šta znači ovo upozorenje? (Lišće koje pada na šine smanjuje trenje, tako da automobil može preći dug put pri kočenju.)

Kolika je tlačna čvrstoća ljudske kosti? (Bedrena kost, na primjer, postavljena okomito, može izdržati pritisak opterećenja od jedne i pol tone).

Zašto se ronilačke čizme prave sa teškim olovnim đonom? (Teški olovni potplati čizama pomažu roniocu da savlada uzgon vode.)

Zašto se osoba može okliznuti kada stane na tvrdi, suvi grašak? (Trenje doprinosi kretanju osobe. Suhi grašak, kao ležaj, smanjuje trenje između nogu osobe i oslonca).

Zašto se u rijeci sa muljevitim dnom više zaglavimo na plitkom mjestu nego u dubokom? (Zaranjajući na veću dubinu istiskujemo veću zapreminu vode. Prema Arhimedovom zakonu, u ovom slučaju na nas će djelovati velika uzgonska sila).

Rezimirajući.

Nastavnik daje ocjene.

Zaključak

K. D. Ushinsky je napisao da se čini da neki učitelji rade samo ono što ponavljaju, ali u stvari brzo napreduju u učenju novih stvari. Ponavljanje uz uključivanje novog dovodi do boljeg razumijevanja i pamćenja obrađenog materijala. Poznato je i da je najbolji način da se stvori interesovanje za neki predmet primjena stečenih znanja u drugim oblastima osim onih u kojima su stečena. Organizacija ponavljanja uz uključivanje biofizičkog materijala upravo je takav tip ponavljanja, kada se javlja uz uključivanje novog, od velikog je interesa za učenike i omogućava im primjenu zakona fizike na područje divljači.

Privlačenje biofizičkih primjera služi za bolju asimilaciju kursa fizike. Biofizički materijal treba da bude direktno povezan sa nastavnim planom i programom predmeta iz fizike i biologije i da odražava oblasti koje najviše obećavaju u razvoju nauke i tehnologije.

Uspostavljanje interdisciplinarnih veza između fizike i biologije pruža velike mogućnosti za formiranje materijalističkih uvjerenja. Školarci uče da ilustriraju zakone fizike ne samo primjerima iz tehnologije, već i primjerima iz divljih životinja. S druge strane, s obzirom na vitalnu aktivnost biljnih i životinjskih organizama, koriste fizičke zakone, fizičke analogije.

Ponavljanje i konsolidacija obrađenog gradiva uz uključivanje biofizičkog materijala omogućava nastavniku da upozna studente sa najnovijim dostignućima iz oblasti biofizike i bionike, da ih podstakne na čitanje dodatne literature.

Organizaciono, čas se može izgraditi na različite načine: u vidu predavanja nastavnika, u vidu izveštaja koje pripremaju učenici pod rukovodstvom nastavnika fizike i biologije.

BIBLIOGRAFIJA

Trofimova T.I. Zbirka zadataka iz predmeta fizika za tehničke fakultete - 3. izd. - M.: Doo Izdavačka kuća Oniks 21. vijek: Doo Izdavačka kuća Mir i obrazovanje, 2003. - 384 str.: ilustr.

Zorin N.I. Izborni predmet "Elementi biofizike": 9. razred. - M.: VAKO, 2007. - 160 str. - (Radionica za nastavnike).

Izborni predmet 9: Fizika. hemija. Biologija: Izvođač izbornih predmeta (međupredmetni i predmetni): Za organizaciju predprofilne obuke za učenike 9. razreda: U 2 knjige. Book. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. i drugi - M.: 5 za znanje, 2006. - 304 str. - (izborni).

Izborni predmet 9: Fizika. hemija. Biologija: Izvođač izbornih predmeta (međupredmetni i predmetni): Za organizaciju predprofilne obuke za učenike 9. razreda: U 2 knjige. Book. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. i drugi - M.: 5 za znanje, 2006. - 176 str. - (izborni).

Maron A.E. Zbirka kvalitativnih zadataka iz fizike: za 7-9 ćelija opšte obrazovanje. institucije / A.E. Maron, E.A. Maroon. - M.: Obrazovanje, 2006. - 239 str.: ilustr.

Lukashik V.I. Zbirka zadataka iz fizike za 7-9 razred obrazovnih ustanova / V.I. Lukašik, E.V. Ivanova. – 22. izd. – M.: Prosvjeta, 2008. – 240 str.: ilustr.

Katz Ts.B. Biofizika na nastavi fizike / Knj. za nastavnika: iz radnog iskustva. - 2. izd., revidirano. – M.: Prosvjeta, 1988. – 159 str.: ilustr.

Volkov V.A., Polyansky S.E. Pourochnye razvoj u fizici. 7. razred - 2. izd. - M.: VAKO, 2007. - 304 str. - (Za pomoć učitelju škole: kompletima za obuku A.V. Peryshkin, S.V. Gromov, N.A. Rodina).

Jedna od najstarijih nauka je, naravno, biologija. Interes ljudi za procese koji se odvijaju unutar njih i okolnih bića pojavio se nekoliko hiljada godina prije naše ere.

Promatranje životinja, biljaka, prirodnih procesa bilo je važan dio života ljudi. Vremenom se nakupilo mnogo znanja, metode proučavanja divljih životinja i mehanizama koji se u njoj javljaju su poboljšani i razvijeni. To je dovelo do pojave mnogih sekcija koje ukupno čine kompleksnu nauku.

Biološka istraživanja u različitim oblastima života omogućavaju dobijanje novih vrijednih podataka koji su važni za razumijevanje strukture biomase planete. Koristite ovo znanje u praktične ljudske svrhe (istraživanje svemira, medicina, poljoprivreda, hemijska industrija, itd.).

Mnoga otkrića omogućila su biološka istraživanja u oblasti unutrašnje strukture i funkcionisanja svih živih sistema. Proučavan je molekularni sastav organizama, njihova mikrostruktura, izolovani su i proučavani mnogi geni iz genoma ljudi i životinja, biljaka. Prednosti biotehnologije, ćelijske i omogućavaju vam da dobijete nekoliko žetvi biljaka po sezoni, kao i da uzgajate životinjske pasmine koje daju više mesa, mlijeka i jaja.

Proučavanje mikroorganizama omogućilo je dobijanje antibiotika i stvaranje desetina i stotina vakcina koje omogućavaju da se pobedi mnoge bolesti, čak i one koje su u epidemijama ljudi i životinja odnele hiljade života.

Stoga je moderna biološka nauka neograničene mogućnosti čovječanstva u mnogim granama nauke, industrije i očuvanja zdravlja.

Klasifikacija bioloških nauka

Jedan od prvih koji se pojavio privatnim dijelovima nauke o biologiji. Kao što su botanika, zoologija, anatomija i taksonomija. Kasnije su se počele formirati discipline koje su više ovisile o tehničkoj opremi - mikrobiologija, virologija, fiziologija itd.

Postoji niz mladih i naprednih nauka koje su se pojavile tek u 20.-21. veku i igraju važnu ulogu u savremenom razvoju biologije.

Ne postoji jedna, već nekoliko klasifikacija po kojima se biološke nauke mogu rangirati. Njihova lista je prilično impresivna u svim slučajevima, razmislite o jednom od njih.

Biologija	Privatne nauke	Botanika	bavi se proučavanjem spoljašnje i unutrašnje strukture, fizioloških procesa, filogeneze i rasprostranjenosti u prirodi svih biljaka koje postoje na planeti (flore)	Uključuje sljedeće odjeljke: algologija; dendrologija; taksonomija; anatomija; morfologija; fiziologija; briologija; paleobotanika; ekologija; geobotanika; etnobotanika; razmnožavanje biljaka.
		Zoologija	bavi se proučavanjem spoljašnje i unutrašnje strukture, fizioloških procesa, filogeneze i rasprostranjenosti u prirodi svih životinja koje postoje na planeti (fauna)	Discipline uključene u: discipline: topografska anatomija; komparativni; sistematično; Dob; plastika; funkcionalan; eksperimentalni.
		Antropologija	niz disciplina koje proučavaju razvoj i formiranje osobe u biološkoj i društvenoj sredini u kompleksu	Odjeljci: filozofski, pravosudni, vjerski, fizički, društveni, kulturni, vizuelni.
		Mikrobiologija	proučava najmanje žive organizme, od bakterija do virusa	Discipline: virologija, bakteriologija, medicinska mikrobiologija, mikologija, industrijska, tehnička, poljoprivredna, svemirska mikrobiologija
		Opće nauke	Sistematika	zadaci uključuju razvijanje osnove za klasifikaciju cjelokupnog života na našoj planeti s ciljem striktnog uređenja i identifikacije bilo kojeg predstavnika biomase
	Morfologija		opis spoljašnjih znakova, unutrašnje strukture i topografije organa svih živih bića	Sekcije: biljke, životinje, mikroorganizmi, gljive
	fiziologija		proučava karakteristike funkcionisanja određenog sistema, organa ili dijela tijela, mehanizme svih procesa koji osiguravaju njegovu vitalnu aktivnost	Biljke, životinje, ljudi, mikroorganizmi
	Ekologija		nauka o međusobnom odnosu živih bića, okoline i čoveka	Geoekologija, opšta, društvena, industrijska
	Genetika		proučava genom živih bića, mehanizme naslijeđa i varijabilnost osobina pod uticajem različitih uslova, kao i istorijske promjene genotipa tokom evolucijskih transformacija
	biogeografija		razmatra preseljenje i distribuciju određenih vrsta živih bića na planeti
	evolucionu doktrinu		otkriva mehanizme istorijskog razvoja čoveka i drugih živih sistema na planeti. Njihov nastanak i razvoj
	Složene nauke koje su nastale na spoju jedna s drugom	Biohemija	proučava procese koji se odvijaju u ćelijama živih bića sa hemijske tačke gledišta
		Biotehnologija	razmatra korištenje organizama, njihovih proizvoda i/ili dijelova za ljudske potrebe
		Molekularna biologija	proučava mehanizme prijenosa, skladištenja i korištenja nasljednih informacija od strane živih bića, kao i funkcije i finu strukturu proteina, DNK i RNK.	Srodne nauke: genetski i ćelijski inženjering, molekularna genetika, bioinformatika, proteomika, genomika
		Biofizika	to je nauka koja proučava sve moguće fizičke procese koji se dešavaju u svim živim organizmima, od virusa do ljudi	O dijelovima ove discipline bit će riječi u nastavku.

Stoga smo pokušali da uhvatimo glavnu raznolikost koja je biološka nauka. Ova lista se s razvojem tehnologije i metoda učenja širi i dopunjuje. Stoga danas ne postoji jedinstvena klasifikacija biologije.

Progresivne bioznanosti i njihov značaj

Najmlađe, moderne i progresivne biološke nauke uključuju:

• biotehnologija;
• molekularna biologija;
• svemirska biologija;
• biofizika;
• biohemija.

Svaka od ovih nauka nastala je tek u 20. stoljeću, pa se s pravom smatra mladom, intenzivno se razvija i najznačajnijom za praktičnu ljudsku djelatnost.

Zadržimo se na takvima od njih kao što je biofizika. To je nauka koja se pojavila oko 1945. godine i postala važan dio cjelokupnog biološkog sistema.

Šta je biofizika?

Za odgovor na ovo pitanje, prije svega, potrebno je ukazati na njen bliski dodir sa hemijom i biologijom. U nekim pitanjima granice između ovih nauka su toliko bliske da je teško razaznati koja je od njih konkretno uključena i prioritetna. Stoga je vrijedno razmatrati biofiziku kao složenu nauku koja proučava duboke fizičke i kemijske procese koji se odvijaju u živim sistemima na nivou molekula, ćelija, organa i na nivou biosfere u cjelini.

Kao i svaka druga, biofizika je nauka koja ima svoj predmet proučavanja, ciljeve i zadatke, kao i vrijedne i značajne rezultate. Osim toga, ova disciplina je usko povezana s nekoliko novih pravaca.

Objekti proučavanja

Za biofiziku to su biosistemi na različitim organizacionim nivoima.

1. virusi, jednoćelijske gljive i alge).
2. Najjednostavnije životinje.
3. Pojedinačne ćelije i njihovi strukturni dijelovi (organele).
4. Biljke.
5. Životinje (uključujući ljude).
6. ekološke zajednice.

Odnosno, biofizika je proučavanje živog sa stanovišta fizičkih procesa koji se u njemu odvijaju.

Zadaci nauke

U početku su zadaci biofizičara bili da dokažu postojanje fizičkih procesa i pojava u životu živih bića i da ih proučavaju, otkrivajući njihovu prirodu i značaj.

Savremeni zadaci ove nauke mogu se formulisati na sledeći način:

1. Proučiti strukturu gena i mehanizme koji prate njihov prijenos i skladištenje, modifikacije (mutacije).
2. Razmotrite mnoge aspekte ćelijske biologije (međusobna interakcija ćelija, hromozomske i genetske interakcije i drugi procesi).
3. Proučavati molekule polimera (proteini, nukleinske kiseline, polisaharidi) u kombinaciji s molekularnom biologijom.
4. Otkriti uticaj kosmogeofizičkih faktora na tok svih fizičko-hemijskih procesa u živim organizmima.
5. Dublje otkrivaju mehanizme fotobiologije (fotosinteza, fotoperiodizam i tako dalje).
6. Implementirati i razviti metode matematičkog modeliranja.
7. Primijenite rezultate nanotehnologije na proučavanje živih sistema.

Iz ove liste vidljivo je da biofizika proučava mnogo značajnih i ozbiljnih problema savremenog društva, a rezultati ove nauke su od velikog značaja za čoveka i njegov život.

Istorija nastanka

Kao nauka, biofizika je rođena relativno nedavno - 1945. godine, kada je objavio svoj rad "Šta je život sa stanovišta fizike". On je prvi uočio i ukazao da se mnogi zakoni fizike (termodinamički, zakoni kvantne mehanike) odvijaju upravo u životu i radu organizama živih bića.

Zahvaljujući radu ovog čovjeka, nauka o biofizici počela je svoj intenzivan razvoj. Međutim, još ranije, 1922. godine, u Rusiji je stvoren institut za biofiziku, na čijem je čelu bio P. P. Lazarev. Tamo je glavna uloga dodijeljena proučavanju prirode ekscitacije u tkivima i organima. Rezultat je bila identifikacija važnosti jona u ovom procesu.

1. Galvani otkriva elektricitet i njegov značaj za živa tkiva (bioelektricitet).
2. A. L. Chizhevsky je otac nekoliko disciplina koje proučavaju uticaj svemira na biosferu, kao i jonizacijsko zračenje i elektrohemodinamiku.
3. Detaljna struktura proteinskih molekula proučavana je tek nakon otkrića rendgenske difrakcione analize (X-ray difraction analysis). To su uradili Perutz i Kendrew (1962).
4. Iste godine otkrivena je trodimenzionalna struktura DNK (Maurice Wilkins).
5. Neher i Zakman su 1991. godine uspjeli razviti metodu za lokalnu fiksaciju električnog potencijala.

Takođe, niz drugih otkrića omogućilo je nauci biofizike da krene putem intenzivne i progresivne modernizacije u razvoju i formiranju.

Sekcije biofizike

Postoji niz disciplina koje čine ovu nauku. Razmotrimo najosnovnije od njih.

1. Biofizika složenih sistema - razmatra sve složene mehanizme samoregulacije višećelijskih organizama (sistemogeneza, morfogeneza, sinergogeneza). Takođe, ova disciplina proučava karakteristike fizičke komponente procesa ontogeneze i evolucijskog razvoja, nivoe organizacije organizama.
2. Bioakustika i biofizika senzornih sistema - proučava senzorne sisteme živih organizama (vid, sluh, recepcija, govor i dr.), načine prenošenja različitih signala. Otkriva mehanizme pretvaranja energije kada organizmi percipiraju vanjske utjecaje (iritacije).
3. Teorijska biofizika - uključuje niz nauka koje se bave proučavanjem termodinamike bioloških procesa, konstrukcijom matematičkih modela strukturnih dijelova organizama. Takođe uzima u obzir kinetičke procese.
4. Molekularna biofizika - razmatra duboke mehanizme strukturne organizacije i funkcionisanja takvih biopolimera kao što su DNK, RNK, proteini, polisaharidi. Bavi se izradom modela i grafičkih slika ovih molekula, predviđa njihovo ponašanje i formiranje u živim sistemima. Takođe, ova disciplina gradi supramolekularne i submolekularne sisteme kako bi se utvrdio mehanizam građenja i djelovanja biopolimera u živim sistemima.
5. Biofizika ćelije. Proučava najvažnije ćelijske procese: diferencijaciju, diobu, ekscitaciju i biopotencijale strukture membrane. Posebna pažnja posvećena je mehanizmima membranskog transporta supstanci, razlici potencijala, svojstvima i strukturi membrane i njenih okolnih delova.
6. Biofizika metabolizma. Glavne koje se razmatraju su solarizacija i prilagođavanje organizama na nju, hemodinamika, termoregulacija, metabolizam i uticaj jonizacionih zraka.
7. Applied Biophysics. Sastoji se od nekoliko disciplina: bioinformatika, biometrija, biomehanika, proučavanje evolucijskih procesa i ontogeneze, patološka (medicinska) biofizika. Predmeti proučavanja primijenjene biofizike su mišićno-koštani sistem, metode kretanja, metode prepoznavanja ljudi po fizičkim osobinama. Posebnu pažnju zaslužuje medicinska biofizika. Razmatra patološke procese u organizmima, metode rekonstrukcije oštećenih dijelova molekula ili struktura ili njihovu kompenzaciju. Daje materijal za biotehnologiju. Od velikog je značaja u prevenciji razvoja bolesti, posebno genetske prirode, njihovom otklanjanju i objašnjenju mehanizama djelovanja.
8. Biofizika staništa - proučava fizičke efekte kako lokalnih staništa bića, tako i uticaja bliskog i udaljenog svemira. Takođe razmatra bioritmove, uticaj vremenskih uslova i biopolja na stvorenja. Razvija mjere za sprečavanje negativnih uticaja

Sve ove discipline daju ogroman doprinos razvoju razumevanja mehanizama života živih sistema, uticaja biosfere i raznih uslova na njih.

Savremena dostignuća

Neki od najznačajnijih događaja koji se odnose na dostignuća biofizike mogu se nazvati:

• otkrili mehanizme kloniranja organizama;
• proučavane su karakteristike transformacija i uloga dušikovog oksida u živim sistemima;
• uspostavljena je veza između malih i glasničkih RNK, što će u budućnosti omogućiti pronalaženje rješenja za mnoge medicinske probleme (eliminacija bolesti);
• otkrio fizičku prirodu autotalasa;
• zahvaljujući radu molekularnih biofizičara, proučavani su aspekti sinteze i replikacije DNK, što je dovelo do mogućnosti stvaranja niza novih lijekova za ozbiljne i složene bolesti;
• kreirani su kompjuterski modeli svih reakcija koje prate proces fotosinteze;
• razvijene su metode ultrazvučnog istraživanja organizma;
• uspostavljena je veza između kosmogeofizičkih i biohemijskih procesa;
• predviđene klimatske promjene na planeti;
• otkrivanje značaja enzima urokenaze u prevenciji tromboze i otklanjanju posljedica nakon moždanog udara;
• takođe je napravio niz otkrića o strukturi proteina, cirkulatornom sistemu i drugim delovima tela.

Institut za biofiziku u Rusiji

Kod nas postoje. M. V. Lomonosov. U okviru ove obrazovne ustanove radi Biofizički fakultet. On je taj koji obučava kvalifikovane stručnjake za rad u ovoj oblasti.

Veoma je važno dati dobar početak budućim profesionalcima. Pred njima je težak posao. Biofizičar je dužan razumjeti sve zamršenosti procesa koji se odvijaju u živim bićima. Osim toga, učenici moraju razumjeti fiziku. Na kraju krajeva, ovo je složena nauka - biofizika. Predavanja su strukturirana na način da pokriju sve discipline koje se odnose na biofiziku i koje čine biofiziku i pokrivaju razmatranje kako bioloških tako i fizičkih pitanja.