Die Hauptentwicklungsrichtungen der modernen Biophysik. Ebenen der biophysikalischen Forschung. Vorlesungen über Biophysik Leute, die wir über Mikrobiophysik gefragt wurden

27.06.2022

EINLEITUNG

"Die Logik der Natur ist die zugänglichste und nützlichste Logik für Kinder."
K. D. Uminsky

In diesem Handbuch, das eine Praktikumsbeschreibung darstellt, wird versucht, die Hauptrichtungen und Merkmale der Verbindung zwischen den Schulfächern Physik und Biologie zu betrachten und Möglichkeiten und Formen zu skizzieren, diese Verbindung zu stärken.
Die Hauptrichtungen dieser Arbeit sind folgende: die Studierenden mit den in Biologie und Medizin weit verbreiteten physikalischen Forschungs- und Beeinflussungsmethoden, mit der Wildtierphysik, mit einigen Elementen der Bionik vertraut zu machen.
Für fast alle Abschnitte des Physikstudiums kann eine große Anzahl biophysikalischer Beispiele ausgewählt werden (was wir auch getan haben, siehe Anhang), aber es ist ratsam, sie nur teilweise zu verwenden, zusammen mit technischen Beispielen und Beispielen aus der unbelebten Natur.
Das Hauptziel der Gewinnung biophysikalischer Beispiele ist eine bessere Aneignung des Physikkurses. Biophysikalisches Material sollte in direktem Zusammenhang mit den Lehrplänen der Physik- und Biologiekurse stehen und die vielversprechendsten Richtungen in der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie widerspiegeln.
Drei Hauptrichtungen für die Auswahl von biophysikalischem Material können angegeben werden.
Die erste Richtung hat das Ziel - den Schülern die Einheit der Naturgesetze, die Anwendbarkeit der Gesetze der Physik auf einen lebenden Organismus zu zeigen.
Die zweite Richtung entspricht der Einarbeitung in die physikalischen Wirk- und Forschungsmethoden, die in Biologie und Medizin weit verbreitet sind. Im Physikunterricht der Sekundarstufe werden die Schüler nur an optische Instrumente (Lupe, Mikroskop) herangeführt, wobei Röntgenstrahlen und "getaggte Atome" verwendet werden. Bereits in einer gewöhnlichen Stadtklinik ist jeder Mensch jedoch mit einer Vielzahl physikalischer Methoden zur Untersuchung seines Körpers konfrontiert - Blutdruck wird gemessen, Biopotentiale des Herzens werden aufgezeichnet usw., die in der Schule nicht berücksichtigt werden.
Die dritte Richtung besteht darin, die Studierenden mit den Ideen und einigen Ergebnissen der Bionik vertraut zu machen. Beim Studium von Vibrationen wird den Schülern beispielsweise gesagt, dass das Hörorgan einer Motte Schallschwingungen im Frequenzbereich von 10 bis 100 kHz wahrnimmt und es ermöglicht, die Annäherung einer Fledermaus zu erkennen (dafür ist eine Motte eine Lieblingsspeise ) in einer Entfernung von 30 m. Diese "Errungenschaften" von Wildtieren sind höher als die Ergebnisse, die auf dem Gebiet der Echolote, Ultraschallradare, Fehlerdetektoren und sogar Radare erzielt wurden. Es gibt viele solcher Beispiele. Es sollte jedoch betont werden, dass die Bionik nicht darauf abzielt, biologische Systeme blind nachzuahmen, sondern die Prinzipien ihres Aufbaus offenzulegen.

Kapitel I
VERWENDUNG VON BIOPHYSIKALISCHEM MATERIAL IM PHYSIKUNTERRICHT

Die Art und Weise, Schüler mit biophysikalischem Material vertraut zu machen, unterscheidet sich nicht grundlegend von der Art, sie mit Elementen der Technik vertraut zu machen. Physik ist die Grundlage der Technik; Andererseits wird die Physik häufig für die Forschung in der Biologie verwendet und hilft, die Merkmale der Struktur und des Lebens biologischer Objekte zu verstehen.
Bereits in den allerersten Unterrichtsstunden lernen die Kinder, dass alle Naturwissenschaften die Gesetze der Physik anwenden. Diese Idee muss präzisiert und erweitert werden. Bei der ersten Bekanntschaft mit dem Fach Physik ist es wünschenswert, den Schülern die Anwendbarkeit ihrer Gesetze auf das Leben von Menschen und Pflanzen, Vögeln, Fischen usw. zu zeigen. Dazu können Sie den Flug von Vögeln, Insekten und Flugzeugen vergleichen , sprechen über die Verortung in der Tierwelt im Bereich der unhörbaren Geräusche. Sie können zum Beispiel darüber sprechen, dass die Untersuchung der Struktur des Körpers eines Maulwurfs Ingenieuren geholfen hat, eine Erdbewegungsmaschine zu bauen, und Beobachtungen von Delfinen und Fischen helfen, U-Boote zu verbessern. Bekannt sind Leonardo da Vincis klassische Beobachtungen des Vogelflugs und der Konstruktion ihrer Flügel sowie die Verwendung dieser Ideen durch moderne Ingenieure bei der Konstruktion von Flugzeugen, Schwungrädern und Raketen. Es ist wichtig, dass sich die Schüler von den ersten Unterrichtsstunden an die Vorstellung einprägen, dass Physik der Schlüssel zum Verständnis der Phänomene sowohl der unbelebten als auch der belebten Natur ist.
Bei der Präsentation von neuem Stoff in der Physik ist es am besten, dem Lehrer selbst anschauliche biophysikalische Informationen zu präsentieren. Dies können sowohl numerische Daten sein, die lebende Organismen charakterisieren, als auch eine Beschreibung von in der Biologie verwendeten Forschungsmethoden und kurze Daten zu medizinischen oder biologischen Geräten.
Besonders in den unteren Klassenstufen kann die Präsentation von neuem Stoff mit einem Gespräch abgewechselt werden. Der Lehrer bezieht sich auf die Lebenserfahrung der Schüler, auf die Informationen, die sie während des Studiums in der Grundschule, im Unterricht in Botanik, Geographie und anderen verwandten Disziplinen erhalten haben. Das Lösen von Problemen in der Physik der belebten Natur kann eine wichtige Rolle spielen, um sich mit den Elementen der Biophysik vertraut zu machen. Anhand einer Tabelle mit Sportaufzeichnungen für Laufen, Skaten usw. können Sie beispielsweise Durchschnittsgeschwindigkeiten ermitteln und die Umrechnung von Geschwindigkeitseinheiten von einem System in ein anderes üben.
Bei der Wiederholung der Vergangenheit ist es auch möglich, biophysikalisches Material einzubeziehen. Wir haben diese Form der Arbeit nach dem Studium einiger Themen, am Ende des Schuljahres und beim Wiederholen vor den Abschlussprüfungen angewendet. Nennen wir einige Wiederholungsthemen: Mechanik in Wildtieren, Elektrizität und Wildtiere, Optik und Leben, Einfluss elektromagnetischer Felder auf Tiere und Pflanzenorganismen.
Es ist sinnvoll, einige biophysikalische Fragestellungen anhand einiger Film- und Filmausschnitte, Zeichnungen, Diagramme und Tabellen sowie im Biologieunterricht vorhandener Anschauungsmaterialien darzustellen.
Physiklehrern steht im Biologieunterricht meist nur eine sehr begrenzte Ausstattung zur Verfügung (Mikroskop, Augen-, Ohrmodelle; entsprechende Tabellen). Das ist aber längst noch nicht alles, was im Biologieunterricht an Geräten vorhanden ist, die für das Studium der Physik sinnvoll eingesetzt werden können. Bereits während unseres ersten biophysikalischen Abends „Physik und Medizin“ nutzten wir folgende Geräte aus dem Biologieraum: ein Gerät zur Messung des Lungenvitalvolumens, ein Gerät zur Messung des Blutdrucks, Augen- und Ohrmodelle, Dynamometer zur Messung der Muskelkraft.
Später haben wir in der Praxis unserer Arbeit, Studenten in die Elemente der Biophysik einzuführen, auch versucht, die Ausstattung des Biologieklassenzimmers für diesen Zweck zu nutzen: „Tabellen zur menschlichen Anatomie und Physiologie“ von A. N. Kabanov, „Mnr-Tiere“ - a Reihe von mehrfarbigen Tabellen A. A. Yakhontov, Herbarien und Sammlungen von Schmetterlingen, Libellen, Käfern, Schildkröten usw. Es ist auch nützlich, einige Lehrfilme und Filmstreifen zur Biologie zu zeigen.
In Zukunft werden wir angeben, wo und welche Sehhilfen und technischen Mittel eingesetzt werden können, sowie welche Sehhilfen die Schüler selbst herstellen können.

§ 1. Elemente der Biophysik im Studium der Mechanik

Bewegung und Kräfte
Beim Studium des Themas „Bewegung und Kräfte“ in der VI. Klasse können Schülerinnen und Schüler an die Bewegungsgeschwindigkeiten verschiedener Lebewesen herangeführt werden. Eine Schnecke kriecht in 1 Stunde etwa 5,5 m. Eine Schildkröte bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 m/h. Eine Fliege fliegt mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s. Die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit beträgt etwa 1,5 m/s oder etwa 5 km/h. Eine Infanterie-Militäreinheit kann sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 7 km/h bewegen. Das Pferd kann sich mit Geschwindigkeiten von 6 bis 30 km / h und mehr bewegen.
Von den Tieren der mittleren Spur läuft der Hase am schnellsten, seine Geschwindigkeit erreicht 50 - 60 km / h. Ihm etwas unterlegen ist der Wolf, der bis zu 45 km/h schnell laufen kann. ;
Viele Fische bewegen sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 4 km/h fort, einige von ihnen können jedoch viel höhere Geschwindigkeiten erreichen: Schwertfische können beispielsweise Geschwindigkeiten von bis zu 90 km/h erreichen.
Es ist auch interessant, die in der Tabelle angegebenen Zahlen zu den Bewegungsgeschwindigkeiten der Fische zu berücksichtigen.
Hier ist es sehr wichtig, auf die Schätzung der Fischgeschwindigkeit in Zentimetern pro Sekunde, sowie in Körperlängen pro Sekunde zu achten. Nach diesen Daten erweist sich die Forelle als die schnellste, obwohl der absolute Wert ihrer Geschwindigkeit relativ gering ist.
Anhand der Geschwindigkeitsdaten verschiedener Vertreter der Tierwelt lassen sich verschiedenste Probleme lösen. Werfen wir einen Blick auf einige von ihnen.
Die Bewegungsgeschwindigkeit der Cochlea beträgt 0,9 mm/sec. Drücken Sie diese Geschwindigkeit in cm/min, m/h aus.
Der Wanderfalke, der Beute jagt, taucht mit einer Geschwindigkeit von 300 km / h ab. Welche Strecke legt er in 5 Sekunden zurück?
1 Die Geschwindigkeit vieler Lebewesen wird durch einen speziellen Wert ausgedrückt, der der Anzahl ihrer Körperlängen entspricht, die sie pro Sekunde zurücklegen
Brieftaubenfluggeschwindigkeit 1800 m/min. Geben Sie diesen Wert in km/h an. Welche Strecke legt eine Taube in 3 Flugstunden zurück? Ist es möglich, eine Taube in einem Auto mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 60 km/h zu überholen?
Es ist bekannt, dass die durchschnittliche Wachstumsrate der Eiche etwa 30 cm/Jahr beträgt. Wie alt ist ein 6,3 m hoher Baum?
Der sowjetische Athlet Vladimir Kuts lief 5000 m in 815 Sekunden. Bestimme seine Geschwindigkeit in km/h.

Tel. Gewicht Dichte
Beim Kennenlernen des Begriffs „Körpermasse“ und beim Erstellen von Aufgaben zur Bestimmung der Dichte einer Substanz und des von einem Körper eingenommenen Volumens haben wir einige zusätzliche Tabellendaten verwendet (Tabelle 2).
Beispiel. Bestimmen Sie die Masse von Birkenholz, wenn sein Volumen 5 m3 beträgt.
Beispiel. Wie groß ist die Masse an Leinöl, die ein Volumen von 5 Litern einnimmt?
Beispiel. Bestimmen Sie das Volumen von trockenem Bambus, wenn seine Masse 4800 kg beträgt.

Schwere. Körpergewicht
Beim Studium dieses Themas können Sie die folgenden Schulungsarbeiten durchführen. Die Massen verschiedener Säugetiere sind angegeben: Wal - /0000 kg, Elefant - 4000 kg, Nashorn - 2000 kg, Stier - 1200 kg, Bär - 400 kg, Schwein - 200 kg, Mensch - 70 kg, Wolf - 10 kg, Hase - 6kg. Berechne ihr Gewicht in Newton.
Die gleichen Daten können verwendet werden, um Kräfte grafisch darzustellen.
Einige weitere interessante Informationen können auf dem Weg zur Verfügung gestellt werden.
Die größten Tiere gehören zur Klasse der Säugetiere, von denen der Blauwal in Größe und Gewicht besonders auffällt. Beispielsweise erreichte einer der gefangenen Wale eine Länge von 33 m und wog 1500 kn, was dem Gewicht von 30 Elefanten oder 150 Bullen entsprach. Der größte moderne Vogel ist der afrikanische Strauß mit einer Höhe von 2,75 m, einer Länge von 2 Litern (von der Schnabelspitze bis zum Ende des Schwanzes) und einem Gewicht von 75 kg. Die kleinsten Vögel sind Kolibris. Kolibris einer der Arten haben eine Masse von etwa 2 g und eine Flügelspannweite von 3,5 cm.
Reibungs- und Widerstandskräfte.

Reibung in lebenden Organismen
Zur Formulierung des Problems der Reibungskräfte kann auf eine große Menge biophysikalischen Materials zurückgegriffen werden. Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten, die zur Verringerung der Reibung verwendet werden (Öl, Teer usw.), immer eine erhebliche Viskosität aufweisen. Ähnlich verhält es sich mit einem lebenden Organismus: Die Flüssigkeiten, die der Reibungsminderung dienen, sind gleichzeitig sehr zähflüssig.
Blut zum Beispiel ist eine Flüssigkeit, die viskoser als Wasser ist. Bei der Bewegung durch das Gefäßsystem erfährt es einen Widerstand aufgrund innerer Reibung und Reibung an der Oberfläche der Gefäße. Je dünner die Gefäße sind, desto größer ist die Reibung und desto stärker sinkt der Blutdruck.
Geringe Reibung in den Gelenken beruht auf ihrer glatten Oberfläche, ihrer Schmierung mit Synovialflüssigkeit. Speichel spielt die Rolle der Schmierung beim Schlucken von Nahrung. Die Reibung von Muskeln oder Sehnen am Knochen wird durch die Freisetzung einer speziellen Flüssigkeit durch die Beutel, in denen sie sich befinden, verringert. Die Zahl solcher Beispiele ließe sich fortsetzen.
Für die Arbeitsflächen der Bewegungsorgane ist eine erhebliche Reibung unerlässlich. Eine notwendige Bedingung für die Bewegung ist eine zuverlässige „Kopplung“ zwischen dem sich bewegenden Körper und dem „Träger“. Der Griff wird entweder durch Punkte an den Gliedmaßen (Krallen, scharfe Hufkanten, Hufeisenstacheln) oder durch kleine Unregelmäßigkeiten erreicht, z. B. Borsten, Schuppen, Höcker usw. Auch zum Greifen von Organen ist eine erhebliche Reibung erforderlich. Ihre Form ist interessant: Das sind entweder Zangen, spannend
ein Objekt von zwei Seiten, oder Stränge, die es (möglichst mehrfach) umhüllen. Die Hand kombiniert die Wirkung einer Pinzette und eine vollständige Abdeckung von allen Seiten; Die weiche Haut der Handfläche haftet gut an der Rauheit von Gegenständen, die gehalten werden müssen.
Viele Pflanzen und Tiere haben verschiedene Organe, die zum Greifen dienen (die Fühler der Pflanzen, der Elefantenrüssel, die zähen Schwänze der Klettertiere etc.). Alle haben eine wickelfreundliche Form und eine raue Oberfläche zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten (Abb. 1).
Bei lebenden Organismen sind Anpassungen üblich (Wolle, Borsten, Schuppen, schräg zur Oberfläche angeordnete Stacheln), aufgrund derer die Reibung bei Bewegung in eine Richtung gering und bei Bewegung in die entgegengesetzte Richtung groß ist. Die Bewegung des Regenwurms basiert auf diesem Prinzip. Die nach hinten gerichteten Borsten passieren den Schneckenkörper ungehindert nach vorne, verhindern jedoch die Rückwärtsbewegung. Wenn der Körper verlängert wird, bewegt sich der Kopfteil nach vorne, während der Schwanzteil an Ort und Stelle bleibt, während beim Zusammenziehen der Kopfteil verweilt und der Schwanzteil an ihn herangezogen wird.
Auch bei vielen Wasservögeln wird eine Widerstandsänderung bei Bewegung in verschiedene Richtungen beobachtet. Beispielsweise werden die Schwimmhäute an den Beinen von Enten oder Gänsen wie Ruder verwendet. Beim Zurückbewegen des Fußes harkt die Ente Wasser mit einer geraden Membran, und beim Vorwärtsbewegen bewegt die Ente ihre Finger - der Widerstand nimmt ab, wodurch sich die Ente vorwärts bewegt.
Die besten Schwimmer sind Fische und Delfine. Die Geschwindigkeit vieler Fische erreicht mehrere zehn Kilometer pro Stunde, zum Beispiel beträgt die Geschwindigkeit eines Blauhais etwa 36 km/h. Fische können eine solche Geschwindigkeit aufgrund der stromlinienförmigen Form des Körpers und der Konfiguration des Kopfes entwickeln, die einen geringen Luftwiderstand verursacht1.
1 Verringerung des Widerstands durch die Stromlinienform des Fischkörpers kann an gefülltem Barsch, Hecht; Sie können auch den Tisch "Shark" aus der Serie "The World of Animals" von A. A. Yakhontov zeigen.
Das Interesse von Fachleuten wurde durch die Fähigkeit von Delfinen geweckt, sich ohne großen Aufwand mit hoher Geschwindigkeit im Wasser zu bewegen (in der Nähe des Schiffsbugs 55 - 60 km / h, frei schwimmend - 30 - 40 km / h). Es wurde festgestellt, dass um einen sich bewegenden Delphin herum nur eine leichte Strahlbewegung (laminare Bewegung) auftritt, die sich nicht in einen Wirbel (turbulent) verwandelt.
Die Forschung hat gezeigt, dass das Geheimnis der "Anti-Turbulenz" des Delphins
in seiner Haut verborgen. Es besteht aus zwei Schichten – einer äußeren, extrem elastischen, 1,5 mm dicken, und einer inneren, dichten, 4 mm dicken.
Zwischen diesen Schichten gibt es Auswüchse oder Spitzen. Darunter befinden sich dicht gewebte Fasern, deren Zwischenraum mehrere Zentimeter mit Fett gefüllt ist.
Diese Haut wirkt als ausgezeichneter Dämpfer. Außerdem ist die Haut des Delphins ständig mit einer dünnen Schicht eines speziellen „Gleitmittels“ bedeckt, das von speziellen Drüsen produziert wird. Dadurch wird die Reibungskraft reduziert.
Seit 1960 werden künstliche Dämpfungsbeschichtungen hergestellt, die in ihren Eigenschaften der „Delfinhaut“ ähneln. Und bereits die ersten Experimente mit einem Torpedo und einem mit solchem Leder ummantelten Boot bestätigten die Möglichkeit, den Wasserwiderstand um 40 - 60% zu verringern.
Es ist bekannt, dass Fische sich in Schwärmen bewegen. Kleine Meeresfische laufen in einem Schwarm, ähnlich wie ein Tropfen, während der Widerstand des Wassers gegen die Bewegung des Schwarms am geringsten ist.
Viele Vögel versammeln sich bei Langstreckenflügen in einer Kette oder einem Schwarm. Im letzteren Fall fliegt der stärkere Vogel voraus, wobei sein Körper durch die Luft schneidet wie der Kiel eines Schiffes durch das Wasser. Der Rest der Vögel fliegt so, dass der spitze Winkel der Schule erhalten bleibt; Sie behalten instinktiv die richtige Position relativ zum Leitvogel bei, da dies einem Minimum an Widerstandskräften entspricht.
Flug planen. Gleitflug wird sowohl im Pflanzen- als auch im Tierreich recht häufig beobachtet. Viele Früchte und Samen sind entweder mit Haarbündeln (Löwenzahn, Baumwolle usw.) ausgestattet, die wie ein Fallschirm wirken, oder mit Stützflächen in Form von Fortsätzen und Vorsprüngen (Nadelbäume, Ahorn, Birke, Linde und viele Regenschirme). Einige Früchte und Samen, die mit "Gleitern" ausgestattet sind, sind in Abbildung 2, a, dargestellt.
Pflanzengleiter sind in vielerlei Hinsicht noch fortschrittlicher als von Menschenhand geschaffene. Sie heben eine viel größere Last im Vergleich zu ihrem Gewicht, außerdem sind sie stabiler.
Interessant ist die Körperstruktur von fliegenden Eichhörnchen, Käfern und Fledermäusen (Abb. 2b). Sie nutzen ihre Membranen, um große Sprünge zu machen. So können fliegende Eichhörnchen Entfernungen von bis zu 20 - 30 m von der Spitze eines Baumes zu den unteren Ästen eines anderen springen.

Druck von Flüssigkeiten und Gasen
Die Rolle des atmosphärischen Drucks im Leben lebender Organismen.
Auf einen menschlichen Körper, dessen Oberfläche bei einer Masse von 60 kg und einer Höhe von 160 cm etwa 1,6 m2 entspricht, wirkt aufgrund des atmosphärischen Drucks eine Kraft von 160.000 n. Wie hält der Körper einer so großen Belastung stand?
Dies wird dadurch erreicht, dass der Druck der Flüssigkeiten, die die Gefäße des Körpers füllen, den Außendruck ausgleicht.
Eng damit verbunden ist die Möglichkeit, in großen Tiefen unter Wasser zu sein. Tatsache ist, dass die Übertragung des Körpers auf eine andere Höhenlage einen Zusammenbruch seiner Funktionen verursacht. Dies liegt zum einen an der Verformung der Behälterwände, die für einen bestimmten Druck von innen und außen ausgelegt sind. Außerdem ändert sich bei Druckänderungen auch die Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen, wodurch sich auch das chemische Gleichgewicht des Körpers ändert. Bei Druckerhöhung kommt es zu einer verstärkten Aufnahme von Gasen durch Körperflüssigkeiten und bei Druckabnahme zur Freisetzung gelöster Gase. Bei einem schnellen Druckabfall aufgrund der intensiven Freisetzung von Gasen kocht das Blut sozusagen, was zu einer oft tödlichen Verstopfung der Blutgefäße führt. Diese bestimmt die maximale Tiefe, in der Tauchoperationen durchgeführt werden können (in der Regel nicht tiefer als 50 m). Das Absenken und Anheben von Tauchern muss sehr langsam erfolgen, damit die Freisetzung von Gasen nur in der Lunge und nicht sofort im gesamten Kreislaufsystem erfolgt.
Es ist interessant, das Funktionsprinzip von Organen, die aufgrund des atmosphärischen Drucks wirken, genauer zu analysieren.
Die Arbeit von Organen, die aufgrund des atmosphärischen Drucks wirken. Saugmechanismus. Muskelanstrengung (Kontraktion der Zungen-, Gaumenmuskulatur usw.) erzeugt einen Unterdruck (Verdünnung) in der Mundhöhle, und der atmosphärische Druck drückt einen Teil der Flüssigkeit dorthin.
Der Wirkungsmechanismus verschiedener Arten von Saugnäpfen. Saugnäpfe haben entweder die Form einer halbkugelförmigen Schüssel mit klebrigen Rändern und hochentwickelten Muskeln (die Ränder werden gegen die Beute gedrückt, dann vergrößert sich das Volumen des Saugers; Sauger von Blutegeln und Kopffüßern können als Beispiel dienen), oder sie bestehen aus a Reihe von Hautgriffen in Form schmaler Taschen. Die Kanten werden auf die zu haltende Oberfläche aufgebracht; Wenn Sie versuchen, den Saugnapf zu ziehen, werden die Taschen tiefer, der Druck in ihnen nimmt ab und der atmosphärische Druck (bei Wassertieren Wasserdruck) drückt den Saugnapf stärker an die Oberfläche. Zum Beispiel hat ein klebriger Fisch oder Remora einen Saugnapf, der fast die gesamte Länge seines Kopfes einnimmt. Dieser Fisch haftet an anderen Fischen, Steinen sowie Booten und Schiffen. Es haftet so fest, dass es leichter ist, es zu brechen als es auszuhaken, wodurch es als eine Art Angelhaken dienen kann.
Abbildung 3 zeigt eine Keule – das Ende eines der beiden längsten Fang-Tentakel von Tintenfischen, es ist dicht besetzt mit Saugnäpfen unterschiedlicher Größe.
Ähnlich sind die Saugnäpfe des Schweinebandwurms angeordnet, mit deren Hilfe sich dieser Bandwurm an der Wand des menschlichen Darms festhält.
Der Aufbau dieser Saugnäpfe lässt sich an einem nassen Bandwurmpräparat zeigen, das im Biologieraum erhältlich ist.
Gehen auf klebrigem Boden. Der Einfluss des atmosphärischen Drucks macht sich beim Gehen auf zähflüssigem Boden sehr bemerkbar (Sogwirkung eines Sumpfes). Wenn das Bein angehoben wird, bildet sich darunter ein verdünnter Raum; Übermäßiger äußerer Druck verhindert, dass sich das Bein abhebt. Die Druckkraft auf das Bein eines Erwachsenen Abb. 3.
kann 1000 k erreichen, was besonders beim Gehen mit einem Pferd deutlich wird, dessen harter Huf wie ein Kolben wirkt.
Mechanismus der Ein- und Ausatmung. Die Lunge befindet sich in der Brust und ist von ihr und vom Zwerchfell durch eine luftdichte Höhle, die Pleurahöhle, getrennt. Mit zunehmendem Brustvolumen nimmt das Volumen der Pleurahöhle zu und der Luftdruck darin ab und umgekehrt. Da die Lungen* elastisch sind, wird der Druck in ihnen nur durch den Druck in der Pleurahöhle reguliert. Beim Einatmen nimmt das Brustvolumen zu, wodurch der Druck in der Pleurahöhle abnimmt (Abb. 4.6); dies bewirkt eine Vergrößerung des Lungenvolumens um fast 1000 ml. Gleichzeitig wird der Druck in ihnen geringer als atmosphärisch und Luft strömt durch die Atemwege in die Lunge. Beim Ausatmen nimmt das Brustvolumen ab (Abb. 4c), wodurch der Druck in der Pleurahöhle ansteigt, was zu einer Abnahme des Lungenvolumens führt. Der Luftdruck in ihnen wird höher als der atmosphärische Druck, und Luft aus den Lungen strömt in die Umgebung.
Bei einem normalen ruhigen Atemzug werden etwa 500 ml Luft eingeatmet, die gleiche Menge wird bei einem normalen Ausatmen ausgeatmet, und das Gesamtluftvolumen in der Lunge beträgt etwa 7 l.
1 Zur Erklärung des Mechanismus Einatmen - Ausatmen kann eine Modellskizze der Brusthöhle, erhältlich im Biologin-Büro, herangezogen werden. Hier kann ein Wasserspirometer vorgeführt werden, das zur Messung der Vitalkapazität der Lunge dient. Beim Studium dieses Themas kann auch der 1964 vom Leningrader Bildungsfilmstudio herausgegebene Film "Die Struktur und Funktion der Atmungsorgane" gezeigt werden.
Das Herz ist eine Pumpe.
Das Herz ist eine erstaunliche Pumpe, die das ganze Leben eines Menschen ununterbrochen arbeitet.
Es pumpt 0,1 Liter Blut in 1 Sekunde, 6 Liter in einer Minute, 360 Liter in 1 Stunde, 8640 Liter an einem Tag, mehr als 3 Millionen Liter in einem Jahr und etwa 220 Millionen in 70 Lebensjahren. , l.
Würde das Herz das Blut nicht durch ein geschlossenes System pumpen, sondern in eine Art Reservoir, dann wäre es möglich, ein 100 m langes (PC) m breites und 22 m tiefes Becken zu füllen.
Kugelfisch im Kampf ums Dasein. Interessant ist die "Anwendung" der Gasgesetze im Leben einer Fischart - eines Kugelfischs. Sie lebt im Indischen Ozean und im Mittelmeer. Ihr Körper ist dicht mit zahlreichen Stacheln übersät - modifizierte Schuppen; im Ruhezustand liegen sie mehr oder weniger eng am Körper an. Bei Gefahr stürzt der Kugelfisch sofort an die Wasseroberfläche und verwandelt sich, indem er Luft in den Darm schluckt, in eine geschwollene Kugel; die Stacheln erheben sich und ragen in alle Richtungen heraus (Abb. 5). Der Fisch hält sich nahe der Oberfläche, kippt mit dem Bauch um und ein Teil des Körpers ragt aus dem Wasser. In dieser Position ist der Kugelfisch sowohl von unten als auch von oben vor Fressfeinden geschützt. Wenn die Gefahr vorüber ist, gibt der Kugelfisch Luft ab und sein Körper nimmt eine omniforme Form an.
Hydrostatische Geräte in Wildtieren. Seltsame Prostataapparate gibt es in Wildtieren. Zum Beispiel leben Kopffüßer der Gattung Nautilus in Schalen, die durch Trennwände in separate Kammern unterteilt sind (Abb. 6). Das Tier selbst nimmt die letzte Kammer ein, während der Rest mit Gas gefüllt ist. Um auf den Grund zu sinken, füllt die Molluske die Schale mit Wasser, sie wird schwer und sinkt leicht ab. Um an die Oberfläche zu schweben, pumpt der Nautilus Gas in die Kammern der Schale; Das Gas verdrängt das Wasser und das Waschbecken schwappt.
Flüssigkeit und Gas stehen in der Hülle unter Druck, weshalb das Perlmutthaus auch in 4 cm1.100 Metern Tiefe nicht platzt.
Eine interessante Art, Seesterne, Seeigel und Holothurier zu bewegen, die sich aufgrund des Unterschieds im hydrolytischen Druck bewegen. Die dünnen, hohlen und elastischen Beine eines Seesterns schwellen an, wenn er sich bewegt. Körperpumpen unter dpnlsipem pumpen Wasser in sie hinein. Wasser dehnt sie, sie ziehen nach vorne, kleben an den Steinen. Die angesaugten Beine werden zusammengedrückt und ziehen den Seestern nach vorne, dann wird das Wasser in andere Beine gepumpt und die Fahrzeuge fahren weiter. Die durchschnittliche Geschwindigkeit von Seesternen beträgt etwa 10 m/h. Dafür wird hier aber eine volle Bewegungsdämpfung erreicht!

Archimedische Kraft
Fische. Die Dichte lebender Organismen, die die aquatische Umwelt bewohnen, unterscheidet sich kaum von der Dichte des Wassers, sodass ihr Gewicht fast vollständig durch die archimedische Kraft ausgeglichen wird. Dank dessen benötigen Wassertiere keine so massiven Skelette wie Landtiere (Abb. 7).
Interessant ist die Rolle der Schwimmblase bei Fischen. Dies ist der einzige Körperteil des Fisches, der eine merkliche Komprimierbarkeit aufweist; Durch das Zusammendrücken der Blase mit der Anstrengung der Brust- und Bauchmuskeln verändert der Fisch das Volumen seines Körpers und damit die durchschnittliche Dichte, wodurch er innerhalb gewisser Grenzen die Tiefe seines Tauchgangs regulieren kann.
Wasservögel. Ein wichtiger Faktor im Leben von Wasservögeln ist das Vorhandensein einer dicken Schicht aus Federn und Daunen, die kein Wasser durchlässt und eine beträchtliche Menge Luft enthält. Aufgrund dieser besonderen Luftblase, die den gesamten Körper des Vogels umgibt, ist seine durchschnittliche Dichte sehr gering. Dies erklärt die Tatsache, dass Enten und andere Wasservögel beim Schwimmen nicht viel untertauchen.
Silberne Spinne. Aus physikalischer Sicht ist die Existenz einer Silberspinne sehr interessant. Die Silberspinne gestaltet ihre Behausung - eine Unterwasserglocke - aus einem starken Netz. Hier bringt die Spinne Luftblasen von der Oberfläche, die zwischen den dünnen Haaren des Bauches verweilen. In der Glocke sammelt er einen Luftvorrat, den er von Zeit zu Zeit auffüllt; Dank dessen kann die Spinne lange unter Wasser bleiben.
Wasserpflanzen. Viele Wasserpflanzen behalten trotz der extremen Flexibilität ihrer Stängel eine aufrechte Position, weil große Luftblasen an den Enden ihrer Zweige eingeschlossen sind und die Rolle von Schwimmern spielen.
Wasserkastanie. Eine merkwürdige Wasserpflanze ist Chilim (Wasser-Präx). Sie wächst in den Altwässern der Wolga, in Seen und Flussmündungen. Seine Früchte (Wassernüsse) erreichen einen Durchmesser von 3 cm und haben eine ähnliche Form wie ein Seeanker mit oder ohne ein paar scharfe Hörner. Dieser „Anker“ dient dazu, die junge keimende Pflanze an einem geeigneten Ort zu halten. Wenn der Chilim verblasst, beginnen sich unter Wasser schwere Früchte zu bilden. Sie könnten die Pflanze ertränken, aber gerade zu diesem Zeitpunkt bilden sich an den Blattstielen Schwellungen - eine Art "Rettungsgürtel". Dadurch erhöht sich das Volumen des Unterwasserteils der Pflanzen; daher nimmt die Auftriebskraft zu. Dadurch wird ein Gleichgewicht zwischen dem Gewicht der Frucht und der durch die Quellung erzeugten Auftriebskraft erreicht.
Schwimmender Siphonophor. Zoologen nennen Siphonophore eine besondere Gruppe von Darmtieren. Sie sind wie Quallen frei schwimmende Meerestiere. Im Gegensatz zu ersteren bilden sie jedoch komplexe Kolonien mit sehr ausgeprägtem Polymorphismus*. Ganz oben in der Kolonie befindet sich normalerweise ein Individuum, mit dessen Hilfe die gesamte Kolonie in der Wassersäule gehalten und bewegt wird - dies ist eine gashaltige Blase. Gas wird durch spezielle Drüsen produziert. Diese Blase erreicht manchmal eine Länge von 30 cm.
Das reichhaltige biophysikalische Material dieses Abschnitts ermöglicht eine abwechslungsreiche und interessante Unterrichtsgestaltung mit Sechstklässlern.
Beschreiben wir zum Beispiel ein Gespräch im Prozess des Studiums des Themas „Archimedische Kraft“. Die Studierenden kennen das Leben der Fische, die Eigenschaften der Wasserpflanzen. Sie haben sich bereits mit der Wirkungsweise der Auftriebskraft vertraut gemacht. Allmählich bringen wir ihnen die Rolle des Gesetzes von Archimedes für alle Lebewesen in der aquatischen Umwelt näher. Wir beginnen das Gespräch mit Fragen: Warum hat ein Fisch ein schwächeres Skelett als an Land lebende Lebewesen? Warum brauchen Algen keine harten Stängel? Warum stirbt ein gestrandeter Wal unter seinem eigenen Gewicht? Solche ungewöhnlichen Fragen im Physikunterricht überraschen Schüler. Sie sind interessiert. Wir setzen das Gespräch fort und erinnern die Jungs daran, dass im Wasser viel weniger Kraft aufgewendet werden muss, um einen Kameraden zu stützen, als am Ufer (in der Luft). Indem wir all diese Tatsachen zusammenfassen und die Schüler zu ihrer richtigen Interpretation führen, bringen wir die Kinder zu einer weitreichenden Verallgemeinerung über den Einfluss des physikalischen Faktors (Auftriebskraft, die sich in der aquatischen Umgebung als viel größer herausstellt als in der Luft). über die Entwicklung und Strukturmerkmale aquatischer Lebewesen und Pflanzen.

Newtonsche Gesetze
Einige Manifestationen der Trägheit. Reife Schoten von Hülsenfrüchten, die sich schnell öffnen, beschreiben Bögen. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sich die Samen, die sich von den Befestigungsstellen lösen, durch Trägheit tangential zu den Seiten. Diese Methode der Samenverbreitung ist im Pflanzenreich weit verbreitet.
In den tropischen Zonen des Atlantiks und des Indischen Ozeans wird häufig der Flug der sogenannten Fliegenden Fische beobachtet, die auf der Flucht vor Meeresräubern aus dem Wasser springen und bei günstigem Wind einen Gleitflug machen, der Entfernungen bis zu überwindet 200 - 300 m in einer Höhe von 5 - 7 m. Luft durch die schnellen und starken Vibrationen der Schwanzflosse. Zuerst rauscht der Fisch an der Wasseroberfläche entlang, dann hebt ihn ein kräftiger Schwanzschlag in die Luft. Gespreizte lange Brustflossen stützen den Körper des Fisches wie ein Segelflugzeug. Der Fischflug wird durch die Schwanzflossen stabilisiert; Fische bewegen sich nur durch Trägheit.
Schwimmen und Newtons drittes Gesetz. Es ist leicht zu erkennen, dass Fische und Blutegel während der Bewegung Wasser zurückschieben, während sie sich selbst vorwärts bewegen. Ein schwimmender Blutegel treibt Wasser mit wellenartigen Bewegungen des Körpers zurück und ein schwimmender Fisch mit einer Schwanzbewegung. So kann die Bewegung von Fischen und Blutegeln als Illustration für Newtons drittes Gesetz dienen.
Flug und Newtons drittes Gesetz. Der Insektenflug basiert auf schlagenden Flügeln (Schlagflug). Die Flugsteuerung wird fast ausschließlich durch die Flügel erreicht. Indem sie die Richtung der Flügelschlagebene ändern, ändern Insekten die Bewegungsrichtung: vorwärts, rückwärts, an einem Ort fliegen, drehen usw. Einige der flinksten Insekten im Flug sind Fliegen. Omi macht oft scharfe Kurven zur Seite. Dies wird erreicht, indem die Flügel einer Körperseite abrupt abgedreht werden – ihre Bewegung stoppt für einen Moment, während die Flügel der anderen Körperseite weiter schwingen, was eine seitliche Drehung von der ursprünglichen Flugrichtung bewirkt .
Schmetterlinge-brazh-nnkp und Bremsen haben die höchste Fluggeschwindigkeit - 14 - 15 m / s. Libellen fliegen mit einer Geschwindigkeit von 10 m / s, Mistkäfer - bis zu 7 m / s, Bienen - bis zu 6 - 7 m / s. Die Fluggeschwindigkeit von Insekten ist im Vergleich zu Vögeln langsam. Wenn wir jedoch die relative Geschwindigkeit berechnen (die Geschwindigkeit, mit der sich eine Hummel, ein Mauersegler, ein Star und ein Flugzeug über eine Distanz bewegen, die der Länge ihres eigenen Körpers entspricht), stellt sich heraus, dass sie für an am geringsten ist Flugzeug und die meisten für Insekten.
Hans Leonardo da Vinci studierte den Vogelflug auf der Suche nach Möglichkeiten, Flugzeuge ins Trudeln zu bringen. II interessierte sich für den Vogelflug. V. Zhukovsky, der die Grundlagen der Aerodynamik entwickelt hat. Nun zieht das Prinzip des Schlagfluges wieder die Aufmerksamkeit von Selbstbauern auf sich
Strahlantrieb in Wildtieren. Einige Tiere bewegen sich nach dem Prinzip des Strahlantriebs, zum Beispiel Tintenfische, Tintenfische (Abb. 8), Tintenfische. Das Meeresmollusk-I-Prssshok, das die Schalenventile scharf zusammendrückt, kann sich aufgrund der Reaktionskraft des in die Schale geworfenen Wasserstrahls ruckartig vorwärts bewegen. Ungefähr die gleiche Bewegung und einige andere Mollusken. Libellenlarven ziehen Wasser in den Enddarm, werfen es dann aus und springen aufgrund der Kraft von III „Rush.
Da in diesen Fällen die Stöße durch erhebliche Zeitintervalle voneinander getrennt sind, wird keine hohe Bewegungsgeschwindigkeit erreicht. Um die Bewegungsgeschwindigkeit, also die Anzahl der Reaktionsimpulse pro Zeiteinheit, zu erhöhen, ist eine erhöhte Leitfähigkeit der Nerven notwendig, die die Kontraktion der dem Strahltriebwerk dienenden Muskeln anregen. Eine so große Leitfähigkeit ist bei einem großen Durchmesser des Nervs möglich. Es ist bekannt, dass Tintenfische die größten Nervenfasern im Tierreich haben. Sie erreichen einen Durchmesser von 1 mm – 50-mal größer als der der meisten Säugetiere – und führen die Erregung mit einer Geschwindigkeit von 25 m/s durch. Dies erklärt die hohe Geschwindigkeit der Tintenfischbewegung (bis zu 70 km / h).
Beschleunigungen und Überlastungen, denen Lebewesen standhalten können. Beim Studium der Newtonschen Gesetze können die Studierenden an die Beschleunigungen herangeführt werden, denen ein Mensch in unterschiedlichen Lebenssituationen ausgesetzt ist.
Beschleunigungen im Aufzug Die maximale Beschleunigung (bzw. Verzögerung) während der Bewegung der Aufzugskabine im Normalbetrieb sollte bei allen Aufzügen 2 m/s2 nicht überschreiten. Beim Anhalten „Stopp“ sollte der maximale Beschleunigungswert 3 m/s2 nicht überschreiten.
Beschleunigung in der Luftfahrt. Wenn ein Körper eine Beschleunigung erfährt, spricht man von einer Überlastung. Die Größe von Überlastungen wird durch das Verhältnis der Bewegungsbeschleunigung a zur Fallbeschleunigung g charakterisiert:
k = - . g
Beim Fallschirmspringen treten große Beschleunigungen und damit Überlastungen auf.
Wenn Sie 15 Sekunden nach dem Sturz einen Fallschirm in einer Höhe von 1000 m öffnen, beträgt die Überlast etwa 6; das Öffnen des Fallschirms nach der gleichen Verzögerung bei 7000 m verursacht eine Überlast von 12; in einer Höhe von 11.000 m unter den gleichen Bedingungen wird die Überlast fast dreimal größer sein als in einer Höhe von 1000 m.
Auch bei der Landung mit einem Fallschirm treten Überlastungen auf, die umso geringer sind, je länger der Bremsweg ist. Daher ist die g-Kraft bei der Landung auf weichem Boden geringer. Bei einer Sinkgeschwindigkeit von 5 m/s und dessen Rückzahlung auf dem Weg von etwa 0,5 m durch Knie- und Oberkörperbeugung beträgt die Überlast etwa 3,5.
Die maximalen, wenn auch sehr kurzzeitigen Beschleunigungen erfährt eine Person während des Auswurfs aus einem Flugzeug. Gleichzeitig beträgt die Abfahrgeschwindigkeit des Sitzes aus der Kabine ungefähr 20 m / s, der Beschleunigungsweg -1 - 1,8 m. Der maximale Beschleunigungswert erreicht 180 - 190 m / s2, Überlastung - 18 - 20.
Eine solche Überlastung ist jedoch trotz des großen Wertes nicht gesundheitsgefährdend, da sie kurzzeitig, ca. 0,1 Sek., wirkt.
Einfluss von Beschleunigungen auf lebende Organismen. Überlegen Sie, wie sich Beschleunigungen auf den menschlichen Körper auswirken. Nervenimpulse, die die räumliche Bewegung von iivia, einschließlich des Kopfes, signalisieren, treten in ein spezielles Organ ein - den Vestibularapparat. Der Gleichgewichtsapparat informiert auch das Nahthirn über die Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit, daher wird er auch als Organ des Beschleunigungssinns bezeichnet. Dieses Piyarat wird im Innenohr platziert.
Eigenschaften der Schwellenwerte von Reizungen des Vestibularapparates, die das Bewusstsein einer Person erreichen, sowie die Beschleunigung der Netzhaut bei verschiedenen Bewegungen sind in Tabelle 3 dargestellt.

Beschleunigungen vom Rücken zum Brustkorb, vom Brustkorb zum Rücken und von einer Seite zur anderen werden leichter toleriert. Daher ist die angemessene Körperhaltung einer Person sehr wichtig. Voraussetzung ist ein allgemeines körperliches Training, das zu einer guten Entwicklung der Muskulatur des ganzen Körpers führt.
Außerdem ist es notwendig, den Körper gezielt zu trainieren, um die Ausdauer bei Beschleunigungen zu steigern. Solche Schulungen werden an speziellen Linearbeschleunigern, in Zentrifugen und an anderen Anlagen durchgeführt.
Es werden auch spezielle Anti-G-Anzüge verwendet, deren Design die Fixierung innerer Organe gewährleistet.
Es ist interessant, sich hier daran zu erinnern, dass K. E. Tsiolkovsky vorgeschlagen hat, seinen Körper in eine Flüssigkeit mit der gleichen Dichte zu legen, um die Ausdauer einer Person gegenüber der Wirkung von Beschleunigungen zu erhöhen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein solcher Schutz des Körpers vor Beschleunigungen in der Natur weit verbreitet ist. So ist der Embryo im Ei geschützt, so ist der Fötus im Mutterleib geschützt. K. E. Tsiolkovsky legte ein Hühnerei in ein Gefäß mit Salzlösung und ließ es aus großer Höhe fallen. Das Ei ist nicht zerbrochen.
Derzeit liegen Daten zu ähnlichen Experimenten mit Fischen und Fröschen vor. Die ins Wasser gesetzten Fische und Frösche hielten Aufprallbeschleunigungen in der Größenordnung von 1000 g und mehr stand.
Schwertfisch-Stoßdämpfer. In der Natur gibt es verschiedene Anpassungen, die es lebenden Organismen ermöglichen, die Überlastungen, die beim Beschleunigen und Abbremsen auftreten, schmerzfrei zu ertragen. Es ist bekannt, dass der Stoß während des Sprungs weicher wird, wenn Sie auf halb angewinkelten Beinen landen; die rolle eines stoßdämpfers übernimmt die wirbelsäule, in der knorpelpolster eine art puffer sind.
Der Schwertfisch hat einen interessanten Stoßdämpfer. Der Schwertfisch gilt als Rekordhalter unter den Meeresschwimmern. Seine Geschwindigkeit erreicht 80 - 90 km / h. Ihr Schwert kann den Eichenrumpf eines Schiffes durchbohren. Sie leidet nicht unter einem solchen Schlag. Es stellt sich heraus, dass sich in ihrem Kopf an der Basis des Schwertes ein hydraulischer Stoßdämpfer befindet - kleine Hohlräume in Form von mit Fett gefüllten Waben. Sie mildern den Schlag. Die Knorpelpolster zwischen den Wirbeln des Schwertfischs sind sehr dick; wie Puffer an Waggons reduzieren sie die Schubkraft.
Einfache Mechanismen in Wildtieren
Im Skelett von Tieren und Menschen sind alle Knochen, die eine gewisse Bewegungsfreiheit haben, Hebel, zum Beispiel beim Menschen - die Knochen der Gliedmaßen, der Unterkiefer, der Schädel (der Drehpunkt ist der erste Wirbel), die Phalangen der Finger. Bei Katzen sind bewegliche Krallen Hebel; viele Fische haben Stacheln auf der Rückenflosse; bei Arthropoden die meisten Segmente ihres äußeren Skeletts; Muscheln haben Schalenklappen.
Skelettverbindungen sind normalerweise so konzipiert, dass sie bei einem Kraftverlust an Geschwindigkeit gewinnen. Besonders große Geschwindigkeitsgewinne werden bei Insekten erzielt.
Das Verhältnis der Länge der Arme des Hebelelements des Skeletts hängt eng von den lebenswichtigen Funktionen ab, die von diesem Organ ausgeführt werden. Zum Beispiel bestimmen die langen Beine eines Windhundes und eines Hirsches ihre Fähigkeit, schnell zu laufen; Die kurzen Pfoten des Maulwurfs sind für die Entwicklung großer Kräfte bei niedriger Geschwindigkeit ausgelegt. Die langen Kiefer des Greyhounds ermöglichen es Ihnen, Beute auf der Flucht schnell zu greifen, und die kurzen Kiefer der Bulldogge schließen sich langsam, aber fest (der Kaumuskel ist sehr nahe an den Reißzähnen befestigt und die Kraft der Muskeln wird auf die übertragen Reißzähne fast ohne Schwächung).
Hebelelemente befinden sich in verschiedenen Körperteilen eines Tieres und einer Person - dies sind beispielsweise Gliedmaßen, Kiefer.
Betrachten wir die Gleichgewichtsbedingungen des Hebels am Beispiel des Schädels (Abb. 9, a). Hier verläuft die Rotationsachse des Hebels O durch die Gelenkverbindung des Schädels mit dem ersten Wirbel. Vor dem Drehpunkt an einer relativ kurzen Schulter wirkt die Schwerkraft des Kopfes, dahinter die Kraft F des Zugs der am Hinterhauptbein befestigten Muskeln und Bänder.
Ein weiteres Beispiel für die Betätigung des Hebels ist die Wirkung des Fußgewölbes beim Anheben der Zehen (Abb. 9, b). Die Stütze O des Hebels, durch die die Rotationsachse verläuft, sind die Köpfe der Mittelfußknochen. Die zu überwindende Kraft R – das Gewicht des gesamten Körpers – wird auf den Talus aufgebracht. Die einwirkende Muskelkraft F, die den Körper anhebt, wird über die Achillessehne übertragen und auf den Vorsprung des Fersenbeins aufgebracht.
In Pflanzen sind Hebelelemente weniger verbreitet, was durch die geringe Beweglichkeit des Pflanzenorganismus erklärt wird. Ein typischer Hebel ist ein Baumstamm und die Hauptwurzel, die seine Fortsetzung bildet. Die Wurzel einer Kiefer oder Eiche, die tief in den Boden eindringt, hat einen großen Widerstand gegen Umkippen (die Widerstandsschulter ist groß), sodass Kiefern und Eichen fast nie auf den Kopf gestellt werden. Im Gegensatz dazu kippen Fichten, die ein rein oberflächliches Wurzelsystem haben, sehr leicht um.
Interessante Verknüpfungsmechanismen finden sich in einigen Blüten (z. B. Salbeistaubblättern) und auch in einigen herunterfallenden Früchten.
Betrachten Sie die Struktur von Wiesensalbei (Abb. 10). Das längliche Staubblatt dient als langer Arm A des Hebels. An seinem Ende befindet sich eine Anthere. Der kurze Arm B des Hebels bewacht sozusagen den Eingang zur Blume. Wenn ein Insekt (meistens eine Hummel) in eine Blume kriecht, drückt es auf den kurzen Arm des Hebels. Gleichzeitig schlägt der lange Arm mit einem Staubbeutel auf den Rücken der Hummel und hinterlässt Pollen darauf. Das Insekt fliegt zu einer anderen Blume und bestäubt sie mit diesem Pollen.
In der Natur sind flexible Organe weit verbreitet, die ihre Krümmung über einen weiten Bereich verändern können (Wirbelsäule, Schwanz, Finger, Körper von Schlangen und vielen Fischen). Ihre Flexibilität beruht entweder auf einer Kombination aus einer Vielzahl kurzer Hebel mit einem Gelenksystem,
oder eine Kombination aus relativ unflexiblen Elementen mit leicht verformbaren Zwischenelementen (Elefantenrüssel, Raupenkörper etc.). Die Biegekontrolle im zweiten Fall wird durch ein System von längs oder schräg angeordneten Stäben erreicht.
Die "Stechwerkzeuge" vieler Tiere - Klauen, Hörner usw. - haben die Form eines Keils (eine modifizierte schiefe Ebene); Die spitze Form des Kopfes sich schnell bewegender Fische ähnelt einem Keil. Viele dieser Keile sind Zähne, Stacheln (Abb. 11) haben sehr glatte harte Oberflächen (minimale Reibung), weshalb sie sehr scharf sind.

Verformungen
Der menschliche Körper erfährt eine ziemlich große mechanische Belastung durch sein eigenes Gewicht und durch Muskelanstrengungen, die während der Arbeitstätigkeit auftreten. Inter-
Resno, dass das Beispiel einer Person alle Arten von Deformationen verfolgen kann. Kompressionsbelastungen werden von der Wirbelsäule, den unteren Extremitäten und der Haut des Fußes erfahren. Dehnungsbelastungen - obere Gliedmaßen, Bänder, Sehnen, Muskeln; beugen - Wirbelsäule, Beckenknochen, Gliedmaßen; Torsion - Nacken beim Drehen des Kopfes, Rumpf im unteren Rücken beim Drehen, Hände beim Drehen usw.
Um Probleme für Verformungen zusammenzustellen, haben wir die in Tabelle 4 angegebenen Daten verwendet.
Die Tabelle zeigt, dass der Elastizitätsmodul für einen Knochen oder eine Sehne unter Spannung sehr groß ist und für Muskeln, Venen, Arterien sehr klein.
Die Bruchlast, die den Schulterknochen zerstört, liegt bei etwa 8-107 N/m2, die Bruchspannung, die den Oberschenkelknochen zerstört, liegt bei etwa 13-107 N/m2. Das Bindegewebe in den Bändern, in der Lunge usw. ist hochelastisch, beispielsweise kann das Hinterhauptsband mehr als zweimal gedehnt werden.
Konstruktionen aus einzelnen Stäben (Traversen) oder Platten, die in einem Winkel von 120° zusammenlaufen, haben maximale Festigkeit bei minimalem Materialverbrauch. Ein Beispiel für solche Strukturen sind die hexagonalen Wabenzellen.
Der Torsionswiderstand nimmt mit zunehmender Dicke sehr schnell zu, daher sind Organe, die für Torsionsbewegungen ausgelegt sind, normalerweise lang und dünn (der Hals eines Vogels, der Körper einer Schlange).
Beim Auslenken wird das Material entlang seiner konvexen Seite gedehnt und entlang seiner konkaven Seite gestaucht; mittlere Backen von einem merklichen de-
Formationen werden nicht getestet. Daher werden in der Technologie Vollstäbe durch Rohre ersetzt, Balken werden zu T-Trägern oder I-Trägern gemacht; das spart Material und reduziert das Gewicht der Einheiten. Wie Sie wissen, haben die Knochen der Gliedmaßen und Stängel schnell wachsender Pflanzen - Getreide (Abb. 12), Schirmpflanzen usw. - eine röhrenförmige Struktur.Bei Sonnenblumen und anderen Pflanzen hat der Stängel einen losen Kern. Junge, unreife Blätter von Getreide werden immer zu einer Röhre gefaltet.
Strukturen ähnlich einem T-Balken finden sich im Brustbein von Vögeln, in den Schalen vieler in der Brandungszone lebender Mollusken usw. , hat große Kraft in Bezug auf Anstrengungen, die auf seiner konvexen Seite wirken (architektonische Bögen, Fässer; und in Organismen - Schädel, Brust, Schalen von Eiern, Nüssen, Schalen von Käfern, Krebsen, Schildkröten usw.).
Der Untergang der Lebewesen. Galileo Galilei schrieb: „Wer weiß nicht, dass ein Pferd, das aus einer Höhe von drei oder vier Ellen fällt, sich die Beine bricht, während der Hund nicht leidet und die Katze unverletzt bleibt, wenn sie von acht auf zehn Ellen geworfen wird, genau wie eine Grille, die von der Spitze des Turms gefallen ist, oder eine Ameise, die zumindest aus der Mondsphäre zu Boden gefallen ist.
Warum bleiben kleine Insekten, die aus großer Höhe zu Boden fallen, unversehrt, während große Tiere sterben?
Die Stärke der Knochen und Gewebe eines Tieres ist proportional zu ihrer Querschnittsfläche. Auch die Reibungskraft gegen die Luft beim Fallen von Körpern ist proportional zu dieser Fläche. Die Masse eines Tieres (und sein Gewicht) ist proportional zu seinem Volumen. Wenn die Größe des Körpers abnimmt, nimmt sein Volumen viel schneller ab als die Oberfläche. Somit nimmt mit abnehmender Größe eines fallenden Tieres seine Verzögerungskraft gegen die Luft (pro Masseneinheit) im Vergleich zu der Verzögerungskraft pro Masseneinheit eines größeren Tieres zu. Andererseits steigen bei einem kleineren Tier die Knochenstärke und die Muskelkraft (auch pro Masseneinheit).
Es ist nicht ganz korrekt, die Stärke eines Pferdes und einer Katze bei einem Sturz zu vergleichen, da sie eine unterschiedliche Körperstruktur haben, insbesondere „stoßdämpfende“ Vorrichtungen, die Stöße bei Stößen abfedern, sind unterschiedlich. Richtiger wäre es, einen Tiger, einen Luchs und eine Katze zu vergleichen. Die stärkste unter diesen Katzen wäre eine Katze!
"Baumaschinen" in der Welt der Tierwelt. Nach dem Studium des Themas „Solid Body“ ist es sinnvoll, über Analogien in der „Bautechnik der Natur“ und der vom Menschen geschaffenen Technik zu sprechen.
Die Baukunst von Natur und Mensch entwickelt sich nach dem gleichen Prinzip – Material- und Energieeinsparung.
Seit der Antike haben verschiedene Designs von Wildtieren für Überraschung und Freude gesorgt. Die Kraft und Eleganz des Spinnennetzes ist verblüffend, die Baukunst der Honigbienenbehausung begeistert – die strenge Geometrie ihrer Waben, bestehend aus regelmäßigen sechseckigen Zellen. Die Strukturen von Ameisen und Termiten sind erstaunlich. Erstaunliche Koralleninseln und Riffe, die aus kalkhaltigen Korallenskeletten bestehen. Einige Algen sind mit zart geformten harten Schalen bedeckt. Zum Beispiel sind Peridinien in bizarre Schalen gekleidet, die aus separaten harten Schalen bestehen. Sie sind in Abbildung 13 stark vergrößert dargestellt.
Noch vielfältiger sind marine Radiolarien (die einfachsten Tiere), deren winzige Skelette in Abbildung 14 dargestellt sind (zum Vergleich sind Schneeflocken unter den Nummern - 3 dargestellt).
In letzter Zeit beschäftigen Muster der Pflanzenwelt die Aufmerksamkeit der Bauherren. K. A. Timiryazev schrieb: „Die Rolle des Stammes, Katz ist bekannt, ist hauptsächlich architektonisch: Es ist ein solides Skelett des gesamten Gebäudes, das ein Zelt aus Blättern trägt und in dessen Dicke sich wie Wasserleitungen Gefäße mit Säften befinden gelegt ... An den Stämmen erfuhren wir eine ganze Reihe erstaunlicher Tatsachen, die belegen, dass sie nach allen Regeln der Baukunst gebaut wurden.
Wenn wir die Querschnitte des Vorbaus und des modernen Fabrikschornsteins betrachten, dann ist die Ähnlichkeit ihrer Designs frappierend. Der Zweck des Rohrs besteht darin, Luftzug zu erzeugen und schädliche Gase vom Boden abzuleiten. Nährstoffe steigen von den Wurzeln am Stängel der Pflanze auf. Sowohl das Rohr als auch der Vorbau sind ständig der gleichen Art von statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt - ihrem eigenen Gewicht, Wind usw. Dies sind die Gründe für ihre strukturelle Ähnlichkeit. Beide Designs sind hohl. Die Stammstränge sowie die Längsverstärkung des Rohrs befinden sich entlang der Peripherie des gesamten Umfangs. Entlang der Wände beider Strukturen befinden sich ovale Hohlräume. Die Rolle der Spiralverstärkung im Stamm spielt die Haut.
Es ist bekannt, dass sich das feste Material in den Knochen entsprechend den Trajektorien der Hauptspannungen befindet. Dies kann festgestellt werden, wenn wir einen Längsschnitt des oberen Teils des menschlichen Femurs und einen gebogenen Kranbalken betrachten, der unter Einwirkung einer vertikalen Last, die über einen bestimmten Bereich der oberen Oberfläche verteilt ist, gebogen wird. Interessanterweise ähnelt der stählerne Eiffelturm in seiner Struktur den Röhrenknochen einer Person (Femur oder Tibia). Es gibt eine Ähnlichkeit in den äußeren Formen der Strukturen und in den Ecken zwischen den „Balken“ und „Balken“ des Knochens und den Streben des Turms.
Moderne Architektur und Gebäudetechnik ist geprägt von der Aufmerksamkeit für die besten "Exemplare" der Tierwelt. Denn moderne Anforderungen sind Festigkeit und Leichtigkeit, die durch die Verwendung von Stahl, Stahlbeton, Aluminium, Stahlzement und Kunststoffen im Bauwesen problemlos erfüllt werden können. Räumliche Gittersysteme werden immer häufiger verwendet. Ihre Prototypen sind die "Skelette" des Stammes oder Stammes eines Baumes, die aus einem haltbareren Gewebe bestehen als der Rest des Pflanzenmaterials, das biologische und isolierende Funktionen erfüllt. Dies ist das Adernsystem der Blätter des Baumes und das Gitter der Wurzelhaare. Solche Strukturen erinnern an Körbe, das Drahtgestell eines Lampenschirms, ein gebogenes Gitter eines Balkons usw. Der italienische Ingenieur P. Nervi nutzte das Prinzip der Struktur eines Baumblatts in der Verkleidung der Turiner Ausstellungshalle, dank wobei die leichte und dünne Struktur ohne Stützen eine Spannweite von 98 Metern überspannt. Das Cover unseres Buches zeigt ein Gebäude dieser Art, das entweder wie eine Muschel oder wie eine umgestürzte Blumenschale aussieht.
Charakteristisch ist die Verwendung von pneumatischen Strukturen, die ganz mit natürlichen Formen übereinstimmen: die Form von Früchten, Luftblasen, Blutgefäßen, Pflanzenblättern usw.
Um Baumaterialien zu stärken, haben sich Physikalische Chemiker der Erforschung kleinster Strukturen zugewandt und entwickeln nun eine Technologie zur Herstellung ultrafester Materialien, die aus vielen feinen Fasern, Filmen und Körnern nach den Prinzipien der Natur bestehen. Um hochbelastbare Strukturen zu erhalten, reicht es jedoch nicht aus, Baumaterialien zu verstärken. Es ist bekannt, dass Knochenstrukturen manchmal Stahlstrukturen in einer Reihe von Indikatoren übertreffen, aber dies geschieht aufgrund der „Verteilung“ von Knochenmaterial, dessen Festigkeit Stahl unterlegen ist.
Durch die Schaffung dieser oder jener Struktur löst die Natur viele Probleme - sie berücksichtigt die notwendige Widerstandsfähigkeit gegen äußere mechanische Einflüsse und physikalische und chemische Einflüsse der Umwelt, versorgt Pflanzen mit Wasser, Luft und Sonne. All diese
Aufgaben werden umfassend gelöst, alles unterliegt einer gemeinsamen Aufgabe, dem allgemeinen Lebensrhythmus des Organismus. In Pflanzen sieht man keine freischwebenden Wasserkapillaren wie in menschlichen Strukturen. Neben der Aufgabe der gleichmäßigen und konstanten Bewegung des Wassers erfüllen sie auch eine mechanische Funktion, indem sie äußeren mechanischen Einflüssen der Umgebung widerstehen.
Und wenn Sie sich die Möglichkeit der Selbsterneuerung eines konstruktiven Materials während seines Betriebs vorstellen, das der lebendigen Natur innewohnt! Anscheinend kann der Schutz vor schädlichen chemischen Einflüssen, vor niedrigen und hohen Temperaturen bei der Untersuchung von Hautgeweben von Pflanzen und Tieren gefunden werden.
Die Baukunst, bewaffnet mit Bionik, wird eine Welt von Strukturen und Gebäuden schaffen, die natürlicher und perfekter ist, als wir es gewohnt sind.

Vom Menschen entwickelte Kraft
Beim Durchgehen des Themas „Arbeit und Macht“ ist es interessant, einige Informationen über die Macht zu geben, die ein Mensch entwickeln kann.
Es wird angenommen, dass eine Person unter normalen Arbeitsbedingungen eine Leistung von etwa 70 - 80 Watt (oder etwa 0,1 PS) entwickeln kann. Eine kurzzeitige Leistungssteigerung um ein Vielfaches ist jedoch möglich.
So kann eine 750.000 schwere Person in 1 Sekunde auf eine Höhe von 1 m springen, was einer Leistung von 750 Watt entspricht. Bei einem schnellen Aufstieg, beispielsweise 7 Stufen, die jeweils ca. 0,15 m hoch sind, entwickelt sich innerhalb von 1 Sekunde eine Leistung von ca. 1 Liter. Mit. oder 735 Watt.
Kürzlich hat der olympische Radsportler Brian Jolly 5 Minuten lang 480 Watt getestet, was fast 2/3 PS entspricht. Mit.
Eine sofortige oder explosive Energiefreisetzung ist für eine Person möglich, insbesondere bei Sportarten wie Kugelstoßen oder Hochsprung. Beobachtungen haben gezeigt, dass manche Männer bei hohen Sprüngen mit gleichzeitigem Abstoßen mit beiden Beinen eine durchschnittliche Kraft von etwa 5,2 Litern innerhalb von 0,1 Sek. entwickeln. s. und Frauen - 3,5 a. Mit.

Vorrichtungen zum Ändern der Hubkraft
Interessante Informationen über die Körperstruktur von Haien und Stören können im Zusammenhang mit der Untersuchung des Problems der Auftriebskraft eines Flugzeugflügels berichtet werden. Es ist bekannt, dass beim Landen eines Flugzeugs, wenn seine Geschwindigkeit und folglich die Auftriebskraft klein sind, zusätzliche Vorrichtungen benötigt werden, um die Auftriebskraft zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden spezielle Schilde verwendet -
Klappen an der Unterseite des Flügels, die dazu dienen, die Krümmung seines Profils zu erhöhen. Bei der Landung bücken sie sich.
Knochenfische (zu denen die überwiegende Mehrheit der modernen Fische gehören) regulieren ihre durchschnittliche Dichte und dementsprechend die Eintauchtiefe mit Hilfe einer Schwimmblase. Knorpelfische haben keine solche Anpassung. Ihre Auftriebskraft wird durch Veränderung des Profils verändert, wie zB Flugzeuge verändern Haie (Knorpelfische) mit Hilfe von Brust- und Bauchflossen die Auftriebskraft.

Herz-Lungen-Maschine (APC)
Nach Abschluss des Studiums der Mechanik ist es sinnvoll, den Studierenden das Gerät der Herz-Lungen-Maschine näher zu bringen.
Bei Operationen am Herzen ist es oft notwendig, dieses vorübergehend vom Kreislauf abzuschalten und ein trockenes Herz zu operieren.
Reis. fünfzehn.
Die Herz-Lungen-Maschine besteht aus zwei Hauptteilen: einem Pumpensystem und einem Oxygenator. Pumpen erfüllen die Funktionen des Herzens - sie halten den Druck und die Durchblutung in den Gefäßen des Körpers während der Operation aufrecht. Der Oxygenator erfüllt die Funktionen der Lunge und versorgt das Blut mit Sauerstoff.
Ein vereinfachtes Diagramm der Vorrichtung ist in Fig. 15 gezeigt. Kolbenpumpen 18 werden von einem Elektromotor 20 über den Regler 19 angetrieben, letzterer bestimmt den Rhythmus und Hub der Pumpenkolben. Der Druck durch die mit Öl gefüllten Schläuche wird auf die Pumpen 4 und 9 übertragen, die mit Gummimembranen und Ventilen das notwendige Vakuum im venösen Teil (Pumpe 4) und die Kompression im arteriellen Teil (Pumpe 9) der physiologischen Einheit erzeugen des Geräts. Der physiologische Block besteht aus einem Kreislaufsystem, das unter Verwendung von Polyethylenkathetern mit großen Gefäßen an der Stelle ihres Austritts aus dem Herzen und einem Oxygenator kommuniziert.
Das Blut wird durch eine Luftfalle 1, eine elektromagnetische Klemme 2, eine Ausgleichskammer 3, die die Funktionen des Atriums erfüllt, gesaugt und mit einer Pumpe 4 in die obere Kammer 5 des Oxygenators injiziert. Dabei verteilt sich das Blut gleichmäßig über die Blutschaumsäule, die seine mittlere Kammer 6 ausfüllt. Es handelt sich um einen Zylinder aus Nylongewebe, an dessen Boden sich ein Sauerstoffverteiler 7 befindet. Sauerstoff tritt gleichmäßig durch 30 Löcher in die Kammer hindurch ein die am Boden der Kammer gebildete Luftschicht. Die Gesamtoberfläche der Blasen in der Schaumsäule beträgt ca. 5000 cm2 (bei einem Blutvolumen von 150 - 250 cm3). Im Oxygenator wird das Blut mit Sauerstoff gesättigt, gibt Kohlendioxid an die umgebende Atmosphäre ab und fließt in die untere Kammer 8, von wo es über eine Pumpe 9, eine Klemme 10 und eine Luftfalle 11 in das Arteriensystem des Körpers eintritt. Sauerstoff tritt in den Oxygenator durch einen Gaszähler 17 und einen Befeuchter 16 ein. Im oberen Teil des Oxygenators befindet sich ein Entschäumer 12 und ein Gasauslass. Ein Gefäß 15 mit Ersatzblut oder Blutersatzflüssigkeit kommuniziert mit dem Oxygenator durch die Klemme 14. Der Blutfluss aus dem Oxygenator wird durch einen Schwimmer 13 reguliert, der induktiv mit einer außen angeordneten Spule verbunden ist, die die Aktivierung der elektromagnetischen Klemmen der Vorrichtung steuert.

Fragen und Aufgaben

Bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit lebenden Objekten muss große Sorgfalt darauf verwendet werden, eine falsche Interpretation biologischer Prozesse zu vermeiden.
Betrachten Sie die Lösung mehrerer Probleme, die wir den Schülern vorgeschlagen haben.

Aufgabe 1. Wie lässt sich mit Hilfe physikalischer Darstellungen erklären, dass bei einem Sturm eine Fichte leicht mit der Wurzel ausbricht, während bei einer Kiefer ein Stamm schneller bricht?
Bevor wir uns entscheiden, lesen wir die Eigenschaften dieser Bäume.
„Mit ihren sich oberflächlich ausbreitenden Wurzeln kann sie (Fichte. - Ts.K.) Steine fest flechten, weshalb sie im Gebirge auch bei sehr dünner Erdschicht die nötige Standfestigkeit hat, da sie aber nicht, wie eine Kiefer, die die Wurzel senkrecht nach unten lässt, dann wird in der Ebene eine separate Fichte leicht von einem Sturm zusammen mit der Wurzel herausgezogen. Die Krone des Baumes bildet eine riesige Pyramide."
„Die im Wald wachsende Kiefer bildet einen hohen Säulenstamm und eine kleine Pyramidenkrone. Im Gegenteil, an einem rein offenen Ort wachsend, erreicht es nur einen kleinen Wuchs, aber seine Krone wächst weit.
Dann diskutierten sie mit den Schülern die Möglichkeit, die Momentenregel zur Lösung des Problems anzuwenden.
Wir sind daran interessiert, nur die qualitative Seite des Problems zu analysieren. Außerdem interessiert uns die Frage nach dem Vergleichsverhalten beider Bäume. Die Rolle der Last spielt in unserem Problem die Windstärke FB. Es ist möglich, die auf den Stamm wirkende Windkraft zu der auf die Krone wirkenden Windkraft zu addieren und sogar anzunehmen, dass die auf beide Bäume wirkende Windkraft gleich ist. Dann sollte die weitere Überlegung anscheinend "wie folgt lauten. Das Wurzelsystem einer Kiefer geht tiefer in den Boden als das einer Fichte. Aus diesem Grund ist die Schulter der Kraft, die die Kiefer im Boden hält, größer als die der Fichte ( Abb. 16) Um eine Fichte an der Wurzel hochzudrehen, braucht es daher weniger Windkraft als bei einer Kiefer, und es braucht mehr Windkraft, um eine Kiefer zu entwurzeln, als sie zu brechen häufiger entwurzelt als Kiefer, und Kiefer bricht häufiger als Fichte.

KOHETS FRAGMEHTA BÜCHER

Die Kenntnis menschlicher Funktionen ist eine der schwierigsten Aufgaben. Die Entwicklung der Wissenschaft in den ersten Phasen erfolgt - die Differenzierung von Disziplinen, die auf eine eingehende Untersuchung bestimmter Probleme abzielen. In der ersten Phase versuchen wir, einen bestimmten Teil zu kennen, und wenn uns dies gelingt, stellt sich eine weitere Aufgabe - wie man eine allgemeine Idee macht. Es gibt wissenschaftliche Disziplinen an der Kreuzung der ursprünglichen Fachrichtungen. Dies gilt auch für die Biophysik, die an der Schnittstelle von Physiologie, Physik und physikalischer Chemie entstand und neue Möglichkeiten zum Verständnis biologischer Prozesse eröffnete.

Biophysik- eine Wissenschaft, die physikalische und physikalisch-chemische Prozesse auf verschiedenen Ebenen lebender Materie (molekular, zellulär, Organ, ganzer Organismus) sowie Muster und Mechanismen des Einflusses physikalischer Umweltfaktoren auf lebende Materie untersucht.

zuordnen-

Molekulare Biophysik - Kinetik und Thermodynamik von Prozessen
Zellbiophysik - Studium der Zellstruktur und physikalisch-chemischer Manifestationen - Permeabilität, Bildung von Biopotentialen
Biophysik der Sinnesorgane - physikalische und chemische Empfangsmechanismen, Energieumwandlung, Informationskodierung in Rezeptoren.
Biophysik komplexer Systeme - Regulations- und Selbstregulationsprozesse und thermodynamische Eigenschaften dieser Prozesse
Biophysik der Auswirkungen äußerer Faktoren - untersucht die Auswirkungen von ionisierender Strahlung, Ultraschall, Vibration und Lichteinwirkung auf den Körper

Aufgaben der Biophysik

Stellen Sie Muster der wilden Natur fest, indem Sie die physikalischen und chemischen Phänomene im Körper studieren
Die Untersuchung der Mechanismen des Einflusses physikalischer Faktoren auf den Körper

Euler (1707-1783) - die Gesetze der Theorie der Hydrodynamik, um die Bewegung des Blutes durch die Gefäße zu erklären

Lavoisier (1780) - untersuchte den Energieaustausch im Körper

Galvani (1786) - der Begründer der Lehre von Biopotentialen, tierischer Elektrizität

Helmholtz (1821)

Röntgen - versuchte, die Mechanismen der Muskelkontraktion aus der Position von Piezoeffekten zu erklären

Arrhenius - Gesetze der klassischen Kinetik zur Erklärung biologischer Prozesse

Lomonosov - das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie

Sechenov - untersuchte den Gastransport im Blut

Lazarev - der Gründer der nationalen biophysikalischen Schule

Pauling - die Entdeckung der räumlichen Struktur des Proteins

Watson und Crick - Entdeckung der Doppelstruktur der DNA

Hodgkin, Huxley, Katz - Entdeckung der ionischen Natur bioelektrischer Phänomene

Prigogine - die Theorie der Thermodynamik irreversibler Prozesse

Eigen - die Theorie der Hyperzyklen als Grundlage der Evolution

Sakman, Neher - etablierte die molekulare Struktur von Ionenkanälen

Biophysik wurde in Verbindung mit der Entwicklung der Medizin, weil. Dort wurden Methoden der körperlichen Einwirkung auf den Körper angewendet.

Die Biologie entwickelte sich und es war notwendig, die Geheimnisse biologischer Prozesse zu durchdringen, die auf molekularer Ebene ablaufen

Die Notwendigkeit der Industrie, deren Entwicklung zur Einwirkung verschiedener physikalischer Faktoren auf den Körper führte - radioaktive Strahlung, Vibrationen, Schwerelosigkeit, Überlastung

Methoden der biophysikalischen Forschung

Röntgenbeugungsanalyse- Untersuchung der atomaren Struktur der Materie mit Röntgenbeugung. Aus dem Beugungsmuster wird die Verteilung der Elektronendichte eines Stoffes ermittelt, und schon daraus lässt sich bestimmen, welche Atome in dem Stoff enthalten sind und wo sie sich befinden. Untersuchung von Kristallstrukturen, Flüssigkeiten und Proteinmolekülen.
Säulenchromatographie- unterschiedliche Verteilung und Analyse von Mischungen zwischen 2 Phasen - mobil und stationär. Dies kann mit unterschiedlichem Grad der Substanzabsorption oder mit unterschiedlichem Grad des Ionenaustauschs zusammenhängen. Kann gasförmig oder flüssig sein. Die Verteilung von Substanzen erfolgt in Kapillaren - Kapillaren oder in mit einem Sorptionsmittel gefüllten Röhrchen - Säulen. Kann auf Papier, Platten erfolgen
Spektralanalyse- qualitative und quantitative Bestimmung eines Stoffes durch optische Spektren. Der Stoff wird entweder durch das Emissionsspektrum - Emissionsspektralanalyse oder durch das Absorptionsspektrum - Absorption bestimmt. Der Stoffgehalt wird durch die relative oder absolute Dicke der Linien im Spektrum bestimmt. Dazu gehören auch Radiospektroskopie - elektronenparamagnetische Resonanz und kernmagnetische Resonanz.
Isotopenanzeige
Elektronenmikroskopie
UV-Mikroskopie- Die Untersuchung biologischer Objekte in UV-Strahlen erhöht den Kontrast des Bildes, insbesondere intrazellulärer Strukturen, und ermöglicht die Untersuchung anderer Zellen ohne vorheriges Färben und Fixieren des Präparats

Eine der wichtigsten Existenzbedingungen ist die angemessene Anpassung von Funktionen, Organen und Geweben, Systemen an die Umwelt. Es findet ein ständiges Gleichgewicht zwischen Organismus und Umwelt statt. Bei diesen Prozessen ist der Hauptprozess die Regulierung und Steuerung physiologischer Funktionen.

Die Wissenschaft der Kybernetik (Kybernetik ist die Kunst des Managements) beschäftigt sich mit den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten der Implementierung, Verwaltung und Verarbeitung von Informationen in unterschiedlichen Systemen, die sowohl Menschen als auch technischen Geräten gemeinsam sind. Die Entstehung der Kybernetik wurde durch die Entwicklung der Theorie der automatischen Steuerung, die Entwicklung der Funkelektronik und die Schaffung der Informationstheorie vorbereitet.

Diese Arbeit wurde von Shannon (1948) in "The Mathematical Theory of Communication" vorgestellt.

Kybernetik befasst sich mit der Untersuchung von Systemen jeglicher Art, die in der Lage sind, Informationen zu empfangen, zu speichern und zu verarbeiten und sie für die Verwaltung und Regulierung zu verwenden. Die Kybernetik untersucht jene Signale und Faktoren, die zu bestimmten Steuerungsvorgängen führen.

Es ist von großer Bedeutung für die Medizin. Die Analyse biologischer Prozesse ermöglicht es, Regulationsmechanismen qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Entscheidend im Gremium sind Informationsprozesse der Führung und Regulierung, d.h. sind primär, auf deren Grundlage alle Prozesse ablaufen.

Systeme- ein organisierter Komplex von Elementen, die miteinander verbunden sind und bestimmte Funktionen gemäß dem Programm des gesamten Systems ausführen. Die Elemente des Gehirns werden Neuronen sein. Die Elemente eines Teams sind die Menschen, aus denen es besteht. Nur die Masse ist kein kybernetisches System.

Programm- die Abfolge von Änderungen des Systems in Raum und Zeit, die in die Struktur des Systems eingebaut oder von außen in sie eintreten können.

Verbindung- der Prozess der Wechselwirkung von Elementen miteinander, bei dem Materie, Energie und Informationen ausgetauscht werden.

Nachrichten sind kontinuierlich und diskret.

kontinuierlich haben den Charakter eines sich ständig ändernden Wertes (Blutdruck, Temperatur, Muskelspannung, Musikmelodien).

Diskret- bestehen aus separaten Schritten oder Abstufungen, die sich voneinander unterscheiden (Anteile von Mediatoren, die stickstoffhaltige Basis der DNA, Punkte und Striche des Morsecodes)

Der Prozess der Codierung von Informationen ist ebenfalls wichtig. Es wird durch Nervenimpulse für die Wahrnehmung von Informationen durch die Nervenzentren kodiert. Codeelemente - Symbole und Positionen. Symbole sind dimensionslose Größen, die etwas unterscheiden (Buchstaben, mathematische Zeichen, Nervenimpulse, Moleküle von Geruchsstoffen und Positionen bestimmen die räumliche und zeitliche Anordnung von Symbolen).

Der Informationscode enthält dieselben Informationen wie die ursprüngliche Nachricht. Dies ist das Phänomen der Isomorphie. Das Codesignal hat einen sehr niedrigen Energiewert. Das Eintreffen von Informationen wird durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Signals bewertet.

Nachricht und Information sind nicht dasselbe, denn laut Informationstheorie

Information- ein Maß für die Menge an Unsicherheit, die nach Erhalt der Nachricht eliminiert wird.

Möglichkeit einer Veranstaltung A-priori-Informationen.

Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses nach Erhalt der Information ist a posteriori-Informationen.

Die Aussagekraft der Nachricht wird größer, wenn die empfangene Information die Posterior-Wahrscheinlichkeit erhöht.

Informationseigenschaften.

Informationen sind nur dann sinnvoll, wenn ihre Empfänger (Verbraucher) vorhanden sind - "wenn ein Fernseher im Raum ist und niemand darin ist"
Das Vorhandensein eines Signals zeigt nicht unbedingt an, dass Informationen übertragen werden, denn es gibt Botschaften, die für den Verbraucher nichts Neues beinhalten.
Informationen können sowohl auf der bewussten als auch auf der unbewussten Ebene übermittelt werden.
Wenn das Ereignis zuverlässig ist (d. h. seine Wahrscheinlichkeit ist P = 1), enthält die Nachricht, dass es passiert ist, keine Informationen für den Verbraucher
Nachricht über ein Ereignis, dessen Wahrscheinlichkeit P ist< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Desinformation- negativer Informationswert.

Ein Maß für die Ungewissheit von Ereignissen - Entropie(H)

Wenn log2 N=1, dann N=2

Informationseinheit - bisschen(doppelte Informationseinheit)

H=lg N (hartley)

1 Hartley ist die Informationsmenge, die erforderlich ist, um eine der zehn gleichwahrscheinlichen Möglichkeiten auszuwählen. 1 Hartley = 3,3 Bit

Der Regulator kann auf Kompensation wirken, wenn die Wirkung auf den Körper eine kompensatorische Aktion des Regulators ist, die zur Normalisierung der Funktion führt

Das Management zielt darauf ab, physiologische Funktionen, deren Korrektur und Koordination von Prozessen zu starten.

Der älteste ist der humorale Regulationsmechanismus.

nervöser Mechanismus.

neurohumoralen Mechanismus.

Die Entwicklung von Regulationsmechanismen führt dazu, dass sich Tiere im Gegensatz zu Pflanzen fortbewegen und eine ungünstige Umgebung verlassen können.

Außenpostenmechanismus (beim Menschen) - in Form von konditionierten Reflexen. Durch das Signalisieren von Reizen können wir Maßnahmen zur Beeinflussung der Umwelt umsetzen.

Biophysik (biologische Physik) - die Wissenschaft der einfachsten und grundlegendsten Wechselwirkungen, die biologischen Prozessen zugrunde liegen, die auf verschiedenen Ebenen der Organisation lebender Materie ablaufen - molekular, zellulär, organisch und Population.

Einführung

Theoretische Konstruktionen und Modelle der Biophysik basieren auf den Konzepten von Energie, Kraft, Wechselwirkungsarten, auf den allgemeinen Konzepten der physikalischen und formalen Kinetik, der Thermodynamik und der Informationstheorie. Diese Konzepte spiegeln die Natur der grundlegenden Wechselwirkungen und Bewegungsgesetze der Materie wider, die, wie Sie wissen, Gegenstand der Physik ist – einer grundlegenden Naturwissenschaft. Die Biophysik als biologische Wissenschaft konzentriert sich auf biologische Prozesse und Phänomene. Der Haupttrend der modernen Biophysik ist das Eindringen in die tiefsten, elementarsten Ebenen, die die Grundlage der strukturellen Organisation des Lebendigen bilden.

Die Entstehung und Entwicklung der Biophysik ist eng verbunden mit der intensiven Durchdringung von Ideen, theoretischen Ansätzen und Methoden der modernen Biologie, Physik, Chemie und Mathematik.

Moderne Klassifikation der Biophysik, übernommen von der IUPAB

Die von der International Union of Pure and Applied Biophysics (1961) angenommene Klassifikation, die die wichtigsten biologischen Objekte auf dem Gebiet der biophysikalischen Forschung widerspiegelt, umfasst die folgenden Abschnitte: Molekulare Biophysik, deren Aufgabe es ist, die physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften von zu untersuchen Makromoleküle und molekulare Komplexe; Zellbiophysik, die die physikalisch-chemischen Grundlagen des Zelllebens, die Beziehung zwischen der molekularen Struktur von Membranen und Zellorganellen und ihren Funktionen, die Muster der Koordination zellulärer Prozesse, ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften, Energie und Thermodynamik zellulärer Prozesse untersucht; Biophysik komplexer Systeme, die einzelne Organellen, ganze Organismen und Populationen umfassen; Biophysik von Steuerungs- und Regulationsprozessen, die sich mit der Untersuchung und Modellierung von Steuerungsprinzipien in biologischen Systemen befasst. Es gibt auch Bereiche der Biophysik: die Struktur von Biopolymeren (Proteine, DNA, Lipide), Biomechanik, biologische Optik, Biomagnetismus, biologische Thermodynamik. Die Biophysik umfasst auch Wissenschaftsgebiete, die die Mechanismen der Beeinflussung biologischer Systeme durch verschiedene physikalische Faktoren (Licht, ionisierende Strahlung, elektromagnetische Felder etc.) untersuchen.

Die Geschichte des Eindringens der Prinzipien der Physik und Mathematik in die Biologie

Der Beginn des Studiums der physikalischen Eigenschaften biologischer Objekte ist mit den Arbeiten von G. Galileo und R. Descartes (17. Jahrhundert) verbunden, die die Grundlagen der Mechanik legten, auf deren Prinzipien die ersten Versuche unternommen wurden, einige zu erklären Lebensprozesse. Descartes zum Beispiel glaubte, dass der menschliche Körper wie eine komplexe Maschine sei, die aus den gleichen Elementen wie anorganische Körper bestehe. Der italienische Physiker G. Borelli wandte die Prinzipien der Mechanik an, um die Mechanismen tierischer Bewegungen zu beschreiben. 1628 beschrieb W. Harvey den Mechanismus der Blutzirkulation auf der Grundlage der Gesetze der Hydraulik. Im 18. Jahrhundert Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik und die Verbesserung ihres mathematischen Apparats waren für das Verständnis der in lebenden Organismen ablaufenden physikalisch-chemischen Prozesse von großer Bedeutung. Die Verwendung physikalischer Ansätze gab Impulse für die Einführung experimenteller Methoden und Ideen der exakten Wissenschaften in die Biologie. L. Euler beschrieb mathematisch die Bewegung des Blutes durch die Gefäße. MV Lomonosov traf eine Reihe allgemeiner Urteile über die Natur des Geschmacks und der visuellen Empfindungen und stellte eine der ersten Theorien des Farbsehens vor. A. Lavoisier und P. Laplace zeigten die Einheit der chemischen Gesetze für anorganische und organische Körper und stellten fest, dass der Atmungsprozess einer langsamen Verbrennung ähnlich ist und eine Wärmequelle für lebende Organismen darstellt. Eine kreative Diskussion zwischen A. Voltai und L. Galvani über das Problem der Entdeckung der "lebendigen Elektrizität" durch letzteren bildete die Grundlage der Elektrophysiologie und spielte eine wichtige Rolle beim Studium der Elektrizität im Allgemeinen.

Die Entwicklung der Biophysik im 19. - frühen 20. Jahrhundert

Im 19. Jahrhundert die entwicklung der biologie wurde begleitet von der bereicherung des wissens über die physikalisch-chemischen eigenschaften biologischer strukturen und prozesse. Von großer Bedeutung war die Schaffung der elektrolytischen Lösungstheorie von S. Arrhenius, der ionischen Theorie der bioelektrischen Phänomene von V. Nernst. Grundlegende Vorstellungen über die Natur und Rolle von Aktionspotentialen im Mechanismus des Auftretens und der Ausbreitung der Erregung entlang des Nervs wurden gewonnen ( G. Helmholtz, E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Deutschland); Die Bedeutung osmotischer und elektrischer Phänomene im Leben von Zellen und Geweben wurde dank der Arbeiten von J. Loeb (USA), W. Nernst und R. Gerber (Deutschland) aufgeklärt. All dies ließ Dubois-Reymond zu dem Schluss kommen, dass in den materiellen Partikeln von Organismen keine neuen Kräfte gefunden werden, die außerhalb von ihnen nicht wirken könnten. Solch eine prinzipielle Position beendete die Erklärung von Lebensprozessen durch die Wirkung einiger spezieller „lebender Faktoren, die physikalischen Messungen nicht zugänglich sind“.

Einheimische Wissenschaftler haben einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Biophysik geleistet. SIE. Sechenov untersuchte die Auflösungsmuster von Gasen im Blut, die Biomechanik von Bewegungen. Die Kondensatortheorie der Erregung von Nervengewebe, basierend auf der ungleichen Mobilität von Ionen, wurde von V.Yu. Tschagowez. KA Timiryazev bestimmte die photosynthetische Aktivität einzelner Abschnitte des Sonnenspektrums und erstellte quantitative Muster, die die Rate des Photosyntheseprozesses und die Lichtabsorption durch Chlorophyll in Blättern unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung in Beziehung setzen. Die Ideen und Methoden der Physik und der physikalischen Chemie wurden beim Studium der Bewegung, der Hör- und Sehorgane, der Photosynthese, des Mechanismus der Erzeugung elektromotorischer Kraft in Nerven und Muskeln und der Bedeutung der Ionenumgebung für die Lebenstätigkeit von verwendet Zellen und Gewebe. 1905-15. N. K. Koltsov untersuchte die Rolle physikalisch-chemischer Faktoren (Oberflächenspannung, Konzentration von Wasserstoffionen, Kationen) im Zellleben. P.P. Lazarev wird die Entwicklung der Ionentheorie der Erregung (1916) und das Studium der Kinetik photochemischer Reaktionen zugeschrieben. Er gründete die erste sowjetische Schule von Biophysikern und vereinigte eine große Gruppe prominenter Wissenschaftler um sich (darunter S. I. Vavilov, S. V. Kravkov, V. V. Shuleikin, S. V. Deryagin und andere). 1919 gründete er das Institut für biologische Physik des Volkskommissariats für Gesundheit in Moskau, wo Arbeiten zur Ionentheorie der Erregung, zur Untersuchung der Kinetik von unter Lichteinwirkung ablaufenden Reaktionen, der Absorptions- und Fluoreszenzspektren durchgeführt wurden von biologischen Objekten sowie die Prozesse der primären Auswirkungen verschiedener Umweltfaktoren auf den Körper. Die Bücher von V.I. Vernadsky („Biosphäre“, 1926), E.S. Bauer („Theoretische Biologie“, 1935), D.L. Rubinshtein („Physiko-chemische Grundlagen der Biologie“, 1932), N.K. Koltsov („Organisation der Zelle“, 1936), D.N. Nasonov und V.Ya. Alexandrova („Die Reaktion lebender Materie auf äußere Einflüsse“, 1940) usw.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts standen Fortschritte in der Biophysik in direktem Zusammenhang mit Fortschritten in Physik und Chemie, der Entwicklung und Verbesserung von Forschungsmethoden und theoretischen Ansätzen sowie dem Einsatz elektronischer Computer. Mit der Entwicklung der Biophysik sind so präzise experimentelle Forschungsmethoden wie Spektral-, Isotopen-, Beugungs- und Radiospektroskopie in die Biologie eingedrungen. Die breite Entwicklung der Atomenergie weckte das Interesse an der Forschung auf dem Gebiet der Strahlenbiologie und Strahlenbiophysik.

Das Hauptergebnis der Anfangsphase der Entwicklung der Biophysik ist die Feststellung über die grundsätzliche Anwendbarkeit der Grundgesetze der Physik als grundlegende Naturwissenschaft über die Bewegungsgesetze der Materie auf dem Gebiet der Biologie. Von großer allgemeiner methodischer Bedeutung für die Entwicklung verschiedener Gebiete der Biologie sind die in dieser Zeit gewonnenen Beweise des Energieerhaltungssatzes (erster Hauptsatz der Thermodynamik), die Anerkennung der Prinzipien der chemischen Kinetik als Grundlage für das dynamische Verhalten biologischer Systeme, das Konzept offener Systeme und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in biologischen Systemen und schließlich die Schlussfolgerung über das Fehlen besonderer "lebender" Energieformen. All dies beeinflusste maßgeblich die Entwicklung der Biologie, zusammen mit den Erfolgen der Biochemie und den Fortschritten bei der Erforschung der Struktur von Biopolymeren, und trug zur Bildung der führenden modernen Richtung in der biologischen Wissenschaft bei - der physikalischen und chemischen Biologie, in der die Biophysik eine wichtige Rolle spielt Platz.

Hauptforschungsrichtungen und Errungenschaften der modernen Biophysik

In der modernen Biophysik gibt es 2 Hauptbereiche, die das Fach Biophysik ausmachen - Theoretische Biophysik löst allgemeine Probleme der Thermodynamik biologischer Systeme, der dynamischen Organisation und Regulierung biologischer Prozesse, berücksichtigt die physikalische Natur von Wechselwirkungen, die die Struktur, Stabilität und intramolekulare dynamische Mobilität von Makromolekülen und ihren Komplexen sowie die Mechanismen der Energieumwandlung in ihnen bestimmen; und Biophysik spezifischer biologischer Prozesse ( Zellbiophysik), deren Analyse auf der Grundlage allgemeiner theoretischer Konzepte erfolgt. Der Haupttrend in der Entwicklung der Biophysik ist mit dem Eindringen in die molekularen Mechanismen verbunden, die biologischen Phänomenen auf verschiedenen Ebenen der Organisation des Lebens zugrunde liegen.

Auf der gegenwärtigen Stufe der Entwicklung der Biophysik gab es grundlegende Verschiebungen, die vor allem mit der schnellen Entwicklung der theoretischen Teile der Biophysik komplexer Systeme und der molekularen Biophysik verbunden sind. Auf diesen Gebieten, die sich mit den Gesetzmäßigkeiten des dynamischen Verhaltens biologischer Systeme und den Mechanismen molekularer Wechselwirkungen in Biostrukturen befassen, wurden allgemeine Ergebnisse erzielt, auf deren Grundlage die Biophysik ihre eigene theoretische Basis gebildet hat. Theoretische Modelle, die in Bereichen wie Kinetik, Thermodynamik, Theorie der Regulation biologischer Systeme, der Struktur von Biopolymeren und ihren elektronischen Konformationseigenschaften entwickelt wurden, bilden die Grundlage in der Biophysik für die Analyse spezifischer biologischer Prozesse. Die Erstellung solcher Modelle ist notwendig, um die allgemeinen Prinzipien grundlegender biologisch bedeutsamer Wechselwirkungen auf molekularer und zellulärer Ebene zu identifizieren, ihre Natur in Übereinstimmung mit den Gesetzen der modernen Physik und Chemie unter Verwendung der neuesten Fortschritte der Mathematik aufzudecken und auf deren Grundlage weiterzuentwickeln davon zunächst verallgemeinerte Konzepte, die den beschriebenen biologischen Phänomenen angemessen sind.

Das wichtigste Merkmal ist, dass die Konstruktion von Modellen in der Biophysik eine solche Modifikation der Ideen verwandter exakter Wissenschaften erfordert, was der Entwicklung neuer Konzepte in diesen Wissenschaften entspricht, wie sie auf die Analyse biologischer Prozesse angewendet werden. Biologische Systeme selbst sind eine Informationsquelle, die die Entwicklung bestimmter Bereiche der Physik, Chemie und Mathematik anregt.

Auf dem Gebiet der Biophysik komplexer Systeme hat die Nutzung der Prinzipien der chemischen Kinetik zur Analyse von Stoffwechselprozessen weitreichende Möglichkeiten für deren mathematische Modellierung unter Verwendung gewöhnlicher Differentialgleichungen eröffnet. In dieser Phase wurden viele wichtige Ergebnisse erzielt, hauptsächlich auf dem Gebiet der Modellierung physiologischer und biochemischer Prozesse, der Zellwachstumsdynamik und der Populationsgröße in Ökosystemen. Von grundlegender Bedeutung bei der Entwicklung der mathematischen Modellierung komplexer biologischer Prozesse war die Abkehr von der Idee des obligatorischen Findens exakter analytischer Lösungen der entsprechenden Gleichungen und die Verwendung qualitativer Methoden zur Analyse von Differentialgleichungen, die dies ermöglichen zeigen die allgemeinen dynamischen Eigenschaften biologischer Systeme auf. Zu diesen Merkmalen gehören die Eigenschaften stationärer Zustände, ihre Anzahl, Stabilität, die Möglichkeit, von einem Modus in einen anderen umzuschalten, das Vorhandensein von selbstoszillierenden Modi und die Chaotisierung dynamischer Modi.

Auf dieser Grundlage wurden Ideen über die Hierarchie der Zeiten und „minimale“ und adäquate Modelle entwickelt, die die Haupteigenschaften des Objekts ziemlich vollständig widerspiegeln. Außerdem wurde eine parametrische Analyse des dynamischen Verhaltens von Systemen entwickelt, einschließlich der Analyse grundlegender Modelle, die verschiedene Aspekte der Selbstorganisation biologischer Systeme in Zeit und Raum widerspiegeln. Darüber hinaus gewinnt der Einsatz probabilistischer Modelle, die den Einfluss stochastischer Faktoren auf deterministische Prozesse in biologischen Systemen widerspiegeln, zunehmend an Bedeutung. Die Bifurkationsabhängigkeit des dynamischen Verhaltens des Systems von den kritischen Werten der Parameter spiegelt die Entstehung dynamischer Informationen im System wider, die beim Wechsel des Betriebsmodus realisiert werden.

Zu den allgemein biologisch bedeutsamen Errungenschaften der Biophysik gehören das Verständnis der thermodynamischen Eigenschaften von Organismen und Zellen als offene Systeme, die auf dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik basierende Formulierung der Kriterien für die Evolution eines offenen Systems zu einem stabilen Zustand ( I. Prigogine); Offenlegung der Mechanismen oszillatorischer Prozesse auf Populationsebene, enzymatische Reaktionen. Basierend auf der Theorie der Autowellenprozesse in aktiven Medien werden die Bedingungen für das spontane Auftreten dissipativer Strukturen in homogenen offenen Systemen geschaffen. Auf dieser Grundlage werden Modelle der Prozesse der Morphogenese, der Ausbildung regelmäßiger Strukturen beim Wachstum von Bakterienkulturen, der Ausbreitung eines Nervenimpulses und der Nervenerregung in neuronalen Netzen aufgebaut. Ein sich entwickelndes Gebiet der theoretischen Biophysik ist das Studium des Ursprungs und der Natur biologischer Informationen und ihrer Beziehung zur Entropie, den Zuständen des Chaos und der Bildung fraktaler selbstähnlicher Strukturen in komplexen biologischen Systemen.

Generell ist die Entwicklung einer einheitlichen molekularkinetischen Beschreibung ein drängendes Problem der Biophysik, das die Entwicklung erster Grundkonzepte erfordert. Daher sind auf dem Gebiet der Thermodynamik irreversibler Prozesse das Konzept eines chemischen Potentials in Abhängigkeit von der Gesamtkonzentration einer beliebigen Komponente und genau genommen das Konzept der Entropie für heterogene Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, nicht mehr gültig. In aktiven makromolekularen Komplexen hängen intramolekulare Umwandlungen hauptsächlich von der Natur ihrer Organisation und nicht von der Gesamtkonzentration der einzelnen Bestandteile ab. Dies erfordert die Entwicklung neuer Kriterien für die Stabilität und Richtung irreversibler Prozesse in heterogenen Nichtgleichgewichtssystemen.

In der molekularen Biophysik basiert die Untersuchung spezifischer biologischer Prozesse auf Daten aus Studien zu den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biopolymeren (Proteinen und Nukleinsäuren), ihrer Struktur, Selbstorganisationsmechanismen, intramolekularen Mobilität usw. Von großer Bedeutung in der Biophysik ist der Einsatz moderner experimenteller Methoden, vor allem Radiospektroskopie (NMR, EPR), Spektrophotometrie, Röntgenbeugungsanalyse, Elektronentunnelmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Laserspektroskopie, verschiedene elektrometrische Methoden, unter anderem mit Mikroelektrodentechnik. Sie ermöglichen es, Informationen über die Mechanismen molekularer Transformationen zu erhalten, ohne die Integrität biologischer Objekte zu verletzen. Derzeit ist die Struktur von etwa 1000 Proteinen aufgeklärt. Die Entschlüsselung der räumlichen Struktur von Enzymen und ihres aktiven Zentrums ermöglicht es, die Natur der molekularen Mechanismen der enzymatischen Katalyse zu verstehen und auf dieser Grundlage die Entwicklung neuer Medikamente zu planen. Auch die Möglichkeiten der gezielten Synthese von biologisch aktiven Substanzen, einschließlich Arzneimitteln, basieren auf grundlegenden Studien zum Zusammenhang zwischen molekularer Mobilität und biologischer Aktivität solcher Moleküle.

Auf dem Gebiet der theoretischen molekularen Biophysik, Ideen über elektronisch-konformative Wechselwirkungen - EKV(MV Wolkenstein), stochastische Eigenschaften des Proteins ( UM. Ptitsyn) bilden die Grundlage für das Verständnis der Funktionsprinzipien von Biomakromolekülen. Die Spezifität biologischer Muster, die auf den höchsten Organisationsebenen eines entwickelten biologischen Systems voll zum Vorschein kommen, manifestiert sich jedoch bereits auf den niedrigeren molekularen Ebenen der Lebenden. Die Energieumwandlung und das Auftreten von Reaktionsprodukten in Komplexen wird durch intramolekulare Wechselwirkungen einzelner Teile des Makromoleküls erreicht. Daraus folgen logischerweise Vorstellungen über die Einzigartigkeit eines Makromoleküls als physikalisches Objekt, das Wechselwirkungen in statistischen und mechanischen Freiheitsgraden vereint. Es sind die Vorstellungen über Makromoleküle, vor allem Proteine, als eine Art molekularer Maschinen ( LA Blumenfeld, DS Tschernavski) ermöglichen es, die Umwandlung verschiedener Energiearten durch Wechselwirkung innerhalb eines einzigen Makromoleküls zu erklären. Die Fruchtbarkeit der biophysikalischen Analysemethode und des Aufbaus verallgemeinerter Modelle physikalischer Interaktion zeigt sich darin, dass das EQI-Prinzip es uns erlaubt, die Funktionsweise molekularer Maschinen, die in ihrer biologischen Rolle scheinbar weit voneinander entfernt sind, aus einer einheitlichen allgemeinen Wissenschaft heraus zu betrachten Position - zum Beispiel molekulare Komplexe, die an den primären Prozessen der Photosynthese und des Sehens beteiligt sind, Enzym-Substrat-Komplexe enzymatischer Reaktionen, molekulare Mechanismen der ATP-Synthetase sowie die Übertragung von Ionen durch biologische Membranen.

Die Biophysik untersucht Eigenschaften biologische Membranen, ihre molekulare Organisation, Konformationsmobilität von Protein- und Lipidkomponenten, ihre Temperaturbeständigkeit, Lipidperoxidation, ihre Permeabilität für Nichtelektrolyte und verschiedene Ionen, molekulare Struktur und Funktionsmechanismen von Ionenkanälen, interzelluläre Wechselwirkungen. Viel Aufmerksamkeit wird den Mechanismen der Energieumwandlung in Biostrukturen geschenkt (siehe Art. Bioenergetik), wo sie mit der Übertragung von Elektronen und mit der Umwandlung der Energie der elektronischen Erregung verbunden sind. Die Rolle freier Radikale in lebenden Systemen und ihre Bedeutung für die schädigende Wirkung ionisierender Strahlung sowie für die Entstehung einer Reihe anderer pathologischer Prozesse ( N.M. Emmanuel, B.N. Tarusov). Einer der Zweige der Biophysik, der an die Biochemie grenzt, ist die Mechanochemie, die die Mechanismen der gegenseitigen Umwandlung chemischer und mechanischer Energie untersucht, die mit der Muskelkontraktion, der Bewegung von Zilien und Flagellen, der Bewegung von Organellen und Protoplasma in Zellen verbunden sind. Einen wichtigen Platz nimmt die "Quanten" -Biophysik ein, die die primären Wechselwirkungsprozesse biologischer Strukturen mit Lichtquanten (Photosynthese, Sehen, Auswirkungen auf die Haut usw.), die Mechanismen der Biolumineszenz und phototrope Reaktionen sowie die Wirkung von Ultraviolett untersucht und sichtbares Licht ( photodynamische Effekte) auf biologische Objekte. Zurück in den 40er Jahren. 20 Zoll . EIN. Terenin offenbarten die Rolle von Triplettzuständen in photochemischen und einer Reihe von photobiologischen Prozessen. AA Krasnovsky zeigten die Fähigkeit von durch Licht angeregtem Chlorophyll, Redoxumwandlungen zu durchlaufen, die den primären Prozessen der Photosynthese zugrunde liegen. Moderne Methoden der Laserspektroskopie liefern direkte Informationen über die Kinetik der entsprechenden photoinduzierten elektronischen Übergänge, Schwingungen von Atomgruppen im Bereich von 50-100 Femtosekunden bis 10 -12 -10 -6 s und mehr.

Die Ideen und Methoden der Biophysik finden nicht nur breite Anwendung bei der Untersuchung biologischer Prozesse auf makromolekularer und zellulärer Ebene, sondern haben sich insbesondere in den letzten Jahren auch auf die Bevölkerungs- und Ökosystemebenen der Organisation der belebten Natur ausgebreitet.

Fortschritte in der Biophysik werden weitgehend in Medizin und Ökologie genutzt. Die medizinische Biophysik befasst sich mit der Identifizierung von Anfangsstadien pathologischer Veränderungen im Körper (Zelle) auf molekularer Ebene. Die Frühdiagnose von Krankheiten basiert auf der Registrierung von spektralen Veränderungen, Lumineszenz, elektrischer Leitfähigkeit von Blut- und Gewebeproben, die die Krankheit begleiten (z. B. kann der Grad der Chemilumineszenz verwendet werden, um die Art der Lipidperoxidation zu beurteilen). analysiert die molekularen Wirkungsmechanismen abiotischer Faktoren (Temperatur, Licht, elektromagnetische Felder, anthropogene Verschmutzung etc.) auf biologische Strukturen, Lebensfähigkeit und Stabilität von Organismen. Die wichtigste Aufgabe der ökologischen Biophysik ist die Entwicklung von Expressmethoden zur Zustandsbewertung von Ökosystemen. Eine der wichtigsten Aufgaben in diesem Bereich ist die Bewertung der Toxizität grundlegend neuer Materialien - Nanomaterialien - sowie der Mechanismen ihrer Wechselwirkung mit biologischen Systemen.

In Russland wird biophysikalische Forschung in einer Reihe von Forschungsinstituten und Universitäten betrieben. Einer der führenden Orte gehört dem wissenschaftlichen Zentrum in Puschtschino, wo 1962 das Institut für biologische Physik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR organisiert wurde, das später geteilt wurde Institut für Zellbiophysik RAS(Direktor - Korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften E. E. Fesenko) und Institut für Theoretische und Experimentelle Biophysik RAS(Direktor - Korrespondierendes Mitglied der RAS GR. Iwanizki. Die Biophysik entwickelt sich aktiv in Institut für Biophysik des Gesundheitsministeriums der Russischen Föderation, Institut für Molekularbiologie RAS und Institut für Protein RAS, Institut für Biophysik SB RAS(Direktor - Korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften Degermedzhi A.G.), an den Universitäten von Moskau. St. Petersburg und Woronesch, in, in usw.

Entwicklung der biophysikalischen Ausbildung in Russland

Parallel zur Entwicklung der Forschung lief die Bildung einer Basis für die Ausbildung von Spezialisten auf dem Gebiet der Biophysik. Die erste in der Abteilung für Biophysik der UdSSR an der Fakultät für Biologie und Bodenkunde der Staatlichen Universität Moskau wurde 1953 organisiert (B. N. Tarusov), und 1959 wurde die Abteilung für Biophysik an der Fakultät für Physik der Staatlichen Universität Moskau (L. A. Blumenfeld) eröffnet. Beide Fachbereiche sind nicht nur Ausbildungszentren, die qualifizierte Biophysiker ausbilden, sondern auch bedeutende Forschungszentren. Die Abteilungen für Biophysik wurden dann in einer Reihe anderer Universitäten des Landes organisiert, darunter Staatliche Universität „Moscow Institute of Physics and Technology“, in Nationale Nuklearforschungsuniversität "MEPhI" sowie an führenden medizinischen Universitäten. Der Studiengang Biophysik wird an allen Universitäten des Landes gelehrt. Biophysikalische Forschung wird an Instituten und Universitäten in vielen Ländern der Welt betrieben. Internationale Kongresse zur Biophysik finden regelmäßig alle 3 Jahre statt. Gesellschaften von Biophysikern existieren in den USA, Großbritannien und einer Reihe anderer Länder. In Russland koordiniert der Wissenschaftliche Rat für Biophysik der Russischen Akademie der Wissenschaften die wissenschaftliche Arbeit und pflegt internationale Beziehungen. Der Bereich Biophysik ist verfügbar unter Moskauer Gesellschaft der Naturforscher.

Zu den Zeitschriften, in denen Artikel über Biophysik veröffentlicht werden, gehören: "Biophysics" (M., 1956 -); "Molekularbiologie" (M., 1967 -); "Strahlenbiologie" (M., 1961 - derzeit "Strahlenbiologie. Radioökologie"); „Biologische Membranen" (M., 19 -) „Advances in Biological and Medical Physics" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N. Y. - Amst., 1947 -); "Biophysical Journal" (N.Y., 1960-); "Bulletin of Mathematical Biophysics" (Chi, 1939 -); „Journal of Cell Biology“ (N.Y., 1962 – 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 -) ; Europäische Zeitschrift für Biophysik (); Zeitschrift für Theoretische Biologie (1961).

Literatur-Empfehlungen

Blumenfeld LA Probleme der biologischen Physik. M., 1977

Volkenstein M. V. Biophysik. M., 1981

M. Jackson. Molekulare und zelluläre Biophysik. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Selbstorganisation in Nichtgleichgewichtsstrukturen. pro. aus dem Englischen. M, 1979;

Rubin AB Biophysik. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3. Auflage)

A.V., Ptitsyn O.B. Proteinphysik. M., 2002.

BUNDESAGENTUR FÜR BILDUNG

STAATLICHE BILDUNGSEINRICHTUNG

HOCHSCHULBILDUNG

"STAATLICHE PÄDAGOGISCHE UNIVERSITÄT IRKUTSK"

Abteilung für Physik

Fakultät für Mathematik, Physik u

Informatik

Spezialität "540200 - physisch

mathematische Bildung“

Physik Profil

Qualifikation Bachelor of Physical and Mathematics Education

Korrespondenzform der Ausbildung

KURSARBEIT

Biophysik im Physikunterricht der Klassen 7-9

Vervollständigt von: Rudykh Tatyana Valerievna

Wissenschaftlicher Berater: Kandidat

in Physik und Mathematik Lyubushkina Lyudmila Mikhailovna

Schutzdatum ______________________

Markieren _________________________

Irkutsk 2009

Einführung 3

KAPITELich . BILDUNG DER BIOPHYSIK

1.1. Der Beitrag der Wissenschaftler zur Entwicklung der Biophysik 5

1.2. Begründer der Biophysik 10

1.3. Entstehung der Quantentheorie 11

1.4. Angewandte Biophysik 14

1.5. Veränderungen in der Biophysik 16

1.6. Biophysik als theoretische Biologie 18

1.7. Biophysikalische Forschung in der Physik 21

1.8. Biophysikalische Forschung in der Biologie 23

KAPITELII. BIOPHYSIK IM PHYSIKUNTERRICHT

2.1. Elemente der Biophysik im Physikunterricht der Klassen 7-9 24

2.2. Anwendung der Biophysik im Unterricht der Grundschule 25

2.3. Blitzturnier "Physics in Wildlife" 33

Fazit 35

Referenzen 36

Einführung

Die Relevanz der Forschung:

Die Weltanschauung ist die wichtigste Komponente der Persönlichkeitsstruktur. Es umfasst ein System verallgemeinerter Ansichten über die Welt, über den Platz einer Person darin sowie ein System von Ansichten, Überzeugungen, Idealen und Prinzipien, die einer bestimmten Weltanschauung entsprechen. Der Prozess der Bildung des Weltbildes findet intensiv im Schulalter statt. Bereits in der Grundschule (7.-9. Klasse) sollten die Schüler erkennen, dass das Studium physikalischer Phänomene und Gesetzmäßigkeiten ihnen hilft, die Welt um sie herum zu verstehen.

Die meisten neuen Physik-Lehrbücher, insbesondere für höhere Grund- und Fachschulen, tragen jedoch nicht zu einer ganzheitlichen Wahrnehmung des Lernstoffs bei. Das Interesse der Kinder am Thema lässt allmählich nach. Daher ist es eine wichtige Aufgabe der Sekundarschule, in den Köpfen der Schüler ein allgemeines Bild der Welt mit ihrer Einheit und Vielfalt von Eigenschaften der unbelebten und belebten Natur zu schaffen. Die Integrität des Weltbildes wird zusammen mit anderen Techniken und interdisziplinären Verbindungen erreicht.

Jedes Thema eines Schulphysikunterrichts enthält Elemente naturwissenschaftlicher Erkenntnisse, die für die Bildung eines Weltbildes und für die Aneignung der grundlegenden Konzepte der studierten Disziplin durch die Schüler wesentlich sind. Da die Inhalte naturwissenschaftlicher Fächer nicht starr in Bildungsstandards und -programmen strukturiert sind, ist das Wissen der Schüler oft nicht systematisiert, formal.

Forschungsproblem besteht in der Notwendigkeit, eine ganzheitliche Wahrnehmung des physikalischen Weltbildes zu bilden, und in der fehlenden angemessenen Systematisierung und Verallgemeinerung des Unterrichtsmaterials der gelehrten Disziplin Physik.

Zweck der Studie: Die Integration zweier Fächer des naturwissenschaftlichen Zyklus - Physik und Biologie - nachzeichnen.

Studienobjekt: Biophysik und ihre Beziehung zu anderen Fächern.

Gegenstand der Studie: Biophysik im Physikunterricht der Klassen 7-9Hauptschule.

Die Verwirklichung des gesetzten Ziels erforderte die Lösung einer Reihe von spezifische Aufgaben:

Studium und Analyse von pädagogischer und methodischer Literatur zum Forschungsthema.

Analysieren Sie verschiedene biophysikalische Phänomene.

Wählen Sie experimentelle Aufgaben, verschiedene Arten von Aufgaben, deren Lösung sowohl Kenntnisse in Physik als auch in Biologie erfordert.

Praktische Bedeutung des Studiums: die ergebnisse der arbeit können für die praxis empfohlen werden Lehrkräfte für den Physikunterricht in allen Bildungseinrichtungen.

Die Logik der Studie bestimmte den Aufbau der Arbeit, bestehend aus Einleitung, zwei Kapiteln, Schluss, Literaturverzeichnis. Das erste Kapitel widmet sich der Analyse pädagogischer Literatur zum Thema „Biophysik und ihr Verhältnis zu anderen Fächern“, das zweite Kapitel untersucht das Verhältnis von Physik und Biologie am Beispiel konkreter Aufgabenstellungen.

Abschließend werden die Ergebnisse der Studie zusammengefasst und Empfehlungen zur Verbesserung der Anwendung biophysikalischer Phänomene im Studium des Schulfachs Physik gegeben.

Kapitel ICH. BILDUNG DER BIOPHYSIK

1.1. Der Beitrag der Wissenschaftler zur Entwicklung der Biophysik.

Biophysik- ein Teilgebiet der Naturwissenschaften, das sich mit den physikalischen und physikalisch-chemischen Grundlagen der Organisation und Funktionsweise biologischer Systeme auf allen Ebenen (von submolekular bis biosphärisch) einschließlich ihrer mathematischen Beschreibung befasst. Die Biophysik befasst sich grundlegend mit den Mechanismen und Eigenschaften lebender Systeme. Wohnen ist ein offenes System, das zur Selbsterhaltung und Selbstreproduktion fähig ist.

Als multidisziplinäre Wissenschaft wurde die Biophysik im 20. Jahrhundert gegründet, aber ihre Vorgeschichte reicht mehr als ein Jahrhundert zurück. Wie die Wissenschaften, die zu ihrer Entstehung geführt haben (Physik, Biologie, Medizin, Chemie, Mathematik), hat die Biophysik Mitte des letzten Jahrhunderts eine Reihe revolutionärer Veränderungen durchgemacht. Es ist bekannt, dass Physik, Biologie, Chemie und Medizin eng verwandte Wissenschaften sind, aber wir sind daran gewöhnt, dass sie getrennt und unabhängig voneinander studiert werden. Grundsätzlich ist ein eigenständiges separates Studium dieser Wissenschaften falsch. Ein Naturwissenschaftler kann der unbelebten Natur nur zwei Fragen stellen: "Was?" und wie?". "Was" ist Gegenstand der Forschung, "Wie" - wie dieses Thema angeordnet ist. Die biologische Evolution hat die Tierwelt zu einer einzigartigen Zweckmäßigkeit gebracht. Daher kann ein Biologe, ein Arzt, ein Humanist auch eine dritte Frage stellen: „Warum?“ oder "Wofür?". Fragen Sie "Warum der Mond?" vielleicht ein Dichter, aber kein Wissenschaftler.

Wissenschaftler wussten, wie man der Natur die richtigen Fragen stellt. Sie leisteten einen unschätzbaren Beitrag zur Entwicklung von Physik, Biologie, Chemie und Medizin – den Wissenschaften, die zusammen mit der Mathematik die Biophysik bildeten.

Ab der Zeit von Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) Physik umfasste die Gesamtheit der Informationen über die unbelebte und belebte Natur (aus dem Griechischen. "Physis" - "Natur"). Schritte der Natur aus seiner Sicht: die anorganische Welt, Pflanzen, Tiere, Menschen. Die primären Eigenschaften der Materie sind zwei Gegensatzpaare „warm – kalt“, „trocken – feucht“. Die Grundelemente der Elemente sind Erde, Luft, Wasser, Feuer. Das höchste, vollkommenste Element ist Äther. Die Elemente selbst sind verschiedene Kombinationen von Primärqualitäten: Die Kombination von kalt und trocken entspricht Erde, kalt zu nass - Wasser, warm zu nass - Luft, warm zu trocken - Feuer. Das Konzept des Äthers diente später als Grundlage für viele physikalische und biologische Theorien. Modern ausgedrückt basieren die Vorstellungen von Aristoteles auf der Nichtadditivität der Addition natürlicher Faktoren (Synergismus) und der Hierarchie natürlicher Systeme.

Als exakte Naturwissenschaft, als Wissenschaft im modernen Begriff, stammt die Physik aus Galileo Galilei (1564 - 1642), der zunächst Medizin an der Universität Pisa studierte und sich erst dann für Geometrie, Mechanik und Astronomie interessierte, Schriften Archimedes (ca. 287 - 212 v. Chr.) und Euklid (3. Jahrhundert v. Chr.).

Universitäten bieten eine einzigartige Möglichkeit, die zeitliche Verbindung der Wissenschaften, insbesondere der Physik, Medizin und Biologie, zu erleben. So in den 16-18 Jahrhunderten die Richtung der Medizin, die "Iatrophysik" oder "Iatromechanik" (aus dem Griechischen "iatros" - "Arzt") genannt wurde. Die Ärzte versuchten, alle Phänomene im gesunden und kranken menschlichen und tierischen Körper auf der Grundlage der Gesetze der Physik oder Chemie zu erklären. Und dann und in der Folgezeit war die Verbindung zwischen Physik und Medizin, Physikern und Biologen am engsten, nach der Iatrophysik erschien die Iatrochemie. Die Teilung der Wissenschaft von „Lebendigem und Unbelebtem“ fand erst vor relativ kurzer Zeit statt. Die Beteiligung der Physik mit ihren mächtigen und tief entwickelten theoretischen, experimentellen und methodologischen Ansätzen an der Lösung der grundlegenden Probleme der Biologie und Medizin ist unbestreitbar, es sollte jedoch anerkannt werden, dass sie im historischen Aspekt der Physik den Ärzten große Schuld schuldet waren die gebildetsten Menschen ihrer Zeit, und ihr Beitrag zur Schaffung grundlegender Grundlagen der klassischen Physik ist von unschätzbarem Wert. Natürlich reden wir über klassische Physik.

Unter den ältesten Gegenständen der biophysikalischen Forschung ist, so seltsam es auf den ersten Blick erscheinen mag, die Biolumineszenz zu nennen, da die Emission von Licht durch lebende Organismen seit langem für Naturphilosophen von Interesse ist. Erstmals machte Aristoteles mit seinem Schüler Alexander dem Großen auf diesen Effekt aufmerksam, dem er das Leuchten des Küstenstreifens zeigte und den Grund dafür in der Lumineszenz von Meeresorganismen sah. Die erste wissenschaftliche Studie über das "tierische" Leuchten wurde von gemacht Athanasis Kircher (1601 - 1680), deutscher Priester, Enzyklopädist, bekannt als Geograph, Astronom, Mathematiker, Linguist, Musiker und Mediziner, Schöpfer der ersten naturwissenschaftlichen Sammlungen und Museen, zwei Kapitel seines Buches "Die Kunst des großen Lichts und Schattens" ("Ars magna Lucis et Umbrae ») Er widmete sich der Biolumineszenz.

Aufgrund seiner wissenschaftlichen Interessen kann der größte Physiker den Biophysikern zugeschrieben werden Isaak Newton (1643 - 1727), der sich für die Problematik des Zusammenhangs physikalischer und physiologischer Vorgänge in Organismen interessierte und sich insbesondere mit Fragen des Farbsehens befasste. Zur Vervollständigung seiner Principia schrieb Newton 1687: „Nun sollte man etwas über einen sehr dünnen Äther hinzufügen, der alle festen Körper durchdringt und in ihnen enthalten ist, durch dessen Kraft und Wirkung die Teilchen von Körpern in sehr geringen Abständen gegenseitig angezogen werden, und wann sie kommen in Kontakt zusammenhängende, elektrifizierte Körper wirken über weite Distanzen, stoßen nahe Körper ab und ziehen sie an, Licht wird emittiert, reflektiert, gebrochen, abgelenkt und erwärmt die Körper, jedes Gefühl wird erregt, zwingt die Gliedmaßen der Tiere, sich nach Belieben zu bewegen, zu sein durch Schwingungen dieses Äthers von äußeren Sinnesorganen auf das Gehirn und vom Gehirn auf die Muskeln übertragen.

Einer der Begründer der modernen Chemie Französisch Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) zusammen mit seinem Landsmann Astronom, Mathematiker und Physiker Pierre Simon Laplace (1749 - 1827) beschäftigten sich mit Kalorimetrie, einem Zweig der Biophysik, der heute als biophysikalische Thermodynamik bezeichnet wird. Lavoisier wandte quantitative Methoden an, befasste sich mit Thermochemie und Oxidationsprozessen. Lavoisier und Laplace untermauerten ihre Ideen, dass es keine zwei Chemien gibt – „lebendig“ und „nicht lebend“, für anorganische und organische Körper.

Zu unseren großen Vorgängern, die die Grundlagen der Biophysik legten, gehört der italienische Anatom Luigi Galvani(1737 - 1798) und Physik Alessandro Volta(1745 - 1827), Begründer der Elektrizitätslehre. Galvani experimentierte mit einer elektrischen Maschine und einer seiner Freunde berührte versehentlich den Schenkel eines Frosches mit einem Messer, das in Suppe verwendet werden sollte. Als sich die Muskeln des Froschschenkels plötzlich zusammenzogen, bemerkte Galvanis Frau, dass die elektrische Maschine geblitzt hatte, und fragte sich, "ob es einen Zusammenhang zwischen diesen Ereignissen gab". Obwohl Galvanis eigene Meinung über dieses Phänomen im Detail von der folgenden abweicht, ist es sicher, dass das Experiment wiederholt und bestätigt wurde. , der feststellte, dass das Bein nur als Detektor für Unterschiede im elektrischen Potential außerhalb des Beins diente. Galvanis Unterstützer führten ein Experiment durch, bei dem keine äußeren elektrischen Kräfte beteiligt waren, und bewiesen damit, dass der vom Tier erzeugte Strom eine Muskelkontraktion verursachen kann. Es war aber auch möglich, dass die Kontraktion durch Kontakt mit Metallen verursacht wurde; Volta führte die entsprechenden Forschungen durch, und sie führten zu seiner Entdeckung der elektrischen Batterie, die so wichtig war, dass Galvanis Forschungen beiseite traten. Infolgedessen verschwand die Untersuchung des elektrischen Potentials bei Tieren bis 1827 aus der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit. Da das Froschbein viele Jahre lang der empfindlichste Detektor für Potentialunterschiede war, kam das endgültige Verständnis, dass Ströme von lebendem Gewebe erzeugt werden können, erst Galvanometer, die empfindlich genug sind, um in den Muskeln erzeugte Ströme und kleine Potentialunterschiede über die Nervenmembran zu messen.

Im Zusammenhang mit den Arbeiten von Galvani über "tierische Elektrizität" kann man sich nur an den Namen eines österreichischen Arztes - Physiologen erinnern Friedrich Anton Mesmer(1733-1815), der Ideen über den heilenden „tierischen Magnetismus“ entwickelte, durch den es seiner Vermutung nach möglich war, den Zustand des Körpers zu verändern, Krankheiten zu behandeln. Es sei darauf hingewiesen, dass die Auswirkungen der Einwirkung elektrischer magnetischer und elektromagnetischer Felder auf lebende Systeme auch heute noch weitgehend ein Rätsel für die Grundlagenforschung bleiben. Es bleiben Probleme, und tatsächlich lässt das Interesse moderner Physiker an der Untersuchung des Einflusses äußerer physikalischer Faktoren auf biologische Systeme nicht nach.

Bevor sich Biologie und Physik jedoch trennen konnten, erschien das bekannte Buch „Grammar of Science“, geschrieben von einem englischen Mathematiker Karl Pearson (1857 - 1935) in dem er gab eine der ersten Definitionen der Biophysik (1892): „Wir können nicht mit vollständiger Sicherheit sagen, dass das Leben ein Mechanismus ist, bis wir genauer spezifizieren können, was wir genau mit dem Begriff „Mechanismus“ in Bezug auf organische Körper meinen. Schon jetzt scheint es sicher, dass einige Verallgemeinerungen der Physik ... einen Teil unserer sinnlichen Erfahrung in Bezug auf Lebensformen beschreiben. Wir brauchen ... einen Wissenschaftszweig, der die Anwendung der Gesetze der anorganischen Erscheinungen, der Physik, auf die Entwicklung organischer Formen zur Aufgabe hat. ... Die Tatsachen der Biologie - Morphologie, Embryologie und Physiologie - bilden Sonderfälle der Anwendung allgemeiner physikalischer Gesetze. ... Es wäre besser, es Biophysik zu nennen.“

1.2. Begründer der Biophysik

Der Begründer der modernen Biophysik sollte berücksichtigt werdenHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), der ein hervorragender Physiker wurde, einer der Autoren ich das Gesetz der Thermodynamik. Schon als junger Militärchirurg zeigte er, dass Stoffwechselumwandlungen in Muskeln eng mit der von ihnen verrichteten mechanischen Arbeit und der Wärmeerzeugung zusammenhängen. In seinen reifen Jahren beschäftigte er sich viel mit Problemen der Elektrodynamik. 1858 legte er den Grundstein für die Theorie der Wirbelbewegung einer Flüssigkeit. Er führte auch brillante Experimente auf dem Gebiet der Biophysik des Nervenimpulses, der Biophysik des Sehens und der Bioakustik durch, entwickelte Jungs Idee von drei Arten von visuellen Rezeptoren, elektrische Entladungen, die in einem Stromkreis entstehen, haben einen oszillierenden Charakter. Das Interesse an oszillierenden Prozessen in Akustik, Flüssigkeiten, elektromagnetischen Systemen veranlasste den Wissenschaftler, den Wellenprozess der Nervenimpulsausbreitung zu untersuchen. Es war Helmholtz, der als erster begann, die Probleme aktiver Medien zu untersuchen, indem er mit hoher Genauigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Nervenimpulses in Axonen maß, die aus heutiger Sicht ein aktives eindimensionales Medium sind. 1868 wurde Helmholtz zum Ehrenmitglied der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften gewählt.

Die Schicksale des russischen Wissenschaftlers, Physiologen und Biophysikers sind auf erstaunliche Weise miteinander verbunden, Iwan Michailowitsch Sechenov(1829 - 1905) und Helmholtz. Nach seinem Abschluss an der Moskauer Universität 1856 bis 1860 studierte und arbeitete er bei Helmholtz. Von 1871 bis 1876 arbeitete Sechenov an der Novorossiysk-Universität in Odessa, dann an den Universitäten St. Petersburg und Moskau, wo er elektrische Phänomene im Nervengewebe und die Mechanismen des Gastransports im Blut studierte.

1.3. Entstehung der Quantentheorie

Die Periode der klassischen Physik des 17. bis 19. Jahrhunderts endete jedoch zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit der größten Revolution in der Physik - der Schaffung der Quantentheorie. Dies und eine Reihe weiterer neuer Gebiete der Physik grenzten sie vom Kreis der Naturwissenschaften ab. Zu diesem Zeitpunkt veränderte die Wechselwirkung zwischen Physik und Medizin ihren Charakter erheblich: Praktisch alle modernen Methoden der medizinischen Diagnostik, Therapie, Pharmakologie usw. begannen, auf physikalischen Ansätzen und Methoden zu basieren. Dies schmälert nicht die herausragende Rolle der Biochemie in der Entwicklung der Medizin. . Daher sollten wir über jene herausragenden Wissenschaftler sprechen, deren Namen mit der Vereinigung der Wissenschaften und der Bildung der Biophysik verbunden sind. Wir sprechen von Physikern, die in die Geschichte der Biologie und Medizin eingegangen sind, von Ärzten, die einen bedeutenden Beitrag zur Physik geleistet haben, obwohl es für Physiker schwierig erscheint, in die spezifischen Probleme der Medizin einzudringen, die tief von Ideen, Kenntnissen und Ansätzen der Chemie durchdrungen sind , Biochemie, Molekularbiologie usw. Gleichzeitig stoßen Ärzte auch auf grundlegende Schwierigkeiten bei der Formulierung ihrer Bedürfnisse und Aufgaben, die mit geeigneten physikalischen und physikalisch-chemischen Methoden gelöst werden könnten. Es gibt nur einen effektiven Ausweg aus der Situation, und der wurde gefunden. Dies ist eine universelle Universitätsausbildung, wenn Studenten, zukünftige Wissenschaftler, zwei, drei und sogar vier Grundausbildungen erhalten können und sollen - in Physik, Chemie, Medizin, Mathematik und Biologie.

Niels Bohr argumentierte, dass "kein Ergebnis biologischer Forschung eindeutig anders als auf der Grundlage der Konzepte der Physik und Chemie beschrieben werden kann". Dies bedeutete, dass Biologie, Medizin, Mathematik, Chemie und Physik nach fast anderthalb Jahrhunderten der Trennung wieder zusammenzuwachsen begannen, was zur Entstehung neuer integraler Wissenschaften wie Biochemie, physikalischer Chemie und Biophysik führte.

Britischer Physiologe und Biophysiker Archibald Vivienne Hügel (geb. 1886), Nobelpreisträger für Physiologie (1922), hat die grundlegenden Grundlagen geschaffen, auf denen sich die Theorie der Muskelkontraktionen noch heute entwickelt, aber bereits auf molekularer Ebene. Hill beschrieb die Biophysik folgendermaßen: „Es gibt Menschen, die ein Problem physikalisch formulieren können ... die das Ergebnis physikalisch ausdrücken können. Diese intellektuellen Qualitäten mehr als irgendwelche besonderen Bedingungen, physikalische Apparate und Methoden notwendig sind, Biophysiker werden ... Aber ... ein Physiker, der keinen biologischen Ansatz entwickeln kann, der sich nicht für lebende Prozesse und Funktionen interessiert ... der Biologie nur als Teilgebiet der Physik betrachtet, hat in der Biophysik keine Zukunft.

Nicht nur im Mittelalter, sondern auch in der Neuzeit waren Mediziner, Biologen und Physiker gleichberechtigt an der Entwicklung des Komplexes dieser Wissenschaften beteiligt. Alexander Leonidovich Chizhevsky (1897-1964), der unter anderem eine medizinische Ausbildung an der Moskauer Universität erhielt, beschäftigte sich viele Jahre mit Forschungen zur Heliochronobiologie, der Wirkung von Luftionen auf lebende Organismen und der Biophysik von Erythrozyten. Sein Buch „Physical Factors of the Historical Process“ wurde trotz der Bemühungen von P. P. Lazarev, N. K. Koltsov, Volkskommissar für Bildung Lunacharsky und anderen nie veröffentlicht.

Hervorzuheben ist auch der herausragende Wissenschaftler Gleb Michailowitsch Frank(1904-1976), der das Institut für Biophysik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (1957) gründete, erhielt zusammen mit I. E. Tamm und P. A. Cherenkov den Nobelpreis für die Erstellung der Theorie der "Cherenkov-Strahlung". Das seit jeher bekannte Schwingungsverhalten biologischer Systeme aller Ebenen beschäftigt nicht nur Biologen, sondern auch physikalische Chemiker und Physiker. Die Entdeckung von Schwankungen im Ablauf chemischer Reaktionen im 19. Jahrhundert führte in der Folge zur Entstehung der ersten analogen Modelle, wie dem „eisernen Nerv“, dem „Quecksilberherz“.

Thermodynamische Linie Die Entwicklung der Biophysik war natürlich mit der Evolution der Thermodynamik selbst verbunden. Darüber hinaus trug die von Naturforschern intuitiv akzeptierte Nichtgleichgewichtsnatur offener biologischer Systeme zur Bildung der Thermodynamik von Nichtgleichgewichtssystemen bei. Die ursprünglich hauptsächlich mit der Kalorimetrie verbundene Thermodynamik von Gleichgewichtssystemen leistete in der Folge einen wesentlichen Beitrag zur Beschreibung struktureller Veränderungen in Zellen, im Stoffwechsel und in der enzymatischen Katalyse.

Die Liste herausragender Medizinphysiker ließe sich noch erheblich erweitern, aber das Ziel ist es, die tiefen Verbindungen zwischen Biologie, Chemie, Medizin und Physik aufzuzeigen, die Unmöglichkeit einer differenzierten Existenz dieser Wissenschaften. Ein Großteil der biophysikalischen Forschung wurde von Physikern durchgeführt, die sich für Biologie interessieren; daher muss es für in Physik und physikalischer Chemie ausgebildete Wissenschaftler einen Weg geben, ihren Weg in die Biologie zu finden und sich mit Problemen vertraut zu machen, die für physikalische Interpretationen offen sind. Obwohl klassisch orientierte Biologie-Fakultäten oft Stellen für Biophysiker anbieten, sind sie kein Ersatz für Zentren, in denen biophysikalische Forschung im Mittelpunkt steht.

Biophysiker haben die Fähigkeit, biologische Probleme in Segmente zu unterteilen, die sich für eine direkte physikalische Interpretation eignen, und Hypothesen zu formulieren, die experimentell getestet werden können. Das wichtigste Werkzeug der Biophysik ist die Relation. Hinzu kommt die Fähigkeit, komplexe physikalische Theorien zu nutzen, um beispielsweise Lebewesen zu untersuchen: Um die Struktur großer Moleküle wie Proteine aufzuklären, war Röntgenbeugungstechnologie erforderlich. Biophysiker erkennen im Allgemeinen die Verwendung neuer physikalischer Werkzeuge, wie atomare Magnetresonanz und Elektronenspinresonanz, bei der Untersuchung bestimmter Probleme in der Biologie an.

1.4. Angewandte Biophysik

Die Entwicklung von Werkzeugen für biologische Zwecke ist ein wichtiger Aspekt des neuen Gebiets der angewandten Biophysik. Biomedizinische Instrumente werden wahrscheinlich am häufigsten in medizinischen Einrichtungen eingesetzt. Angewandte Biophysik ist wichtig im Bereich der therapeutischen Radiologie, in der die Dosismessung für die Behandlung sehr wichtig ist, und der diagnostischen Radiologie, insbesondere mit Technologien zur Isotopenlokalisierung und Ganzkörper-Scanning, um bei der Diagnose von Tumoren zu helfen. Die Bedeutung von Computern bei der Bestimmung der Diagnose und Behandlung des Patienten nimmt zu. Die Anwendungsmöglichkeiten der angewandten Biophysik scheinen endlos, da die lange Verzögerung zwischen der Entwicklung von Forschungswerkzeugen und ihrer Anwendung bedeutet, dass viele wissenschaftliche Werkzeuge, die auf bereits bekannten physikalischen Prinzipien basieren, bald für die Medizin unverzichtbar werden.

Die russische Biophysik als Wissenschaftszweig wurde weitgehend von herausragenden russischen Wissenschaftlern des Endes der Vergangenheit, des Beginns dieses Jahrhunderts gebildet - Physiker, Biologen, Ärzte, die eng mit der Moskauer Universität verbunden sind. Unter ihnen waren N. K. Kolzow, V. I. Vernadsky, P. N. Lebedev, P. P. Lazarev, später - S. I. Vavilov, A. L. Chizhevsky und viele andere.

James D. Watson(1928) zusammen mit dem englischen Biophysiker und Genetiker Franz H.K. Schrei(1916) und Biophysiker Moritz Wilkins(1916) (der zusammen mit Rosalind Franklin erstmals qualitativ hochwertige Röntgenaufnahmen der DNA erhielt) erstellte 1953 ein dreidimensionales Modell der DNA, das es ermöglichte, ihre biologischen Funktionen und physikalisch-chemischen Eigenschaften zu erklären. 1962 erhielten Watson, Crick und Wilkins für diese Arbeit den Nobelpreis.

Der erste Vorlesungskurs in Russland mit dem Titel „Biophysik“ wurde 1922 für Ärzte an der Klinik der Moskauer Universität abgehalten Petr Petrowitsch Lazarev(1878 - 1942), 1917 auf Vorschlag gewählt Iwan Petrowitsch Pawlow(1849 - 1936) Akademiker. P. P. Lazarev schloss 1901 sein Studium an der medizinischen Fakultät der Moskauer Universität ab. Anschließend absolvierte er ein Vollstudium in Physik und Mathematik und arbeitete in einem von ihm betriebenen Physiklabor Petr Nikolajewitsch Lebedew(1866-1912), einer der Begründer der experimentellen Physik in Russland, der Schöpfer der ersten russischen wissenschaftlichen physikalischen Schule, der 1985 elektromagnetische Millimeterwellen empfing und studierte, den Lichtdruck auf Festkörper und Gase entdeckte und maß (1999-1907) , was die elektromagnetische Theorie des Lichts bestätigte. 1912 leitete Lazarev das Labor seines Lehrers. Der erste Biophysiker, Akademiker Lazarev, leitete das einzigartige Institut für Physik und Biophysik, das zu Lebedevs Lebzeiten gegründet wurde. Von 1920 bis 1931 leitete P. P. Lazarev dieses auf seine Initiative gegründete staatliche Institut für Biophysik, Lazarev ist der Begründer der medizinischen Radiologie, sein Institut hatte das erste und einzige Röntgengerät, auf dem Lenin nach dem Attentat 1918 fotografiert wurde, Danach wurde Lazarev der Initiator und erste Direktor des Instituts für medizinische Radiologie. Lazarev organisierte auch Arbeiten zur magnetischen Kartierung der magnetischen Anomalie von Kursk, dank derer das Personal des Instituts für Physik der Erde gebildet wurde. Das Institut für Biophysik und Physik wurde jedoch nach der Verhaftung von Lazarev im Jahr 1931 zerstört und 1934 wurde in diesem Gebäude das Lebedev FIAN gegründet.

1.5. Veränderungen in der Biophysik

Seit den 1940er Jahren haben dramatische Veränderungen in der Biophysik begonnen. Und das war der Ruf der Zeit - Mitte unseres Jahrhunderts trat die Physik, die einen phänomenalen Sprung gemacht hatte, aktiv in die Biologie ein. Doch Ende der 1950er-Jahre verflog die Euphorie der Erwartung einer schnellen Lösung komplexer Probleme des Lebens schnell: Für Physiker ohne grundlegende biologische und chemische Ausbildung war es schwierig, physikalisch zugängliche, aber „biologisch bedeutsame“ Aspekte der Funktionsweise lebender Systeme und echte Biologen und Biochemiker über die Existenz spezifischer physikalischer Probleme und Ansätze wurden in der Regel nicht vermutet. Ein dringender Bedarf für die Wissenschaft jener und der folgenden Tage war die Ausbildung von Spezialisten mit drei Grundausbildungen: physikalisch, biologisch und chemisch.

In unserem Land gab es noch einen weiteren wichtigen Grund dafür, dass sich in den 1940er Jahren eine enge Allianz zwischen Biologie und Physik herausbildete. Nach dem unprofessionellen, zerstörerischen Eingriff der damaligen Politiker in die grundlegenden Bereiche der Genetik, der Molekularbiologie, der Theorie und Praxis des Naturmanagements konnten einige Biologen ihre Forschung nur noch in wissenschaftlichen Einrichtungen des physikalischen Profils fortsetzen.

Wie jedes Grenzgebiet des Wissens, basierend auf den Grundlagenwissenschaften der Physik, Biologie, Chemie, Mathematik, auf den Errungenschaften der Medizin, Geophysik und Geochemie, Astronomie und Weltraumphysik usw. Die Biophysik fordert von ihren Trägern zunächst eine ganzheitliche, enzyklopädische Herangehensweise an sich selbst, da sie darauf abzielt, die Mechanismen der Funktionsweise lebender Systeme auf allen Ebenen der Organisation lebender Materie aufzuklären. Darüber hinaus bedingt dies auch die häufigen Missverständnisse in Bezug auf Biophysik und Biophysiker seitens Kollegen, Vertretern verwandter Disziplinen. Es ist schwierig, manchmal fast unmöglich, zwischen Biophysik und Physiologie, Biophysik und Zellbiologie, Biophysik und Biochemie, Biophysik und Ökologie, Biophysik und Chronobiologie, Biophysik und mathematischer Modellierung biologischer Prozesse usw. zu unterscheiden. Die Biophysik zielt somit darauf ab, die Funktionsmechanismen biologischer Systeme auf allen Ebenen und auf der Grundlage aller naturwissenschaftlichen Ansätze aufzuklären.

1.6. Biophysik - als theoretische Biologie

Es ist bekannt, dass Biophysik von Biologen, Chemikern, Ärzten, Ingenieuren und Militärs praktiziert wird, aber das System zur Ausbildung von Biophysikern hat sich auf der Grundlage einer allgemeinen physikalischen Universitätsausbildung als optimal erwiesen. Gleichzeitig wurde und wird die Biophysik als theoretische Biologie behandelt, d.h. die Wissenschaft von den grundlegenden physikalischen und physikalisch-chemischen Grundlagen der Struktur und Funktionsweise lebender Systeme auf allen Organisationsebenen - von der submolekularen Ebene bis zur Ebene der Biosphäre. Gegenstand der Biophysik sind lebende Systeme, die Methode ist Physik, Physikalische Chemie, Biochemie und Mathematik.

In den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts interessierten sich die Studenten der Fakultät für Physik, ihren Lehrern folgend, auch für die Probleme der Medizin und Biologie. Darüber hinaus schien es möglich, eine rigorose physikalische Analyse des bemerkenswertesten Phänomens im Universum zu geben – des Phänomens des Lebens. Das Buch wurde 1947 übersetzt E.Schrödinger"Was ist Leben? Aus physikalischer Sicht. Zytologischer Aspekt des Lebendigen“, Vorträge I. E. Tamma, N. V. Timofeev-Resovsky, veranlassten die neuesten Entdeckungen in Biochemie und Biophysik eine Gruppe von Studenten, sich beim Rektor der Staatlichen Universität Moskau zu bewerben I. G. Petrovsky mit der Bitte, die Lehre der Biophysik an der Fakultät für Physik einzuführen. Der Rektor achtete sehr auf die Initiative der Studierenden. Es wurden Vorlesungen und Seminare organisiert, die nicht nur von den Initiatoren begeistert besucht wurden, sondern auch von den ihnen beigetretenen Kommilitonen, die später die erste Spezialisierungsgruppe „Biophysik“ der Fakultät für Physik der Staatlichen Universität Moskau bildeten und heute der ganze Stolz der Russen sind Biophysik.

Das Institut für Biophysik der Biologischen Fakultät wurde 1953 gegründet. Sein erster Kopf war B.N. Tarusov. Leitet derzeit die Abteilung Biophysik der Biologischen Fakultät AB Rubin. Und im Herbst 1959 die erste weltweit Institut für Biophysik, die begann, Biophysiker von Physikern auszubilden (vorher wurden Biophysiker von Biologen oder Ärzten ausgebildet). Akademiker I. G. Petrovsky, I. E. Tamm, N. N. -Chemiker). Seitens der Verwaltung ist die Schaffung der Fachrichtung „ Biophysik» Dean Professor wurde an der Fakultät für Physik verkörpert V. S. Fursov, der seine Entwicklung all die Jahre unterstützt hat, und sein Stellvertreter V. G. Zubov. Die ersten Mitarbeiter der Abteilung waren Physikochemiker LA Blumenfeld, der die Abteilung fast 30 Jahre lang leitete und jetzt deren Professor ist, Biochemiker S. E. Shnol, Professor der Abteilung und Physiologe I. A. Kornienko.

Im Herbst 1959 wurde an der Fakultät für Physik der Moskauer Universität die weltweit erste Abteilung für Biophysik eingerichtet, die damit begann, Spezialisten für Biophysik von Physikern auszubilden. Während des Bestehens der Abteilung wurden etwa 700 Biophysiker ausgebildet.

Die ersten Mitarbeiter der Abteilung waren der Physikochemiker L. A. Blumenfeld (1921 - 2002), der die Abteilung 30 Jahre lang leitete, der Biochemiker S. E. Shnol, Professor der Abteilung, und der Physiologe I. A. Kornienko. Sie formulierten die Grundsätze für den Aufbau eines Systems der biophysikalischen Ausbildung für Physiker und legten die Hauptrichtungen der wissenschaftlichen Forschung an der Abteilung fest.

Am Department of Biophysics L.A. Blumenfeld hielt viele Jahre Vorlesungen "Physikalische Chemie", "Quantenchemie und Struktur der Moleküle", "Ausgewählte Kapitel der Biophysik". Autor von mehr als 200 Werken, 6 Monographien.

Wissenschaftliche Interessen von V.A. Tverdislov sind mit der Biophysik von Membranen verbunden, mit dem Studium der Rolle anorganischer Ionen in biologischen Systemen, den Mechanismen des Ionentransfers durch Zellen und Modellmembranen mit Ionenpumpen. Er hat ein Modell für die parametrische Trennung von Flüssigkeitsgemischen in periodischen Feldern in heterogenen Systemen vorgeschlagen und experimentell entwickelt.

Gemessen an der Größe der Fakultät für Physik ist das Institut für Biophysik klein, aber historisch hat sich herausgestellt, dass sich die Forschung seiner Mitarbeiter mit einem bedeutenden Bereich der grundlegenden und angewandten Biophysik überschneidet. Es gibt bedeutende Errungenschaften auf dem Gebiet der Untersuchung der physikalischen Mechanismen der Energieumwandlung in biologischen Systemen, der Radiospektroskopie biologischer Objekte, der Physik der enzymatischen Katalyse, der Biophysik von Membranen, der Untersuchung wässriger Lösungen von Biomakromolekülen und der Untersuchung von Selbstorganisationsprozessen in biologischen und Modellsystemen, der Regulation grundlegender biologischer Prozesse, im Bereich der medizinischen Biophysik, Nano- und Bioelektronik etc. Das Institut für Biophysik kooperiert seit vielen Jahren mit Universitäten und führenden wissenschaftlichen Labors in Deutschland, Frankreich, England, den USA, Polen, Tschechien und der Slowakei, Schweden, Dänemark, China und Ägypten.

1.7. Biophysikalische Forschung in der Physik

Das Interesse der Physiker an der Biologie im 19. Jahrhundert. kontinuierlich gesteigert. Gleichzeitig verstärkte sich in den biologischen Disziplinen die Anziehungskraft auf physikalische Forschungsmethoden, die zunehmend in die unterschiedlichsten Bereiche der Biologie vordrangen. Mit Hilfe der Physik werden die Informationsmöglichkeiten des Mikroskops erweitert. In den frühen 30er Jahren des 20. Jahrhunderts. Das Elektronenmikroskop erscheint. Radioaktive Isotope, die sich ständig verbessernde Spektraltechnik und die Röntgenbeugungsanalyse werden zu einem Wahlwerkzeug für die biologische Forschung. Der Anwendungsbereich von Röntgen- und Ultraviolettstrahlen erweitert sich; Elektromagnetische Schwingungen werden nicht nur als Forschungsmittel, sondern auch als Einflussfaktoren auf den Körper genutzt. Dringt weit in die Biologie und insbesondere in die Physiologie, die Elektrotechnik ein.

Mit der Einführung neuer physikalischer Methoden entwickelt sich auch die molekulare Biophysik. Nachdem die Physik enorme Erfolge beim Verständnis der Essenz unbelebter Materie erzielt hat, beginnt sie mit traditionellen Methoden den Anspruch zu erheben, die Natur lebender Materie zu entschlüsseln. In der molekularen Biophysik werden unter Einbeziehung eines komplexen mathematischen Apparats sehr breite theoretische Verallgemeinerungen geschaffen. Der Tradition folgend, versucht der Biophysiker im Experiment von einem sehr komplexen („schmutzigen“) biologischen Objekt wegzukommen und studiert lieber das Verhalten von aus Organismen isolierten Substanzen in möglichst reiner Form. Die Entwicklung verschiedener Modelle biologischer Strukturen und Prozesse - elektrisch, elektronisch, mathematisch usw. - entwickelt sich stark. Modelle der Zellbewegung werden erstellt und untersucht (z. B. macht ein Quecksilbertropfen in einer Säurelösung rhythmische Bewegungen wie eine Amöbe), Permeabilität und Nervenleitung. Insbesondere das von F. Lilly entwickelte Modell der Nervenleitung findet große Beachtung. Dies ist ein Eisendrahtring, der in eine Salzsäurelösung eingelegt wird. Wenn ein Kratzer darauf angebracht wird, wodurch die Oberflächenoxidschicht zerstört wird, entsteht eine elektrische Potentialwelle, die den Wellen sehr ähnlich ist, die sich bei Erregung entlang der Nerven ausbreiten. Viele Studien (seit den 1930er Jahren) haben sich mit mathematischen Analysemethoden der Untersuchung dieses Modells gewidmet. In Zukunft wird ein fortschrittlicheres Modell basierend auf der Kabeltheorie erstellt. Die Grundlage seiner Konstruktion war eine physikalische Analogie zwischen der Verteilung von Potentialen in einem elektrischen Kabel und einer Nervenfaser.

Andere Bereiche der molekularen Biophysik sind weniger populär. Unter ihnen ist die mathematische Biophysik zu erwähnen, deren Leiter N. Rashevsky ist. In den USA gibt die Rashevsky-Schule die Zeitschrift Mathematical Biophysics heraus. Die mathematische Biophysik ist mit vielen Bereichen der Biologie verwandt. Es beschreibt nicht nur in mathematischer Form die quantitativen Muster von Phänomenen wie Wachstum, Zellteilung, Erregung, sondern versucht auch, die komplexen physiologischen Prozesse höherer Organismen zu analysieren.

1.8. Biophysikalische Forschung in der Biologie

Ein starker Impuls für die Bildung der Biophysik war die Entstehung im späten XIX - frühen XX Jahrhundert. Physikalische Chemie, diktiert durch die Notwendigkeit, die Mechanismen zu identifizieren, die der chemischen Wechselwirkung zugrunde liegen. Diese neue Disziplin erregte sofort die Aufmerksamkeit der Biologen, da sie die Möglichkeit eröffnete, die physikalisch-chemischen Prozesse in diesen „schmutzigen“ lebenden Systemen aus der Sicht eines Physikers zu verstehen, mit der sie nur schwer arbeiten konnten. Eine Reihe von Trends, die in der physikalischen Chemie entstanden sind, haben zu ähnlichen Trends in der Biophysik geführt.

Eine der größten Entwicklungen in der Geschichte der physikalischen Chemie war die Entwicklung S. Arrhenius (Nobelpreis, 1903) Theorie der elektrolytischen Dissoziation von Salzen in wässrigen Lösungen (1887), die die Gründe für ihre Aktivität enthüllte. Diese Theorie weckte das Interesse von Physiologen, die sich der Rolle des Salzes bei Erregungserscheinungen, der Weiterleitung von Nervenimpulsen, der Blutzirkulation usw. sehr wohl bewusst waren. Bereits 1890 hat der junge Physiologe V.Yu. Chagovets präsentiert eine Studie „Über die Anwendung der Theorie der Arrhenius-Dissoziation auf elektromotorische Phänomene in lebenden Geweben“, in der er versuchte, das Auftreten bioelektrischer Potentiale mit einer ungleichmäßigen Verteilung von Ionen in Verbindung zu bringen.

Eine Reihe von Begründern der physikalischen Chemie beteiligt sich an der Übertragung physikalisch-chemischer Konzepte auf biologische Phänomene. Basierend auf dem Phänomen der Bewegung von Salzionen, W.Nernst (1908) formulierte sein bekanntes quantitatives Erregungsgesetz: Die Schwelle der physiologischen Erregung wird durch die Zahl der übertragenen Ionen bestimmt. Der Physiker und Chemiker W. Ostwald entwickelte eine Theorie zur Entstehung bioelektrischer Potentiale, die auf der Annahme basiert, dass auf der Zelloberfläche eine für Ionen semipermeable Membran vorhanden ist, die Ionen unterschiedlicher Ladung trennen kann. Damit wurden die Grundlagen der biophysikalischen Richtung zur Interpretation der Permeabilität und Struktur biologischer Membranen im weitesten Sinne gelegt.

Kapitel II. BIOPHYSIK IM PHYSIKUNTERRICHT

2.1. Elemente der Biophysik im Physikunterricht der Klassen 7-9

Ein charakteristisches Merkmal der modernen Wissenschaft ist die intensive Durchdringung von Ideen, theoretischen Ansätzen und Methoden verschiedener Disziplinen. Dies gilt insbesondere für Physik, Chemie, Biologie und Mathematik. Daher werden physikalische Forschungsmethoden beim Studium der lebenden Natur weit verbreitet, und die Einzigartigkeit dieses Objekts erweckt neue, fortschrittlichere Methoden der physikalischen Forschung zum Leben.

In Anbetracht der Zusammenhänge zwischen Physik und Biologie ist es notwendig, den Studierenden die Gemeinsamkeit einer Reihe von Gesetzmäßigkeiten der belebten und unbelebten Natur aufzuzeigen, ihr Verständnis für die Einheit der materiellen Welt, die Beziehung und Bedingtheit von Phänomenen, ihre Erkennbarkeit, zu vertiefen machen sie mit der Anwendung physikalischer Methoden bei der Untersuchung biologischer Prozesse vertraut.

Im Physikunterricht muss betont werden, dass ein charakteristisches Zeichen unserer Zeit die Entstehung einer Reihe komplexer Wissenschaften ist. Die Biophysik hat sich entwickelt - eine Wissenschaft, die die Wirkung physikalischer Faktoren auf lebende Organismen untersucht.

Das Heranziehen von biophysikalischen Beispielen dient der besseren Aneignung des Physikstudiums. Biophysikalisches Material sollte in direktem Zusammenhang mit dem Curriculum von Kursen in Physik und Biologie stehen und die vielversprechendsten Bereiche in der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie widerspiegeln. Für fast alle Bereiche des Physikstudiums kann eine Vielzahl biophysikalischer Beispiele ausgewählt werden, deren Verwendung neben Beispielen aus der unbelebten Natur und aus der Technik sinnvoll ist.

2.2. Der Einsatz von Biophysik im Unterricht in der Grundschule

Mechanik

Bewegung und Kräfte.

Beim Studium des Themas „Bewegung und Kräfte“ in der 7. Klasse können Sie die Schüler an die Bewegungsgeschwindigkeit verschiedener Tiere heranführen. Die Schnecke kriecht in 1 Stunde etwa 5,5 m. Die Schildkröte bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 m/h. Eine Fliege fliegt mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s. Die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit beträgt etwa 1,5 m/s oder etwa 5 km/h. Das Pferd kann sich mit einer Geschwindigkeit von 30 km / h und mehr fortbewegen.

Die Höchstgeschwindigkeit einiger Tiere: ein Jagdhund - 90 km / h, ein Strauß - 120 km / h, ein Gepard - 110 km / h, eine Antilope - 95 km / h.

Anhand der Geschwindigkeitsdaten verschiedener Vertreter der Tierwelt lassen sich verschiedenste Probleme lösen. Zum Beispiel:

Die Geschwindigkeit der Cochlea beträgt 0,9 mm/s. Drücken Sie diese Geschwindigkeit in cm/min, m/h aus.

Der Wanderfalke, der Beute jagt, taucht mit einer Geschwindigkeit von 300 km / h ab. Welche Strecke legt er in 5 Sekunden zurück?

Es ist bekannt, dass die durchschnittliche Wachstumsrate der Eiche etwa 0,3 m pro Jahr beträgt. Wie alt ist eine 6,3 m hohe Eiche?

Tel. Gewicht Dichte.

Körpergewicht und -volumen stehen in direktem Zusammenhang mit Vertretern der Flora, beispielsweise werden folgende Aufgaben gestellt:

Bestimmen Sie die Masse von Birkenholz, wenn sein Volumen 5 m 3 beträgt.

Bestimmen Sie das Volumen von trockenem Bambus, wenn seine Masse 4800 kg beträgt.

Bestimmen Sie die Dichte eines Balsabaums, wenn seine Masse 50 Tonnen und sein Volumen 500 m 3 beträgt.

Schwere.

Beim Studium dieses Themas können Sie die folgenden Schulungsarbeiten durchführen. Die Massen verschiedener Säugetiere sind angegeben: Wal - 70000 kg, Elefant - 4000 kg, Nashorn - 2000 kg, Bulle - 1200 kg, Bär - 400 kg, Schwein 200 kg, Mensch - 70 kg, Wolf - 40 kg, Hase - 6 kg. Berechne ihr Gewicht in Newton.

Die gleichen Daten können verwendet werden, um Kräfte grafisch darzustellen.

Druck von Flüssigkeiten und Gasen.

Auf den menschlichen Körper, dessen Oberfläche bei einer Masse von 60 kg und einer Höhe von 160 cm etwa 1,6 m 2 entspricht, wirkt eine Kraft von 160.000 N aufgrund des atmosphärischen Drucks. Wie hält der Körper einer so großen Belastung stand?

Dies wird dadurch erreicht, dass der Druck der Flüssigkeiten, die die Gefäße des Körpers füllen, den Außendruck ausgleicht.

Eng damit verbunden ist die Möglichkeit, in großen Tiefen unter Wasser zu sein. Tatsache ist, dass die Übertragung des Körpers auf eine andere Ebene zu einem Zusammenbruch seiner Funktionen führt. Dies liegt an der Verformung der Gefäßwände, die für einen bestimmten Druck von innen und außen ausgelegt sind. Außerdem ändert sich bei Druckänderungen auch die Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen, wodurch sich auch das chemische Gleichgewicht des Körpers ändert. Wenn der Druck ansteigt, kommt es zu einer verstärkten Aufnahme von Gasen durch Körperflüssigkeiten, und wenn er abnimmt, kommt es zur Freisetzung von gelösten Gasen. Bei einem schnellen Druckabfall aufgrund der intensiven Freisetzung von Gasen kocht das Blut sozusagen, was zu einer oft tödlichen Verstopfung der Blutgefäße führt. Diese bestimmt die maximale Tiefe, in der Tauchoperationen durchgeführt werden können (in der Regel nicht tiefer als 50 Meter). Das Absenken und Anheben muss sehr langsam erfolgen, damit die Freisetzung von Gasen nur in der Lunge und nicht sofort im gesamten Kreislaufsystem erfolgt.

Beispiele für einige Kräfte in der Tierwelt.

Die Leistung der Fliege im Flug beträgt 10 -5 Watt.

Schwertfischschlag 10 5 -10 6 W.

Es wird angenommen, dass eine Person unter normalen Arbeitsbedingungen eine Leistung von etwa 70-80 W entwickeln kann, eine kurzfristige Leistungssteigerung um ein Vielfaches ist jedoch möglich. Eine Person mit 750 N kann also in 1 s auf eine Höhe von 1 m springen, was einer Leistung von 750 W entspricht; der Läufer entwickelt eine Leistung von ca. 1000 Watt.

Bei Sportarten wie Kugelstoßen oder Hochsprung ist eine sofortige oder explosive Freisetzung von Energie möglich. Beobachtungen haben gezeigt, dass einige Männer bei hohen Sprüngen mit gleichzeitiger Abstoßung mit beiden Beinen eine durchschnittliche Leistung von etwa 3700 W für 0,1 s und Frauen von 2600 W entwickeln.

Herz-Lungen-Maschine (AIC)

Nach Abschluss des Studiums der Mechanik ist es sinnvoll, den Studierenden das Gerät der Herz-Lungen-Maschine näher zu bringen.

Bei Operationen am Herzen ist es oft erforderlich, die eingestellte Temperatur des zirkulierenden Blutes vorübergehend vom Kreislauf im Körper abzuschalten (ca. 4-5 Liter für einen erwachsenen Patienten).

Die Herz-Lungen-Maschine besteht aus zwei Hauptteilen: Teilen der Pumpe und dem Sauerstoffgenerator. Pumpen erfüllen die Funktionen des Herzens - sie halten den Druck und die Durchblutung in den Gefäßen des Körpers während der Operation aufrecht. Der Sauerstoffgenerator erfüllt die Funktion der Lunge und gewährleistet eine Blutsättigung von mindestens 95% und hält einen CO 2 -Partialdruck auf dem Niveau von 35-45 mm Hg. Kunst. venöses Blut aus den Gefäßen des Patienten fließt durch die Schwerkraft in einen Sauerstoffgenerator, der sich unterhalb des OP-Tisches befindet, wo es mit Sauerstoff gesättigt, von überschüssigem Kohlendioxid befreit und dann von einer arteriellen Pumpe in den Blutkreislauf des Patienten gepumpt wird. AIK ist seit langem in der Lage, die Funktionen von Herz und Lunge zu ersetzen.

Bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit lebenden Objekten muss große Sorgfalt darauf verwendet werden, eine falsche Interpretation biologischer Prozesse zu vermeiden.

Eine Aufgabe. Wie lässt sich mit Hilfe physikalischer Darstellungen erklären, dass bei einem Sturm eine Fichte leicht entwurzelt wird, während ein Kiefernstamm eher bricht?

Wir sind daran interessiert, nur die qualitative Seite des Problems zu analysieren. Außerdem interessiert uns die Frage nach dem Vergleichsverhalten beider Bäume. Die Rolle der Belastung in unserem Problem spielt die Windkraft F B. Sie können die auf den Stamm wirkende Windkraft zu der auf die Krone wirkenden Windkraft addieren und sogar annehmen, dass die auf beide Bäume wirkenden Windkräfte gleich sind . Dann sollte die weitere Argumentation offenbar wie folgt lauten. Das Wurzelsystem der Kiefer reicht tiefer in den Boden als das der Fichte. Aus diesem Grund ist die Schulter der Kraft, die die Kiefer im Boden hält, größer als die der Fichte. Um eine Fichte mit Wurzel zu drehen, ist daher weniger Kraft- und Windmoment erforderlich als um sie zu brechen. Daher fällt Fichte häufiger mit der Wurzel aus als Kiefer und Kiefer bricht häufiger als Fichte.

Das Studium der Wärme und molekularer Phänomene

Gerät "künstliche Niere"

Dieses Gerät dient der medizinischen Notfallversorgung bei akuter Vergiftung; um Patienten mit chronischem Nierenversagen auf eine Nierentransplantation vorzubereiten; zur Behandlung bestimmter Erkrankungen des Nervensystems (Schizophrenie, Depression).

AIP ist ein Hämodialysator, bei dem Blut durch eine semipermeable Membran mit einer Kochsalzlösung in Kontakt kommt. Aufgrund des unterschiedlichen osmotischen Drucks gelangen Ionen und Moleküle von Stoffwechselprodukten (Harnstoff und Harnsäure) sowie verschiedene Giftstoffe, die aus dem Körper entfernt werden sollen, aus dem Blut durch die Membran in die Salzlösung.

Kapillarphänomene.

Bei der Betrachtung von Kapillarphänomenen sollte ihre Rolle in der Biologie betont werden, da die meisten pflanzlichen und tierischen Gewebe von einer enormen Anzahl von Kapillargefäßen durchzogen sind. In den Kapillaren finden die Hauptprozesse im Zusammenhang mit der Atmung und Ernährung des Körpers statt, die komplexeste Chemie des Lebens, die eng mit diffusen Phänomenen verbunden ist.

Als physikalisches Modell des Herz-Kreislauf-Systems kann ein System aus vielen verzweigten Röhren mit elastischen Wänden dienen. Mit zunehmender Verzweigung nimmt der Gesamtquerschnitt der Rohre zu und die Geschwindigkeit des Fluids nimmt entsprechend ab. Da die Verzweigung jedoch aus vielen engen Kanälen besteht, nehmen die inneren Reibungsverluste stark zu und der Gesamtwiderstand gegen die Bewegung von Flüssigkeiten (trotz der Geschwindigkeitsabnahme) nimmt erheblich zu.

Die Rolle von Oberflächenphänomenen im Leben der belebten Natur ist sehr vielfältig. Beispielsweise ist der Oberflächenfilm des Wassers für viele Organismen eine Stütze bei der Fortbewegung. Diese Bewegungsform findet man bei kleinen Insekten und Spinnentieren. Einige im Wasser lebende Tiere, die keine Kiemen haben, werden mit Hilfe von speziellen, nicht benetzbaren Borsten, die ihre Atmungsorgane umgeben, von unten an den Oberflächenwasserfilm gehängt. Diese Technik wird von Mückenlarven (einschließlich Malaria) verwendet.

Für selbstständiges Arbeiten können Sie Aufgaben anbieten wie:

Wie kann das Wissen der molekularkinetischen Theorie angewendet werden, um den Mechanismus zu erklären, durch den Pflanzenwurzelhaare Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen?

Wie erklärt sich die Wasserfestigkeit eines Reetdaches, Heuhaufen?

Bestimmen Sie die Höhe, bis zu der Wasser unter Einwirkung von Oberflächenspannungskräften in den Stängeln von Pflanzen mit Kapillaren mit einem Durchmesser von 0,4 mm aufsteigt. Kann die Kapillarität als der einzige Grund für das Aufsteigen von Wasser entlang des Stängels einer Pflanze angesehen werden?

Stimmt es, dass tief über dem Boden fliegende Schwalben Regen ankündigen?

Das Studium von Schwingungen und Geräuschen

Beispiele für periodische Prozesse in der Biologie: Viele Blumen schließen bei Einbruch der Dunkelheit die Kronen; bei den meisten Tieren gibt es eine Periodizität beim Auftreten von Nachkommen; periodische Änderungen in der Intensität der Photosynthese in Pflanzen sind bekannt; Schwankungen erfahren die Größe von Kernen in Zellen usw.

Waldgeräusche.

Die Geräusche des Waldes (Rascheln) entstehen durch die Vibration der Blätter unter dem Einfluss des Windes und deren Reibung aneinander. Dies macht sich besonders bei Espenblättern bemerkbar, da sie an langen und dünnen Blattstielen befestigt sind, daher sehr beweglich sind und selbst bei schwächsten Luftströmungen schwanken.

Frösche haben sehr laute und recht unterschiedliche Stimmen. Einige Froscharten haben interessante Schallverstärkungsvorrichtungen in Form großer kugelförmiger Blasen an den Seiten ihres Kopfes, die beim Schreien anschwellen und als starke Resonanzen dienen.

Das Geräusch von Insekten wird meistens durch die schnellen Vibrationen der Flügel während des Fluges verursacht (Mücken, Fliegen, Bienen). Der Flug des häufiger mit den Flügeln schlagenden Insekts wird von uns als höherfrequenter und damit höherfrequenter Ton wahrgenommen. Einige Insekten, wie Heuschrecken, haben spezielle Klangorgane - eine Reihe von Nelken an den Hinterbeinen, die die Ränder der Flügel berühren und sie zum Vibrieren bringen.

Eine Arbeiterbiene, die für eine Bestechung aus dem Bienenstock fliegt, macht durchschnittlich 180 Flügelschläge pro Sekunde. Wenn sie mit einer Ladung zurückkehrt, erhöht sich die Anzahl der Schläge auf 280. Wie wirkt sich das auf den Klang aus, den wir hören?

Warum ist der Flug eines Schmetterlings stumm?

Es ist bekannt, dass viele Frösche große, kugelförmige Blasen an den Seiten ihres Kopfes haben, die anschwellen, wenn sie rufen. Was ist ihr Zweck?

Was bestimmt die Frequenz des Geräusches, das Insekten während des Fluges aussenden?

Das Studium der Optik und der Struktur des Atoms.

Licht.

Licht ist für die belebte Natur absolut notwendig, da es ihr als Energiequelle dient. Chlorophyllhaltige Pflanzen sind mit Ausnahme einiger Bakterien die einzigen Organismen, die in der Lage sind, aus Wasser, Mineralsalzen und Kohlendioxid mit Hilfe von Strahlungsenergie ihre eigene Substanz zu synthetisieren, die sie bei der Assimilation in chemische Energie umwandeln. Alle anderen Organismen, die unseren Planeten bewohnen – Pflanzen und Tiere – sind direkt oder indirekt auf chlorophyllhaltige Pflanzen angewiesen. Sie absorbieren am stärksten die Strahlen, die den Absorptionsbanden im Chlorophyllspektrum entsprechen. Es gibt zwei davon: Der eine liegt im roten Bereich des Spektrums, der andere im blau-violetten. Die restlichen Strahlen der Pflanze reflektieren. Sie verleihen Chlorophyllpflanzen ihre grüne Farbe. Chlorophyllhaltige Pflanzen werden durch höhere Pflanzen, Moose und Algen repräsentiert.

Augen verschiedener Vertreter der Tierwelt.

Bei Amphibien ist die Hornhaut des Auges sehr konvex. Die Akkommodation der Augen erfolgt, wie bei Fischen, durch die Bewegung der Linse.

Vögel haben ein sehr scharfes Sehvermögen, das dem anderer Tiere überlegen ist. Ihr Augapfel ist sehr groß und hat eine besondere Struktur, wodurch sich das Sichtfeld vergrößert. Vögel mit besonders scharfem Sehvermögen (Geier, Adler) haben einen länglichen "teleskopischen" Augapfel. Die Augen von im Wasser lebenden Säugetieren (z. B. Walen) ähneln in Bezug auf die Hornhautwölbung und den großen Brechungsindex den Augen von Tiefseefischen.

Wie Bienen Farben sehen.

Das Sehvermögen von Bienen unterscheidet sich von dem des Menschen. Ein Mensch unterscheidet etwa 60 einzelne Farben des sichtbaren Spektrums. Bienen unterscheiden nur 6 Farben: Gelb, Blaugrün, Blau, "Lila", Violett und für Menschen unsichtbares Ultraviolett. Die "Magenta"-Farbe der Biene ist eine Mischung aus gelben und ultravioletten Strahlen des Spektrums, die für die Biene sichtbar sind.

Für die selbstständige Bearbeitung dieses Bereichs können Sie folgende Aufgaben anbieten:

Wozu zwei Augen?

Die Netzhaut eines menschlichen Auges und eines Adlerauges ist ungefähr gleich, aber der Durchmesser der Nervenzellen (Zapfen) im Adlerauge in seinem zentralen Teil ist kleiner - nur 0,3 - 0,4 Mikrometer (Mikrometer = 10 -3 mm). Welche Bedeutung hat eine solche Struktur der Netzhaut des Adlerauges?

Bei Einbruch der Dunkelheit erweitert sich die Pupille des Auges. Wie wirkt sich dies auf die Schärfe des Bildes von umgebenden Objekten aus? Wieso den?

Die Linse eines Fischauges ist sphärisch. Welche Merkmale des Fischlebensraums machen diese Form der Linse geeignet? Denken Sie an den Akkommodationsmechanismus der Augen bei Fischen, wenn sich die Krümmung der Linse nicht ändert.

2.3. Blitzturnier "Physics in Wildlife"

Zur Organisation eigenständiger praktischer Aktivitäten für Schülerinnen und Schüler der 7. Klasse kann ein Blitzturnier „Physik in der Tierwelt“ angeboten werden.

Der Zweck des Unterrichts: Wiederholung des Materials zum Thema „Verallgemeinernde Lektion für den gesamten Kurs“; Test von Wissen, Einfallsreichtum, Fähigkeit, logisch zu denken.

Spielregeln

Die Fragen werden während des Kurses der 7. Klasse ausgewählt.

Der Unterricht geht schnell voran.

Während des Unterrichts können Sie jede Referenzliteratur verwenden, einschließlich des Lehrbuchs.

Während des Unterrichts

Der Lehrer liest die Frage vor. Der Spieler, bereit zu antworten, hebt seine Hand; Die erste Person, die ihre Hand hebt, erhält das Wort. Die richtige Antwort ist 1 Punkt wert. Die Teilnehmer mit den wenigsten Punkten scheiden aus dem Spiel aus.

Fragen:

Beim Verlassen des Wassers werden die Tiere geschüttelt. Welches physikalische Gesetz wird in diesem Fall verwendet? (Trägheitsgesetz).

Welche Bedeutung haben die elastischen Haare an den Fußsohlen des Hasen? (Elastische Haare an den Fußsohlen des Hasen verlängern die Bremszeit beim Springen und schwächen somit die Aufprallkraft ab).

Warum halten manche Fische ihre Flossen nahe an sich, wenn sie sich schnell bewegen? (Um den Bewegungswiderstand zu verringern).

Im Herbst hängt manchmal ein Plakat an Straßenbahngleisen, die an Gärten und Parks vorbeiführen: „Achtung! Laubfall. Was bedeutet diese Warnung? (Auf die Schienen fallende Blätter verringern die Reibung, sodass das Auto beim Bremsen einen langen Weg zurücklegen kann.)

Wie hoch ist die Druckfestigkeit des menschlichen Knochens? (Der Femur zum Beispiel kann, wenn er senkrecht gestellt wird, dem Druck einer Last von anderthalb Tonnen standhalten).

Warum werden Taucherstiefel mit schweren Bleisohlen hergestellt? (Die schweren Bleisohlen der Stiefel helfen dem Taucher, den Auftrieb des Wassers zu überwinden.)

Warum kann eine Person ausrutschen, wenn sie auf eine harte, trockene Erbse tritt? (Reibung trägt zur Bewegung einer Person bei. Eine trockene Erbse, die wie ein Lager ist, verringert die Reibung zwischen den Beinen der Person und der Stütze).

Warum bleiben wir in einem Fluss mit schlammigem Grund eher an einer seichten Stelle stecken als an einer tiefen? (Durch das Eintauchen in eine größere Tiefe verdrängen wir ein größeres Wasservolumen. Nach dem Gesetz von Archimedes wirkt in diesem Fall eine große Auftriebskraft auf uns).

Zusammenfassend.

Der Lehrer gibt Noten.

Fazit

K. D. Ushinsky schrieb, dass einige Lehrer scheinbar nur das tun, was sie wiederholen, aber tatsächlich kommen sie schnell voran, wenn sie neue Dinge lernen. Wiederholung unter Einbeziehung des Neuen führt zu einem besseren Verständnis und Merken des behandelten Stoffes. Es ist auch bekannt, dass der beste Weg, Interesse für ein Thema zu wecken, darin besteht, das erworbene Wissen in anderen Bereichen als denen, in denen es erworben wurde, anzuwenden. Die Organisation der Wiederholung unter Einbeziehung von biophysikalischem Material ist eine solche Art der Wiederholung, wenn sie unter Einbeziehung eines neuen auftritt, von großem Interesse für die Studierenden und ermöglicht ihnen, die Gesetze der Physik auf den Bereich der Tierwelt anzuwenden.

Die Herstellung interdisziplinärer Verbindungen zwischen Physik und Biologie bietet große Möglichkeiten für die Bildung materialistischer Überzeugungen. Schülerinnen und Schüler lernen, die Gesetze der Physik nicht nur an Beispielen aus der Technik, sondern auch an Beispielen aus der Tierwelt zu veranschaulichen. Andererseits verwenden sie in Anbetracht der Lebenstätigkeit pflanzlicher und tierischer Organismen physikalische Gesetze, physikalische Analogien.

Die Wiederholung und Vertiefung des behandelten Stoffes unter Einbeziehung von biophysikalischem Material ermöglicht es dem Lehrer, die Schüler mit den neuesten Errungenschaften auf dem Gebiet der Biophysik und Bionik vertraut zu machen und sie zum Lesen zusätzlicher Literatur anzuregen.

Organisatorisch kann der Unterricht auf unterschiedliche Weise aufgebaut werden: in Form von Vorträgen von Lehrern, in Form von Berichten, die von Schülern unter Anleitung von Physik- und Biologielehrern erstellt werden.

REFERENZLISTE

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Zorin N.I. Wahlfach "Elements of Biophysics": Note 9. - M.: VAKO, 2007. - 160 S. - (Lehrerwerkstatt).

Wahlfach 9: Physik. Chemie. Biologie: Konstrukteur von Wahlfächern (überfachlich und fachorientiert): Zur Organisation der profilbildenden Ausbildung für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 9: In 2 Büchern. Buch. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. und andere - M .: 5 für Wissen, 2006. - 304 p. - (Wahl).

Wahlfach 9: Physik. Chemie. Biologie: Konstrukteur von Wahlfächern (überfachlich und fachorientiert): Zur Organisation der profilbildenden Ausbildung für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 9: In 2 Büchern. Buch. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. und andere - M .: 5 für Wissen, 2006. - 176 p. - (Wahl).

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Volkov V.A., Polyansky S.E. Pourochnye Entwicklung in der Physik. Klasse 7 - 2. Aufl. - M.: VAKO, 2007. - 304 p. - (Um dem Schullehrer zu helfen: zu den Trainingskits von A. V. Peryshkin, S. V. Gromov, N. A. Rodina).

Eine der ältesten Wissenschaften ist natürlich die Biologie. Das Interesse der Menschen an den Vorgängen in ihnen selbst und den sie umgebenden Wesen entstand mehrere tausend Jahre vor unserer Zeitrechnung.

Die Beobachtung von Tieren, Pflanzen und natürlichen Prozessen war ein wichtiger Teil des Lebens der Menschen. Im Laufe der Zeit hat sich viel Wissen angesammelt, Methoden zur Untersuchung von Wildtieren und die darin auftretenden Mechanismen wurden verbessert und weiterentwickelt. Dadurch sind viele Teilbereiche entstanden, die in ihrer Gesamtheit eine komplexe Wissenschaft ausmachen.

Die biologische Forschung in verschiedenen Lebensbereichen ermöglicht es, neue wertvolle Daten zu gewinnen, die für das Verständnis der Struktur der Biomasse des Planeten wichtig sind. Verwenden Sie dieses Wissen für praktische menschliche Zwecke (Weltraumforschung, Medizin, Landwirtschaft, chemische Industrie usw.).

Viele Entdeckungen ermöglichten die biologische Forschung auf dem Gebiet der inneren Struktur und Funktionsweise aller lebenden Systeme. Die molekulare Zusammensetzung von Organismen, ihre Mikrostruktur wurde untersucht, viele Gene wurden isoliert und aus dem Genom von Menschen und Tieren sowie Pflanzen untersucht. Die Vorzüge der Biotechnologie, zellulär und ermöglichen es Ihnen, mehrere Pflanzenernten pro Saison zu erzielen sowie Tierrassen zu züchten, die mehr Fleisch, Milch und Eier liefern.

Die Erforschung von Mikroorganismen ermöglichte die Gewinnung von Antibiotika und die Entwicklung von Dutzenden und Hunderten von Impfstoffen, mit denen viele Krankheiten bekämpft werden können, selbst solche, die früher Tausende von Menschen- und Tierseuchen forderten.

Daher ist die moderne Wissenschaft der Biologie die grenzenlosen Möglichkeiten der Menschheit in vielen Bereichen der Wissenschaft, Industrie und Gesundheitserhaltung.

Klassifikation der Biowissenschaften

Eine der allerersten erschienenen privaten Abteilungen der Wissenschaft der Biologie. Wie Botanik, Zoologie, Anatomie und Taxonomie. Später begannen sich Disziplinen zu bilden, die stärker von technischer Ausrüstung abhängig waren - Mikrobiologie, Virologie, Physiologie und so weiter.

Es gibt eine Reihe junger und fortschrittlicher Wissenschaften, die erst im 20. und 21. Jahrhundert entstanden sind und eine wichtige Rolle in der modernen Entwicklung der Biologie spielen.

Es gibt nicht eine, sondern mehrere Klassifikationen, nach denen die biologischen Wissenschaften eingeordnet werden können. Ihre Liste ist in allen Fällen ziemlich beeindruckend, betrachten Sie einen von ihnen.

Biologie	Private Wissenschaften	Botanik	befasst sich mit dem Studium der äußeren und inneren Struktur, der physiologischen Prozesse, der Phylogenese und der Verbreitung in der Natur aller auf dem Planeten vorkommenden Pflanzen (Flora)	Enthält die folgenden Abschnitte: Algologie; Dendrologie; Taxonomie; Anatomie; Morphologie; Physiologie; Bryologie; Paläobotanik; Ökologie; Geobotanik; Ethnobotanik; Pflanzenreproduktion.
		Zoologie	befasst sich mit dem Studium der äußeren und inneren Struktur, der physiologischen Prozesse, der Phylogenese und der Verbreitung in der Natur aller auf dem Planeten vorkommenden Tiere (Fauna)	Disziplinen enthalten in: Disziplinen: topographische Anatomie; vergleichend; systematisch; das Alter; Plastik; funktionell; Experimental.
		Anthropologie	eine Reihe von Disziplinen, die die Entwicklung und Bildung einer Person in einem biologischen und sozialen Umfeld in einem Komplex untersuchen	Abschnitte: philosophische, juristische, religiöse, physische, soziale, kulturelle, visuelle.
		Mikrobiologie	untersucht die kleinsten lebenden Organismen, von Bakterien bis zu Viren	Disziplinen: Virologie, Bakteriologie, medizinische Mikrobiologie, Mykologie, industrielle, technische, landwirtschaftliche, Weltraummikrobiologie
		Allgemeine Wissenschaften	Systematik	zu den aufgaben gehört es, die basis für die klassifizierung allen lebens auf unserem planeten zu entwickeln mit dem ziel einer strengen ordnung und identifizierung jeglicher vertreter der biomasse
	Morphologie		Beschreibung äußerer Zeichen, innerer Struktur und Topographie der Organe aller Lebewesen	Sektionen: Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen, Pilze
	Physiologie		untersucht die Merkmale der Funktion eines bestimmten Systems, Organs oder Körperteils, die Mechanismen aller Prozesse, die seine lebenswichtige Aktivität gewährleisten	Pflanzen, Tiere, Menschen, Mikroorganismen
	Ökologie		die Wissenschaft von der Beziehung der Lebewesen untereinander, zur Umwelt und zum Menschen	Geoökologie, allgemein, sozial, industriell
	Genetik		untersucht das Genom von Lebewesen, die Mechanismen der Vererbung und Variabilität von Merkmalen unter dem Einfluss verschiedener Bedingungen sowie historische Veränderungen des Genotyps während evolutionärer Transformationen
	Biogeographie		betrachtet die Umsiedlung und Verbreitung bestimmter Arten von Lebewesen auf dem Planeten
	evolutionäre Lehre		enthüllt die Mechanismen der historischen Entwicklung des Menschen und anderer lebender Systeme auf dem Planeten. Ihr Ursprung und ihre Entwicklung
	Komplexe Wissenschaften, die an der Schnittstelle zueinander entstanden sind	Biochemie	untersucht die in den Zellen von Lebewesen ablaufenden Prozesse aus chemischer Sicht
		Biotechnologie	betrachtet die Nutzung von Organismen, deren Produkten und/oder Teilen für den menschlichen Bedarf
		Molekularbiologie	untersucht die Mechanismen der Übertragung, Speicherung und Nutzung von Erbinformationen durch Lebewesen sowie die Funktionen und Feinstruktur von Proteinen, DNA und RNA.	Verwandte Wissenschaften: Gen- und Zelltechnik, Molekulargenetik, Bioinformatik, Proteomik, Genomik
		Biophysik	Es ist eine Wissenschaft, die alle möglichen physikalischen Prozesse untersucht, die in allen lebenden Organismen ablaufen, von Viren bis zum Menschen	Abschnitte dieser Disziplin werden weiter unten besprochen.

Daher haben wir versucht, die Hauptvielfalt der biologischen Wissenschaften zu erfassen. Diese Liste mit der Entwicklung von Technologie und Studienmethoden wird erweitert und ergänzt. Daher existiert heute keine einheitliche Klassifikation der Biologie.

Progressive Biowissenschaften und ihre Bedeutung

Zu den jüngsten, modernsten und fortschrittlichsten Wissenschaften der Biologie gehören unter anderem:

Biotechnologie;
Molekularbiologie;
Weltraumbiologie;
Biophysik;
Biochemie.

Jede dieser Wissenschaften wurde erst im 20. Jahrhundert gegründet und gilt daher zu Recht als jung, sich intensiv entwickelnd und als die bedeutendste für die praktische menschliche Tätigkeit.

Lassen Sie uns bei solchen wie der Biophysik verweilen. Dies ist eine Wissenschaft, die um 1945 auftauchte und zu einem wichtigen Bestandteil des gesamten biologischen Systems wurde.

Was ist Biophysik?

Zur Beantwortung dieser Frage ist zunächst auf den engen Kontakt zur Chemie und Biologie hinzuweisen. Bei manchen Fragestellungen sind die Grenzen zwischen diesen Wissenschaften so eng, dass schwer auszumachen ist, welche von ihnen konkret und vorrangig beteiligt ist. Daher lohnt es sich, die Biophysik als eine komplexe Wissenschaft zu betrachten, die die tiefen physikalischen und chemischen Prozesse untersucht, die in lebenden Systemen auf der Ebene von Molekülen, Zellen, Organen und auf der Ebene der Biosphäre als Ganzes ablaufen.

Wie jede andere Wissenschaft ist auch die Biophysik eine Wissenschaft, die ihren eigenen Untersuchungsgegenstand, eigene Ziele und Absichten sowie würdige und bedeutende Ergebnisse hat. Darüber hinaus ist diese Disziplin eng mit mehreren neuen Richtungen korreliert.

Studienobjekte

Für die Biophysik sind sie Biosysteme auf unterschiedlichen Organisationsebenen.

Viren, einzellige Pilze und Algen).
Die einfachsten Tiere.
Einzelne Zellen und ihre Strukturteile (Organellen).
Pflanzen.
Tiere (einschließlich Menschen).
ökologische Gemeinschaften.

Das heißt, die Biophysik ist das Studium des Lebendigen aus der Sicht der darin ablaufenden physikalischen Prozesse.

Die Aufgaben der Wissenschaft

Die Aufgaben der Biophysiker bestanden zunächst darin, die Existenz physikalischer Prozesse und Phänomene im Leben der Lebewesen nachzuweisen und sie zu studieren, um ihre Natur und Bedeutung herauszufinden.

Moderne Aufgaben dieser Wissenschaft lassen sich wie folgt formulieren:

Untersuchung der Struktur von Genen und der mit ihrer Übertragung und Speicherung einhergehenden Mechanismen, Modifikationen (Mutationen).
Betrachten Sie viele Aspekte der Zellbiologie (die Interaktion von Zellen untereinander, chromosomale und genetische Interaktionen und andere Prozesse).
Polymermoleküle (Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide) in Kombination mit Molekularbiologie untersuchen.
Den Einfluss kosmogeophysikalischer Faktoren auf den Ablauf aller physikalischen und chemischen Prozesse in lebenden Organismen aufzudecken.
Enthüllen Sie tiefer die Mechanismen der Photobiologie (Photosynthese, Photoperiodismus usw.).
Implementieren und entwickeln Sie Methoden der mathematischen Modellierung.
Wenden Sie die Ergebnisse der Nanotechnologie auf die Untersuchung lebender Systeme an.

Aus dieser Liste geht hervor, dass die Biophysik viele bedeutende und ernste Probleme der modernen Gesellschaft untersucht und dass die Ergebnisse dieser Wissenschaft für den Menschen und sein Leben von großer Bedeutung sind.

Entstehungsgeschichte

Als Wissenschaft wurde die Biophysik erst vor relativ kurzer Zeit geboren - 1945, als er seine Arbeit "Was ist das Leben aus physikalischer Sicht" veröffentlichte. Er war es, der als erster bemerkte und darauf hinwies, dass viele Gesetze der Physik (Thermodynamik, Gesetze der Quantenmechanik) gerade im Leben und Arbeiten von Organismen von Lebewesen stattfinden.

Dank der Arbeit dieses Mannes begann die Wissenschaft der Biophysik ihre intensive Entwicklung. Aber noch früher, im Jahr 1922, wurde in Russland ein Institut für Biophysik unter der Leitung von P. P. Lazarev gegründet. Dort wird der Untersuchung der Art der Erregung in Geweben und Organen die Hauptrolle zugewiesen. Das Ergebnis war die Identifizierung der Bedeutung von Ionen in diesem Prozess.

Galvani entdeckt Elektrizität und ihre Bedeutung für lebendes Gewebe (Bioelektrizität).
A. L. Chizhevsky ist der Vater mehrerer Disziplinen, die den Einfluss des Weltraums auf die Biosphäre sowie ionisierende Strahlung und Elektrohämodynamik untersuchen.
Die detaillierte Struktur von Proteinmolekülen wurde erst nach der Entdeckung der Röntgenbeugungsanalyse (Röntgenbeugungsanalyse) untersucht. Dies wurde von Perutz und Kendrew (1962) durchgeführt.
Im selben Jahr wurde die dreidimensionale Struktur der DNA entdeckt (Maurice Wilkins).
Neher und Zakman gelang es 1991, eine Methode zur lokalen Fixierung des elektrischen Potentials zu entwickeln.

Auch eine Reihe anderer Entdeckungen ermöglichte es der Wissenschaft der Biophysik, sich auf den Weg einer intensiven und fortschreitenden Modernisierung in Entwicklung und Formation zu begeben.

Abteilungen der Biophysik

Es gibt eine Reihe von Disziplinen, die diese Wissenschaft ausmachen. Betrachten wir die grundlegendsten von ihnen.

Biophysik komplexer Systeme - berücksichtigt alle komplexen Mechanismen der Selbstregulation vielzelliger Organismen (Systemogenese, Morphogenese, Synergogenese). Diese Disziplin untersucht auch die Merkmale der physischen Komponente der Prozesse der Ontogenese und der evolutionären Entwicklung, der Organisationsebenen von Organismen.
Bioakustik und Biophysik sensorischer Systeme - untersucht die sensorischen Systeme lebender Organismen (Sehen, Hören, Empfangen, Sprechen usw.) sowie Möglichkeiten zur Übertragung verschiedener Signale. Zeigt die Mechanismen der Energieumwandlung auf, wenn Organismen äußere Einflüsse (Irritationen) wahrnehmen.
Theoretische Biophysik - umfasst eine Reihe von Teilwissenschaften, die sich mit der Untersuchung der Thermodynamik biologischer Prozesse und der Konstruktion mathematischer Modelle der strukturellen Teile von Organismen befassen. Berücksichtigt auch kinetische Prozesse.
Molekulare Biophysik - betrachtet die tiefen Mechanismen der strukturellen Organisation und Funktionsweise solcher Biopolymere wie DNA, RNA, Proteine, Polysaccharide. Er beschäftigt sich mit der Konstruktion von Modellen und grafischen Darstellungen dieser Moleküle, sagt ihr Verhalten und ihre Entstehung in lebenden Systemen voraus. Außerdem baut diese Disziplin supramolekulare und submolekulare Systeme, um den Aufbau- und Wirkungsmechanismus von Biopolymeren in lebenden Systemen zu bestimmen.
Biophysik der Zelle. Er untersucht die wichtigsten zellulären Prozesse: Differenzierung, Teilung, Erregung und Biopotentiale der Membranstruktur. Besonderes Augenmerk wird auf die Mechanismen des Membrantransports von Stoffen, Potentialdifferenz, Eigenschaften und Struktur der Membran und ihrer umgebenden Teile gelegt.
Biophysik des Stoffwechsels. Die hauptsächlich betrachteten sind Solarisation und Anpassung von Organismen daran, Hämodynamik, Thermoregulation, Stoffwechsel und der Einfluss von Ionisationsstrahlen.
Angewandte Biophysik. Es besteht aus mehreren Disziplinen: Bioinformatik, Biometrie, Biomechanik, Studium evolutionärer Prozesse und Ontogenese, pathologische (medizinische) Biophysik. Untersuchungsgegenstände der angewandten Biophysik sind der Bewegungsapparat, Bewegungsmethoden, Methoden zur Erkennung von Menschen an körperlichen Merkmalen. Besondere Aufmerksamkeit verdient die medizinische Biophysik. Sie betrachtet pathologische Prozesse in Organismen, Methoden zur Rekonstruktion geschädigter Molekülabschnitte oder Strukturen oder deren Kompensation. Gibt Material für die Biotechnologie. Es ist von großer Bedeutung bei der Prävention der Entstehung von Krankheiten, insbesondere genetischer Natur, deren Beseitigung und Aufklärung der Wirkmechanismen.
Habitat-Biophysik - untersucht die physikalischen Auswirkungen sowohl der lokalen Lebensräume von Wesen als auch der Auswirkungen von nahen und fernen Weltraumeinheiten. Berücksichtigt auch Biorhythmen, den Einfluss von Wetterbedingungen und Biofeldern auf Lebewesen. Entwickelt Maßnahmen zur Vermeidung negativer Auswirkungen

Alle diese Disziplinen leisten einen enormen Beitrag zur Entwicklung des Verständnisses der Lebensmechanismen lebender Systeme, des Einflusses der Biosphäre und verschiedener Bedingungen auf sie.

Moderne Errungenschaften

Einige der wichtigsten Ereignisse, die sich auf die Errungenschaften der Biophysik beziehen, können genannt werden:

enthüllte die Mechanismen des Klonens von Organismen;
die Merkmale von Umwandlungen und die Rolle von Stickstoffmonoxid in lebenden Systemen wurden untersucht;
die Beziehung zwischen kleinen und Boten-RNAs wurde hergestellt, die es in Zukunft ermöglichen wird, eine Lösung für viele medizinische Probleme zu finden (Beseitigung von Krankheiten);
entdeckte die physikalische Natur von Autowaves;
Dank der Arbeit von Molekularbiophysikern wurden Aspekte der DNA-Synthese und -Replikation untersucht, was zu der Möglichkeit führte, eine Reihe neuer Medikamente für schwere und komplexe Krankheiten zu entwickeln.
Computermodelle aller Reaktionen, die den Prozess der Photosynthese begleiten, wurden erstellt;
Methoden der Ultraschallforschung eines Organismus werden entwickelt;
die Verbindung zwischen kosmogeophysikalischen und biochemischen Prozessen wurde hergestellt;
vorhergesagter Klimawandel auf dem Planeten;
Entdeckung der Bedeutung des Enzyms Urokenase bei der Vorbeugung von Thrombosen und der Beseitigung von Folgen nach Schlaganfällen;
machte auch eine Reihe von Entdeckungen über die Struktur des Proteins, das Kreislaufsystem und andere Teile des Körpers.

Institut für Biophysik in Russland

In unserem Land gibt es sie. M. W. Lomonossow. Auf der Grundlage dieser Bildungseinrichtung arbeitet die Fakultät für Biophysik. Er bildet qualifizierte Fachkräfte für die Arbeit in diesem Bereich aus.

Es ist sehr wichtig, zukünftigen Berufstätigen einen guten Start zu ermöglichen. Sie haben einen harten Job vor sich. Ein Biophysiker muss alle Feinheiten der Prozesse verstehen, die in Lebewesen ablaufen. Außerdem müssen die Studierenden Physik verstehen. Schließlich ist dies eine komplexe Wissenschaft - Biophysik. Die Vorlesungen sind so strukturiert, dass sie alle mit der Biophysik zusammenhängenden und konstituierenden Disziplinen abdecken und sowohl biologische als auch physikalische Fragestellungen berücksichtigen.