Kaasaegse biofüüsika arengu põhisuunad. Biofüüsikaliste uuringute tasemed. Loengud biofüüsikast Poisid, kellelt meilt küsiti mikrobiofüüsika kohta

SISSEJUHATUS

"Looduse loogika on lastele kõige kättesaadavam ja kasulikum loogika."
K. D. Uminsky

Käesolevas töökogemuse kirjeldust kirjeldavas juhendis on püütud käsitleda füüsika ja bioloogia koolikursuste seoste põhisuundi ja iseärasusi ning visandada selle seose tugevdamise võimalikud viisid ja vormid.
Käesoleva töö põhisuunad on järgmised: tutvustada õpilasi bioloogias ja meditsiinis laialdaselt kasutatavate füüsikaliste uurimis- ja mõjutamismeetoditega, eluslooduse füüsikaga, bioonika mõningate elementidega.
Peaaegu kõigi füüsikakursuse osade jaoks saab valida suure hulga biofüüsikalisi näiteid (mida me ka tegime, vt lisa), kuid soovitav on neid kasutada ainult osaliselt koos tehniliste näidete ja näidetega elutust loodusest.
Biofüüsikaliste näidete meelitamise põhieesmärk on saavutada füüsikakursuse parem assimilatsioon. Biofüüsikaline materjal peaks olema otseselt seotud füüsika ja bioloogia kursuste õppekavadega ning kajastama kõige lootustandvamaid suundi teaduse ja tehnoloogia arengus.
Biofüüsikalise materjali valikul võib välja tuua kolm peamist suunda.
Esimesel suunal on eesmärk - näidata õpilastele loodusseaduste ühtsust, füüsikaseaduste rakendatavust elusorganismile.
Teine suund vastab bioloogias ja meditsiinis laialdaselt kasutatavate füüsiliste mõjutamis- ja uurimismeetoditega tutvumisele. Keskkooli füüsikakursusel tutvustatakse õpilastele ainult optilisi instrumente (luup, mikroskoop), kasutades röntgenikiirgust ja "märgistatud aatomeid". Kuid juba tavalises linnakliinikus seisab iga inimene silmitsi suure hulga füüsiliste meetoditega oma keha uurimiseks - mõõdetakse vererõhku, fikseeritakse südame biopotentsiaalid jne, millega koolis ei arvestata.
Kolmas suund hõlmab õpilaste tutvustamist bioonika ideede ja mõningate tulemustega. Näiteks vibratsiooni uurides öeldakse õpilastele, et ööliblika kuulmisorgan tajub helivõnkumisi sagedusvahemikus 10–100 kHz ja võimaldab tuvastada nahkhiire lähenemist (tema jaoks on ööliblikas lemmiktoit). ) 30 m kaugusel. Need eluslooduse "saavutused" on kõrgemad kui kajaloodide, ultraheliradarite, veadetektorite ja isegi radarite valdkonnas saadud tulemused. Selliseid näiteid on palju. Siiski tuleb rõhutada, et bioonika eesmärk ei ole bioloogiliste süsteemide pimesi jäljendamine, vaid nende ehitamise põhimõtete paljastamine.

I peatükk
BIOFÜÜSIKAMATERJALI KASUTAMINE FÜÜSIKATUNNIDES

Õpilaste biofüüsikalise materjaliga tutvumise viisid ei erine põhimõtteliselt viisidest, kuidas neid tehnoloogia elementidega tutvustada. Füüsika on tehnoloogia alus; teisest küljest kasutatakse füüsikat laialdaselt bioloogiaalastes uuringutes ning see aitab mõista bioloogiliste objektide ehituse ja elutegevuse iseärasusi.
Juba esimestes tundides saavad lapsed teada, et kõik loodusteadused kasutavad füüsikaseadusi. See idee vajab täpsustamist ja laiendamist. Esmakordsel ainega - füüsikaga tutvumisel on soovitav õpilastele näidata selle seaduspärasuste rakendatavust inimeste ja taimede, lindude, kalade jne elule. Selleks saate võrrelda lindude, putukate ja lennukite lende. , rääkida asukohast loomamaailmas kuuldamatute helide vallas. Võite näiteks rääkida sellest, et muti keha ehituse uurimine aitas inseneridel luua mulla teisaldamismasina ning delfiinide ja kalade vaatlused aitavad parandada allveelaevu. Tuntud on Leonardo da Vinci klassikalised vaatlused lindude lennust ja nende tiibade kujundamisest ning nende ideede kasutamine kaasaegsete inseneride poolt lennukite, hoorataste ja rakettide projekteerimisel. Oluline on, et õpilaste teadvusesse jääks juba esimestest tundidest pähe mõte, et füüsika on võti nii eluta kui ka elava looduse nähtuste mõistmisel.
Füüsika uue materjali esitamisel on kõige parem esitada illustreerivat biofüüsikalist teavet õpetajale endale. Need võivad olla nii elusorganisme iseloomustavad arvandmed kui ka bioloogias kasutatavate uurimismeetodite kirjeldus ja lühiandmed meditsiini- või bioloogiliste seadmete kohta.
Uue materjali esitlemist võib vahetada vestlusega, eriti alamates klassides. Õpetaja viitab õpilaste elukogemusele, teabele, mida nad said algkoolis õppides, botaanika, geograafia ja muude seotud erialade tundides. Biofüüsika elementidega kurssi viimisel võib olulist rolli mängida eluslooduse füüsika ülesannete lahendamine. Näiteks jooksmise, uisutamise jms spordirekordite tabelit kasutades saab leida keskmisi kiirusi, harjutada kiirusühikute teisendamist ühest süsteemist teise.
Mineviku kordamisel on võimalik kaasata ka biofüüsikalist materjali. Sellist töövormi kasutasime peale mõne teema õppimist, õppeaasta lõpus ja kordamisel enne lõpueksameid. Nimetagem mõned arvustuste kordamise teemad: mehaanika eluslooduses, elekter ja elusloodus, optika ja elu, elektromagnetväljade mõju loomadele ja taimeorganismidele.
Mitmeid biofüüsikalisi küsimusi tuleks selgitada, kasutades fragmente mõnest filmist ja filmiribadest, jooniseid, diagramme ja tabeleid ning bioloogiaklassis saadaolevaid visuaalseid abivahendeid.
Enamasti saavad füüsikaõpetajad bioloogiaklassis vaid väga piiratud hulga seadmeid (mikroskoop, silma-, kõrvamudelid; vastavad tabelid). Vahepeal pole see kaugeltki kõik bioloogiaklassides saadaolevad seadmed, mida saaks füüsikaõppes kasulikult kasutada. Juba oma esimesel biofüüsikaõhtul “Füüsika ja meditsiin” kasutasime bioloogiakabinetist järgmisi seadmeid: kopsude elutähtsa mahu mõõtmise aparaat, vererõhu mõõtmise aparaat, silma- ja kõrvamudelid, dünamomeetrid lihasjõu mõõtmiseks.
Hiljem proovisime oma töö praktikas õpilastele biofüüsika elemente tutvustades kasutada selleks ka bioloogiaklassi varustust: A. N. Kabanovi “Tabelid inimese anatoomia ja füsioloogia kohta”, “Mnr animals” - a. mitmevärviliste tabelite seeria A. A. Yakhontov, herbaariumid ja liblikate, kiilide, mardikate, kilpkonnade jne kollektsioonid. Samuti on kasulik näidata mõnda bioloogiaalast õppefilmi ja filmilindi.
Edaspidi anname märku, kus ja milliseid visuaalseid ja tehnilisi vahendeid saab kasutada ning milliseid visuaalseid abivahendeid saavad õpilased ise valmistada.

§ 1. Biofüüsika elemendid mehaanika õppes

Liikumine ja jõud
VI klassis teemat “Liikumine ja jõud” õppides saab õpilastele tutvustada erinevate elusolendite liikumiskiirusi. Tigu roomab 1 tunniga ca 5,5 m Kilpkonn liigub kiirusega ca 70 m/h Kärbes lendab kiirusega 5 m/s. Keskmine kõndimiskiirus on umbes 1,5 m/s ehk umbes 5 km/h. Jalaväeväeosa võib liikuda kiirusega kuni 7 km/h. Hobune on võimeline liikuma kiirusega 6–30 km/h ja rohkem.
Keskmise raja loomadest jookseb kõige kiiremini jänes, tema kiirus ulatub 50–60 km/h. Temast veidi kehvem on hunt, kes suudab joosta kiirusega kuni 45 km/h. ;
Paljud kalad liiguvad keskmise kiirusega umbes 4 km / h, kuid mõned neist on võimelised saavutama palju suuremat kiirust: näiteks mõõkkala võib jõuda kiiruseni kuni 90 km / h.
Huvitav on arvestada ka kalade liikumiskiiruste tabelis toodud arve.
Siin on väga oluline pöörata tähelepanu kalade kiiruse hindamisele sentimeetrites sekundis, aga ka kehapikkustes sekundis. Nendel andmetel osutub kiireimaks forell, kuigi tema kiiruse absoluutväärtus on suhteliselt väike.
Loomamaailma erinevate esindajate kiirusandmeid kasutades on võimalik lahendada mitmesuguseid probleeme. Vaatame mõnda neist.
Sisekõrva liikumiskiirus on 0,9 mm/sek. Väljendage seda kiirust ühikutes cm/min, m/h.
Saaki jälitav pistrik sukeldub kiirusega 300 km/h. Millise vahemaa see läbib 5 sekundiga?
1 Paljude elusolendite kiirust väljendatakse erilise väärtusega, mis võrdub nende keha pikkuste arvuga, mida nad sekundis liiguvad
Kirjatuvi lennukiirus 1800 m/min. Väljendage seda väärtust km/h. Kui suure vahemaa läbib tuvi 3 lennutunni jooksul? Kas autoga, mille keskmine kiirus on 60 km/h, on võimalik mööduda tuvist?
Teadaolevalt on tamme keskmine kasvutempo ca 30 cm/aastas. Kui vana on 6,3 m kõrgune puu?
Nõukogude sportlane Vladimir Kuts läbis 5000 m 815 sekundiga. Määrake selle kiirus km/h.

Tel kaal Tihedus
"Kehamassi" mõistega tutvumisel ning aine tiheduse ja kehas hõivatud ruumala määramise ülesannete koostamisel kasutasime mõningaid täiendavaid tabeliandmeid (tabel 2).
Näide. Määrake kasepuidu mass, kui selle maht on 5 m3.
Näide. Kui suur on linaseemneõli mass, mille maht on 5 liitrit?
Näide. Määrake kuiva bambuse maht, kui selle mass on 4800 kg.

Gravitatsioon. Kehakaal
Seda teemat uurides saate läbi viia järgmise koolitustöö. Erinevate imetajate massid on antud: vaal - /0000 kg, elevant - 4000 kg, ninasarvik - 2000 kg, pull - 1200 kg, karu - 400 kg, siga - 200 kg, inimene - 70 kg, hunt - 10 kg, jänes - 6 kg. Leidke nende kaal njuutonites.
Samu andmeid saab kasutada jõudude graafiliseks kujutamiseks.
Teel võib pakkuda huvitavamat teavet.
Suurimad loomad kuuluvad imetajate klassi, kellest sinivaal on eriti silmatorkav oma suuruse ja kaalu poolest. Näiteks ühe püütud vaala pikkus oli 33 m ja kaal 1500 kn, mis vastas 30 elevandi või 150 pulli kaalule. Suurim kaasaegne lind on Aafrika jaanalind, kes ulatub 2,75 m kõrgusele, 2-liitrisele pikkusele (noka otsast sabaotsani) ja kaalub 75 kg. Kõige väiksemad linnud on koolibrid. Ühe liigi koolibri mass on umbes 2 g, tiibade siruulatus 3,5 cm.
Hõõrde- ja takistusjõud.

Hõõrdumine elusorganismides
Hõõrdejõudude probleemi kirjeldamisel võib tugineda suurele hulgale biofüüsikalisele materjalile. Teatavasti on hõõrdumise vähendamiseks kasutatavad vedelikud (õli, tõrv jne) alati olulise viskoossusega. Sama on elusorganismis: hõõrdumist vähendavad vedelikud on samal ajal väga viskoossed.
Näiteks veri on vedelik, mis on viskoossem kui vesi. Veresoonkonnas liikudes kogeb see vastupanu sisemise hõõrdumise ja hõõrdumise tõttu anumate pinnal. Mida õhemad on veresooned, seda suurem on hõõrdumine ja seda rohkem vererõhk langeb.
Madal hõõrdumine liigestes on tingitud nende siledast pinnast, nende määrimisest sünoviaalvedelikuga. Sülg täidab toidu allaneelamisel määrimise rolli. Lihaste või kõõluste hõõrdumine luu vastu väheneb tänu spetsiaalse vedeliku eraldumisele kottide poolt, milles need asuvad. Selliste näidete arvu võib jätkata.
Liikumisorganite tööpindade jaoks on oluline hõõrdumine. Liikumise vajalik tingimus on liikuva keha ja "toe" vaheline usaldusväärne "sidestus". Haardumine saavutatakse kas jäsemetel olevate punktide (küünised, kabja teravad servad, hobuseraua naelu) või väikeste ebatasasuste, näiteks harjaste, soomuste, mugulate jms abil. Märkimisväärne hõõrdumine on vajalik ka organite haaramiseks. Nende kuju on huvitav: need on kas tangid, põnevad
objekt kahelt küljelt või kiud, mis seda ümbritsevad (võimalusel mitu korda). Käsi ühendab tangide tegevuse ja täieliku katte igast küljest; peopesa pehme nahk kleepub hästi kinni hoidmist vajavate esemete kareduse külge.
Paljudel taimedel ja loomadel on haaramiseks erinevad organid (taimede antennid, elevandi tüvi, ronivate loomade visad sabad jne). Kõik need on kerimiseks mugava kujuga ja kareda pinnaga hõõrdeteguri suurendamiseks (joon. 1).
Elusorganismide seas on levinud kohandused (vill, harjased, soomused, pinna suhtes kaldu paiknevad naelu), mille tõttu on hõõrdumine ühes suunas liikudes väike ja vastassuunas liikudes suur. Vihmaussi liikumine põhineb sellel põhimõttel. Tahapoole suunatud harjased läbivad vabalt ussi keha edasi, kuid pärsivad vastupidist liikumist. Keha pikendamisel liigub peaosa ettepoole, samas kui sabaosa jääb paigale, kokku tõmbudes jääb peaosa pikale ja sabaosa tõmmatakse selle juurde.
Samuti on paljudel veelindudel täheldatav takistuse muutumine eri suundades liikumisel. Näiteks pardide või hanede jalgadel olevaid ujumismembraane kasutatakse nagu aerusid. Jala tagasi nihutamisel riisub part sirgendatud membraaniga vett ja edasi liikudes liigutab part sõrmi - vastupanu väheneb, mille tulemusena part liigub edasi.
Parimad ujujad on kalad ja delfiinid. Paljude kalade kiirus ulatub kümnete kilomeetriteni tunnis, näiteks sinihai kiirus on umbes 36 km/h. Kalad võivad sellist kiirust arendada tänu voolujoonelisele kehakujule, pea konfiguratsioonile, mis põhjustab madalat takistust1.
1 Kala keha voolujoonelisest kujust tingitud takistuse vähenemist saab illustreerida täidetud ahvenal, haugil; saate näidata ka tabelit "Hai" A. A. Jakhontovi sarjast "Loomade maailm".
Spetsialistide huvi äratas delfiinide võime suurel kiirusel ilma suurema pingutuseta vees liikuda (laeva vööri lähedal 55–60 km/h, vabalt ujudes – 30–40 km/h). Märgiti, et liikuva delfiini ümber toimub vaid kerge juga (laminaarne) liikumine, mis ei muutu keeristeks (turbulentseks).
Uuringud on näidanud, et delfiinide "turbulentsivastase võitluse" saladus
tema naha sisse peidetud. See koosneb kahest kihist – välimisest ülielastsest 1,5 mm paksusest ja sisemisest tihedast 4 mm paksusest kihist.
Nende kihtide vahel on väljakasvud ehk naelu. Allpool on tihedalt kootud kiud, mille vaheline ruum on mitu sentimeetrit täidetud rasvaga.
See nahk toimib suurepärase summutajana. Lisaks on delfiini nahal pidevalt õhuke kiht spetsiaalset "määrdeainet", mida toodavad spetsiaalsed näärmed. See vähendab hõõrdejõudu.
Alates 1960. aastast on toodetud kunstlikke summutavaid katteid, mis on oma omadustelt sarnased “delfiininahaga”. Ja juba esimesed katsed torpeedo ja sellise nahaga kaetud paadiga kinnitasid võimalust vähendada veekindlust 40–60%.
Teatavasti liiguvad kalad parvedes. Väikesed merekalad kõnnivad parves, kujult sarnaselt tilgale, samas kui vee vastupidavus parve liikumisele on kõige väiksem.
Paljud linnud kogunevad pikamaalendude ajal ketti või kooli. Viimasel juhul lendab tugevam lind ette, keha lõikab läbi õhu nagu laeva kiil veest läbi. Ülejäänud linnud lendavad nii, et koolkonna terav nurk säiliks; nad hoiavad instinktiivselt juhtlinnu suhtes õiget asendit, kuna see vastab minimaalsetele vastupanujõududele.
lennu planeerimine. Liuglendu täheldatakse üsna sageli nii taime- kui loomariigis. Paljud puuviljad ja seemned on varustatud kas karvakimpudega (võilill, puuvill jne), mis toimivad nagu langevarjud, või toetavad tasapinnad protsesside ja eendite kujul (okaspuud, vaher, kask, pärn ja paljud vihmavarjud). Mõned puuviljad ja seemned, mis on varustatud "plaanidega" on näidatud joonisel 2, a.
Taimepurilennukid on paljuski veelgi arenenumad kui inimtekkelised. Nad tõstavad oma kaaluga võrreldes palju suuremat koormust, lisaks on nad stabiilsemad.
Huvitav on lendoravate, koloopterlaste ja nahkhiirte keha ehitus (joonis 2b). Nad kasutavad oma membraane suurte hüpete tegemiseks. Seega võivad lendoravad hüpata ühe puu ladvast kuni 20-30 m kaugusele teise puu alumiste oksteni.

Vedelike ja gaaside rõhk
Atmosfäärirõhu roll elusorganismide elus.
Inimkehale, mille pind massiga 60 kg ja kõrgusega 160 cm on ligikaudu 1,6 m2, mõjub atmosfäärirõhu mõjul jõud 160 tuhat n. Kuidas keha nii tohutule koormusele vastu peab?
See saavutatakse tänu sellele, et keha veresooni täitvate vedelike rõhk tasakaalustab välist rõhku.
Selle probleemiga on tihedalt seotud võimalus viibida vee all suurel sügavusel. Fakt on see, et keha üleviimine teisele kõrgmäestiku tasemele põhjustab selle funktsioonide lagunemise. See on ühelt poolt tingitud anumate seinte deformatsioonist, mis on ette nähtud teatud rõhu jaoks seest ja väljast. Lisaks muutub rõhu muutumisel ka paljude keemiliste reaktsioonide kiirus, mille tulemusena muutub ka keha keemiline tasakaal. Rõhu tõusuga suureneb gaaside neeldumine kehavedelike poolt ja rõhu langusega lahustunud gaaside vabanemine. Kui rõhk kiirelt langeb gaaside intensiivsest vabanemisest, siis veri keeb justkui, mis põhjustab veresoonte ummistumist, mis on sageli surmav. See määrab sukeldumise maksimaalse sügavuse (reeglina mitte alla 50 m). Tuukrite langetamine ja tõstmine peab olema väga aeglane, et gaaside eraldumine toimuks ainult kopsudes, mitte kohe kogu vereringesüsteemis.
Huvitav on edasi analüüsida lähemalt atmosfäärirõhu mõjul toimivate elundite tööpõhimõtet.
Atmosfäärirõhu mõjul toimivate elundite töö. imemismehhanism. Lihaspingutus (keele-, suulaelihaste jne kokkutõmbumine) tekitab suuõõnes alarõhu (haruldamine) ja atmosfäärirõhk surub osa vedelikust sinna.
Erinevat tüüpi iminappade toimemehhanism. Imejad on kas poolkerakujulise kleepuvate servade ja kõrgelt arenenud lihastega kausi kujulised (servad surutakse saagi vastu, siis suureneb imemise maht; näiteks võivad olla kaanid ja peajalgsed) või koosnevad kaanest. naha sidurite rida kitsaste taskute kujul. Servad kantakse pinnale, millest kinni hoida; kui proovite iminappa tõmmata, suureneb taskute sügavus, rõhk neis väheneb ja atmosfäärirõhk (veeloomadel veesurve) surub iminappa tugevamini pinnale. Näiteks kleepuval kalal ehk remoral on imi, mis võtab enda alla peaaegu kogu pea pikkuse. See kala kleepub teiste kalade, kivide, aga ka paatide ja laevade külge. See kleepub nii kindlalt, et seda on lihtsam murda kui lahti haakida, tänu millele võib see toimida omamoodi õngekonksuna.
Joonisel 3 on kujutatud nupp – kahest pikimast püüniskalmaari kombitsast ühe ots, mis on tihedalt istmetud erinevas suuruses imikutega.
Sarnaselt on paigutatud sea-paelussi imed, mille abil see paeluss kinnitub inimese soolestiku seina külge.
Nende imede ehitust saab näidata märjal paelussipreparaadil, mis on saadaval bioloogiakabinetis.
Kõndimine kleepuval pinnasel. Atmosfäärirõhu mõju on väga märgatav viskoossel pinnasel kõndimisel (soo imemisefekt). Kui jalg on üles tõstetud, moodustub selle alla haruldane ruum; liigne väline surve ei lase jalal tõusta. Täiskasvanu jalale avaldatav survejõud Joon. 3.
võib ulatuda 1000 k. See on eriti ilmne, kui kõndida hobust, kelle kõva kabja toimib nagu kolb.
Sissehingamise ja väljahingamise mehhanism. Kopsud asuvad rinnus ja on sellest ja diafragmast eraldatud õhukindla õõnsusega, mida nimetatakse pleuraõõndeks. Rindkere mahu suurenemisega suureneb pleuraõõne maht ja õhurõhk selles väheneb ja vastupidi. Kuna kopsud* on elastsed, reguleerib rõhku nendes ainult rõhk pleuraõõnes. Sissehingamisel suureneb rindkere maht, mille tõttu rõhk pleuraõõnes väheneb (joon. 4.6); see põhjustab kopsumahu suurenemist peaaegu 1000 ml võrra. Samal ajal muutub rõhk neis atmosfäärist madalamaks ja õhk tormab hingamisteede kaudu kopsudesse. Väljahingamisel rindkere maht väheneb (joon. 4c), mille tõttu suureneb rõhk pleuraõõnes, mis põhjustab kopsumahu vähenemist. Õhurõhk neis muutub atmosfäärirõhust kõrgemaks ja õhk kopsudest tormab keskkonda.
Tavalise vaikse hingamise korral hingatakse sisse umbes 500 ml õhku, sama palju hingatakse välja ka tavalisel väljahingamisel ning kopsude õhu kogumaht on umbes 7 l.
1 Sissehingamise – väljahingamise mehhanismi selgitamiseks võib kasutada bioloogiakabinetis saadaolevat rinnaõõne näidisskeemi. Siin saab demonstreerida veespiromeetrit, mis mõõdab kopsude elutähtsust. Seda teemat uurides saab näidata ka Leningradi õppefilmistuudio 1964. aastal välja antud filmi "Hingamisorganite ehitus ja funktsioonid".
Süda on pump.
Süda on hämmastav pump, mis töötab lakkamatult kogu inimese elu.
See pumpab 0,1 liitrit verd 1 sekundiga, 6 liitrit minutis, 360 liitrit 1 tunniga, 8640 liitrit ühe päevaga, üle 3 miljoni liitri aastas ja umbes 220 miljonit 70 eluaastaga. , l.
Kui süda ei pumpaks verd läbi suletud süsteemi, vaid pumpaks selle mingisse reservuaari, siis oleks võimalik täita 100 m pikkuse (PC) m laiuse ja 22 m sügavusega bassein.
Pahukala olelusvõitluses. Huvitav on gaasiseaduste "rakendamine" omamoodi kala - paiskala - elus. Ta elab India ookeanis ja Vahemeres. Tema keha on tihedalt täpiline arvukate naelu - muudetud soomustega; puhkeolekus on nad enam-vähem keha lähedal. Ohu tekkides tormab paiskala kohe veepinnale ja neelates õhku soolestikku, muutub paisunud palliks; naelu tõusevad ja paistavad igas suunas välja (joon. 5). Kala hoiab end veepinna lähedal, kaldub kõhuga ümber ja osa kehast ulatub vee kohal. Selles asendis on paiskala kaitstud röövloomade eest nii alt kui ka ülalt. Kui oht on möödas, eraldab paiskala õhku ja tema keha omandab kõikehõlmava kuju.
Hüdrostaatilised seadmed eluslooduses. Looduses leidub uudishimulikke eesnäärmeaparaate. Näiteks perekonna nautilused peajalgsed elavad kestades, mis on eraldatud vaheseintega eraldi kambritesse (joon. 6). Loom ise hõivab viimase kambri, ülejäänud aga täidetakse gaasiga. Põhja vajumiseks täidab mollusk kesta veega, see muutub raskeks ja vajub kergesti. Pinnale hõljumiseks pumpab nautilus gaasi kesta sektsioonidesse; gaas tõrjub vee välja ja kraanikauss lörtsib.
Vedelik ja gaas on kestas rõhu all, mistõttu ei purune pärlmuttermaja isegi 4 cm1 sügavusel.sada meetrit.
Huvitav liikumisviis meritähte, merisiilikuid, holotuuriaid, mis liiguvad hüdro-tüütiliste rõhkude erinevuse tõttu. Meritähe õhukesed, õõnsad ja elastsed jalad paisuvad liikudes. Dpnlsipem all olevad kered-pumbad pumpavad neisse vett. Vesi venitab neid, nad tõmbavad ette, kleepuvad kivide külge. Imetud jalad surutakse kokku ja tõmbavad meritähte ette, seejärel pumbatakse vesi teistesse jalgadesse ja sõidukid liiguvad edasi. Meretähtede keskmine kiirus on umbes 10 m/h. Kuid teisest küljest saavutatakse siin täielik liikumise summutus!

Archimedese jõud
Kala. Veekeskkonnas asustavate elusorganismide tihedus erineb väga vähe vee tihedusest, mistõttu nende kaalu tasakaalustab peaaegu täielikult Archimedese jõud. Tänu sellele ei vaja veeloomad nii massiivseid skelette kui maismaaloomad (joon. 7).
Huvitav on ujumispõie roll kaladel. See on kala ainus kehaosa, millel on märgatav kokkusurutavus; Pigistades mulli rinna- ja kõhulihaste jõupingutustega, muudab kala oma keha mahtu ja seeläbi ka keskmist tihedust, tänu millele saab teatud piirides reguleerida oma sukeldumise sügavust.
Veelinnud. Oluline tegur veelindude elus on paksu sulekihi ja vett läbi mitte laskva udusulgede olemasolu, mis sisaldavad olulisel määral õhku; selle kogu linnu keha ümbritseva omapärase õhumulli tõttu on selle keskmine tihedus väga madal. See seletab asjaolu, et pardid ja teised veelinnud ei upu ujudes kuigi palju.
Hõbedane ämblik. Füüsikaseaduste seisukohalt on hõbeämbliku olemasolu väga huvitav. Hõbeämblik korraldab oma eluruumi – veealuse kella – tugevast võrgust. Siin toob ämblik pinnalt õhumullid, mis jäävad kõhu õhukeste karvade vahele. Kellas kogub ta õhuvaru, mida aeg-ajalt täiendab; tänu sellele suudab ämblik olla pikka aega vee all.
Veetaimed. Paljud veetaimed hoiavad püstiasendit, hoolimata nende varte äärmisest painduvusest, sest nende okste otstesse on suletud suured õhumullid, mis täidavad ujukite rolli.
Vesikastan. Uudishimulik veetaim on chilim (water prex). Ta kasvab Volga tagaveekogudes, järvedes ja suudmealadel. Selle viljad (vesipähklid) ulatuvad 3 cm läbimõõduni ja sarnanevad mereankru kujuga mõne terava sarvega või ilma. See "ankur" aitab hoida noort idanevat taime sobivas kohas. Kui chilim tuhmub, hakkavad vee all moodustuma rasked viljad. Nad võiksid taime ära uputada, aga just sel ajal tekivad lehtede varrele tursed – omamoodi "päästevöö". See suurendab taimede veealuse osa mahtu; seega üleslükkejõud suureneb. Nii saavutatakse tasakaal vilja kaalu ja paisumisest tekkiva üleslükkejõu vahel.
Ujumissifonofoor. Zooloogid nimetavad sifonofoore sooleloomade erirühmaks. Nagu millimallikad, on nad vabalt ujuvad mereloomad. Erinevalt esimesest moodustavad nad aga keerulisi kolooniaid, millel on väga väljendunud polümorfism*. Päris koloonia tipus on tavaliselt isend, kelle abil hoitakse kogu kolooniat veesambas ja liigub – see on gaasi sisaldav mull. Gaasi toodavad spetsiaalsed näärmed. See mull ulatub mõnikord 30 cm pikkuseks.
Selle jaotise rikkalik biofüüsikaline materjal võimaldab kuuenda klassi õpilastega tunde läbi viia mitmekülgselt ja huvitavalt.
Kirjeldagem näiteks vestlust teema “Archimedese jõud” uurimise käigus. Õpilased tunnevad kalade eluolu, veetaimede omadusi. Nad on end juba üleslükkejõu toimega kurssi viinud. Järk-järgult viime nad arusaamiseni Archimedese seaduse rollist kõigi veekeskkonnas elavate olendite jaoks. Vestlust alustame küsimustega: miks on kalal nõrgem luustik kui maal elavatel olenditel? Miks vetikad ei vaja kõvasid varsi? Miks hukkub luhtunud vaal oma raskuse all? Sellised ebatavalised küsimused füüsikatunnis üllatavad õpilasi. Nad on huvitatud. Jätkame vestlust ja tuletame poistele meelde, et seltsimehe toetamiseks tuleb vees palju vähem jõudu rakendada kui kaldal (õhus). Kõiki neid fakte kokku võttes, suunates õpilasi nende õigele tõlgendusele, toome lapsed kaugeleulatuva üldistuseni füüsikalise teguri (ujukusjõud, mis osutub veekeskkonnas palju suuremaks kui õhus) mõju kohta. veeloomade ja -taimede arengust ja struktuurilistest iseärasustest.

Newtoni seadused
Mõned inertsi ilmingud. Kaunviljade küpsed kaunad, mis avanevad kiiresti, kirjeldavad kaarte. Sel ajal liiguvad seemned, mis eralduvad kinnituskohtadest, inertsi mõjul tangentsiaalselt külgedele. See seemnete levitamise meetod on taimeriigis üsna levinud.
Atlandi ookeani ja India ookeani troopilistes vööndites on sageli märgata nn lendkalade lendu, kes merekiskjate eest põgenedes hüppavad veest välja ja sooritavad soodsa tuulega liuglennu, läbides vahemaid kuni 200 - 300 m kõrgusel 5 - 7 m.õhk tänu sabauime kiirele ja tugevale vibratsioonile. Algul tormab kala mööda veepinda, seejärel tõstab tugev sabahoop ta õhku. Laiutatud pikad rinnauimed toetavad kala keha nagu purilennuk. Kalade lendu stabiliseerivad sabauimed; kalad liiguvad ainult inertsist.
Ujumine ja Newtoni kolmas seadus. On hästi näha, et liikumise käigus suruvad kalad ja kaanid vett tagasi, ise aga edasi. Ujuv leev ajab vett tagasi keha laineliste liigutustega, ujuv kala aga sabalainega. Seega võib kalade ja kaanide liikumine olla näide Newtoni kolmandast seadusest.
Lend ja Newtoni kolmas seadus. Putukate lend põhineb tiibade lehvitamisel (flapping flight). Lennujuhtimine saavutatakse peaaegu eranditult tiibade abil. Muutes tiibade lehvitamise tasapinna suunda, muudavad putukad liikumissuunda: ette, taha, ühes kohas lendamine, pööramine jne. Ühed lennukamad putukad on kärbsed. Omi teeb sageli järske pöördeid küljele. See saavutatakse ühe kehapoole tiibade järsu väljalülitamisega - nende liikumine peatub hetkeks, samal ajal kui teise kehapoole tiivad jätkavad võnkumist, mis põhjustab pöörde esialgsest lennusuunast küljele. .
Liblikate-brazh-nnkp ja hobukärbeste lennukiirus on suurim - 14–15 m / s. Kiilid lendavad kiirusega 10 m / s, sõnnikumardikad - kuni 7 m / s, mesilased - kuni 6 - 7 m / s. Putukate lennukiirus on lindudega võrreldes aeglane. Kui aga arvutada välja suhteline kiirus (kiirus, millega kimalane, kõrkja, kuldnokk ja lennuk liiguvad läbi tema enda keha pikkusega võrdse vahemaa), siis selgub, et see on väikseim lennuk ja kõige rohkem putukate jaoks.
Hans Leonardo da Vinci uuris lindude lendu, otsides võimalusi lennukite pöörlemiseks. II huvitas lindude lend. V. Žukovski, kes töötas välja aerodünaamika põhialused. Nüüd tõmbab iseehitajate tähelepanu taas lehvitamise põhimõte
Reaktiivmootor eluslooduses. Mõned loomad liiguvad reaktiivjõu põhimõttel, näiteks kalmaarid, kaheksajalad (joon. 8), seepia. Korpuse klappe järsult pigistav meremollusk-I rsbshok võib kesta paisatud veejoa reaktsioonijõu tõttu tõmblustega edasi liikuda. Ligikaudu sama käik ja veel mõned molluskid. Dragonfly vastsed tõmbavad vett tagasoolde, viskavad selle seejärel välja ja hüppavad III kiiruse jõul edasi.
Kuna sellistel juhtudel eraldatakse amortisatsioonid üksteisest märkimisväärsete ajavahemike kaupa, siis suurt liikumiskiirust ei saavutata. Liikumiskiiruse ehk teisisõnu reaktiivimpulsside arvu ajaühikus suurendamiseks on vajalik närvide juhtivuse suurendamine, mis ergutavad reaktiivmootorit teenindavate lihaste kokkutõmbumist. Selline suur juhtivus on võimalik suure närvi läbimõõduga. Teadaolevalt on kalmaaridel loomariigi suurimad närvikiud. Nende läbimõõt ulatub 1 mm-ni – 50 korda suurem kui enamikul imetajatel – ja ergastus toimub kiirusega 25 m/sek. See seletab kalmaari suurt liikumiskiirust (kuni 70 km/h).
Kiirendused ja ülekoormused, millele elusolendid on võimelised vastu pidama. Newtoni seadusi uurides saab õpilastele tutvustada kiirendusi, millega inimene erinevates elusituatsioonides kokku puutub.
Kiirendused liftis Maksimaalne kiirendus (või aeglustus) liftikabiini liikumise ajal normaalse töö ajal ei tohiks ületada 2 m/s2 kõigi liftide puhul. Peatumisel "stopp" ei tohiks maksimaalne kiirenduse väärtus ületada 3 m/s2.
Kiirendus lennunduses. Kui keha kogeb kiirendust, öeldakse, et see on allutatud ülekoormusele. Ülekoormuste suurust iseloomustab liikumiskiirenduse a ja vabalangemise kiirenduse g suhe:
k = -. g
Langevarjuhüpetel tekivad suured kiirendused ja sellest tulenevalt ka ülekoormused.
Kui avate langevari 1000 m kõrgusel 15 sekundit pärast kukkumist, on ülekoormus umbes 6; langevarju avamine pärast sama viivitust 7000 m kõrgusel põhjustab ülekoormuse, mis on võrdne 12-ga; 11 000 m kõrgusel samadel tingimustel on ülekoormus peaaegu kolm korda suurem kui 1000 m kõrgusel.
Langevarjuga maandumisel tekivad ka ülekoormused, mis on mida väiksemad, seda pikem on pidurdusteekond. Seetõttu on pehmele pinnasele maandumisel g-jõud väiksem. Laskumiskiirusega 5 m/s ja selle tagasimaksmisega teel põlvede ja torso painutamise tõttu ca 0,5 m on ülekoormus ligikaudu 3,5.
Maksimaalseid, kuigi väga lühiajalisi kiirendusi kogeb inimene lennukist väljudes. Samal ajal on istme kabiinist väljumise kiirus ligikaudu 20 m/s, kiirendustee on -1 - 1,8 m Kiirenduse maksimaalne väärtus ulatub 180 - 190 m/s2, ülekoormus - 18 - 20.
Vaatamata suurele väärtusele ei ole selline ülekoormus siiski tervisele ohtlik, kuna mõjub lühiajaliselt, ligikaudu 0,1 sek.
Kiirenduste mõju elusorganismidele. Mõelge, kuidas kiirendused inimkehale mõjutavad. Närviimpulsid, mis annavad märku ivia ruumilisest liikumisest, sealhulgas peast, sisenevad spetsiaalsesse elundisse - vestibulaarsesse aparaati. Vestibulaaraparaat teavitab õmblusaju ka liikumiskiiruse muutumisest, seetõttu nimetatakse seda ka kiirendusmeele organiks. See piyarat asetatakse sisekõrva.
Inimese teadvuseni jõudvate vestibulaaraparaadi ärrituste läviväärtuste, samuti võrkkesta kiirendus erinevate liigutuste ajal on toodud tabelis 3.

Kergemini talutavad kiirendused, mis on suunatud seljalt rinnale, rinnalt selga ja ühelt küljelt teisele. Seetõttu on inimese sobiv kehahoiak väga oluline. Eelduseks on üldfüüsiline ettevalmistus, mis viib kogu keha lihaste hea arenguni.
Lisaks on vaja keha spetsiaalselt treenida, et suurendada vastupidavust kiirendustele. Selline koolitus viiakse läbi spetsiaalsetel lineaarsetel kiirenditel, tsentrifuugides ja muudel seadmetel.
Kasutatakse ka spetsiaalseid anti-g ülikondi, mille disain tagab siseorganite fikseerimise.
Siinkohal on huvitav meenutada, et K. E. Tsiolkovski tegi inimese kiirenduse vastupidavuse suurendamiseks ettepaneku asetada oma keha temaga sama tihedusega vedelikku. Tuleb märkida, et selline keha kaitsmine kiirenduste eest on looduses üsna laialt levinud. Nii on embrüo kaitstud munas, nii on loode kaitstud emakas. K. E. Tsiolkovski asetas kanamuna soolalahuse purki ja kukkus selle kõrgelt alla. Muna ei läinud katki.
Praegu on andmeid sarnaste katsete kohta kalade ja konnadega. Vette pandud kalad ja konnad pidasid vastu löögikiirendusele suurusjärgus 1000 g ja rohkem.
Mõõkkala amortisaator. Looduses on erinevaid kohanemisi, mis võimaldavad elusorganismidel kiirendusel ja aeglustusel tekkivaid ülekoormusi valutult taluda. On teada, et hüppe ajal tõuge pehmeneb, kui maandute poolkõverdatud jalgadele; amortisaatori rolli täidab selgroog, milles kõhrepadjad on omamoodi puhvrid.
Mõõkkalal on huvitav amortisaator. Mõõkkala on mereujujate seas tuntud rekordiomanikuna. Selle kiirus ulatub 80-90 km / h. Tema mõõk on võimeline läbistama laeva tammepuidust kere. Ta ei kannata sellist lööki. Selgub, et tema peas on mõõga põhjas hüdrauliline amortisaator - väikesed kärjekujulised õõnsused, mis on täidetud rasvaga. Nad pehmendavad lööki. Mõõkkala selgroolülidevahelised kõhrepadjad on väga paksud; nagu puhvrid vagunitel, vähendavad need tõukejõudu.
Lihtsad mehhanismid eluslooduses
Loomade ja inimeste skeletis on kõik luud, millel on teatav liikumisvabadus, hoovad, näiteks inimestel - jäsemete luud, alalõug, kolju (tugipunkt on esimene selgroolüli), luude falangid. sõrmed. Kassidel on liikuvad küünised hoovad; paljudel kaladel on seljauime ogad; lülijalgsetel enamik nende välise skeleti segmente; kahepoolmelistel molluskitel on kooreklapid.
Skeleti sidemed on tavaliselt loodud kiiruse suurendamiseks tugevuse vähenemisega. Eriti suure kiiruse kasvu saavutavad putukad.
Luustiku kangi elemendi käte pikkuse suhe sõltub tihedalt selle organi poolt täidetavatest elutähtsatest funktsioonidest. Näiteks hurda ja hirve pikad jalad määravad ära nende võime kiiresti joosta; muti lühikesed käpad on mõeldud suurte jõudude arendamiseks madalal kiirusel; hurta pikad lõuad võimaldavad jooksu ajal saagist kiiresti haarata ning buldogi lühikesed lõuad sulguvad aeglaselt, kuid tugevalt kinni (närimislihas kinnitub kihvade lähedale ja lihaste tugevus kandub üle kihvad peaaegu nõrgenemata).
Kangielemente leidub looma ja inimese erinevates kehaosades – need on näiteks jäsemed, lõuad.
Vaatleme kangi tasakaalutingimusi kolju näitel (joon. 9, a). Siin läbib kangi O pöörlemistelg esimese selgroolüliga kolju liigest. Tugipunkti ees suhteliselt lühikesel õlal mõjub pea raskusjõud, selle taga kuklaluule kinnitunud lihaste ja sidemete tõmbejõud F.
Teine näide kangi toimimisest on jalavõlvi mõju varvastele tõstmisel (joon. 9, b). Kangi tugi O, mille kaudu pöörlemistelg läbib, on pöialuude pead. Ületatud jõud R – kogu keha raskus – rakendatakse taluluule. Toimiv lihasjõud F, mis tõstab keha, kandub üle Achilleuse kõõluse kaudu ja rakendatakse lülisamba eendile.
Taimedel on kangielemendid vähem levinud, mis on seletatav taimeorganismi vähese liikuvusega. Tüüpiline kang on puutüvi ja peamine juur, mis moodustab selle jätku. Männi või tamme juurel, mis läheb sügavale maasse, on suur ümberminekukindlus (vastupanu õlg on suur), mistõttu männid ja tammed ei lähe peaaegu kunagi tagurpidi. Vastupidi, puhtalt pindmise juurestikuga kuused lähevad väga kergesti ümber.
Huvitavaid sidumismehhanisme võib leida nii mõnelgi õiel (näiteks salvei tolmukatel) ja ka mõnel rippviljadel.
Mõelge niidusalvei ehitusele (joon. 10). Piklik tolmuk toimib kangi pika õlana A. Selle lõpus on tolmukas. Kangi lühike õlg B kaitseb justkui lille sissepääsu. Kui putukas (kõige sagedamini kimalane) pugeb lille sisse, vajutab ta kangi lühikesele õlale. Samal ajal tabab pikk käsi kimalase selga tolmukaga ja jätab sellele õietolmu. Lennates teisele lillele, tolmeldab putukas selle selle õietolmuga.
Looduses on levinud painduvad elundid, mis võivad oma kumerust väga laias vahemikus muuta (selg, saba, sõrmed, madude keha ja paljud kalad). Nende paindlikkus on tingitud kas suure hulga lühikeste hoobade ja ühendussüsteemi kombinatsioonist,
või suhteliselt paindumatute elementide kombinatsioon kergesti deformeeruvate vaheelementidega (elevandi tüvi, rööviku keha jne). Teisel juhul saavutatakse paindekontroll pikisuunaliste või kaldu asetsevate varraste süsteemiga.
Paljude loomade "torkimisriistad" – küünised, sarved jne on kiilukujulised (modifitseeritud kaldtasapind); kiiresti liikuvate kalade pea terav kuju sarnaneb kiiluga. Paljud neist kiiludest on hambad, ogad (joon. 11) on väga sileda kõva pinnaga (minimaalne hõõrdumine), mistõttu on need väga teravad.

Deformatsioonid
Inimkeha kogeb üsna suurt mehaanilist koormust oma kaalust ja lihaste pingutustest, mis tekivad sünnitustegevuse ajal. inter-
Resno, et inimese eeskujul on võimalik jälgida igat tüüpi deformatsioone. Survepingeid kogevad lülisammas, alajäsemed ja jalalaba nahk. Pingutused - ülemised jäsemed, sidemed, kõõlused, lihased; painutamine - selg, vaagna luud, jäsemed; torsioon - pea pööramisel kael, pööramisel torso alaseljas, pöörlemisel käed jne.
Deformatsioonide ülesannete koostamiseks kasutasime tabelis 4 toodud andmeid.
Tabel näitab, et pinges oleva luu või kõõluse elastsusmoodul on väga suur ning lihaste, veenide ja arterite puhul väga väike.
Õlaluud hävitav ülim pinge on ca 8-107 N/m2, reieluud hävitav ülipinge on ca 13-107 N/m2. Sidekoed sidemetes, kopsudes jne on väga elastsed, näiteks kuklaliide võib venitada rohkem kui kaks korda.
Üksikutest varrastest (fermidest) või 120° nurga all koonduvatest plaatidest koosnevatel konstruktsioonidel on maksimaalne tugevus minimaalse materjalikuluga. Selliste struktuuride näiteks on kuusnurksed kärgstruktuuri rakud.
Väändetakistus suureneb paksuse kasvades väga kiiresti, seetõttu on väändeliigutuste tegemiseks mõeldud elundid tavaliselt pikad ja õhukesed (linnu kael, mao keha).
Läbipainde ajal venitatakse materjali piki selle kumerat külge ja surutakse piki selle nõgusat külge kokku; keskmised lõuad märgatava de-
koosseise ei testita. Seetõttu asendatakse tehnoloogias massiivsed vardad torudega, talad tehakse T-talad või I-talad; see säästab materjali ja vähendab seadmete kaalu. Teatavasti on kiirekasvuliste taimede - teraviljade (joon. 12), vihmavarjutaimede jt jäsemete ja varte luud toruja struktuuriga Päevalillel ja teistel taimedel on vars lahtise südamikuga. Teraviljade noored ebaküpsed lehed volditakse alati torusse.
T-talaga sarnaseid konstruktsioone leidub lindude rinnaku sees, paljude surfitsoonis elavate molluskite kestades jne. Tala on ülespoole kaardunud ja usaldusväärsete tugedega, mis ei lase selle otstel lahku liikuda (võlv) , omab suurt jõudu selle kumeral küljel (arhitektuursed kaared, tünnid; ja organismides - kolju, rind, munakoored, pähklid, mardikakoored, vähid, kilpkonnad jne).
Elusolendite langemine. Galileo Galilei kirjutas: "Kes ei teaks, et hobune, kukkudes kolme-nelja küünart kõrguselt, murrab jalad, samal ajal kui koer ei kannata ja kass jääb vigastamata, visates kaheksa kuni kümne küünart kõrguselt, täpselt nagu kriket , kes kukkus torni tipust või sipelgas, kes kukkus maapinnale vähemalt kuu sfäärist.
Miks jäävad kõrgelt maapinnale kukkunud väikesed putukad vigastamata, samas kui suured loomad surevad?
Looma luude ja kudede tugevus on võrdeline nende ristlõike pindalaga. Selle pindalaga on võrdeline ka hõõrdejõud õhu vastu kehade kukkumisel. Looma mass (ja kaal) on võrdeline tema mahuga. Kui keha suurus väheneb, väheneb selle maht palju kiiremini kui pind. Seega suureneb langeva looma suuruse vähenemisel tema pidurdusjõud õhu suhtes (massiühiku kohta) võrreldes suurema looma pidurdusjõuga massiühiku kohta. Seevastu väiksemal loomal suureneb luu- ja lihasjõud (ka massiühiku kohta).
Hobuse ja kassi kukkumise tugevuse võrdlemine pole täiesti õige, kuna neil on erinev kehaehitus, eriti erinevad lööke summutavad seadmed, mis löökide ajal lööke pehmendavad. Õigem oleks võrrelda tiigrit, ilvest ja kassi. Nende kasside seas oleks tugevaim kass!
"Ehitustehnika" eluslooduse maailmas. Pärast teema "Tahke keha" uurimist on kasulik rääkida analoogiatest "looduse ehitustehnikas" ja inimese loodud tehnikas.
Looduse ja inimeste ehituskunst areneb sama põhimõtte järgi – säästes materjale ja energiat.
Alates iidsetest aegadest on metsloomade erinevad kujundused üllatanud ja rõõmustavad. Ämblikuvõrgu tugevus ja elegants on hämmastavad, mesilaste eluruumi ehituskunst rõõmustab - nende kärgede range geomeetria, mis koosneb korrapärastest kuusnurksetest rakkudest. Sipelgate ja termiitide struktuurid on hämmastavad. Lubjarikaste korallide skelettide moodustatud korallisaared ja rifid on hämmastavad. Mõned merevetikad on kaetud õrna kujuga kõvade kestadega. Näiteks peridiiniad on riietatud veidratesse kestadesse, mille moodustavad eraldi kõvad kestad. Need on näidatud suure suurendusega joonisel 13.
Veelgi mitmekesisemad on mereradiolarid (kõige lihtsamad loomad), kelle pisikesed luustikud on kujutatud joonisel 14 (võrdluseks on lumehelbed toodud numbrite all - 3).
Viimasel ajal on ehitajate tähelepanu hõivanud taimemaailma näidised. K. A. Timirjazev kirjutas: "Tüve roll, nagu teada, on peamiselt arhitektuurne: see on kogu hoone kindel skelett, mis kannab lehtede telki ja mille paksuses on sarnaselt veetorudega mahla kandvad anumad. pandi ... Just varredele saime teada terve rea hämmastavaid fakte, mis tõestavad, et need on ehitatud kõigi ehituskunsti reeglite järgi.
Kui arvestada varre ja moodsa tehasekorstna ristlõikeid, siis on nende konstruktsioonide sarnasus silmatorkav. Toru eesmärk on tekitada tõmbejõudu ja eemaldada maapinnast eemale kahjulikud gaasid. Toitained tõusevad taime varre juurest üles. Nii toru kui ka vars on pideva sama tüüpi staatiliste ja dünaamiliste koormuste mõju all – omakaal, tuul jne. Need on nende konstruktsiooni sarnasuse põhjused. Mõlemad kujundused on õõnsad. Varre kiud, samuti toru pikisuunaline tugevdus, asuvad piki kogu ümbermõõdu perifeeriat. Mõlema konstruktsiooni seinte ääres on ovaalsed tühimikud. Spiraaltugevduse rolli varres täidab nahk.
Teatavasti paikneb luudes olev tahke materjal vastavalt põhipingete trajektooridele. Seda saab leida, kui arvestada inimese reieluu ülaosa pikisuunalist lõiget ja kõverat kraanatala, mis töötab painutamisel vertikaalse koormuse mõjul, mis on jaotatud ülemise pinna teatud alale. Huvitaval kombel meenutab terasest Eiffeli torn oma ehituselt inimese torukujulisi luid (reieluu või sääreluu). Sarnasus on nii konstruktsioonide välisvormides kui ka luu “talade” ja “talade” ning torni trakside vahelistes nurkades.
Kaasaegset arhitektuuri ja ehitustehnoloogiat iseloomustab tähelepanu eluslooduse parimatele "näidetele". Kaasaegsed nõuded on ju tugevus ja kergus, mida saab hõlpsasti rahuldada terase, raudbetooni, alumiiniumi, armeeritud tsemendi ja plasti kasutamisega ehituses. Laialdaselt kasutatakse ruumilisi võresüsteeme. Nende prototüübid on puu tüve või tüve "skeletid", mis on moodustatud ülejäänud taimsest materjalist vastupidavamast koest, mis täidab bioloogilisi ja isoleerivaid funktsioone. See on puu lehtede veenide süsteem ja juurekarvade võre. Sellised konstruktsioonid meenutavad korve, lambivarju traatkarkassi, rõdu kõverat võre jne. Itaalia insener P. Nervi kasutas Torino näitusesaali kattes puulehe struktuuri põhimõtet, tänu mille kerge ja õhuke konstruktsioon ulatub ilma tugedeta 98-meetrisele ulatusele. Meie raamatu kaanel on kujutatud seda tüüpi ehitist, mis näeb välja nagu kest või ümberpööratud lilletops.
Iseloomulik on pneumaatiliste struktuuride kasutamine, mis on üsna kooskõlas looduslike vormidega: viljade kuju, õhumullid, veresooned, taimelehed jne.
Ehitusmaterjalide tugevdamiseks on füüsikakeemikud pöördunud kõige väiksemate struktuuride uurimise poole ja arendavad nüüd tehnoloogiat paljudest peentest kiududest, kiledest ja teradest koosnevate ülitugevate materjalide tootmiseks vastavalt looduse soovitatud põhimõtetele. Tugevate konstruktsioonide saamiseks ei piisa aga ehitusmaterjalide tugevdamisest. On teada, et luustruktuurid ületavad mõnikord paljude näitajate poolest terasest, kuid see juhtub terasest madalama tugevusega luumaterjali "jaotumise" tõttu.
Seda või teist struktuuri luues lahendab loodus palju probleeme – võtab arvesse vajalikku vastupidavust välistele mehaanilistele mõjudele ning keskkonna füüsikalistele ja keemilistele mõjudele, varustab taimi vee, õhu, päikesega. Kõik need
ülesandeid lahendatakse kompleksselt, kõik allub ühisele ülesandele, organismi üldisele elurütmile. Taimedes ei näe te vabalt hõljuvaid veekapillaare, nagu inimstruktuurides. Lisaks vee ühtlase ja pideva liikumise ülesandele täidavad nad ka mehaanilist funktsiooni, seistes vastu keskkonna välistele mehaanilistele mõjudele.
Ja kui kujutate ette konstruktiivse materjali enda uuenemise võimalust selle toimimise ajal, mis on omane elusloodusele! Ilmselt võib taimede ja loomade sisekudede uurimisel leida kaitset kahjulike keemiliste mõjude, madalate ja kõrgete temperatuuride eest.
Bioonikaga relvastatud ehituskunst loob konstruktsioonide ja hoonete maailma, mis on loomulikum ja täiuslikum, kui see, millega oleme harjunud.

Inimese poolt välja töötatud jõud
Teemat “Töö ja võim” läbides on huvitav anda infot selle jõu kohta, mida inimene on võimeline arendama.
Arvatakse, et normaalsetes töötingimustes võib inimene arendada võimsust umbes 70–80 vatti (ehk ligikaudu 0,1 hj). Lühiajaline võimsuse suurendamine mitu korda on aga võimalik.
Seega suudab 750 k kaaluv inimene 1 sekundiga hüpata 1 m kõrgusele, mis vastab 750 vattisele võimsusele. Kiire tõusuga, näiteks 7 astmega, millest igaüks on umbes 0,15 m kõrge, areneb 1 sekundi jooksul umbes 1 liitrine võimsus. Koos. või 735 vatti.
Hiljuti testis olümpiarattur Brian Jolly 5 minutit 480 vatti, mis on peaaegu 2/3 hj. Koos.
Inimese jaoks on võimalik hetkeline ehk plahvatuslik energia vabanemine, eriti spordialadel nagu kuulitõuge või kõrgushüpe. Vaatlused on näidanud, et mõlema jalaga samaaegse tõrjumisega kõrgushüpetel areneb mõnel mehel keskmine võimsus 0,1 sekundi jooksul umbes 5,2 liitrit. s., ja naised - 3,5 a. Koos.

Seadmed tõstejõu muutmiseks
Huvitavat teavet haide ja tuurade keha ehituse kohta saab esitada seoses lennukitiiva tõstejõu probleemi uurimisega. On teada, et lennuki maandumisel, kui selle kiirus ja sellest tulenevalt ka tõstejõud on väike, on tõstejõu suurendamiseks vaja lisaseadmeid. Sel eesmärgil kasutatakse spetsiaalseid kilpe -
tiiva alumisel pinnal asuvad klapid, mis suurendavad selle profiili kumerust. Maandumisel nad kummardavad.
Luukalad (sealhulgas valdav enamus tänapäevaseid kalu) reguleerivad oma keskmist tihedust ja vastavalt ka sukeldumissügavust ujupõie abil. Kõhrekaladel selline kohanemine puudub. Nende tõstejõud muutub profiili muutumise tõttu, nagu näiteks lennukitel, muudavad haid (kõhrelised kalad) oma tõstejõudu rinna- ja kõhuuimede abil.

Südame-kopsu masin (APC)
Mehaanikaõppe lõpetamisel on kasulik rääkida õpilastele südame-kopsu masina seadmest.
Südameoperatsioonide ajal on sageli vaja see ajutiselt vereringest välja lülitada ja kuiva südant opereerida.
Riis. viisteist.
Südame-kopsu masin koosneb kahest põhiosast: pumbasüsteemist ja oksügenaatorist. Pumbad täidavad südame funktsioone - säilitavad operatsiooni ajal survet ja vereringet keha veresoontes. Oksügenaator täidab kopsude funktsioone ja tagab vere hapnikuga küllastumise.
Seadme lihtsustatud skeem on näidatud joonisel 15. Kolbpumpasid 18 käitab elektrimootor 20 läbi regulaatori 19 \, mis määrab pumba kolbide rütmi ja käigu. Õliga täidetud torude kaudu kantakse rõhk edasi pumpadele 4 ja 9, mis kummimembraanide ja klappide abil loovad vajaliku vaakumi füsioloogilise üksuse venoosses osas (pump 4) ja kompressiooni arteriaalses osas (pump 9). seadmest. Füsioloogiline plokk koosneb vereringesüsteemist, mis polüetüleenkateetrite abil suhtleb suurte veresoontega nende südamest väljumise kohas ja oksügenaatorist.
Veri imetakse läbi õhulõksu 1, elektromagnetilise klambri 2, aatriumi funktsioone täitva võrdsuskambri 3 ja süstitakse pumba 4 abil oksügenaatori ülemisse kambrisse 5. Siin jaotub veri ühtlaselt üle verevahu samba, mis täidab selle keskkambri 6. Tegemist on nailonvõrgust silindriga, mille põhjas on hapnikujaotur 7. Hapnik siseneb kambrisse ühtlaselt läbi 30 ava. kambri põhja moodustatud õhukiht. Mullide kogupind vahtkolonnis on ligikaudu 5000 cm2 (veremahuga 150 - 250 cm3). Oksügenaatoris küllastub veri hapnikuga, eraldab süsinikdioksiidi ümbritsevasse atmosfääri ja voolab alumisse kambrisse 8, kust see pumba 9, klambri 10 ja õhulõksu 11 kaudu siseneb keha arteriaalsesse süsteemi. Hapnik siseneb oksügenaatorisse läbi gaasimõõturi 17 ja niisutaja 16. Hapniku ülemises osas on vahueemaldi 12 ja gaasi väljalaskeava. Varuvere või vereasendusvedelikuga anum 15 suhtleb oksügenaatoriga läbi klambri 14. Verevoolu oksügenaatorist reguleerib ujuk 13, mis on induktiivselt ühendatud väljaspool asuva mähisega, mis juhib seadme elektromagnetiliste klambrite aktiveerimist.

Küsimused ja ülesanded

Elusobjektidega seotud probleemide lahendamisel tuleb olla väga tähelepanelik, et vältida bioloogiliste protsesside ekslikku tõlgendamist.
Mõelge mitmele õpilastele pakutud probleemi lahendamisele.

Ülesanne 1. Kuidas selgitada füüsikaliste esituste abil, et tormis murdub kuusk koos juurega kergesti välja, männil aga murdub kiiremini tüvi?
Enne otsustamist tutvusime nende puude omadustega.
“Oma juurtega, pinnapealselt laiutades, suudab ta (kuusk. - Ts.K.) tihedalt kive punuda, mistõttu on tal ka väga õhukese mullakihiga mägedes vajalik stabiilsus, aga kuna ta seda ei tee, nagu mänd, vertikaalselt juurest maha jättes, siis tasandikel tõmbab torm koos juurega kergesti välja ka eraldi kuuse. Puu võra moodustab tohutu püramiidi."
«Metsas kasvav mänd moodustab kõrge sammaskujulise tüve ja väikese püramiidse võra. Vastupidi, puhtalt avatud kasvukohas kasvades jõuab ta vaid väikese kasvuni, kuid tema võra kasvab laialt.
Seejärel arutati õpilastega võimalust rakendada ülesande lahendamisel hetkereeglit.
Oleme huvitatud ainult probleemi kvalitatiivse külje analüüsimisest. Lisaks huvitab meid mõlema puu võrdleva käitumise küsimus. Koormuse rolli meie probleemis mängib tuulejõud FB. Võrale mõjuva tuule jõule saab liita tüvele mõjuva tuule jõu ja isegi eeldada, et mõlemale puule mõjuvad tuule jõud on samad. Siis ilmselt peaks edasine arutlus olema "järgmine. Männi juurestik läheb sügavamale maasse kui kuusel. Tänu sellele on männi maas hoidva jõu õlg suurem kui kuusel ( Joon. 16). Seetõttu kulub kuuse juurelt üles keeramiseks vähem tuulemomenti kui männile ja männi väljajuurimiseks kulub rohkem tuulemomenti kui selle murdmiseks. juuritakse välja sagedamini kui mänd ja mänd murdub sagedamini kui kuusk.

KOHETS FRAGMEHTA RAAMATUD

Inimfunktsioonide tundmine on üks raskemaid ülesandeid. Teaduse areng esimestes etappides toimub - distsipliinide diferentseerumine, mille eesmärk on teatud probleemide sügav uurimine. Esimeses etapis püüame teada teatud osa ja kui see õnnestub, tekib teine ​​ülesanne - kuidas teha üldine idee. Algsete erialade ristumiskohas on teadusdistsipliinid. See kehtib ka biofüüsika kohta, mis tekkis füsioloogia, füüsika, füüsikalise keemia ristumiskohas ja avas uusi võimalusi bioloogiliste protsesside mõistmisel.

Biofüüsika- teadus, mis uurib füüsikalisi ja füüsikalis-keemilisi protsesse elusaine erinevatel tasanditel (molekulaarne, rakuline, organ, tervikorganism), samuti füüsikaliste keskkonnategurite elusainele mõjumise mustreid ja mehhanisme.

eralda-

• molekulaarne biofüüsika - protsesside kineetika ja termodünaamika
• raku biofüüsika - raku struktuuri ja füüsikalis-keemiliste ilmingute uurimine - läbilaskvus, biopotentsiaalide kujunemine
• meeleorganite biofüüsika - vastuvõtu füüsikalised ja keemilised mehhanismid, energia muundamine, informatsiooni kodeerimine retseptorites.
• Keeruliste süsteemide biofüüsika - regulatsiooni- ja iseregulatsiooniprotsessid ning nende protsesside termodünaamilised omadused
• Välistegurite mõju biofüüsika – uurib ioniseeriva kiirguse, ultraheli, vibratsiooni, valguse mõju kehale

Biofüüsika ülesanded

1. Looge loodusliku looduse mustreid, uurides kehas esinevaid füüsikalisi ja keemilisi nähtusi
2. Füüsikaliste tegurite kehale mõjutavate mehhanismide uurimine

Euler (1707-1783) - hüdrodünaamika teooria seadused, mis selgitavad vere liikumist läbi veresoonte

Lavoisier (1780) - uuris energiavahetust kehas

Galvani (1786) - biopotentsiaalide, loomade elektri doktriini rajaja

Helmholtz (1821)

Röntgen - püüdis seletada lihaste kokkutõmbumise mehhanisme piesoefektide positsioonist

Arrhenius – klassikalise kineetika seadused bioloogiliste protsesside selgitamiseks

Lomonosov - energia jäävuse ja muundamise seadus

Sechenov - uuris gaasi transporti veres

Lazarev - riikliku biofüüsikalise kooli asutaja

Pauling – valgu ruumilise struktuuri avastamine

Watson ja Crick – DNA topeltstruktuuri avastamine

Hodgkin, Huxley, Katz – bioelektriliste nähtuste ioonse olemuse avastamine

Prigogine – pöördumatute protsesside termodünaamika teooria

Eigen - hüpertsüklite teooria kui evolutsiooni alus

Sakman, Neher – tegi kindlaks ioonikanalite molekulaarstruktuuri

Biofüüsika sai seoses meditsiini arenguga, sest. seal kasutati keha füüsilise mõjutamise meetodeid.

Bioloogia arenes ja oli vaja tungida molekulaarsel tasandil toimuvate bioloogiliste protsesside saladustesse

Vajadus tööstuse järele, mille areng tõi kaasa erinevate füüsiliste tegurite mõju kehale – radioaktiivne kiirgus, vibratsioon, kaaluta olek, ülekoormused

Biofüüsikaliste uuringute meetodid

• Röntgendifraktsioonianalüüs- aine aatomistruktuuri uurimine, kasutades röntgendifraktsiooni. Aine elektrontiheduse jaotus tehakse kindlaks difraktsioonimustri järgi ja juba selle järgi saab määrata, millised aatomid aines sisalduvad ja kuidas need paiknevad. Kristallstruktuuride, vedelike ja valgumolekulide uurimine.
• Kolonnkromatograafia- segude erinev jaotus ja analüüs kahe faasi vahel - liikuv ja statsionaarne. See võib olla seotud aine erineva neeldumisastmega või erineva ioonivahetuse astmega. Võib olla gaas või vedelik. Ainete jaotust kasutatakse kapillaarides - kapillaarides või sorbendiga täidetud torudes - kolonn. Saab teha paberile, taldrikutele
• Spektraalanalüüs- aine kvalitatiivne ja kvantitatiivne määramine optiliste spektrite abil. Aine määratakse kas emissioonispektri – emissioonispektri analüüsi või neeldumisspektri – neeldumise järgi. Ainesisalduse määrab spektri joonte suhteline või absoluutne paksus. Siia kuuluvad ka radiospektroskoopia – elektronide paramagnetresonants ja tuumamagnetresonants.
• Isotoopide näidustus
• elektronmikroskoopia
• ultraviolett mikroskoopia- bioloogiliste objektide uurimine UV-kiirtes suurendab pildi kontrastsust, eriti rakusiseseid struktuure, ning võimaldab uurida teisi rakke ilma eelneva värvimise ja preparaadi fikseerimiseta

Üks olulisemaid eksisteerimise tingimusi on funktsioonide, elundite ja kudede, süsteemide adekvaatne kohanemine keskkonnaga. Toimub pidev organismi ja keskkonna tasakaalustamine. Nendes protsessides on põhiprotsess füsioloogiliste funktsioonide reguleerimine ja kontroll.

Üldisi seaduspärasusi info rakendamiseks, haldamiseks ja töötlemiseks erinevates süsteemides uurib küberneetikateadus (küberneetika on juhtimise kunst) Juhtimise seadused on ühised nii inimestele kui tehnilistele seadmetele. Küberneetika tekkimist valmistas ette automaatjuhtimise teooria areng, raadioelektroonika areng ja infoteooria loomine.

Seda tööd tutvustas Shannon (1948) raamatus "Suhtlemise matemaatiline teooria"

Küberneetika tegeleb mis tahes laadi süsteemide uurimisega, mis on võimelised informatsiooni vastu võtma, salvestama ja töötlema ning kasutama seda juhtimiseks ja reguleerimiseks. Küberneetika uurib neid signaale ja tegureid, mis viivad teatud juhtimisprotsessideni.

See on meditsiini jaoks väga oluline. Bioloogiliste protsesside analüüs võimaldab kvalitatiivselt ja kvantitatiivselt uurida regulatsioonimehhanisme. Organismis on määravad juhtimise ja reguleerimise infoprotsessid, s.t. on esmased, mille alusel toimuvad kõik protsessid.

Süsteemid- organiseeritud elementide kompleks, mis on omavahel ühendatud ja täidavad teatud funktsioone vastavalt kogu süsteemi programmile. Aju elemendid on neuronid. Meeskonna elemendid on inimesed, kes selle moodustavad. Ainult rahvahulk ei ole küberneetiline süsteem.

Programm- süsteemi muutuste jada ruumis ja ajas, mida saab lülitada süsteemi struktuuri või siseneda sellesse väljastpoolt.

Ühendus- elementide omavahelise interaktsiooni protsess, milles toimub aine, energia, teabe vahetus.

Sõnumid on pidevad ja diskreetsed.

Pidev on pidevalt muutuva väärtusega (vererõhk, temperatuur, lihaspinged, muusikalised meloodiad).

Diskreetne- koosnevad eraldi astmetest või astmetest, mis erinevad üksteisest (mediaatorite osad, DNA lämmastikalus, Morse koodi punktid ja kriipsud)

Oluline on ka teabe kodeerimise protsess. See on kodeeritud närviimpulsside poolt närvikeskuste teabe tajumiseks. Koodielemendid - sümbolid ja positsioonid. Sümbolid on mõõtmeteta suurused, mis eristavad midagi (tähestiku tähed, matemaatilised märgid, närviimpulsid, lõhnaainete molekulid ja asendid määravad sümbolite ruumilise ja ajalise paigutuse).

Teabekood sisaldab sama teavet, mis algne teade. See on isomorfismi nähtus. Koodisignaalil on väga madal energiaväärtus. Teabe saabumist hinnatakse signaali olemasolu või puudumise järgi.

Sõnum ja info ei ole sama asi, sest infoteooria järgi

Teave- pärast teate saamist kõrvaldatud määramatuse mõõt.

Ürituse võimalus a priori teave.

Sündmuse tõenäosus pärast teabe saamist on a posteriori teave.

Sõnumi informatiivsus on suurem, kui saadud teave suurendab posterioorset tõenäosust.

Teabe omadused.

1. Teave on mõttekas ainult siis, kui on olemas selle vastuvõtjad (tarbija) - "kui ruumis on televiisor ja selles pole kedagi"
2. Signaali olemasolu ei tähenda tingimata teabe edastamist, sest on sõnumeid, mis ei kanna tarbija jaoks midagi uut.
3. Infot saab edastada nii teadvuse kui ka alateadvuse tasandil.
4. Kui sündmus on usaldusväärne (st selle tõenäosus on P=1), ei kanna teade, et see juhtus, tarbija jaoks mingit teavet
5. Teade sündmuse kohta, mille tõenäosus on P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Desinformatsioon- teabe negatiivne väärtus.

Sündmuste ebakindluse mõõt - entroopia(H)

Kui log2 N=1, siis N=2

Teabeühik - natuke(kahekordne teabeühik)

H = lg N (Hartley)

1 hartley on teabe hulk, mis on vajalik kümnest võrdsest võimalusest ühe valimiseks. 1 hartley = 3,3 bitti

Regulaator saab töötada kompenseerimisel, kui mõju kehale on regulaatori kompenseeriv tegevus, mis viib funktsiooni normaliseerumiseni.

Juhtimine on suunatud füsioloogiliste funktsioonide käivitamisele, nende korrigeerimisele ja protsesside koordineerimisele.

Kõige iidsem on humoraalne reguleerimismehhanism.

närvimehhanism.

neurohumoraalne mehhanism.

Regulatiivsete mehhanismide areng toob kaasa asjaolu, et loomad on erinevalt taimedest liikumisvõimelised ja võivad lahkuda ebasoodsast keskkonnast.

Eelposti mehhanism (inimestel) - konditsioneeritud reflekside kujul. Signaalstiimulite puhul saame rakendada meetmeid keskkonna mõjutamiseks.

Biofüüsika (bioloogiline füüsika) - Teadus elusaine organiseerituse erinevatel tasanditel – molekulaarsel, rakulisel, organismil ja populatsioonil – toimuvate bioloogiliste protsesside aluseks olevate kõige lihtsamate ja fundamentaalsete vastastikmõjude kohta.

Sissejuhatus

Biofüüsika teoreetilised konstruktsioonid ja mudelid põhinevad energia, jõu, vastastikmõju tüüpide, füüsikalise ja formaalse kineetika, termodünaamika ja teabeteooria üldmõistetel. Need mõisted peegeldavad aine põhiliste vastasmõjude ja liikumisseaduste olemust, mis, nagu teate, on füüsika – fundamentaalse loodusteaduse – teema. Biofüüsika kui bioloogiateadus keskendub bioloogilistele protsessidele ja nähtustele. Kaasaegse biofüüsika põhisuund on tungimine kõige sügavamatele, elementaarsetele tasanditele, mis moodustavad elava struktuurilise korralduse aluse.

Biofüüsika kujunemine ja areng on tihedalt seotud kaasaegse bioloogia, füüsika, keemia ja matemaatika ideede, teoreetiliste käsitluste ja meetodite intensiivse läbipõimumisega.

IUPAB-i poolt vastu võetud kaasaegne biofüüsika klassifikatsioon

Rahvusvahelise Puhta ja Rakendusliku Biofüüsika Liidu (1961) poolt vastu võetud klassifikatsioon, mis kajastab biofüüsikaliste uuringute valdkonna peamisi bioloogilisi objekte, sisaldab järgmisi jaotisi: molekulaarne biofüüsika, mille ülesandeks on uurida biofüüsikaliste ainete füüsikalisi ja füüsikalis-keemilisi omadusi. makromolekulid ja molekulaarsed kompleksid; raku biofüüsika, mis uurib raku elutegevuse füüsikalis-keemilisi aluseid, membraanide ja rakuorganellide molekulaarstruktuuri ja nende funktsioonide vahelisi seoseid, rakuprotsesside koordinatsioonimustreid, nende mehaanilisi ja elektrilisi omadusi, rakuprotsesside energiat ja termodünaamikat; komplekssete süsteemide biofüüsika, mis hõlmab üksikuid organelle, terveid organisme ja populatsioone; juhtimis- ja reguleerimisprotsesside biofüüsika, mis tegeleb bioloogiliste süsteemide juhtimispõhimõtete uurimise ja modelleerimisega. Samuti on osad biofüüsikast: biopolümeeride struktuur (valgud, DNA, lipiidid), biomehaanika, bioloogiline optika, biomagnetism, bioloogiline termodünaamika. Biofüüsika hõlmab ka teadusvaldkondi, mis uurivad erinevate füüsikaliste tegurite (valgus, ioniseeriv kiirgus, elektromagnetväljad jne) mõjumehhanisme bioloogilistele süsteemidele.

Füüsika ja matemaatika põhimõtete bioloogiasse tungimise ajalugu

Bioloogiliste objektide füüsikaliste omaduste uurimise algust seostatakse mehaanikale aluse pannud G. Galileo ja R. Descartes’i (17. sajand) töödega, mille põhimõtetel tehti esimesi katseid selgitada mõningaid. eluprotsessid. Näiteks Descartes uskus, et inimkeha on nagu keeruline masin, mis koosneb samadest elementidest nagu anorgaanilised kehad. Itaalia füüsik G. Borelli rakendas mehaanika põhimõtteid loomade liikumise mehhanismide kirjeldamisel. 1628. aastal kirjeldas W. Harvey hüdraulika seaduste alusel vereringe mehhanismi. 18. sajandil avastused füüsika vallas ja selle matemaatilise aparaadi täiustamine omasid suurt tähtsust elusorganismides toimuvate füüsikalis-keemiliste protsesside mõistmisel. Füüsikaliste lähenemiste kasutamine andis tõuke eksperimentaalsete meetodite ja täppisteaduste ideede juurutamiseks bioloogiasse. L. Euler kirjeldas matemaatiliselt vere liikumist läbi veresoonte. M.V. Lomonosov tegi maitse ja visuaalsete aistingute olemuse kohta mitmeid üldisi hinnanguid, esitas ühe esimesi värvinägemise teooriaid. A. Lavoisier ja P. Laplace näitasid anorgaaniliste ja orgaaniliste kehade keemiaseaduste ühtsust, kinnitades, et hingamisprotsess sarnaneb aeglasele põlemisele ja on elusorganismide soojusallikaks. Loominguline arutelu A. Voltai ja L. Galvani vahel viimase poolt "elava elektri" avastamise probleemist moodustas elektrofüsioloogia aluse ja mängis olulist rolli elektri uurimisel üldiselt.

Biofüüsika areng 19. sajandil - 20. sajandi alguses

19. sajandil bioloogia arenguga kaasnes teadmiste rikastamine bioloogiliste struktuuride ja protsesside füüsikalis-keemiliste omaduste kohta. Suur tähtsus oli S. Arrheniuse elektrolüütilise lahendusteooria loomine, V. Nernsti bioelektriliste nähtuste ioonilise teooria loomine. Saadi põhiideed aktsioonipotentsiaalide olemuse ja rolli kohta ergastuse tekkimise ja levimise mehhanismis piki närvi ( G. Helmholtz, E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Saksamaa); osmootsete ja elektriliste nähtuste tähtsus rakkude ja kudede elus selgus tänu J. Loebi (USA), W. Nernsti ja R. Gerberi (Saksamaa) töödele. Kõik see võimaldas Dubois-Reymondil järeldada, et organismide materiaalsetes osakestes ei leidu uusi jõude, mis ei saaks tegutseda väljaspool neid. Selline põhimõtteline seisukoht tegi lõpu eluprotsesside selgitamisele mingite eriliste "elusfaktorite, mis ei allu füüsilistele mõõtmistele" tegevusega.

Koduteadlased on andnud olulise panuse biofüüsika arengusse. NEED. Sechenov uuris gaaside lahustumise mustreid veres, liigutuste biomehaanikat. Närvikudede ergastamise kondensaatoriteooria, mis põhineb ioonide ebavõrdsel liikuvusel, pakkus välja V.Yu. Chagovets. K.A. Timiryazev määras kindlaks päikesespektri üksikute osade fotosünteesi aktiivsuse, luues kvantitatiivsed mustrid, mis seostavad fotosünteesi protsessi kiirust ja valguse neeldumist klorofülli poolt erineva spektraalse koostisega lehtedes. Füüsika ja füüsikalise keemia ideid ja meetodeid kasutati liikumise, kuulmis- ja nägemisorganite, fotosünteesi, närvis ja lihastes elektromotoorjõu tekkemehhanismi, ioonse keskkonna tähtsuse rakkude elutegevuses uurimisel. ja koed. Aastatel 1905-15. N.K. Koltsov uuris füüsikalis-keemiliste tegurite (pindpinevus, vesinikioonide kontsentratsioon, katioonid) rolli raku elus. P.P. Lazarevile omistatakse ergastuse iooniteooria (1916) väljatöötamine ja fotokeemiliste reaktsioonide kineetika uurimine. Ta lõi esimese Nõukogude biofüüsikute koolkonna, ühendas enda ümber suure rühma silmapaistvaid teadlasi (nende hulka kuulusid S. I. Vavilov, S. V. Kravkov, V. V. Šuleikin, S. V. Derjagin jt). 1919. aastal asutas ta Moskvas Tervishoiu Rahvakomissariaadi Bioloogilise Füüsika Instituudi, kus tegeleti ergastuse iooniteooria, valguse toimel toimuvate reaktsioonide kineetika, neeldumis- ja fluorestsentsspektrite uurimisega. bioloogiliste objektide, samuti erinevate keskkonnategurite esmase mõju protsessid. Raamatud V.I. Vernadski (“Biosfäär”, 1926), E.S. Bauer ("Teoreetiline bioloogia", 1935), D.L. Rubinshtein ("Bioloogia füüsikalis-keemilised alused", 1932), N.K. Koltsov ("Raku korraldus", 1936), D.N. Nasonov ja V.Ya. Aleksandrova (“Elusaine reaktsioon välismõjudele”, 1940) jne.

20. sajandi teisel poolel olid biofüüsika edusammud otseselt seotud füüsika ja keemia edusammudega, uurimismeetodite ja teoreetiliste käsitluste arendamise ja täiustamisega ning elektrooniliste arvutite kasutamisega. Biofüüsika arenguga on bioloogiasse tunginud sellised täpsed eksperimentaalsed uurimismeetodid nagu spektraal-, isotoop-, difraktsioon ja radiospektroskoopia. Aatomienergia laiaulatuslik areng tekitas huvi radiobioloogia ja kiirgusbiofüüsika valdkonna uuringute vastu.

Biofüüsika algse arenguperioodi peamiseks tulemuseks on järeldus füüsika kui fundamentaalse loodusteaduse põhiseaduste fundamentaalsest kohaldatavusest bioloogia valdkonnas aine liikumisseaduste kohta. Suure üldmetodoloogilise tähtsusega bioloogia erinevate valdkondade arengus on sel perioodil saadud energia jäävuse seaduse tõestused (termodünaamika esimene seadus), keemilise kineetika põhimõtete kinnitamine dünaamilise käitumise aluseks. bioloogiliste süsteemide kontseptsioon, avatud süsteemide kontseptsioon ja termodünaamika teine ​​seadus bioloogilistes süsteemides ning lõpuks järeldus selle kohta, et puuduvad spetsiaalsed "elusad" energiavormid. Kõik see mõjutas suuresti bioloogia arengut, koos biokeemia edusammude ja biopolümeeride struktuuri uurimise edusammudega aitas kaasa bioloogiateaduse juhtiva kaasaegse suuna - füüsikalise ja keemilise bioloogia - kujunemisele, milles biofüüsikal on oluline roll. koht.

Kaasaegse biofüüsika peamised uurimissuunad ja saavutused

Kaasaegses biofüüsikas on biofüüsika teemaks kaks peamist valdkonda - teoreetiline biofüüsika lahendab bioloogiliste süsteemide termodünaamika, bioloogiliste protsesside dünaamilise organiseerimise ja reguleerimise üldprobleeme, arvestab makromolekulide ja nende komplekside struktuuri, stabiilsust ja molekulisisest dünaamilist liikuvust määravate interaktsioonide füüsikalist olemust, nendes energia muundumise mehhanisme; ja spetsiifiliste bioloogiliste protsesside biofüüsika ( raku biofüüsika), mille analüüs viiakse läbi üldteoreetiliste kontseptsioonide alusel. Biofüüsika arengu peamine suundumus on seotud tungimisega molekulaarsetesse mehhanismidesse, mis on bioloogiliste nähtuste aluseks erinevatel elukorraldustasanditel.

Biofüüsika praeguses arengujärgus on toimunud põhimõttelised nihked, mis on seotud eelkõige komplekssüsteemide biofüüsika ja molekulaarse biofüüsika teoreetiliste osade kiire arenguga. Just nendes valdkondades, käsitledes bioloogiliste süsteemide dünaamilise käitumise seaduspärasusi ja molekulaarsete vastastikmõjude mehhanisme biostruktuurides, on saadud üldisi tulemusi, millele tuginedes on biofüüsika kujundanud oma teoreetilise baasi. Teoreetilised mudelid, mis on välja töötatud sellistes osades nagu kineetika, termodünaamika, bioloogiliste süsteemide reguleerimise teooria, biopolümeeride struktuur ja nende elektroonilised konformatsioonilised omadused, on biofüüsikas aluseks konkreetsete bioloogiliste protsesside analüüsimisel. Selliste mudelite loomine on vajalik molekulaarsel ja rakutasandil toimuvate fundamentaalsete bioloogiliselt oluliste interaktsioonide üldpõhimõtete väljaselgitamiseks, nende olemuse paljastamiseks vastavalt kaasaegse füüsika ja keemia seadustele, kasutades matemaatika uusimaid edusamme ning nende põhjal väljatöötamiseks. sellest esialgsest üldistatud mõistest, mis on kirjeldatud bioloogiliste nähtustega adekvaatne.

Kõige olulisem omadus on see, et biofüüsika mudelite konstrueerimine eeldab sarnaste täppisteaduste ideede sellist modifitseerimist, mis on samaväärne uute kontseptsioonide väljatöötamisega nendes teadustes, mida rakendatakse bioloogiliste protsesside analüüsimisel. Bioloogilised süsteemid ise on teabeallikaks, mis stimuleerib teatud füüsika, keemia ja matemaatika valdkondade arengut.

Keemiliste süsteemide biofüüsika valdkonnas on keemilise kineetika põhimõtete kasutamine metaboolsete protsesside analüüsimisel avanud laiad võimalused nende matemaatiliseks modelleerimiseks tavaliste diferentsiaalvõrrandite abil. Selles etapis saadi palju olulisi tulemusi, peamiselt füsioloogiliste ja biokeemiliste protsesside, rakkude kasvudünaamika ja populatsiooni suuruse modelleerimise valdkonnas ökoloogilistes süsteemides. Keeruliste bioloogiliste protsesside matemaatilise modelleerimise väljatöötamisel oli põhimõttelise tähtsusega tagasilükkamine ideest vastavate võrrandite täpsete analüütiliste lahendite kohustuslikust leidmisest ja kvalitatiivsete meetodite kasutamine diferentsiaalvõrrandite analüüsimiseks, mis võimaldavad paljastada bioloogiliste süsteemide üldised dünaamilised omadused. Need omadused hõlmavad statsionaarsete olekute omadusi, nende arvu, stabiilsust, võimalust ühelt režiimilt teisele lülituda, isevõnkuvate režiimide olemasolu ja dünaamiliste režiimide kaootilisust.

Selle põhjal töötati välja ideed aegade hierarhia ning "minimaalsete" ja adekvaatsete mudelite kohta, mis peegeldavad üsna täielikult objekti põhiomadusi. Samuti töötati välja süsteemide dünaamilise käitumise parameetriline analüüs, sealhulgas analüüsiti põhimudeleid, mis kajastavad teatud aspekte bioloogiliste süsteemide iseorganiseerumisest ajas ja ruumis. Lisaks muutub üha olulisemaks tõenäosusmudelite kasutamine, mis peegeldavad stohhastiliste tegurite mõju bioloogiliste süsteemide deterministlikele protsessidele. Süsteemi dünaamilise käitumise bifurkatsioonisõltuvus parameetrite kriitilistest väärtustest peegeldab dünaamilise teabe tekkimist süsteemis, mis realiseerub töörežiimi muutumisel.

Biofüüsika üldbioloogilise tähtsusega saavutused hõlmavad organismide ja rakkude kui avatud süsteemide termodünaamiliste omaduste mõistmist, termodünaamika 2. seaduse alusel avatud süsteemi stabiilsesse olekusse arenemise kriteeriumide sõnastamist. ( I. Prigogine); võnkeprotsesside mehhanismide avalikustamine populatsioonide tasandil, ensümaatilised reaktsioonid. Tuginedes autolaineprotsesside teooriale aktiivkeskkonnas, luuakse tingimused dissipatiivsete struktuuride spontaanseks ilmnemiseks homogeensetes avatud süsteemides. Selle põhjal ehitatakse mudelid morfogeneesi protsessidest, bakterikultuuride kasvu ajal korrapäraste struktuuride moodustumisest, närviimpulsi levimisest ja närvivõrgustikes närvilisest ergutusest. Teoreetilise biofüüsika arenev valdkond on bioloogilise informatsiooni päritolu ja olemuse ning selle seose entroopiaga, kaose tingimuste ja fraktaalsarnaste struktuuride tekke uurimine keerulistes bioloogilistes süsteemides.

Üldiselt on ühtse molekulaar-kineetilise kirjelduse väljatöötamine biofüüsikas pakiline probleem, mis eeldab esmaste põhikontseptsioonide väljatöötamist. Seega ei kehti pöördumatute protsesside termodünaamika valdkonnas mis tahes komponendi kogukontsentratsioonist sõltuva keemilise potentsiaali mõiste ja rangelt võttes entroopia mõiste heterogeensete süsteemide puhul, mis on tasakaalust kaugel. Aktiivsetes makromolekulaarsetes kompleksides sõltuvad molekulisisesed transformatsioonid peamiselt nende organisatsiooni olemusest, mitte üksikute koostisosade kogukontsentratsioonist. See nõuab uute kriteeriumide väljatöötamist heterogeensete mittetasakaaluliste süsteemide pöördumatute protsesside stabiilsuse ja suuna jaoks.

Molekulaarbiofüüsikas lähtutakse spetsiifiliste bioloogiliste protsesside uurimisel biopolümeeride (valkude ja nukleiinhapete) füüsikalis-keemiliste omaduste, nende struktuuri, isekoostumismehhanismide, molekulisisese liikuvuse jms uuringute andmetel. Biofüüsikas on suur tähtsus kaasaegsete katsemeetodite, eelkõige raadiospektroskoopia (NMR, EPR), spektrofotomeetria, röntgendifraktsioonanalüüsi, elektrontunnelmikroskoopia, aatomjõumikroskoopia, laserspektroskoopia, erinevate elektromeetriliste meetodite, sh mikroelektrooditehnoloogia kasutamine. Need võimaldavad saada teavet molekulaarsete transformatsioonide mehhanismide kohta ilma bioloogiliste objektide terviklikkust rikkumata. Praeguseks on kindlaks tehtud umbes 1000 valgu struktuur. Ensüümide ruumilise struktuuri ja nende aktiivse tsentri dešifreerimine võimaldab mõista ensümaatilise katalüüsi molekulaarsete mehhanismide olemust ja kavandada selle põhjal uute ravimite loomist. Bioloogiliselt aktiivsete ainete, sealhulgas ravimite sihipärase sünteesi võimalused põhinevad ka fundamentaalsetel uuringutel molekulaarse liikuvuse ja selliste molekulide bioloogilise aktiivsuse vahelise seose kohta.

Teoreetilise molekulaarbiofüüsika valdkonnas ideid selle kohta elektrooniline-konformatsiooniline interaktsioon - EKV(M.V. Wolkenstein), valgu stohhastilised omadused ( KOHTA. Ptitsyn) moodustavad aluse biomakromolekulide toimimispõhimõtete mõistmiseks. Bioloogiliste mustrite spetsiifilisus, mis avaldub täielikult arenenud bioloogilise süsteemi organiseerituse kõrgeimal tasemel, avaldub sellegipoolest juba elavate inimeste madalamatel molekulaarsetel tasanditel. Energia muundamine ja reaktsioonisaaduste ilmumine kompleksidesse saavutatakse makromolekuli üksikute osade molekulisisese interaktsiooni tulemusena. Sellest lähtuvad loogiliselt ideed makromolekuli kui füüsilise objekti ainulaadsusest, mis ühendab statistiliste ja mehaaniliste vabadusastmete interaktsiooni. Need on ideed makromolekulidest, peamiselt valkudest, kui teatud tüüpi molekulaarmasinatest ( L.A. Blumenfeld, D.S. Tšernavski) võimaldavad selgitada erinevat tüüpi energia muundumist interaktsiooni tulemusena ühes makromolekulis. Biofüüsikalise analüüsimeetodi viljakus ja üldiste füüsikalise interaktsiooni mudelite konstrueerimine väljendub selles, et EQI põhimõte võimaldab vaadelda oma bioloogiliselt rollilt üksteisest näiliselt kaugete molekulaarmasinate toimimist ühtsest üldteaduslikust. positsioon - näiteks fotosünteesi ja nägemise primaarsetes protsessides osalevad molekulaarsed kompleksid, ensümaatiliste reaktsioonide ensüüm-substraadi kompleksid, ATP süntetaasi molekulaarsed mehhanismid, samuti ioonide ülekandmine läbi bioloogiliste membraanide.

Biofüüsika uurib omadusi bioloogilised membraanid, nende molekulaarne ülesehitus, valgu- ja lipiidikomponentide konformatsiooniline liikuvus, vastupidavus temperatuurile, lipiidide peroksüdatsioon, läbilaskvus mitteelektrolüütidele ja erinevatele ioonidele, molekulaarstruktuur ja ioonikanalite funktsioneerimismehhanismid, rakkudevahelised interaktsioonid. Palju tähelepanu pööratakse energia muundamise mehhanismidele biostruktuurides (vt art. Bioenergetics), kus need on seotud elektronide ülekandega ja elektroonilise ergastuse energia muundamisega. Vabade radikaalide roll elussüsteemides ja nende tähtsus ioniseeriva kiirguse kahjustavas mõjus, aga ka mitmete muude patoloogiliste protsesside arengus. N.M. Emanuel, B.N. Tarusov). Üks biokeemiaga piirnevaid biofüüsika harusid on mehhanokeemia, mis uurib lihaste kokkutõmbumisega seotud keemilise ja mehaanilise energia vastastikuse muundamise mehhanisme, ripsmete ja viburite liikumist, organellide ja protoplasma liikumist rakkudes. Oluline koht on "kvant" biofüüsikal, mis uurib bioloogiliste struktuuride ja valguskvantidega interaktsiooni esmaseid protsesse (fotosüntees, nägemine, mõju nahale jne), bioluminestsentsi ja fototroopsete reaktsioonide mehhanisme, ultraviolettkiirguse toimet. ja nähtav valgus ( fotodünaamilised efektid) bioloogilistel objektidel. Tagasi 40ndatel. 20 tolli . A.N. Terenin paljastas kolmikolekute rolli fotokeemilistes ja mitmetes fotobioloogilistes protsessides. A.A. Krasnovski näitas valguse poolt ergastatud klorofülli võimet läbida redoks-transformatsioone, mis on fotosünteesi esmaste protsesside aluseks. Kaasaegsed laserspektroskoopia meetodid annavad otsest teavet vastavate fotoindutseeritud elektrooniliste üleminekute, aatomirühmade vibratsiooni kineetika kohta vahemikus 50-100 femtosekundit kuni 10 -12 -10 -6 s ja rohkemgi.

Biofüüsika ideid ja meetodeid ei kasutata laialdaselt mitte ainult bioloogiliste protsesside uurimisel makromolekulaarsel ja rakulisel tasandil, vaid need on eriti viimastel aastatel levinud ka eluslooduse populatsiooni ja ökosüsteemi tasanditel.

Biofüüsika edusamme kasutatakse laialdaselt meditsiinis ja ökoloogias. Meditsiiniline biofüüsika tegeleb patoloogiliste muutuste algstaadiumide tuvastamisega kehas (rakus) molekulaarsel tasemel. Haiguste varajane diagnoosimine põhineb spektraalmuutuste, luminestsentsi, haigusega kaasnevate vere- ja koeproovide elektrijuhtivuse registreerimisel (näiteks kemoluminestsentsi taseme järgi saab hinnata lipiidide peroksüdatsiooni olemust). analüüsib abiootiliste tegurite (temperatuur, valgus, elektromagnetväljad, inimtekkeline saaste jne) molekulaarseid toimemehhanisme organismide bioloogilistele struktuuridele, elujõulisusele ja stabiilsusele. Ökoloogilise biofüüsika tähtsaim ülesanne on ökosüsteemide seisundi hindamise ekspressmeetodite väljatöötamine. Selles vallas on üheks olulisemaks ülesandeks hinnata põhimõtteliselt uute materjalide – nanomaterjalide – toksilisust, aga ka nende koosmõju mehhanisme bioloogiliste süsteemidega.

Venemaal tehakse biofüüsikaalast uurimistööd mitmetes uurimisinstituutides ja ülikoolides. Üks juhtivaid kohti kuulub Puštšinos asuvale teaduskeskusele, kus 1962. aastal korraldati NSV Liidu Teaduste Akadeemia Bioloogilise Füüsika Instituut, mis hiljem jaotati Rakkude biofüüsika instituut RAS(direktor – Venemaa Teaduste Akadeemia korrespondentliige E.E. Fesenko) ja Teoreetilise ja Eksperimentaalse Biofüüsika Instituut RAS(Direktor – RAS-i korrespondentliige G.R. Ivanitski. Biofüüsika areneb aktiivselt Vene Föderatsiooni tervishoiuministeeriumi biofüüsika instituut, Molekulaarbioloogia Instituut RAS ja Valgu RAS-i instituut, Biofüüsika Instituut SB RAS(Direktor - Venemaa Teaduste Akadeemia korrespondentliige Degermedži A.G.), Moskva ülikoolides. Peterburis ja Voronežis, sisse, sisse jne.

Biofüüsikalise hariduse areng Venemaal

Paralleelselt teaduse arenguga toimus ka biofüüsika valdkonna spetsialistide koolitamise baasi moodustamine. Esimene NSVL biofüüsika osakonnas Moskva Riikliku Ülikooli bioloogia ja mullateaduse teaduskonnas organiseeriti 1953. aastal (B.N. Tarusov), 1959. aastal avati Moskva Riikliku Ülikooli füüsikateaduskonnas biofüüsika osakond (L.A. Blumenfeld). Mõlemad osakonnad ei ole mitte ainult hariduskeskused, mis koolitavad kvalifitseeritud biofüüsikuid, vaid ka suured uurimiskeskused. Seejärel korraldati biofüüsika osakonnad paljudes teistes riigi ülikoolides, sealhulgas Riiklik Ülikool "Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituut", sisse Riiklik tuumauuringute ülikool "MEPhI" samuti juhtivates meditsiiniülikoolides. Biofüüsika kursust õpetatakse kõigis riigi ülikoolides. Biofüüsikalisi uuringuid tehakse instituutides ja ülikoolides paljudes maailma riikides. Rahvusvahelised biofüüsika kongressid toimuvad regulaarselt iga 3 aasta järel. USA-s, Suurbritannias ja paljudes teistes riikides eksisteerivad biofüüsikute seltsid. Venemaal koordineerib teadustööd ja korraldab rahvusvahelisi suhteid Venemaa Teaduste Akadeemia biofüüsika teadusnõukogu. Biofüüsika osa on saadaval aadressil Moskva Looduseuurijate Selts.

Perioodiliste väljaannete hulgas, milles avaldatakse biofüüsikat käsitlevaid artikleid, on järgmised: "Biofüüsika" (M., 1956 -); "Molekulaarbioloogia" (M., 1967 -); "Radiobioloogia" (M., 1961 - praegu "Kiirgusbioloogia. Radioökoloogia"); "Bioloogilised membraanid" (M., 19 -). "Bioloogilise ja meditsiinilise füüsika edusammud" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N.Y. - Amst., 1947 -); "Biofüüsikaline ajakiri" (N.Y., I960 -); "Matemaatika biofüüsika bülletään" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. Aastatel 1955 - 1961 "Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); "Journal of Molecular Biology" (N.Y. - L., 1959 -); "Journal of Ultrastructure Research" (N.Y. - L., 1957 -) "Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry" (L., 1950 -) ; European Journal of Biophysics (); Teoreetilise Bioloogia Jurnal (1961).

Soovitatav lugemine

Blumenfeld L.A. Bioloogilise füüsika probleemid. M., 1977

Volkenstein M.V. Biofüüsika. M., 1981

M. Jackson. Molekulaarne ja rakuline biofüüsika. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Iseorganiseerumine mittetasakaalustruktuurides. per. inglise keelest. M., 1979;

Rubin A.B. Biofüüsika. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3. trükk)

A.V., Ptitsyn O.B. Valgu füüsika. M., 2002.

Föderaalne haridusagentuur

RIIKLIK HARIDUSASUTUS

KUTSEKÕRGHARIDUS

"IRKUTSKI RIIKLIK PEDAGOOGIAÜLIKOOL"

Füüsika osakond

Matemaatika-, füüsika- ja

informaatika

eriala "540200 - füüsiline

matemaatiline haridus"

füüsika profiil

Kehalise ja matemaatika bakalaureuse kvalifikatsioon

Korrespondentõppe vorm

KURSUSETÖÖ

Biofüüsika füüsikatundides 7-9 klassis

Lõpetanud: Rudykh Tatjana Valerievna

Teadusnõustaja: kandidaat

füüsikas ja matemaatikas Ljubuškina Ljudmila Mihhailovna

Kaitsmise kuupäev _________________________

Märgi ______________________________

Irkutsk 2009

Sissejuhatus 3

PEATÜKKma . BIOFÜÜSIKA TEKKIMINE

1.1. Teadlaste panus biofüüsika arengusse 5

1.2. Biofüüsika asutaja 10

1.3. Kvantteooria loomine 11

1.4. Rakendusbiofüüsika 14

1.5. Muutused biofüüsikas 16

1.6. Biofüüsika kui teoreetiline bioloogia 18

1.7. Biofüüsikalised uuringud füüsikas 21

1.8. Biofüüsikalised uuringud bioloogias 23

PEATÜKKII. BIOFÜÜSIKA FÜÜSIKATUNNIDES

2.1. Biofüüsika elemendid füüsikatundides 7-9 klassis 24

2.2. Biofüüsika rakendamine ainetundides põhikoolis 25

2.3. Välkturniir "Füüsika eluslooduses" 33

Järeldus 35

Viited 36

Sissejuhatus

Uuringu asjakohasus:

Maailmavaade on isiksuse struktuuri kõige olulisem komponent. See hõlmab üldistatud vaadete süsteemi maailma kohta, inimese koha kohta selles, aga ka vaadete, tõekspidamiste, ideaalide, põhimõtete süsteemi, mis vastavad teatud maailmavaatele. Maailmapildi kujunemise protsess toimub intensiivselt koolieas. Juba põhikoolis (7.-9. klass) peaksid õpilased mõistma, et füüsikaliste nähtuste ja seaduspärasuste õppimine aitab mõista ümbritsevat maailma.

Suurem osa uutest füüsikaõpikutest, eriti vanema astme põhi- ja erikoolide jaoks, ei aita aga kaasa õpitava materjali terviklikule tajumisele. Laste huvi selle teema vastu hääbub tasapisi. Seetõttu on keskkooli oluliseks ülesandeks luua õpilaste teadvuses üldpilt maailmast koos eluta ja elusa looduse ühtsuse ja omaduste mitmekesisusega. Maailmapildi terviklikkus saavutatakse koos teiste tehnikate ja interdistsiplinaarsete seostega.

Iga koolifüüsika kursuse teema sisaldab teaduslike teadmiste elemente, mis on olulised maailmavaate kujunemiseks ja õpitava distsipliini põhikontseptsioonide omastamiseks kooliõpilastele. Kuna loodusteaduslike distsipliinide sisu haridusstandardites ja -programmides ei ole jäigalt struktureeritud, ei ole sageli kooliõpilaste teadmised süstematiseeritud, formaalsed.

Uurimisprobleem seisneb vajaduses kujundada terviklik ettekujutus maailma füüsilisest pildist ning õpetatava distsipliini, füüsika õppematerjali asjakohase süstematiseerimise ja üldistamise puudumises.

Uuringu eesmärk: Jälgida loodusteaduste tsükli kahe õppeaine – füüsika ja bioloogia – lõimumist.

Õppeobjekt: Biofüüsika ja selle seos teiste õppeainetega.

Õppeaine: Biofüüsika füüsikatundides 7-9 klassispõhikool.

Püstitatud eesmärgi realiseerimine nõudis mitmete probleemide lahendamist konkreetsed ülesanded:

Uurida ja analüüsida uurimisteemalist õppe- ja metoodilist kirjandust.

Analüüsida erinevaid biofüüsikalisi nähtusi.

Valige katseülesanded, erinevat tüüpi ülesanded, mille lahendamine eeldab teadmisi nii füüsikast kui ka bioloogiast.

Uuringu praktiline tähtsus: töö tulemusi võib soovitada praktiliseks kasutamiseks õpetajad füüsika õpetamisel kõigis õppeasutustes.

Uurimuse loogika määras töö ülesehituse, mis koosnes sissejuhatusest, kahest peatükist, järeldusest, kirjanduse loetelust. Esimene peatükk on pühendatud õppekirjanduse analüüsile teemal "Biofüüsika ja selle seos teiste õppeainetega", teises vaadeldakse füüsika ja bioloogia seoseid konkreetsete ülesannete näitel.

Kokkuvõttes võetakse kokku uuringu tulemused ja antakse soovitused biofüüsikaliste nähtuste rakendamise täiustamiseks koolifüüsika kursuse õppes.

Peatükk ma BIOFÜÜSIKA TEKKIMINE

1.1. Teadlaste panus biofüüsika arengusse.

Biofüüsika- loodusteaduste haru, mis käsitleb bioloogiliste süsteemide organiseerimise ja toimimise füüsikalisi ja füüsikalis-keemilisi põhimõtteid kõigil tasanditel (alamolekulaarsest biosfäärini), sealhulgas nende matemaatilist kirjeldamist. Biofüüsika käsitleb põhimõtteliselt elussüsteemide mehhanisme ja omadusi. Elamine on avatud süsteem, mis on võimeline ennast ülal pidama ja taastootma.

Biofüüsika kui multidistsiplinaarne teadus kujunes välja 20. sajandil, kuid selle eelajalugu ulatub enam kui ühe sajandi taha. Nagu teadused, mis viisid selle tekkeni (füüsika, bioloogia, meditsiin, keemia, matemaatika), tegid ka biofüüsika eelmise sajandi keskpaigaks läbi rea revolutsioonilisi muutusi. Teatavasti on füüsika, bioloogia, keemia ja meditsiin omavahel tihedalt seotud teadused, kuid oleme harjunud, et neid õpitakse eraldi ja iseseisvalt. Põhimõtteliselt on nende teaduste sõltumatu eraldi uurimine vale. Loodusteadlane võib elutule loodusele esitada ainult kaks küsimust: "Mida?" Ja kuidas?". "Mis" on uurimisobjekt, "kuidas" - kuidas see teema on paigutatud. Bioloogiline evolutsioon on muutnud eluslooduse ainulaadseks otstarbeks. Seetõttu võib bioloog, arst, humanist esitada ka kolmanda küsimuse: "Miks?" või "Mille jaoks?". Küsige "Miks Kuu?" võib-olla luuletaja, aga mitte teadlane.

Teadlased teadsid, kuidas esitada loodusele õigeid küsimusi. Nad andsid hindamatu panuse füüsika, bioloogia, keemia ja meditsiini arengusse – teadustesse, mis koos matemaatikaga moodustasid biofüüsika.

Alates ajast Aristoteles (384–322 eKr) füüsika hõlmas kogu teavet elutu ja elava looduse kohta (kreeka keelest. "Physis" - "Loodus"). Looduse sammud tema arvates: anorgaaniline maailm, taimed, loomad, inimene. Aine esmased omadused on kaks vastandipaari "soe - külm", "kuiv - märg". Elementide põhielemendid on maa, õhk, vesi, tuli. Kõrgeim, täiuslikum element on eeter. Elemendid ise on mitmesugused esmaste omaduste kombinatsioonid: külma ja kuiva kombinatsioon vastab maale, külmale märjale - veele, soojale märjale - õhule, soojale kuivale - tulele. Eetri kontseptsioon oli hiljem paljude füüsikaliste ja bioloogiliste teooriate aluseks. Tänapäeva mõistes põhinevad Aristotelese ideed looduslike tegurite liitmise (sünergismi) mitteliitumisel ja looduslike süsteemide hierarhial.

Täppisloodusteadusena, tänapäeva mõistes teadusena pärineb füüsika Galileo Galilei (1564–1642), kes õppis algul Pisa ülikoolis arstiteadust ja alles siis hakkas huvi tundma geomeetria, mehaanika ja astronoomia vastu, kirjutised Archimedes (umbes 287–212 eKr) ja Eukleides (3. sajand eKr).

Ülikoolid pakuvad ainulaadset võimalust kogeda teaduste, eelkõige füüsika, meditsiini ja bioloogia ajalist seost. Nii et 16-18 sajandil oli meditsiini suund, mida nimetati "iatrofüüsikaks" või "iatromehaanikaks" (kreeka keelest "iatros" - "arst"). Arstid püüdsid füüsika või keemia seaduste alusel selgitada kõiki nähtusi terve ja haige inimese ja looma kehas. Ja siis ja järgnevatel aegadel oli seos füüsika ja meditsiini, füüsikute ja bioloogide vahel kõige tihedam, pärast iatrofüüsikat tekkis iatrokeemia. Teaduse "elus ja elutu" jagunemine toimus suhteliselt hiljuti. Füüsika osalemine oma võimsate ja sügavalt arenenud teoreetiliste, eksperimentaalsete ja metodoloogiliste lähenemistega bioloogia ja meditsiini fundamentaalsete probleemide lahendamisel on vaieldamatu, kuid tuleb tunnistada, et füüsika ajaloolises aspektis on ta suures võlgnevuses arstidele, kes. olid oma aja haritumad inimesed ja kelle panus klassikalise füüsika aluste loomisel on hindamatu. Muidugi räägime klassikalisest füüsikast.

Vanimate biofüüsikaliste uuringute teemade hulgas, kui kummaline see esmapilgul ka ei tunduks, tuleb mainida bioluminestsentsi, kuna elusorganismide valguse kiirgamine on loodusfilosoofidele juba pikka aega huvi pakkunud. Esimest korda juhtis Aristoteles sellele efektile tähelepanu oma õpilase Aleksander Suurega, kellele ta näitas litoraali sära ja nägi selle põhjust mereorganismide luminestsentsis. Esimese teadusliku uuringu "loomade" sära kohta tegi Athanasis Kircher (1601–1680), saksa preester, entsüklopedist, tuntud kui geograaf, astronoom, matemaatik, keeleteadlane, muusik ja arst, esimeste loodusteaduslike kogude ja muuseumide looja, tema raamatu kaks peatükki "Suure valguse ja varju kunst" ("Ars magna Lucis et Umbrae ») ta pühendus bioluminestsentsile.

Tema teaduslike huvide olemuse järgi võib suurima füüsiku omistada biofüüsikutele Isaac Newton (1643–1727), kes tundis huvi organismides toimuvate füüsikaliste ja füsioloogiliste protsesside seose probleemide vastu ning tegeles eelkõige värvinägemise küsimustega. Newton kirjutas 1687. aastal oma Principiat lõpetades: "Nüüd tuleks lisada midagi väga õhukese eetri kohta, mis tungib läbi kõigisse tahketesse kehadesse ja sisaldub neis ning mille jõul ja tegevusel väga väikeste vahemaadega kehade osakesed üksteise külge tõmbavad, ja kui nad puutuvad kokku sidusalt, elektrifitseeritud kehad toimivad pikkade vahemaade tagant, nii tõrjudes kui ka ligi meelitades lähedasi kehasid, valgus kiirgab, peegeldub, murdub, kaldub kõrvale ja soojendab kehasid, iga tunne on erutatud, sundides loomade jäsemeid oma tahtmise järgi liikuma, olles edastatakse selle eetri vibratsiooniga välistest meeleorganitest ajju ja ajust lihastesse.

Üks kaasaegse prantsuse keemia rajajaid Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) koos oma kaasmaalasest astronoomi, matemaatiku ja füüsikuga Pierre Simon Laplace (1749–1827) tegeles kalorimeetriaga, biofüüsika haruga, mida nüüd kutsutaks biofüüsikaliseks termodünaamikaks. Lavoisier rakendas kvantitatiivseid meetodeid, käsitledes termokeemiat, oksüdatsiooniprotsesse. Lavoisier ja Laplace põhjendasid oma ideid, et anorgaaniliste ja orgaaniliste kehade jaoks pole olemas kahte keemiat - "elus" ja "eluta".

Meie suurte eelkäijate hulka, kes panid aluse biofüüsikale, tuleks omistada Itaalia anatoomile. Luigi Galvani(1737 - 1798) ja füüsika Alessandro Volta(1745 - 1827), elektriõpetuse loojad. Galvani katsetas elektrimasinat ja üks tema sõber puudutas kogemata noaga konna reit, mida kavatseti supis kasutada. Kui konna jalalihased äkitselt kokku tõmbusid, märkas Galvani naine, et elektrimasin vilgub, ja mõtles, "kas nende sündmuste vahel on seost". Kuigi Galvani enda arvamus selle nähtuse kohta erines üksikasjalikult järgnevast, on kindel, et katset korrati ja kontrolliti. , kes väitis, et jalg oli ainult selle välise elektripotentsiaali erinevuste detektor. Galvani toetajad viisid läbi katse, milles väliseid elektrilisi jõude ei osalenud, tõestades nii, et looma tekitatud vool võib põhjustada lihaste kokkutõmbumist. Kuid oli ka võimalik, et kokkutõmbumise põhjustas kokkupuude metallidega; Volta tegi vastavad uuringud ja need viisid tema avastamiseni elektripatareist, mis oli nii oluline, et Galvani uuringud jäid kõrvale. Selle tulemusel kadus loomade elektripotentsiaali uurimine teaduse tähelepanu alt kuni aastani 1827. Kuna konna jalg oli aastaid kõige tundlikum potentsiaali erinevuste detektor, siis lõplik arusaam, et eluskuded võivad voolu tekitada, saabus alles siis, kui galvanomeetrid, mis on piisavalt tundlikud, et mõõta lihastes tekkivaid voolusid ja väikseid potentsiaalide erinevusi läbi närvimembraani.

Seoses Galvani töödega "looma elektri" kohta ei saa meenutada Austria arsti - füsioloogi nime. Friedrich Anton Mesmer(1733-1815), kes arendas ideid tervendavast "loomamagnetismist", mille kaudu oli tema oletuse kohaselt võimalik muuta keha seisundit, ravida haigusi. Tuleb märkida, et isegi praegu jääb elektrimagnet- ja elektromagnetväljade toime elussüsteemidele suures osas fundamentaalteaduse mõistatuseks. Probleemid püsivad ja tänapäeva füüsikute huvi uurida väliste füüsikaliste tegurite mõju bioloogilistele süsteemidele ei kao.

Kuid enne, kui bioloogia ja füüsika jõudsid lahku minna, ilmus tuntud raamat "Teaduse grammatika", mille kirjutas inglise matemaatik. Karl Pearson (1857 - 1935) milles ta andis üks esimesi biofüüsika definitsioone (aastal 1892): „Me ei saa täie kindlusega väita, et elu on mehhanism enne, kui me ei suuda täpsemalt määratleda, mida me orgaaniliste kehade puhul mõiste „mehhanism“ all täpselt silmas peame. Juba praegu tundub kindel, et mõned füüsika üldistused ... kirjeldavad ... osa meie sensoorsest kogemusest eluvormide osas. Meil on vaja ... teadusharu, mille ülesandeks on anorgaaniliste nähtuste, füüsika seaduste rakendamine orgaaniliste vormide arendamisel. ... Bioloogia faktid - morfoloogia, embrüoloogia ja füsioloogia - moodustavad üldfüüsikaliste seaduste rakendamise erijuhud. ... Parem oleks seda nimetada biofüüsikaks.”

1.2. Biofüüsika asutaja

Tuleks kaaluda kaasaegse biofüüsika rajajatHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), kellest sai väljapaistev füüsik, üks autoreid ma termodünaamika seadus. Olles veel noor sõjaväekirurg, näitas ta, et metaboolsed muutused lihastes on tihedalt seotud nende mehaanilise töö ja soojuse tekitamisega. Küpses eas tegeles ta palju elektrodünaamika probleemidega. Aastal 1858 pani ta aluse vedeliku keerisliikumise teooriale. Samuti tegi ta hiilgavaid katseid närviimpulsi biofüüsika, nägemise biofüüsika, bioakustika valdkonnas, arendas Jungi ideed kolme tüüpi visuaalsete retseptorite kohta, elektriahelas tekkivatel elektrilahendustel on võnkuv iseloom. Huvi akustika, vedelike ja elektromagnetiliste süsteemide võnkeprotsesside vastu viis teadlase uurima närviimpulsside levimise laineprotsessi. Just Helmholtz hakkas esimest korda uurima aktiivmeediumi probleeme, mõõtes suure täpsusega närviimpulsi levimiskiirust aksonites, mis tänapäeva vaatenurgast on aktiivne ühemõõtmeline keskkond. 1868. aastal valiti Helmholtz Peterburi Teaduste Akadeemia auliikmeks.

Vene teadlase, füsioloogi ja biofüüsiku saatused on omavahel hämmastaval viisil seotud, Ivan Mihhailovitš Sechenov(1829 - 1905) ja Helmholtz. Pärast Moskva ülikooli lõpetamist aastatel 1856–1860 õppis ja töötas ta koos Helmholtziga. Aastatel 1871–1876 töötas Setšenov Odessas Novorossiiski ülikoolis, seejärel Peterburi ja Moskva ülikoolides, uurides närvikudede elektrinähtusi ja vere gaasitranspordi mehhanisme.

1.3. Kvantteooria loomine

17.-19. sajandi klassikalise füüsika periood lõppes aga 20. sajandi alguses füüsika suurima revolutsiooniga – kvantteooria loomisega. See ja mitmed teised uued füüsikavaldkonnad eristasid seda loodusteaduste ringist. Selles etapis muutis füüsika ja meditsiini koostoime oluliselt oma iseloomu: praktiliselt kõik kaasaegsed meditsiinidiagnostika, teraapia, farmakoloogia jm meetodid hakkasid põhinema füüsikalistel lähenemistel ja meetoditel. See ei vähenda biokeemia silmapaistvat rolli meditsiini arengus. . Seetõttu tuleks rääkida neist silmapaistvatest teadlastest, kelle nimed on seotud teaduste ühendamise ja biofüüsika kujunemisega. Me räägime füüsikutest, kes sisenesid bioloogia ja meditsiini ajalukku, arstidest, kes andsid füüsikasse olulise panuse, kuigi füüsikutel näib olevat keeruline siseneda keemia ideedest, teadmistest ja käsitlustest sügavalt läbi imbunud meditsiini spetsiifilistesse probleemidesse. , biokeemia, molekulaarbioloogia jne. Samal ajal on arstidel ka põhimõttelisi raskusi, püüdes sõnastada oma vajadusi ja ülesandeid, mida saaks lahendada sobivate füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste meetoditega. Olukorrast on ainult üks tõhus väljapääs ja see on leitud. See on universaalne ülikooliharidus, mil tudengid, tulevased teadlased, saavad ja peaksid saama kaks, kolm ja isegi neli põhiharidust – füüsikas, keemias, meditsiinis, matemaatikas ja bioloogias.

Niels Bohr väitis, et "mittegi bioloogilise uurimistöö tulemust ei saa üheselt kirjeldada teisiti kui füüsika ja keemia mõistete põhjal." See tähendas, et bioloogia, meditsiin, matemaatika, keemia ja füüsika hakkasid pärast peaaegu poolteist sajandit kestnud lahusolekut taas lähenema, mille tulemusena tekkisid sellised uued terviklikud teadused nagu biokeemia, füüsikaline keemia ja biofüüsika.

Briti füsioloog ja biofüüsik Archibald Vivienne Hill (s. 1886), Nobeli füsioloogiapreemia laureaat (1922) on nende fundamentaalsete aluste looja, millel lihaste kontraktsioonide teooria areneb veel tänapäevalgi, kuid juba molekulaarsel tasandil. Hill kirjeldas biofüüsikat nii: „On inimesi, kes suudavad sõnastada probleemi füüsikalistes terminites ... kes suudavad tulemust füüsikaliselt väljendada. Need intellektuaalsed omadused rohkem kui mis tahes eritingimused, füüsilised seadmed ja meetodid on vajalikud, saada biofüüsikuks ... Samas ... füüsikul, kes ei suuda arendada bioloogilist lähenemist, keda ei huvita eluprotsessid ja -funktsioonid ... kes peab bioloogiat ainult füüsikaharuks, ei ole biofüüsikas tulevikku.

Mitte ainult keskajal, vaid ka viimasel ajal osalesid arstid, bioloogid ja füüsikud võrdsetel alustel nende teaduste kompleksi arendamisel. Aleksander Leonidovitš Tšiževski (1897-1964), kes sai muuhulgas Moskva ülikoolis arstihariduse, tegeles aastaid heliokronobioloogia, õhuioonide mõju elusorganismidele ja erütrotsüütide biofüüsika uurimisega. Tema raamatut "Ajalooprotsessi füüsikalised tegurid" vaatamata P. P. Lazarevi, N. K. Koltsovi, hariduse rahvakomissari Lunatšarski jt pingutustele ei avaldatud kunagi.

Samuti tuleb märkida silmapaistvat teadlast Gleb Mihhailovitš Frank(1904-1976), kes lõi NSV Liidu Teaduste Akadeemia Biofüüsika Instituudi (1957), sai koos I. E. Tamme ja P. A. Tšerenkoviga Nobeli preemia "Tšerenkovi kiirguse" teooria loomise eest. Igasuguste tasandite bioloogiliste süsteemide võnkuv käitumine, mis on tuntud juba ammusest ajast, ei ole hõivanud mitte ainult biolooge, vaid ka füüsilisi keemikuid ja füüsikuid. 19. sajandil keemiliste reaktsioonide käigus toimunud kõikumiste avastamine viis seejärel esimeste analoogmudelite, nagu "raudnärv", "elavhõbeda süda" tekkimiseni.

Termodünaamiline joon Biofüüsika areng oli loomulikult seotud termodünaamika enda arenguga. Veelgi enam, avatud bioloogiliste süsteemide mittetasakaaluline olemus, mida loodusteadlased intuitiivselt aktsepteerisid, aitas kaasa mittetasakaaluliste süsteemide termodünaamika kujunemisele. Tasakaalusüsteemide termodünaamika, mida algselt seostati peamiselt kalorimeetriaga, andis hiljem olulise panuse rakkude struktuursete muutuste, ainevahetuse ja ensümaatilise katalüüsi kirjeldamisse.

Silmapaistvate meditsiinifüüsikute loetelu võiks oluliselt täiendada, kuid eesmärgiks on paljastada bioloogia, keemia, meditsiini ja füüsika sügavad seosed, nende teaduste diferentseeritud eksisteerimise võimatus. Suure osa biofüüsikalistest uuringutest on teinud bioloogiast huvitatud füüsikud; seetõttu peab füüsika ja füüsikalise keemia alal väljaõppinud teadlastel olema võimalus leida tee bioloogiasse ja tutvuda probleemidega, mida saab füüsikaliselt tõlgendada. Kuigi klassikalise suunitlusega bioloogiaosakonnad pakuvad sageli ametikohti biofüüsikutele, ei asenda need keskusi, kus biofüüsikalised uuringud on kesksel kohal.

Biofüüsikutel on võime jagada bioloogilisi probleeme segmentideks, mida saab otseselt füüsikaliselt tõlgendada, ja sõnastada hüpoteese, mida saab katseliselt kontrollida. Biofüüsika peamine tööriist on seos. Sellele lisandub võimalus kasutada keerulist füüsikateooriat elusolendite uurimiseks, näiteks: suurte molekulide, näiteks valkude struktuuri kindlakstegemiseks oli vaja röntgendifraktsioonitehnoloogiat. Biofüüsikud tunnustavad üldiselt uute füüsiliste vahendite, nagu aatomi magnetresonants ja elektronide spinresonants, kasutamist teatud bioloogiaprobleemide uurimisel.

1.4. Rakendusbiofüüsika

Bioloogilistel eesmärkidel kasutatavate tööriistade väljatöötamine on uue rakendusbiofüüsika valdkonna oluline aspekt. Biomeditsiini instrumente kasutatakse tõenäoliselt meditsiiniasutustes kõige laialdasemalt. Rakendusbiofüüsika on oluline terapeutilise radioloogia valdkonnas, kus ravi jaoks on väga oluline doosi mõõtmine, ja diagnostiline radioloogia, eriti tehnoloogiatega, mis hõlmavad isotoopide lokaliseerimist ja kogu keha skaneerimist, et aidata kasvajate diagnoosimisel. Arvutite tähtsus patsiendi diagnoosi ja ravi määramisel kasvab. Rakendusbiofüüsika rakendusvõimalused tunduvad lõputud, kuna pikk viivitus uurimisvahendite väljatöötamise ja nende rakendamise vahel tähendab, et paljud juba teadaolevatel füüsikalistel printsiipidel põhinevad teaduslikud vahendid muutuvad peagi meditsiinile hädavajalikuks.

Vene biofüüsika kui teadusharu kujunes suures osas väljapaistvate Venemaa teadlaste seas mineviku lõpus, selle sajandi alguses - füüsikud, bioloogid, arstid, kes olid tihedalt seotud Moskva ülikooliga. Nende hulgas olid N.K.Koltsov, V.I.Vernadski, P.N. Lebedev, P.P. Lazarev, hiljem - S. I. Vavilov, A. L. Tšiževski ja paljud teised.

James D. Watson(1928) koos inglise biofüüsiku ja geneetikuga Francis H.K. nutma(1916) ja biofüüsik Maurice Wilkins(1916) (kes sai esmakordselt koos Rosalind Frankliniga kvaliteetseid DNA röntgenikiirgusid) lõi 1953. aastal DNA kolmemõõtmelise mudeli, mis võimaldas selgitada selle bioloogilisi funktsioone ja füüsikalis-keemilisi omadusi. 1962. aastal said Watson, Crick ja Wilkins selle töö eest Nobeli preemia.

Esimene loengukursus Venemaal "Biofüüsika" loeti arstidele Moskva ülikooli kliinikus 1922. aastal. Petr Petrovitš Lazarev(1878 - 1942), valiti 1917. aastal nominatsiooni alusel Ivan Petrovitš Pavlov(1849 - 1936) akadeemik. P.P. Lazarev lõpetas Moskva ülikooli arstiteaduskonna 1901. aastal. Seejärel läbis ta füüsika ja matemaatika täiskursuse ning töötas füüsikalaboris, mida juhib Petr Nikolajevitš Lebedev(1866-1912), üks eksperimentaalfüüsika rajajaid Venemaal, Venemaa esimese teadusliku füüsikakooli looja, kes 1985. aastal võttis vastu ja uuris millimeetrilisi elektromagnetlaineid, avastas ja mõõtis valgusrõhu tahketel ainetel ja gaasidel (1999-1907) , mis kinnitas valguse elektromagnetilist teooriat. 1912. aastal juhtis Lazarev oma õpetaja laboratooriumi. Esimene biofüüsik, akadeemik Lazarev, juhtis Lebedevi eluajal loodud ainulaadset füüsika ja biofüüsika instituuti. Aastatel 1920–1931 juhtis P. P. Lazarev seda tema algatusel loodud Riiklikku Biofüüsika Instituuti, Lazarev on meditsiiniradioloogia rajaja, tema instituudis oli esimene ja ainus röntgeniüksus, millel Leninit pärast 1918. aasta mõrvakatset pildistati, mille järel sai Lazarevist Meditsiiniradioloogia Instituudi algataja ja esimene direktor. Lazarev korraldas ka tööd Kurski magnetanomaalia magnetilise kaardistamise alal, tänu millele moodustati Maa Füüsika Instituudi töötajad. Biofüüsika ja füüsika instituut hävis aga pärast Lazarevi arreteerimist 1931. aastal ning 1934. aastal asutati selles hoones Lebedevi FIAN.

1.5. Muutused biofüüsikas

Alates 1940. aastatest on biofüüsikas alanud dramaatilised muutused. Ja see oli aja kutse – meie sajandi keskpaigaks jõudis fenomenaalse hüppe teinud füüsika aktiivselt bioloogiasse. 1950. aastate lõpuks läks aga eufooria ootusest kiirele lahendusele elu keerulistele probleemidele kiiresti üle: fundamentaalse bioloogilise ja keemiahariduseta füüsikutel oli raske välja tuua füüsikale kättesaadavat, kuid “bioloogiliselt olulist”. elussüsteemide toimimise aspekte ning tegelikke biolooge ja biokeemikuid konkreetsete füüsikaliste probleemide ja lähenemisviiside olemasolus reeglina ei kahtlustatud. Nende ja järgnevate päevade teaduse järele oli tungiv vajadus kolme põhikoosseisuga spetsialistide koolitamine: füüsikaline, bioloogiline ja keemiline.

Meie riigis oli veel üks oluline põhjus, miks 1940. aastatel tekkis bioloogia ja füüsika tihe liit. Pärast tolleaegsete poliitikute ebaprofessionaalset, destruktiivset sekkumist geneetika, molekulaarbioloogia, loodusmajanduse teooria ja praktika fundamentaalsetesse valdkondadesse sai osa biolooge oma uurimistööd jätkata vaid füüsilise profiiliga teadusasutustes.

Nagu iga piiripealne teadmistevaldkond, mis põhineb füüsika, bioloogia, keemia, matemaatika fundamentaalteadustel, meditsiini, geofüüsika ja geokeemia, astronoomia ja kosmosefüüsika jne saavutustel. Biofüüsika nõuab algselt oma kandjatelt integreeritud, entsüklopeedilist lähenemist iseendale, kuna selle eesmärk on selgitada elussüsteemide toimimise mehhanisme elusaine organiseerimise kõigil tasanditel. Pealegi määrab see ära ka kolleegide, seotud erialade esindajate sagedase arusaamatuse biofüüsika ja biofüüsikute osas. Raske, mõnikord peaaegu võimatu on eristada biofüüsikat ja füsioloogiat, biofüüsikat ja rakubioloogiat, biofüüsikat ja biokeemiat, biofüüsikat ja ökoloogiat, biofüüsikat ja kronobioloogiat, biofüüsikat ja bioloogiliste protsesside matemaatilist modelleerimist jne. Seega on biofüüsika suunatud bioloogiliste süsteemide toimimismehhanismide selgitamisele kõigil tasanditel ja kõikide loodusteaduslike käsitluste alusel.

1.6. Biofüüsika – kui teoreetiline bioloogia

Teadaolevalt tegelevad biofüüsikaga ka bioloogid, keemikud, arstid, insenerid ja sõjaväelased, kuid optimaalseks osutus biofüüsikute koolitamise süsteem ülikooli füüsika üldhariduse põhjal. Samas on ja käsitletakse biofüüsikat kui teoreetilise bioloogiat, s.t. teadus elussüsteemide ehituse ja toimimise fundamentaalsetest füüsikalistest ja füüsikalis-keemilistest alustest kõigil organisatsiooni tasanditel – submolekulaarsest tasemest biosfääri tasandini. Biofüüsika aineks on elussüsteemid, meetodiks füüsika, füüsikaline keemia, biokeemia ja matemaatika.

20. sajandi 50. aastatel tundsid füüsikateaduskonna üliõpilased oma õppejõudude järel huvi ka meditsiini ja bioloogia probleemide vastu. Pealegi tundus olevat võimalik anda Universumi tähelepanuväärseima nähtuse – Elu fenomeni – range füüsiline analüüs. Raamat tõlgitud 1947. aastal E. Schrödinger"Mis on elu? Füüsika seisukohalt. Elamise tsütoloogiline aspekt”, loengud I.E.Tamma, N. V. Timofejev-Resovski Viimased avastused biokeemias ja biofüüsikas ajendasid gruppi tudengeid kandideerima Moskva Riikliku Ülikooli rektoriks. I. G. Petrovski palvega kehtestada füüsikateaduskonnas biofüüsika õpetamine. Rektor pööras suurt tähelepanu üliõpilaste algatusvõimele. Korraldati loenguid ja seminare, millest võtsid entusiastlikult osa mitte ainult algatajad, vaid ka nendega liitunud kursusekaaslased, kes hiljem moodustasid Moskva Riikliku Ülikooli füüsikateaduskonna esimese erialarühma "Biofüüsika" ja on nüüdseks vene keele uhkuseks. biofüüsika.

Bioloogiateaduskonna biofüüsika osakond asutati 1953. aastal. Selle esimene pea oli B.N. Tarusov. Praegu juhib bioloogiateaduskonna biofüüsika osakonda A.B. Rubiin. Ja 1959. aasta sügisel esimesena maailmas Biofüüsika osakond, millega hakati füüsikutest välja õpetama biofüüsikuid (enne seda koolitati biofüüsikuid bioloogidest või arstidest). Akadeemikud I. G. Petrovski, I. E. Tamm, N. N. -keemik). Administratsiooni poolt spetsialiseerumise loomine " biofüüsika» Dekaanprofessor kehastati füüsikateaduskonnas V.S. Fursov, kes toetas selle arengut kõik aastad, ja tema asetäitja V.G.Zubov. Osakonna esimesed töötajad olid füüsika-keemik L. A. Blumenfeld, kes juhtis osakonda ligi 30 aastat ja on nüüd selle professor, biokeemik S.E. Shnol, osakonna professor ja füsioloog I. A. Kornienko.

1959. aasta sügisel loodi Moskva ülikooli füüsikateaduskonna juurde maailma esimene biofüüsika osakond, mis hakkas füüsikutest koolitama biofüüsika spetsialiste. Osakonna eksisteerimise jooksul on koolitatud umbes 700 biofüüsikut.

Osakonna esimesteks töötajateks olid füüsika-keemik L. A. Blumenfeld (1921 - 2002), kes juhtis kateedri 30 aastat, biokeemik S. E. Shnol, osakonna professor ja füsioloog I. A. Kornienko. Nad sõnastasid füüsikute biofüüsikalise hariduse süsteemi ülesehitamise põhimõtted, määrasid osakonna teadusliku uurimistöö põhisuunad.

Biofüüsika osakonnas L.A. Blumenfeld pidas aastaid loengukursuseid "Füüsikaline keemia", "Kvantkeemia ja molekulide struktuur", "Biofüüsika valitud peatükid". Rohkem kui 200 teose, 6 monograafia autor.

V.A. teaduslikud huvid. Tverdislov on seotud membraanide biofüüsikaga, anorgaaniliste ioonide rolli uurimisega bioloogilistes süsteemides, ioonide ülekandemehhanismide uurimisega läbi raku ja mudelmembraanidega ioonpumpade abil. Ta pakkus välja ja töötas eksperimentaalselt välja mudeli vedelsegude parameetriliseks eraldamiseks perioodilistes väljades heterogeensetes süsteemides.

Füüsikateaduskonna mastaabi poolest on biofüüsika osakond väike, kuid ajalooliselt on selgunud, et selle töötajate teadustöö kattub olulisel määral fundamentaalse ja rakendusliku biofüüsika valdkonnaga. Olulisi saavutusi on bioloogilistes süsteemides energia muundamise füüsikaliste mehhanismide uurimisel, bioloogiliste objektide raadiospektroskoopias, ensümaatilise katalüüsi füüsikas, membraanide biofüüsikas, biomakromolekulide vesilahuste uurimisel, iseorganiseerumisprotsesside uurimisel. bioloogilistes ja mudelsüsteemides, bioloogiliste põhiprotsesside reguleerimises, meditsiinilise biofüüsika, nano- ja bioelektroonika valdkonnas jne. Biofüüsika osakond on aastaid teinud koostööd ülikoolide ja juhtivate teaduslaboritega Saksamaal, Prantsusmaal, Inglismaal, USA-s, Poolas, Tšehhis ja Slovakkias, Rootsis, Taanis, Hiinas ja Egiptuses.

1.7. Biofüüsikalised uuringud füüsikas

Füüsikute huvi bioloogia vastu 19. sajandil. suurenes pidevalt. Samal ajal süvenes bioloogilistes distsipliinides tõmme füüsiliste uurimismeetodite vastu, need tungisid üha enam bioloogia kõige erinevamatesse valdkondadesse. Füüsika abil avarduvad mikroskoobi infovõimalused. XX sajandi 30ndate alguses. ilmub elektronmikroskoop. Radioaktiivsed isotoobid, üha täiustuv spektraaltehnika ja röntgendifraktsioonianalüüs on muutumas bioloogiliste uuringute valikuliseks vahendiks. Röntgen- ja ultraviolettkiirte ulatus laieneb; elektromagnetilisi võnkumisi ei kasutata mitte ainult uurimisvahendina, vaid ka keha mõjutavate teguritena. Tundub laialdaselt bioloogiasse ja eriti füsioloogiasse, elektroonikatehnoloogiasse.

Koos uute füüsikaliste meetodite kasutuselevõtuga areneb ka molekulaarne biofüüsika. Olles saavutanud tohutu edu elutu aine olemuse mõistmisel, hakkab füüsika traditsiooniliste meetoditega püüdma lahti mõtestada elusaine olemust. Molekulaarbiofüüsikas luuakse keeruka matemaatilise aparaadi kaasamisel väga laialdased teoreetilised üldistused. Traditsiooni järgides püüab biofüüsik eksperimendi käigus pääseda eemale väga keerulisest ("määrdunud") bioloogilisest objektist ning eelistab uurida organismidest eraldatud ainete käitumist võimalikult puhtal kujul. Bioloogiliste struktuuride ja protsesside erinevate mudelite – elektriliste, elektrooniliste, matemaatiliste jne – arendamine areneb jõudsalt. Luuakse ja uuritakse rakkude liikumise mudeleid (näiteks elavhõbeda tilk happelahuses teeb rütmilisi liigutusi nagu amööb), läbilaskvust ja närvijuhtivust. Palju tähelepanu köidab eelkõige F. Lilly loodud närvijuhtivuse mudel. See on raudtraadist rõngas, mis on asetatud vesinikkloriidhappe lahusesse. Kui sellele on rakendatud kriimustus, mis hävitab pinnase oksiidikihi, tekib elektriline potentsiaallaine, mis on väga sarnane ergastamisel mööda närve liikuvatele lainetele. Selle mudeli uurimisele, kasutades matemaatilisi analüüsimeetodeid, on pühendatud palju uuringuid (alates 1930. aastatest). Tulevikus luuakse kaabliteoorial põhinev arenenum mudel. Selle konstruktsiooni aluseks oli mingi füüsiline analoogia potentsiaalide jaotuse vahel elektrikaablis ja närvikius.

Teised molekulaarbiofüüsika valdkonnad on vähem populaarsed. Nende hulgas tuleb märkida matemaatilist biofüüsikat, mille juht on N. Raševski. USA-s annab Raševski koolkond välja ajakirja Mathematical Biophysics. Matemaatiline biofüüsika on seotud paljude bioloogia valdkondadega. See mitte ainult ei kirjelda matemaatilisel kujul selliste nähtuste kvantitatiivseid mustreid nagu kasv, rakkude jagunemine, ergastumine, vaid püüab analüüsida ka kõrgemate organismide keerulisi füsioloogilisi protsesse.

1.8. Biofüüsikalised uuringud bioloogias

Tugev tõuge biofüüsika kujunemiseks oli tekkimine XIX lõpus - XX sajandi alguses. füüsikaline keemia, mis on tingitud vajadusest tuvastada keemilise interaktsiooni aluseks olevad mehhanismid. See uus distsipliin äratas kohe bioloogide tähelepanu sellega, et avas võimaluse mõista füüsikalis-keemilisi protsesse nendes “räpastes” elussüsteemides füüsiku vaatenurgast, millega neil oli raske töötada. Mitmed füüsikalises keemias esile kerkinud suundumused on tekitanud sarnaseid suundi biofüüsikas.

Üks suurimaid arenguid füüsikalise keemia ajaloos oli areng S. Arrhenius (Nobeli preemia, 1903) soolade elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria vesilahustes (1887), mis paljastas nende tegevuse põhjused. See teooria äratas huvi füsioloogides, kes teadsid hästi soola rollist ergastusnähtustes, närviimpulsside juhtimises, vereringes jne. Juba 1890. aastal andis noor füsioloog V.Yu. Chagovets esitleb uurimust "Arrheniuse dissotsiatsiooni teooria rakendamisest eluskudede elektromotoornähtustele", milles ta püüdis seostada bioelektriliste potentsiaalide esinemist ioonide ebaühtlase jaotusega.

Füüsikalis-keemiliste ideede ülekandmisel bioloogilistele nähtustele osalevad mitmed füüsikalise keemia rajajad. Soolaioonide liikumise nähtuse põhjal W. Nernst (1908) sõnastas oma tuntud kvantitatiivse ergastuse seaduse: füsioloogilise ergastuse läve määrab ülekantavate ioonide arv. Füüsik ja keemik W. Ostwald töötas välja bioelektriliste potentsiaalide tekkimise teooria, mis põhineb eeldusel, et raku pinnal on membraan, mis on ioonidele poolläbilaskev ja suudab eraldada vastandlaengute ioone. Nii pandi alus biofüüsikalisele suunale bioloogiliste membraanide läbilaskvuse ja struktuuri tõlgendamisel laiemas mõttes.

Peatükk II. BIOFÜÜSIKA FÜÜSIKATUNNIDES

2.1. Biofüüsika elemendid füüsikatundides 7.-9

Kaasaegse teaduse iseloomulikuks jooneks on erinevatele teadusharudele omaste ideede, teoreetiliste käsitluste ja meetodite intensiivne läbitungimine. See kehtib eriti füüsika, keemia, bioloogia ja matemaatika kohta. Seega kasutatakse eluslooduse uurimisel laialdaselt füüsikalisi uurimismeetodeid ning selle objekti ainulaadsus äratab ellu uued, arenenumad füüsikalise uurimise meetodid.

Arvestades füüsika ja bioloogia seoseid, on vaja õpilastele näidata mitmete elus- ja elutu looduse seaduspärasuste ühisosa, süvendada arusaamist materiaalse maailma ühtsusest, nähtuste seostest ja tinglikkusest, nende tunnetatavusest, kurssi viia füüsikaliste meetodite kasutamisega bioloogiliste protsesside uurimisel.

Füüsika tundides on vaja rõhutada, et meie aja iseloomulik tunnus on mitmete keerukate teaduste esilekerkimine. Välja on kujunenud biofüüsika – teadus, mis uurib füüsikaliste tegurite mõju elusorganismidele.

Biofüüsikaliste näidete kaasamine aitab paremini omastada füüsika kulgu. Biofüüsikaline materjal peaks olema otseselt seotud füüsika ja bioloogia kursuste õppekavaga ning kajastama kõige lootustandvamaid suundi teaduse ja tehnoloogia arengus. Peaaegu kõigi füüsikakursuse osade jaoks saab valida suure hulga biofüüsikalisi näiteid, soovitav on neid kasutada koos näidetega elutust loodusest ja tehnikast.

2.2. Biofüüsika kasutamine klassiruumis algklassides

Mehaanika

Liikumine ja jõud.

Õppides 7. klassis teemat "Liikumine ja jõud" saate õpilastele tutvustada erinevate loomade liikumiskiirusi. Tigu roomab 1 tunniga ca 5,5 m Kilpkonn liigub kiirusega ca 70 m/h. Kärbes lendab kiirusega 5 m/s. Keskmine kõndimiskiirus on umbes 1,5 m/s ehk umbes 5 km/h. Hobune on võimeline liikuma kiirusega 30 km/h ja rohkem.

Mõnede loomade maksimaalne kiirus: hagijas - 90 km / h, jaanalind - 120 km / h, gepard - 110 km / h, antiloop - 95 km / h.

Loomamaailma erinevate esindajate kiirusandmeid kasutades on võimalik lahendada mitmesuguseid probleeme. Näiteks:

Sisekõrva kiirus on 0,9 mm/s. Väljendage seda kiirust ühikutes cm/min, m/h.

Saaki jälitav pistrik sukeldub kiirusega 300 km/h. Millise vahemaa see läbib 5 sekundiga?

Teadaolevalt on tamme keskmine kasvumäär ligikaudu 0,3 m aastas. Kui vana on 6,3 m kõrgune tamm?

Tel kaal Tihedus.

Kehakaal ja maht on otseselt seotud taimestiku esindajatega, näiteks antakse järgmised ülesanded:

Määrake kasepuidu mass, kui selle maht on 5 m 3.

Määrake kuiva bambuse maht, kui selle mass on 4800 kg.

Määrake balsapuu tihedus, kui selle mass on 50 tonni ja maht 500 m 3.

Gravitatsioon.

Seda teemat uurides saate läbi viia järgmise koolitustöö. Erinevate imetajate massid on antud: vaal - 70 000 kg, elevant - 4000 kg, ninasarvik - 2000 kg, pull - 1200 kg, karu - 400 kg, siga 200 kg, inimene - 70 kg, hunt - 40 kg, jänes - 6 kg. Leidke nende kaal njuutonites.

Samu andmeid saab kasutada jõudude graafiliseks kujutamiseks.

Vedelike ja gaaside rõhk.

Inimkehale, mille pindala massiga 60 kg ja kõrgusega 160 cm on ligikaudu 1,6 m 2, mõjub atmosfäärirõhu mõjul jõud 160 000 N. Kuidas keha nii tohutule koormusele vastu peab?

See saavutatakse tänu sellele, et keha veresooni täitvate vedelike rõhk tasakaalustab välist rõhku.

Selle probleemiga on tihedalt seotud võimalus viibida vee all suurel sügavusel. Fakt on see, et keha üleviimine teisele tasemele põhjustab selle funktsioonide lagunemise. See on tingitud anumate seinte deformatsioonist, mis on ette nähtud teatud rõhu jaoks seest ja väljast. Lisaks muutub rõhu muutumisel ka paljude keemiliste reaktsioonide kiirus, mille tulemusena muutub ka keha keemiline tasakaal. Rõhu tõustes suureneb gaaside neeldumine kehavedelike poolt ja selle vähenemisel eralduvad lahustunud gaasid. Kui rõhk kiirelt langeb gaaside intensiivsest vabanemisest, siis veri keeb justkui, mis põhjustab veresoonte ummistumist, mis on sageli surmav. See määrab sukeldumistoimingute maksimaalse sügavuse (reeglina mitte alla 50 meetri). Laskumine ja tõus tuleb teha väga aeglaselt, nii et gaaside eraldumine toimuks ainult kopsudes, mitte kohe kogu vereringesüsteemis.

Näited mõnest eluslooduse võimest.

Kärbse võimsus lennu ajal on 10 -5 vatti.

Mõõkkala löök 10 5 -10 6 W.

Arvatakse, et normaalsetes töötingimustes võib inimene arendada võimsust umbes 70-80 W, kuid lühiajaline võimsuse suurenemine mitu korda on võimalik. Seega suudab 750 N inimene hüpata 1 sekundiga 1 m kõrgusele, mis vastab 750 W võimsusele; jooksja arendab võimsust umbes 1000 vatti.

Hetkeline või plahvatuslik energia vabanemine on võimalik sellistel spordialadel nagu kuulitõuge või kõrgushüpe. Vaatlused on näidanud, et mõlema jalaga samaaegse tõrjumisega kõrgushüpetel arendavad mõned mehed 0,1 sekundi jooksul keskmiselt umbes 3700 W ja naised 2600 W.

Südame-kopsu masin (AIC)

Mehaanikaõppe lõpetamisel on kasulik rääkida õpilastele südame-kopsu masina seadmest.

Südameoperatsioonide ajal on sageli vaja see ajutiselt keha vereringest välja lülitada (täiskasvanud patsiendil umbes 4-5 liitrit), tsirkuleeriva vere seatud temperatuur.

Südame-kopsu masin koosneb kahest põhiosast: pumba osadest ja hapnikugeneraatorist. Pumbad täidavad südame funktsioone - säilitavad operatsiooni ajal survet ja vereringet keha veresoontes. Hapnikugeneraator täidab kopsude funktsiooni ja tagab vere küllastumise vähemalt 95% ja hoiab CO 2 osarõhku 35-45 mm Hg tasemel. Art. venoosne veri patsiendi veresoontest voolab raskusjõu toimel operatsioonilaua tasemest allpool asuvasse hapnikugeneraatorisse, kus see küllastatakse hapnikuga, vabastatakse liigsest süsinikdioksiidist ja pumbatakse seejärel arteriaalse pumba abil patsiendi vereringesse. AIK suudab pikka aega asendada südame ja kopsude funktsioone.

Elusobjektidega seotud probleemide lahendamisel tuleb olla väga tähelepanelik, et vältida bioloogiliste protsesside ekslikku tõlgendamist.

Ülesanne. Kuidas seletada füüsiliste esituste abil, et tormis juurib kuusk kergesti välja, männi tüvi aga murdub tõenäolisemalt?

Oleme huvitatud ainult probleemi kvalitatiivse külje analüüsimisest. Lisaks huvitab meid mõlema puu võrdleva käitumise küsimus. Koormuse rolli meie probleemis mängib tuulejõud F B. Võrale mõjuvale tuulejõule saab liita tüvele mõjuva tuulejõu ja isegi eeldada, et mõlemale puule mõjuvad tuulejõud on samad. . Siis ilmselt peaks edasine arutluskäik olema järgmine. Männi juurestik läheb sügavamale maasse kui kuusel. Tänu sellele on männi maas hoidva jõu õlg suurem kui kuusel. Seetõttu on juurega kuuse pööramiseks vaja vähem jõu- ja tuulemomenti kui selle murdmiseks. Seetõttu ilmub kuusk koos juurtega sagedamini kui mänd ja mänd murdub sagedamini kui kuusk.

Soojuse ja molekulaarnähtuste uurimine

Seade "kunstneer"

Seda seadet kasutatakse vältimatuks arstiabiks ägeda joobeseisundi korral; valmistada ette kroonilise neerupuudulikkusega patsiente neerusiirdamiseks; teatud närvisüsteemi häirete (skisofreenia, depressioon) raviks.

AIP on hemodialüsaator, milles veri puutub läbi poolläbilaskva membraani kokku soolalahusega. Osmootsete rõhkude erinevuse tõttu satuvad membraani kaudu verest soolalahusesse ainevahetusproduktide (uurea ja kusihappe) ioonid ja molekulid, samuti mitmesugused organismist eemaldatavad mürgised ained.

kapillaarnähtused.

Kapillaarnähtuste käsitlemisel tuleks rõhutada nende rolli bioloogias, kuna enamik taimede ja loomade kudesid on läbi imbunud tohutul hulgal kapillaarsoontest. Just kapillaarides toimuvad peamised keha hingamise ja toitumisega seotud protsessid, kogu elu kõige keerulisem keemia, mis on tihedalt seotud difuussete nähtustega.

Kardiovaskulaarsüsteemi füüsiline mudel võib olla paljude elastsete seintega hargnenud torude süsteem. Hargnemise suurenedes suureneb torude koguristlõige ja vastavalt väheneb ka vedeliku liikumiskiirus. Kuid tänu sellele, et hargnemine koosneb paljudest kitsastest kanalitest, suurenevad sisemised hõõrdekaod kõvasti ja kogutakistus vedelike liikumisele (vaatamata kiiruse vähenemisele) suureneb oluliselt.

Pinnanähtuste roll eluslooduse elus on väga mitmekesine. Näiteks vee pinnakiht on liikumisel toeks paljudele organismidele. Seda liikumisvormi leidub väikestel putukatel ja ämblikulaadsetel. Mõned loomad, kes elavad vees, kuid kellel puuduvad lõpused, riputatakse altpoolt veepinnakihi lähedale spetsiaalsete mittemärguvate harjaste abil, mis ümbritsevad nende hingamisorganeid. Seda tehnikat kasutavad sääsevastsed (sh malaaria).

Iseseisvaks tööks võite pakkuda selliseid ülesandeid nagu:

Kuidas saab rakendada teadmisi molekulaarkineetilisest teooriast, et selgitada mehhanismi, mille abil taimejuurekarvad imavad mullast toitaineid?

Kuidas seletada rookatuse veepidavust, heinad virnades?

Määrake kõrgus, milleni 0,4 mm läbimõõduga kapillaaridega taimede vartes vesi pindpinevusjõudude toimel tõuseb. Kas kapillaarsust võib pidada ainsaks vee tõusu põhjuseks piki taime vart?

Kas vastab tõele, et madalal maa kohal lendavad pääsukesed kuulutavad vihma lähenemist?

Vibratsiooni ja heli uurimine

Perioodiliste protsesside näited bioloogias: paljud lilled sulgevad õie pimeduse saabudes; enamikul loomadel esineb järglaste ilmumise perioodilisus; on teada perioodilised muutused fotosünteesi intensiivsuses taimedes; kõikumised kogevad rakkude tuumade suurust jne.

Metsa helid.

Metsahääled (kahin) tekivad tuule mõjul lehtede vibratsioonist ja nende üksteise vastu hõõrdumisest. See on eriti märgatav haavalehtedel, kuna need on kinnitunud pikkade ja õhukeste varrelehtede külge, mistõttu on nad väga liikuvad ja kõikuvad ka kõige nõrgema õhuvoolu korral.

Konnadel on väga vali ja üsna mitmekesine hääl. Mõnel konnaliigil on huvitavad helivõimendusseadmed suurte sfääriliste mullide kujul pea külgedel, mis nuttes paisuvad ja toimivad tugeva resonantsina.

Kõige sagedamini põhjustab putukate häält tiibade kiire vibratsioon lennu ajal (sääsed, kärbsed, mesilased). Sagedamini tiibu lehvitava putuka lendu tajume kõrgema sagedusega ja seega ka kõrgema helina. Mõnedel putukatel, näiteks rohutirtsudel, on erilised heliorganid – tagajalgadel nelkide rida, mis puudutavad tiibade servi ja panevad need värisema.

Altkäemaksu eest tarust välja lendav töömesilane teeb keskmiselt 180 tiivalööki sekundis. Kui ta naaseb koormaga, suureneb löökide arv 280-ni. Kuidas see mõjutab meie kuuldavat heli?

Miks liblika lend vaikib?

Paljude konnade pea külgedel on teadaolevalt suured sfäärilised villid, mis kutsudes paisuvad. Mis on nende eesmärk?

Mis määrab putukate lennu ajal tekitatava heli sageduse?

Optika ja aatomi ehituse uurimine.

Valgus.

Valgus on eluslooduse jaoks hädavajalik, kuna see on tema jaoks energiaallikas. Klorofülli kandvad taimed, välja arvatud mõned bakterid, on ainsad organismid, mis suudavad kiirgusenergia abil sünteesida veest, mineraalsooladest ja süsihappegaasist oma ainet, mille nad assimileerumise käigus muudavad keemiliseks energiaks. Kõik teised meie planeeti asustavad organismid – taimed ja loomad – sõltuvad otseselt või kaudselt klorofülli kandvatest taimedest. Nad neelavad kõige tugevamalt kiiri, mis vastavad klorofülli spektri neeldumisribadele. Neid on kaks: üks asub spektri punases osas, teine ​​sinakasvioletses. Taime ülejäänud kiired peegeldavad. Just nemad annavad klorofülli kandvatele taimedele rohelise värvi. Klorofülli kandvaid taimi esindavad kõrgemad taimed, samblad ja vetikad.

Loomamaailma erinevate esindajate silmad.

Kahepaiksetel on silma sarvkest väga kumer. Silmade majutamine toimub nagu kaladelgi läätse liikumisega.

Lindudel on väga terav nägemine, parem kui teistel loomadel. Nende silmamuna on väga suur ja omapärase ehitusega, mille tõttu vaateväli suureneb. Eriti terava nägemisega lindudel (raisakotkad, kotkad) on piklik "teleskoopiline" silmamuna. Vees elavate imetajate (näiteks vaalade) silmad meenutavad sarvkesta kumeruse ja suure murdumisnäitaja poolest süvamere kalade silmi.

Kuidas mesilased värve näevad.

Mesilaste nägemus erineb inimeste omast. Inimene eristab nähtavast spektrist umbes 60 individuaalset värvi. Mesilased eristavad ainult 6 värvi: kollane, sinakasroheline, sinine, "lilla", violetne ja inimesele nähtamatu ultraviolettkiirgus. Mesilase "magenta" värv on spektri kollase ja ultraviolettkiirte segu, mis on mesilasele nähtav.

Selle jaotise iseseisvaks tööks võite pakkuda järgmisi ülesandeid:

Milleks on kaks silma?

Inimese ja kotkasilma võrkkest on ligikaudu sama, kuid selle keskosas oleva kotkasilma närvirakkude (koonuste) läbimõõt on väiksem - ainult 0,3 - 0,4 mikronit (mikronit = 10 -3 mm). Mis tähtsus on sellisel kotkasilma võrkkesta struktuuril?

Pimeduse saabudes silmapupill laieneb. Kuidas see mõjutab ümbritsevate objektide pildi teravust? Miks?

Kalasilma lääts on sfääriline. Millised kalade elupaiga omadused muudavad selle läätse vormi sobivaks? Mõelge kalade silmade majutusmehhanismile, kui läätse kumerus ei muutu.

2.3. Välkturniir "Füüsika eluslooduses"

7. klassi õpilastele iseseisva praktilise tegevuse korraldamiseks saab pakkuda välkturniiri "Füüsika eluslooduses".

Tunni eesmärk: materjali kordamine teemal “Terve kursuse üldistustund”; teadmiste, leidlikkuse, loogilise mõtlemise oskuse test.

Mängu reeglid

Küsimusi valitakse kogu 7. klassi kursuse jooksul.

Tund läheb kiires tempos.

Tunnis saab kasutada mis tahes teatmekirjandust, sh õpikut.

Tundide ajal

Õpetaja loeb küsimuse ette. Mängija, kes on valmis vastama, tõstab käe; Sõna antakse sellele, kes esimesena käe tõstab. Õige vastus on väärt 1 punkti. Kõige vähem punkte kogunud osalejad langevad mängust välja.

Küsimused:

Veest lahkudes raputatakse loomi. Millist füüsikaseadust sel juhul kasutatakse? (Inertsi seadus).

Mis tähtsus on elastsel karval jänese jalataldadel? (Elastsed karvad jänese jalataldadel pikendavad hüppamisel pidurdusaega ja nõrgendavad seetõttu löögijõudu).

Miks hoiavad mõned kalad kiiresti liikudes oma uimed enda lähedal? (Liikumiskindluse vähendamiseks).

Sügisel riputatakse aedade ja parkide juurest mööduvate trammiteede äärde mõnikord plakat: “Ettevaatust! Lehtede langemine. Mis on selle hoiatuse tähendus? (Rööbastele langevad lehed vähendavad hõõrdumist, nii et auto võib pidurdades pikalt sõita.)

Mis on inimese luu survetugevus? (Reieluu näiteks vertikaalselt asetatuna talub poolteisetonnise koormuse survet).

Miks on sukeldumissaapad valmistatud raskete pliitallaga? (Saabaste rasked pliittallad aitavad sukeldujal vee ujuvusest üle saada.)

Miks võib inimene kõvale kuivale hernele astudes libiseda? (Hõõrdumine aitab kaasa inimese liikumisele. Kuiv hernes, olles nagu laager, vähendab hõõrdumist inimese jalgade ja toe vahel).

Miks jääme mudase põhjaga jões rohkem kinni madalasse kui sügavasse? (Suuremale sügavusele sukeldudes tõrjume välja suurema koguse vett. Archimedese seaduse järgi mõjub meile sel juhul suur üleslükkejõud).

Kokkuvõtteid tehes.

Õpetaja paneb hindeid.

Järeldus

K. D. Ushinsky kirjutas, et mõned õpetajad näivad tegevat ainult seda, mida kordavad, kuid tegelikult liiguvad nad uute asjade õppimisel kiiresti edasi. Kordamine koos uue kaasamisega viib käsitletava materjali parema mõistmiseni ja meeldejätmiseni. Teada on ka see, et parim viis aine vastu huvi tekitamiseks on omandatud teadmisi rakendada muudes valdkondades, kui need, milles need on saadud. Biofüüsikalise materjali kaasamisega kordamise korraldamine on just selline kordamise liik, kui see toimub uue kaasamisel, pakub õpilastele suurt huvi ja võimaldab rakendada füüsikaseadusi eluslooduse valdkonnas.

Biofüüsikaliste näidete kaasamine aitab paremini omastada füüsika kulgu. Biofüüsikaline materjal peaks olema otseselt seotud füüsika ja bioloogia kursuste õppekavaga ning kajastama kõige lootustandvamaid suundi teaduse ja tehnoloogia arengus.

Interdistsiplinaarsete seoste loomine füüsika ja bioloogia vahel annab suurepärased võimalused materialistlike uskumuste kujunemiseks. Koolinoored õpivad illustreerima füüsikaseadusi mitte ainult näidetega tehnoloogiast, vaid ka näidetega elusloodusest. Seevastu taime- ja loomorganismide elutegevust arvestades kasutavad nad füüsikaseadusi, füüsikalisi analoogiaid.

Kaasatud materjali kordamine ja kinnistamine biofüüsikalise materjali kaasamisega võimaldab õpetajal tutvustada õpilasi biofüüsika ja bioonika valdkonna viimaste saavutustega, innustada lugema lisakirjandust.

Organisatsiooniliselt saab tundi üles ehitada erinevalt: õpetajate loengutena, õpilaste poolt füüsika- ja bioloogiaõpetajate juhendamisel koostatud referaatidena.

BIBLIOGRAAFIA

Trofimova T.I. Tehnikaülikoolide füüsika kursuse ülesannete kogumik - 3. tr. - M .: LLC kirjastus Onyx 21. sajand: LLC kirjastus Mir ja haridus, 2003 - 384 lk.: ill.

Zorin N.I. Valikkursus "Biofüüsika elemendid": 9. klass. - M.: VAKO, 2007. - 160 lk. - (Õpetaja töötuba).

Valikaine 9: füüsika. Keemia. Bioloogia: Valikainete (ainetevaheliste ja ainekesksete) konstrueerija: 9. klassi õpilastele eelkoolituse korraldamiseks: 2 raamatus. Raamat. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. ja teised - M .: 5 teadmiste eest, 2006. - 304 lk. - (Valikaine).

Valikaine 9: füüsika. Keemia. Bioloogia: Valikainete (ainetevaheliste ja ainekesksete) konstrueerija: 9. klassi õpilastele eelkoolituse korraldamiseks: 2 raamatus. Raamat. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. ja teised - M .: 5 teadmiste eest, 2006. - 176 lk. - (Valikaine).

Maron A.E. Kvalitatiivsete ülesannete kogumik füüsikas: 7-9 rakulisele üldharidusele. institutsioonid / A.E. Maron, E.A. Maroon. - M.: Haridus, 2006. - 239 lk.: ill.

Lukashik V.I. Füüsikaülesannete kogu haridusasutuste 7.-9. klassile / V.I. Lukashik, E.V. Ivanova. – 22. väljaanne. – M.: Valgustus, 2008. – 240 lk.: ill.

Katz Ts.B. Biofüüsika füüsikatundides / Raamat. õpetajale: töökogemusest. - 2. väljaanne, muudetud. – M.: Valgustus, 1988. – 159 lk.: ill.

Volkov V.A., Poljanski S.E. Pourochnye areng füüsikas. 7. klass – 2. tr. - M.: VAKO, 2007. - 304 lk. - (Kooliõpetaja abistamiseks: A. V. Perõškini, S. V. Gromovi, N. A. Rodina koolituskomplektidele).

Üks iidsemaid teadusi on loomulikult bioloogia. Inimeste huvi endas ja ümbritsevas olevuses toimuvate protsesside vastu tekkis mitu tuhat aastat enne meie ajastut.

Loomade, taimede, looduslike protsesside vaatlemine oli oluline osa inimeste elust. Aja jooksul on kogunenud palju teadmisi, täiustatud ja arendatud on metsloomade uurimise meetodeid ja selles esinevaid mehhanisme. See tõi kaasa paljude sektsioonide tekkimise, mis moodustavad kokku keeruka teaduse.

Bioloogilised uuringud erinevates eluvaldkondades võimaldavad saada uusi väärtuslikke andmeid, mis on olulised planeedi biomassi struktuuri mõistmiseks. Kasutage neid teadmisi praktilistel inimlikel eesmärkidel (kosmoseuuringud, meditsiin, põllumajandus, keemiatööstus jne).

Paljud avastused võimaldasid teha bioloogilisi uuringuid kõigi elussüsteemide sisemise ehituse ja toimimise valdkonnas. Uuritud on organismide molekulaarset koostist, nende mikrostruktuuri, isoleeritud ja uuritud palju geene inimeste ja loomade, taimede genoomist. Biotehnoloogia eelised on rakulised ja võimaldavad teil saada mitu taimesaaki hooaja jooksul, samuti aretada loomatõuge, mis annavad rohkem liha, piima ja mune.

Mikroorganismide uurimine võimaldas hankida antibiootikume ning luua kümneid ja sadu vaktsiine, mis võimaldavad võita paljusid haigusi, isegi neid, mis varem inimeste ja loomade epideemiates nõudsid tuhandeid elusid.

Seetõttu on tänapäeva bioloogiateadus inimkonna piiramatud võimalused paljudes teadusharudes, tööstuses ja tervise hoidmises.

Bioloogiateaduste klassifikatsioon

Üks bioloogiateaduse esimestest ilmunud erasektoritest. Nagu botaanika, zooloogia, anatoomia ja taksonoomia. Hiljem hakkasid kujunema rohkem tehnilisest varustusest sõltuvad erialad – mikrobioloogia, viroloogia, füsioloogia jne.

On mitmeid noori ja edumeelseid teadusi, mis tekkisid alles 20.–21. sajandil ja mängivad olulist rolli bioloogia kaasaegses arengus.

Bioloogiateadusi saab järjestada mitte ühe, vaid mitme klassifikatsiooni järgi. Nende nimekiri on kõigil juhtudel üsna muljetavaldav, kaaluge ühte neist.

Bioloogia	Erateadused	Botaanika	tegeleb kõigi planeedil eksisteerivate taimede (floora) välis- ja sisestruktuuri, füsioloogiliste protsesside, fülogeneesi ja looduses leviku uurimisega.	Sisaldab järgmisi jaotisi: algoloogia; dendroloogia; taksonoomia; anatoomia; morfoloogia; füsioloogia; brüoloogia; paleobotaanika; ökoloogia; geobotaanika; etnobotaanika; taimede paljunemine.
		Zooloogia	tegeleb kõigi planeedil eksisteerivate loomade (fauna) välis- ja sisestruktuuri, füsioloogiliste protsesside, fülogeneesi ja looduses leviku uurimisega.	Sisaldavad distsipliinid: Distsipliinid: topograafiline anatoomia; võrdlev; süstemaatiline; vanus; plastist; funktsionaalne; eksperimentaalne.
		Antropoloogia	hulk distsipliine, mis uurivad inimese arengut ja kujunemist bioloogilises ja sotsiaalses keskkonnas kompleksis	Sektsioonid: filosoofiline, kohtulik, religioosne, füüsiline, sotsiaalne, kultuuriline, visuaalne.
		Mikrobioloogia	uurib väikseimaid elusorganisme bakteritest viirusteni	Valdkonnad: viroloogia, bakterioloogia, meditsiiniline mikrobioloogia, mükoloogia, tööstuslik, tehniline, põllumajandus, kosmosemikrobioloogia
		Üldteadused	Süstemaatika	ülesannete hulka kuulub kogu meie planeedi elu klassifitseerimise aluse väljatöötamine eesmärgiga rangelt järjestada ja tuvastada mis tahes biomassi esindaja
	Morfoloogia		kõigi elusolendite elundite välismärkide, siseehituse ja topograafia kirjeldus	Sektsioonid: taimed, loomad, mikroorganismid, seened
	Füsioloogia		uurib konkreetse süsteemi, organi või kehaosa toimimise iseärasusi, kõigi protsesside mehhanisme, mis tagavad selle elutähtsa aktiivsuse	Taimed, loomad, inimesed, mikroorganismid
	Ökoloogia		teadus elusolendite suhetest üksteise, keskkonna ja inimesega	Geoökoloogia, üldine, sotsiaalne, tööstuslik
	Geneetika		uurib elusolendite genoomi, tunnuste pärilikkuse ja varieeruvuse mehhanisme erinevate tingimuste mõjul, samuti genotüübi ajaloolisi muutusi evolutsiooniliste transformatsioonide käigus
	biogeograafia		käsitleb teatud elusolendiliikide ümberasustamist ja levikut planeedil
	evolutsiooniline doktriin		paljastab inimese ja teiste planeedi elussüsteemide ajaloolise arengu mehhanismid. Nende päritolu ja areng
	Keerulised teadused, mis tekkisid üksteisega ristmikul	Biokeemia	uurib elusolendite rakkudes toimuvaid protsesse keemilisest vaatenurgast
		Biotehnoloogia	käsitleb organismide, nende saaduste ja/või osade kasutamist inimeste vajadusteks
		Molekulaarbioloogia	uurib päriliku teabe edastamise, säilitamise ja kasutamise mehhanisme elusolendite poolt, samuti valkude, DNA ja RNA funktsioone ja peenstruktuuri.	Seotud teadused: geeni- ja rakutehnoloogia, molekulaargeneetika, bioinformaatika, proteoomika, genoomika
		Biofüüsika	see on teadus, mis uurib kõiki võimalikke füüsilisi protsesse, mis esinevad kõigis elusorganismides, viirustest inimesteni	Selle distsipliini osasid käsitletakse allpool.

Seega oleme püüdnud tabada peamist mitmekesisust, milleks on bioloogiateadused. See nimekiri koos tehnoloogia ja õppemeetodite arenguga täieneb ja täieneb. Seetõttu ei eksisteeri tänapäeval ühtset bioloogia klassifikatsiooni.

Progressiivsed bioteadused ja nende tähtsus

Bioloogia noorimad, kaasaegsed ja progressiivsed teadused hõlmavad näiteks:

• biotehnoloogia;
• molekulaarbioloogia;
• kosmosebioloogia;
• biofüüsika;
• biokeemia.

Kõik need teadused loodi mitte varem kui 20. sajandil ja seetõttu peetakse neid õigustatult noorteks, intensiivselt arenevateks ja praktilise inimtegevuse jaoks kõige olulisemateks.

Vaatleme pikemalt sellisel neist nagu biofüüsika. See on teadus, mis ilmus umbes 1945. aastal ja sai kogu bioloogilise süsteemi oluliseks osaks.

Mis on biofüüsika?

Sellele küsimusele vastamiseks tuleb ennekõike välja tuua selle tihe kokkupuude keemia ja bioloogiaga. Mõnes küsimuses on piirid nende teaduste vahel nii lähedal, et on raske aru saada, milline neist on konkreetselt seotud ja prioriteetne. Seetõttu tasub biofüüsikat käsitleda kui kompleksteadust, mis uurib elussüsteemides toimuvaid süvafüüsikalisi ja keemilisi protsesse nii molekulide, rakkude, elundite kui ka biosfääri kui terviku tasandil.

Nagu iga teinegi, on biofüüsika teadus, millel on oma uurimisobjekt, eesmärgid ja eesmärgid ning väärilised ja märkimisväärsed tulemused. Lisaks on see distsipliin tihedalt seotud mitme uue suunaga.

Õppeobjektid

Biofüüsika jaoks on need biosüsteemid erinevatel organisatsioonilistel tasanditel.

1. viirused, üherakulised seened ja vetikad).
2. Kõige lihtsamad loomad.
3. Üksikud rakud ja nende struktuuriosad (organellid).
4. Taimed.
5. Loomad (sh inimesed).
6. ökoloogilised kooslused.

See tähendab, et biofüüsika on elavate uurimine selles toimuvate füüsikaliste protsesside vaatenurgast.

Teaduse ülesanded

Esialgu olid biofüüsikute ülesanneteks elusolendite elus esinevate füüsikaliste protsesside ja nähtuste olemasolu tõestamine ning nende uurimine, nende olemuse ja olulisuse väljaselgitamine.

Selle teaduse kaasaegseid ülesandeid saab sõnastada järgmiselt:

1. Uurida geenide ehitust ja nende edasikandumise ja säilitamisega kaasnevaid mehhanisme, modifikatsioone (mutatsioone).
2. Mõelge rakubioloogia paljudele aspektidele (rakkude vastastikmõju, kromosomaalsed ja geneetilised vastasmõjud ning muud protsessid).
3. Uurida polümeeri molekule (valgud, nukleiinhapped, polüsahhariidid) kombineeritult molekulaarbioloogiaga.
4. Avaldada kosmogeofüüsikaliste tegurite mõju kõigi elusorganismide füüsikaliste ja keemiliste protsesside kulgemisele.
5. Avastage sügavamalt fotobioloogia mehhanismid (fotosüntees, fotoperiodism ja nii edasi).
6. Rakendada ja arendada matemaatilise modelleerimise meetodeid.
7. Rakendada nanotehnoloogia tulemusi elussüsteemide uurimisel.

Sellest loendist on ilmne, et biofüüsika uurib palju kaasaegse ühiskonna olulisi ja tõsiseid probleeme ning selle teaduse tulemused on inimese ja tema elu jaoks väga olulised.

Moodustamise ajalugu

Teadusena sündis biofüüsika suhteliselt hiljuti – 1945. aastal, mil ta avaldas oma teose "Mis on elu füüsika vaatenurgast". Tema oli esimene, kes märkas ja viitas, et paljud füüsikaseadused (termodünaamika, kvantmehaanika seadused) toimuvad just elusolendite organismide elus ja töös.

Tänu selle mehe tööle alustas biofüüsika teadus intensiivset arengut. Kuid veelgi varem, 1922. aastal, loodi Venemaal biofüüsika instituut, mida juhtis P. P. Lazarev. Seal on peamine roll kudede ja elundite ergastuse olemuse uurimisel. Tulemuseks oli ioonide tähtsuse tuvastamine selles protsessis.

1. Galvani avastab elektri ja selle tähtsuse eluskudede jaoks (bioelekter).
2. A. L. Chizhevsky on mitme teadusharu isa, kes uurivad kosmose mõju biosfäärile, samuti ionisatsioonikiirgust ja elektrohemodünaamikat.
3. Valgumolekulide üksikasjalikku struktuuri uuriti alles pärast röntgendifraktsioonianalüüsi (röntgendifraktsioonanalüüs) avastamist. Seda tegid Perutz ja Kendrew (1962).
4. Samal aastal avastati DNA kolmemõõtmeline struktuur (Maurice Wilkins).
5. Neheril ja Zakmanil õnnestus 1991. aastal välja töötada meetod elektripotentsiaali lokaalseks fikseerimiseks.

Samuti võimaldasid mitmed teised avastused biofüüsika teadusel asuda arengu ja kujunemise intensiivse ja järkjärgulise moderniseerimise teele.

Biofüüsika osad

Selle teaduse moodustavad mitmed teadusharud. Vaatleme neist kõige elementaarsemaid.

1. Keeruliste süsteemide biofüüsika – käsitleb kõiki mitmerakuliste organismide iseregulatsiooni keerulisi mehhanisme (süstemogenees, morfogenees, sünergogenees). Samuti uurib see distsipliin ontogeneesi ja evolutsioonilise arengu protsesside füüsikalise komponendi iseärasusi, organismide organiseerituse taset.
2. Sensoorsete süsteemide bioakustika ja biofüüsika - uurib elusorganismide sensoorseid süsteeme (nägemine, kuulmine, vastuvõtt, kõne jt), erinevate signaalide edastamise viise. Avaldab energia muundamise mehhanisme, kui organismid tajuvad välismõjusid (ärritusi).
3. Teoreetiline biofüüsika – hõlmab mitmeid subteadusi, mis on seotud bioloogiliste protsesside termodünaamika uurimisega, organismide struktuuriosade matemaatiliste mudelite konstrueerimisega. Arvestab ka kineetilisi protsesse.
4. Molekulaarbiofüüsika – käsitleb selliste biopolümeeride nagu DNA, RNA, valgud, polüsahhariidid struktuurse korralduse ja toimimise sügavaid mehhanisme. Ta tegeleb nende molekulide mudelite ja graafiliste kujutiste ehitamisega, ennustab nende käitumist ja teket elussüsteemides. Samuti ehitab see distsipliin supramolekulaarseid ja submolekulaarseid süsteeme, et määrata kindlaks biopolümeeride ehitus- ja toimemehhanism elussüsteemides.
5. Raku biofüüsika. Ta uurib tähtsamaid rakuprotsesse: diferentseerumist, jagunemist, ergastumist ja membraanistruktuuri biopotentsiaale. Erilist tähelepanu pööratakse ainete membraanitranspordi mehhanismidele, potentsiaalide erinevusele, membraani ja seda ümbritsevate osade omadustele ja struktuurile.
6. Ainevahetuse biofüüsika. Peamised vaatluse all on organismide solariseerumine ja sellega kohanemine, hemodünaamika, termoregulatsioon, ainevahetus ja ionisatsioonikiirte mõju.
7. Rakendusbiofüüsika. See koosneb mitmest distsipliinist: bioinformaatika, biomeetria, biomehaanika, evolutsiooniprotsesside ja ontogeneesi uurimine, patoloogiline (meditsiiniline) biofüüsika. Rakendusbiofüüsika uurimisobjektid on luu- ja lihaskonna süsteem, liikumisviisid, inimeste füüsiliste tunnuste järgi äratundmise meetodid. Erilist tähelepanu väärib meditsiiniline biofüüsika. See käsitleb patoloogilisi protsesse organismides, molekulide või struktuuride kahjustatud osade rekonstrueerimise või nende kompenseerimise meetodeid. Annab materjali biotehnoloogia jaoks. Sellel on suur tähtsus haiguste, eriti geneetilise iseloomuga haiguste arengu ennetamisel, nende kõrvaldamisel ja toimemehhanismide selgitamisel.
8. Elupaiga biofüüsika – uurib nii olendite lokaalsete elupaikade kui ka lähi- ja kaugemate kosmoseolemite mõjusid. Arvestab ka biorütme, ilmastikutingimuste ja bioväljade mõju olenditele. Töötab välja meetmed negatiivsete mõjude vältimiseks

Kõik need distsipliinid annavad tohutu panuse elussüsteemide elumehhanismide, biosfääri ja erinevate tingimuste mõju mõistmise arengusse.

Kaasaegsed saavutused

Mõned olulisemad sündmused, mis on seotud biofüüsika saavutustega, on järgmised:

• paljastas organismide kloonimise mehhanismid;
• on uuritud transformatsioonide iseärasusi ja lämmastikoksiidi rolli elussüsteemides;
• on loodud seos väike- ja messenger-RNA-de vahel, mis võimaldab tulevikus leida lahendust paljudele meditsiinilistele probleemidele (haiguste likvideerimine);
• avastas autolainete füüsikalise olemuse;
• tänu molekulaarbiofüüsikute tööle on uuritud DNA sünteesi ja replikatsiooni aspekte, mis tõid kaasa võimaluse luua mitmeid uusi ravimeid tõsiste ja keeruliste haiguste korral;
• kõigi fotosünteesi protsessiga kaasnevate reaktsioonide kohta on loodud arvutimudelid;
• töötatakse välja organismi ultraheliuuringu meetodid;
• on kindlaks tehtud seos kosmogeofüüsikaliste ja biokeemiliste protsesside vahel;
• prognoositav kliimamuutus planeedil;
• ensüümi urokenaasi tähtsuse avastamine tromboosi ennetamisel ja insuldijärgsete tagajärgede likvideerimisel;
• tegi ka mitmeid avastusi valgu struktuuri, vereringesüsteemi ja teiste kehaosade kohta.

Venemaa Biofüüsika Instituut

Meie riigis on need olemas. M. V. Lomonosov. Selle õppeasutuse baasil tegutseb biofüüsika teaduskond. Just tema koolitab selle valdkonna tööks kvalifitseeritud spetsialiste.

Väga oluline on anda tulevastele spetsialistidele hea algus. Neid ootab ees raske töö. Biofüüsik on kohustatud mõistma elusolendites toimuvate protsesside kõiki peensusi. Lisaks peavad õpilased mõistma füüsikat. Lõppude lõpuks on see keeruline teadus - biofüüsika. Loengud on üles ehitatud nii, et need hõlmaksid kõiki biofüüsikaga seotud ja moodustavaid distsipliine ning käsitleksid nii bioloogilisi kui ka füüsikalisi küsimusi.