Nykyaikaisen biofysiikan tärkeimmät kehityssuunnat. Biofysikaalisen tutkimuksen tasot. Luennot biofysiikasta Kaverit, joita meiltä kysyttiin mikrobiofysiikasta

JOHDANTO

"Luonnon logiikka on kaikkein saavutettavin ja hyödyllisin logiikka lapsille."
K.D. Uminsky

Tässä työkokemusta esittelevässä käsikirjassa on pyritty pohtimaan fysiikan ja biologian koulukurssien välisen yhteyden pääsuuntia ja piirteitä sekä hahmotella mahdollisia tapoja ja muotoja tämän yhteyden vahvistamiseksi.
Tämän työn pääsuunnat ovat seuraavat: tutustuttaa opiskelijat biologiassa ja lääketieteessä laajalti käytössä oleviin fyysisiin tutkimus- ja vaikuttamismenetelmiin, villieläinfysiikkaan, joihinkin bioniikan elementteihin.
Fysiikan kurssin lähes kaikkiin osiin voidaan valita suuri määrä biofysikaalisia esimerkkejä (mitä teimme, katso liite), mutta niitä on suositeltavaa käyttää vain osittain, teknisten ja elottomasta luonnosta peräisin olevien esimerkkien ohella.
Biofysikaalisten esimerkkien houkuttelemisen päätavoitteena on fysiikan kurssin parempi omaksuminen. Biofysikaalisen materiaalin tulee liittyä suoraan fysiikan ja biologian kurssien opetussuunnitelmiin ja heijastaa lupaavimpia tieteen ja teknologian kehityksen suuntauksia.
Biofysikaalisen materiaalin valinnassa voidaan mainita kolme pääsuuntaa.
Ensimmäisen suunnan tavoitteena on näyttää opiskelijoille luonnonlakien yhtenäisyys, fysiikan lakien sovellettavuus elävään organismiin.
Toinen suunta vastaa biologiassa ja lääketieteessä laajalti käytettyihin fyysisiin vaikuttamis- ja tutkimusmenetelmiin perehtymistä. Yläasteen fysiikan kurssilla opiskelijat tutustuvat vain optisiin laitteisiin (suurennuslasi, mikroskooppi), röntgensäteitä ja "merkittyjä atomeja" käyttäen. Kuitenkin jo tavallisessa kaupunkiklinikalla jokainen kohtaa suuren määrän fyysisiä menetelmiä kehonsa tutkimiseksi - mitataan verenpaine, rekisteröidään sydämen biopotentiaalit jne., joita ei oteta huomioon koulussa.
Kolmas suunta on perehdyttää opiskelijat bioniikan ideoihin ja tuloksiin. Esimerkiksi värähtelyjä tutkiessaan opiskelijoille kerrotaan, että koin kuuloelin havaitsee äänivärähtelyt taajuusalueella 10-100 kHz ja mahdollistaa lepakon lähestymisen havaitsemisen (sille koi on suosikkiruoka ) 30 m etäisyydellä. Nämä villieläinten "saavutukset" ovat korkeampia kuin kaikuluotaimien, ultraäänitutkien, virheilmaisimien ja jopa tutkien alalla saadut tulokset. Tällaisia ​​esimerkkejä on monia. On kuitenkin syytä korostaa, että bioniikka ei pyri sokeasti jäljittelemään biologisia järjestelmiä, vaan paljastamaan niiden rakentamisen periaatteet.

Luku I
BIOFYSIKAALISEN MATERIAALIN KÄYTTÖ FYSIIKAN TUNNIT

Opiskelijoiden tutustumistavat biofysikaaliseen materiaaliin eivät pohjimmiltaan poikkea tavoista perehtyä tekniikan elementteihin. Fysiikka on tekniikan perusta; toisaalta fysiikka on laajalti käytetty biologian tutkimuksessa ja auttaa ymmärtämään biologisten esineiden rakenteen ja elämän piirteitä.
Jo ensimmäisillä tunneilla lapset oppivat, että kaikki luonnontieteet käyttävät fysiikan lakeja. Tätä ajatusta on selkeytettävä ja laajennettava. Ensimmäisen tutustumisen yhteydessä aiheeseen - fysiikkaan - on toivottavaa näyttää opiskelijoille sen lakien soveltuvuus ihmisten ja kasvien, lintujen, kalojen jne. elämään. Tätä varten voit verrata lintujen, hyönteisten ja lentokoneiden lentoa , puhua sijainnista eläinmaailmassa kuulumattomien äänien alalla. Voit esimerkiksi puhua siitä, että myyrän kehon rakenteen tutkiminen auttoi insinöörejä luomaan maansiirtokoneen, ja delfiinien ja kalojen havainnot auttavat parantamaan sukellusveneitä. Leonardo da Vincin klassiset havainnot lintujen lennosta ja niiden siipien suunnittelusta sekä näiden ideoiden hyödyntäminen nykyaikaisten insinöörien toimesta lentokoneiden, vauhtipyörien ja rakettien suunnittelussa tunnetaan. On tärkeää, että opiskelijoiden mieleen jää ensimmäisistä tunneista lähtien ajatus siitä, että fysiikka on avain sekä elottoman että elävän luonnon ilmiöiden ymmärtämiseen.
Uutta fysiikan materiaalia esiteltäessä on parasta esittää havainnollistavaa biofysikaalista tietoa opettajalle itselleen. Se voi olla sekä eläviä organismeja kuvaavaa numeerista tietoa että kuvausta biologiassa käytettävistä tutkimusmenetelmistä sekä lyhyttietoa lääketieteellisistä tai biologisista laitteista.
Uuden materiaalin esittelyä voidaan vuorotella keskustelun kanssa, varsinkin alemmilla luokilla. Opettaja viittaa opiskelijoiden elämänkokemukseen, tietoon, jota he saivat opiskellessaan peruskoulussa, kasvitieteen, maantieteen ja muiden asiaan liittyvien tieteenalojen tunneilla. Elävän luonnon fysiikan ongelmien ratkaiseminen voi olla tärkeässä roolissa biofysiikan elementteihin perehtymisessä. Esimerkiksi juoksun, luistelun jne. urheiluennätystaulukon avulla voit löytää keskinopeudet, harjoitella nopeusyksiköiden muuntamista järjestelmästä toiseen.
Menneisyyttä toistettaessa on mahdollista ottaa mukaan myös biofysikaalista materiaalia. Käytimme tätä työmuotoa joidenkin aiheiden opiskelun jälkeen, lukuvuoden lopussa ja toistettaessa ennen loppukokeita. Nimetään muutamia katsauksen toiston aiheita: mekaniikka villieläimissä, sähkö ja luonto, optiikka ja elämä, sähkömagneettisten kenttien vaikutus eläimiin ja kasveihin.
Useita biofysikaalisia kysymyksiä tulisi selittää käyttämällä fragmentteja joistakin elokuvista ja filminauhaista, piirustuksia, kaavioita ja taulukoita sekä biologian luokassa saatavilla olevia visuaalisia apuvälineitä.
Useimmiten fysiikan opettajat voivat saada vain hyvin rajallisen valikoiman laitteita biologian luokasta (mikroskooppi, silmä-, korvamallit; vastaavat taulukot). Samaan aikaan tämä ei ole kaukana kaikista biologian luokkahuoneista saatavilla olevista laitteista, joita voidaan käyttää hyödyllisesti fysiikan opiskelussa. Jo ensimmäisessä biofyysisessä illassamme ”Fysiikka ja lääketiede” käytimme biologian salista seuraavia laitteita: keuhkojen vitaalitilavuuden mittauslaite, verenpaineen mittauslaite, silmä- ja korvamallit, dynamometrit lihasvoiman mittaamiseen.
Myöhemmin työssämme, esitellessämme opiskelijoita biofysiikan elementteihin, yritimme käyttää tähän tarkoitukseen myös biologian luokkahuoneen laitteita: A. N. Kabanovin "Ihmisen anatomian ja fysiologian taulukot", "Mnr animals" - a. sarja monivärisiä taulukoita A. A. Yakhontov, herbariumit ja kokoelmat perhosia, sudenkorentoja, kovakuoriaisia, kilpikonnia jne. On myös hyödyllistä näyttää joitain biologiaa koskevia opetuselokuvia ja elokuvanauhoja.
Jatkossa ilmoitamme missä ja mitä visuaalisia apuvälineitä ja teknisiä välineitä voidaan käyttää sekä mitä visuaalisia apuvälineitä opiskelijat voivat itse tehdä.

§ 1. Biofysiikan osatekijät mekaniikan tutkimuksessa

Liike ja voimat
Opiskellessaan VI luokalla aihetta ”Liike ja voimat” oppilaat voivat tutustua erilaisten elävien olentojen liikenopeuksiin. Etana ryömii noin 5,5 m tunnissa Kilpikonna liikkuu nopeudella noin 70 m/h. Kärpäs lentää nopeudella 5 m/s. Keskimääräinen kävelynopeus on noin 1,5 m/s eli noin 5 km/h. Jalkaväen sotilasyksikkö voi liikkua jopa 7 km/h nopeudella. Hevonen pystyy liikkumaan nopeuksilla 6-30 km/h ja enemmän.
Keskikaistan eläimistä jänis juoksee nopeimmin, sen nopeus on 50 - 60 km / h. Hieman häntä huonompi on susi, joka voi juosta jopa 45 km / h nopeuksilla. ;
Monet kalat liikkuvat keskimäärin noin 4 km / h nopeudella, mutta jotkut niistä pystyvät saavuttamaan paljon suurempia nopeuksia: esimerkiksi miekkakalat voivat saavuttaa jopa 90 km / h nopeuden.
On myös mielenkiintoista tarkastella kalojen liikkumisnopeustaulukon lukuja.
Tässä on erittäin tärkeää kiinnittää huomiota kalojen nopeuden arvioon senttimetreinä sekunnissa sekä kehon pituuksina sekunnissa. Näiden tietojen mukaan taimen osoittautuu nopeimmaksi, vaikka sen nopeuden itseisarvo on suhteellisen pieni.
Eläinmaailman eri edustajien nopeusdataa käyttämällä on mahdollista ratkaista monenlaisia ​​ongelmia. Katsotaanpa joitain niistä.
Simpukan liikenopeus on 0,9 mm/s. Ilmoita tämä nopeus yksiköissä cm/min, m/h.
Saalista jahtaava muuttohaukka sukeltaa nopeudella 300 km/h. Minkä matkan se kulkee 5 sekunnissa?
1 Monien elävien olentojen nopeus ilmaistaan ​​erityisellä arvolla, joka on yhtä suuri kuin niiden ruumiinpituuksien lukumäärä, jonka ne liikkuvat sekunnissa
Kirjakyyhkysten lentonopeus 1800 m/min. Ilmaise tämä arvo km/h. Kuinka pitkän matkan kyyhkynen kulkee 3 tunnin lennon aikana? Onko mahdollista ohittaa kyyhkynen autossa, jonka keskinopeus on 60 km/h?
Tiedetään, että tammen keskimääräinen kasvunopeus on noin 30 cm/vuosi. Kuinka vanha on 6,3 m korkea puu?
Neuvostoliiton urheilija Vladimir Kuts juoksi 5000 m 815 sekunnissa. Määritä sen nopeus km/h.

Puhelimen paino Tiheys
Tutustuessamme käsitteeseen "kehon massa" ja tehdessämme tehtäviä aineen tiheyden ja kehon miehittämän tilavuuden määrittämiseksi käytimme joitain lisätaulukkotietoja (taulukko 2).
Esimerkki. Määritä koivupuun massa, jos sen tilavuus on 5 m3.
Esimerkki. Mikä on pellavansiemenöljyn massa, jonka tilavuus on 5 litraa?
Esimerkki. Määritä kuivan bambun tilavuus, jos sen massa on 4800 kg.

Painovoima. Kehon paino
Kun opiskelet tätä aihetta, voit suorittaa seuraavan koulutustyön. Eri nisäkkäiden massat on annettu: valas - /0000 kg, norsu - 4000 kg, sarvikuono - 2000 kg, härkä - 1200 kg, karhu - 400 kg, sika - 200 kg, ihminen - 70 kg, susi - 10 kg, jänis -6 kg. Etsi heidän painonsa newtoneina.
Samoja tietoja voidaan käyttää voimien kuvaamiseen graafisesti.
Mielenkiintoisempaa tietoa voidaan tarjota matkan varrella.
Suurimmat eläimet kuuluvat nisäkkäiden luokkaan, joista sinivalas on erityisen silmiinpistävä kooltaan ja painoltaan. Esimerkiksi yksi pyydetyistä valaista oli 33 metrin pituinen ja painoi 1500 kn, mikä vastasi 30 norsun tai 150 härän painoa. Suurin nykyaikainen lintu on afrikkalainen strutsi, jonka korkeus on 2,75 m, pituus 2 litraa (nokan kärjestä hännänpäähän) ja paino 75 kg. Pienimmät linnut ovat kolibreita. Yhden lajin kolibrin massa on noin 2 g, siipien kärkiväli 3,5 cm.
Kitka- ja vastusvoimat.

Kitka elävissä organismeissa
Kitkavoimien ongelman ilmaisussa voidaan vedota suureen määrään biofysikaalista materiaalia. Tiedetään, että kitkaa vähentävillä nesteillä (öljy, terva jne.) on aina merkittävä viskositeetti. Sama on elävässä organismissa: kitkaa vähentävät nesteet ovat samalla hyvin viskooseja.
Esimerkiksi veri on nestettä, joka on viskoosimpaa kuin vesi. Kun se liikkuu verisuonijärjestelmän läpi, se kokee vastuksen sisäisen kitkan ja verisuonten pinnan kitkan vuoksi. Mitä ohuempia suonet ovat, sitä suurempi kitka ja sitä enemmän verenpaine laskee.
Alhainen kitka nivelissä johtuu niiden sileästä pinnasta, niiden voitelusta nivelnesteellä. Sylki toimii voiteluaineena nieltäessä ruokaa. Lihasten tai jänteiden kitka luuta vasten vähenee, koska pussit, joissa ne sijaitsevat, vapauttavat erityistä nestettä. Tällaisten esimerkkien määrää voidaan jatkaa.
Merkittävä kitka on välttämätön liikeelinten työpinnoille. Liikkumisen välttämätön edellytys on luotettava "kytkentä" liikkuvan kappaleen ja "tuen" välillä. Pito saavutetaan joko raajoissa olevilla pisteillä (kynnet, kavioiden terävät reunat, hevosenkengän piikit) tai pienillä epätasaisuuksilla, kuten harjaksilla, suomuilla, mukuloilla jne. Merkittävää kitkaa tarvitaan myös tarttumiseen elimiin. Niiden muoto on mielenkiintoinen: nämä ovat joko pihtejä, jännittäviä
esine kahdelta puolelta tai säikeet, jotka ympäröivät sitä (jos mahdollista, useita kertoja). Käsi yhdistää pihtien toiminnan ja täyden peiton kaikilta puolilta; kämmenen pehmeä iho tarttuu hyvin pidettävien esineiden epätasaisuuteen.
Monilla kasveilla ja eläimillä on erilaisia ​​tarttumiselimiä (kasvien antennit, norsun runko, kiipeävien eläinten sitkeät hännät jne.). Niillä kaikilla on käämitykseen sopiva muoto ja karhea pinta kitkakertoimen lisäämiseksi (kuva 1).
Elävissä organismeissa sopeutumiset ovat yleisiä (villa, harjakset, suomut, pintaan vinosti sijaitsevat piikit), joiden vuoksi kitka on pieni yhteen suuntaan ja suuri vastakkaiseen suuntaan. Kastemadon liike perustuu tähän periaatteeseen. Taaksepäin suunnatut harjakset kuljettavat vapaasti madon vartalon eteenpäin, mutta estävät vastasuuntaisen liikkeen. Vartaloa pidennettäessä pääosa liikkuu eteenpäin, hännän pysyessä paikallaan, supistuessaan pääosa viipyy ja häntä vedetään sitä vasten.
Monilla vesilintuilla havaitaan myös vastuksen muutos eri suuntiin liikkuessa. Esimerkiksi ankkojen tai hanhien jalkojen uimakalvoja käytetään airoina. Kun siirrät jalkaa taaksepäin, ankka haravoi vettä suoristetulla kalvolla, ja eteenpäin liikkuessaan ankka liikuttaa sormiaan - vastus laskee, minkä seurauksena ankka liikkuu eteenpäin.
Parhaat uimarit ovat kalat ja delfiinit. Monien kalojen nopeus on kymmeniä kilometrejä tunnissa, esimerkiksi sinihain nopeus on noin 36 km/h. Kalat voivat kehittää tällaista nopeutta rungon virtaviivaisen muodon ja pään muodon vuoksi, mikä aiheuttaa alhaisen vastuksen1.
1 Kalan rungon virtaviivaisesta muodosta johtuva vastustuskyvyn heikkeneminen voidaan havainnollistaa täytetyllä ahvenella, hauella; voit myös näyttää "Shark" -taulukon A. A. Yakhontovin sarjasta "Eläinten maailma".
Asiantuntijoiden kiinnostus herätti delfiinien kykyä liikkua vedessä ilman paljon vaivaa suurella nopeudella (lähellä aluksen keulaa 55 - 60 km / h, vapaasti uinti - 30 - 40 km / h). Todettiin, että liikkuvan delfiinin ympärillä tapahtuu vain lievää suihkun (laminaarista) liikettä, joka ei muutu pyörteeksi (turbulentiksi).
Tutkimus on osoittanut, että delfiinien "antiturbulenssin" salaisuus
piilossa hänen ihoonsa. Se koostuu kahdesta kerroksesta - uloimmasta, erittäin joustavasta, 1,5 mm paksuisesta ja sisäisestä, tiheästä, 4 mm paksuisesta kerroksesta.
Näiden kerrosten välissä on kasvaimia tai piikkejä. Alla on tiheästi kudottuja kuituja, joiden välinen tila on useita senttejä täynnä rasvaa.
Tämä iho toimii erinomaisena vaimentajana. Lisäksi delfiinin ihossa on jatkuvasti ohut kerros erityistä "voiteluainetta", jota erityiset rauhaset tuottavat. Tämä vähentää kitkavoimaa.
Vuodesta 1960 lähtien on valmistettu keinotekoisia vaimennuspinnoitteita, jotka ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia ​​kuin "delfiinin iho". Ja jo ensimmäiset kokeet torpedolla ja sellaisella nahalla päällystetyllä veneellä vahvistivat mahdollisuuden vähentää vedenkestävyyttä 40 - 60%.
Kalojen tiedetään liikkuvan parvissa. Pienet merikalat kävelevät muodoltaan pisaraa muistuttavassa parvessa, kun taas veden vastustuskyky parven liikkeelle on pienin.
Monet linnut kerääntyvät ketjuun tai kouluun pitkän matkan lennoilla. Jälkimmäisessä tapauksessa vahvempi lintu lentää eteenpäin, sen ruumis leikkaa ilmassa kuin laivan köli leikkaa veden läpi. Muut linnut lentävät niin, että parven terävä kulma säilyy; ne säilyttävät oikean asennon suhteessa johtolintuun vaistomaisesti, koska se vastaa vähimmäisvastusvoimia.
lentoa suunnittelemassa. Liukuvaa lentoa havaitaan melko usein sekä kasvi- että eläinkunnassa. Monet hedelmät ja siemenet on varustettu joko karvakimpuilla (voikukka, puuvilla jne.), jotka toimivat kuin laskuvarjo, tai tukitasoilla prosesseja ja ulkonemia (havupuut, vaahtera, koivu, lehmus ja monet sateenvarjo). Eräät hedelmät ja siemenet, jotka on varustettu "liukukoneilla", on esitetty kuvassa 2, a.
Kasviliitimet ovat monin tavoin jopa kehittyneempiä kuin ihmisen valmistamat. Ne nostavat painoonsa verrattuna paljon suuremman kuorman, lisäksi ne ovat vakaampia.
Liito-oravan, coleopteranin ja lepakoiden rungon rakenne on mielenkiintoinen (kuva 2b). He käyttävät kalvojaan suuriin hyppyihin. Liito-oravat voivat siis hypätä jopa 20-30 metrin etäisyyksille yhden puun latvasta toisen alemmalle oksille.

Nesteiden ja kaasujen paine
Ilmanpaineen rooli elävien organismien elämässä.
Ihmiskehoon, jonka pinta-ala, jonka massa on 60 kg ja korkeus 160 cm, on noin 1,6 m2, vaikuttaa 160 tuhannen n:n voima ilmakehän paineen vuoksi. Kuinka kroppa kestää niin valtavan kuormituksen?
Tämä saavutetaan johtuen siitä, että kehon suonet täyttävien nesteiden paine tasapainottaa ulkoista painetta.
Tähän asiaan liittyy läheisesti mahdollisuus olla veden alla suurissa syvyyksissä. Tosiasia on, että kehon siirtyminen toiselle korkealle tasolle aiheuttaa sen toimintojen hajoamisen. Tämä johtuu toisaalta astioiden seinien muodonmuutoksesta, joka on suunniteltu tietylle paineelle sisä- ja ulkopuolelta. Lisäksi paineen muuttuessa monien kemiallisten reaktioiden nopeus muuttuu, minkä seurauksena myös kehon kemiallinen tasapaino muuttuu. Paineen noustessa kehon nesteiden kaasujen imeytyminen lisääntyy ja paineen laskussa liuenneiden kaasujen vapautuminen. Kun paine laskee nopeasti voimakkaasta kaasujen vapautumisesta, veri ikään kuin kiehuu, mikä johtaa verisuonten tukkeutumiseen, usein kuolemaan. Tämä määrittää suurimman syvyyden, jolla sukellusoperaatiot voidaan suorittaa (yleensä vähintään 50 m). Sukeltajien laskemisen ja nostamisen tulee olla hyvin hidasta, jotta kaasujen vapautuminen tapahtuu vain keuhkoissa, ei heti koko verenkiertoelimessä.
On mielenkiintoista analysoida tarkemmin ilmakehän paineen vaikutuksesta toimivien elinten toimintaperiaatetta.
Ilmanpaineen vaikutuksesta toimivien elinten toiminta. imumekanismi. Lihasponnistus (kielen, kitalaen lihasten supistuminen jne.) luo alipainetta (harvinaisuuksia) suuonteloon, ja ilmakehän paine työntää osan nesteestä sinne.
Erilaisten imukuppien toimintamekanismi. Imejät ovat joko puolipallon muotoisia kulhoja, joissa on tahmeat reunat ja pitkälle kehittyneet lihakset (reunat painetaan saalista vasten, jolloin imevän tilavuus kasvaa; iilimatojen ja pääjalkaisten imevät voivat toimia esimerkkinä) tai ne koostuvat rivi nahkakytkimiä kapeiden taskujen muodossa. Reunat kiinnitetään pintaan, josta ne pitävät; kun yrität vetää imukuppia, taskujen syvyys kasvaa, paine niissä laskee ja ilmakehän paine (vesieläimille vedenpaine) painaa imukupin pintaan voimakkaammin. Esimerkiksi tahmealla kalalla tai remoralla on imi, joka vie lähes koko pään pituuden. Tämä kala tarttuu muihin kaloihin, kiviin sekä veneisiin ja laivoihin. Se tarttuu niin lujasti, että se on helpompi rikkoa kuin irrottaa, minkä ansiosta se voi toimia eräänlaisena koukuna.
Kuvassa 3 on maila - toinen kahdesta pisimmästä pyydystävästä kalmarilonkerosta, jossa on tiheästi erikokoisia imureita.
Samalla tavalla on järjestetty porsaan lapamato imevät, joiden avulla tämä lapamato tarttuu ihmisen suolen seinämään.
Näiden tikkujen rakenne voidaan näyttää märällä lapamatovalmisteella, joka on saatavilla biologiahuoneesta.
Kävely tahmealla maaperällä. Ilmanpaineen vaikutus on hyvin havaittavissa kävellessä viskoosissa maaperässä (suon imuvaikutus). Kun jalkaa nostetaan, sen alle muodostuu harvinainen tila; liiallinen ulkoinen paine estää jalkaa nousemasta. Painevoima aikuisen jalkaan Kuva. 3.
voi saavuttaa 1000 k. Tämä näkyy erityisen selvästi käveltäessä hevosta, jonka kova kavio toimii kuin mäntä.
Sisään- ja uloshengitysmekanismi. Keuhkot sijaitsevat rinnassa, ja ne on erotettu siitä ja palleasta ilmatiiviillä ontelolla, jota kutsutaan pleuraonteloksi. Kun rintakehän tilavuus kasvaa, keuhkopussin ontelon tilavuus kasvaa ja ilmanpaine siinä laskee ja päinvastoin. Koska keuhkot* ovat elastisia, niiden painetta säätelee vain keuhkopussin ontelon paine. Hengitettäessä rintakehän tilavuus kasvaa, minkä seurauksena paine keuhkopussin ontelossa laskee (kuva 4.6); tämä lisää keuhkojen tilavuutta lähes 1000 ml. Samalla niiden paine laskee ilmakehän paineeksi ja ilma syöksyy hengitysteiden kautta keuhkoihin. Uloshengitettäessä rintakehän tilavuus pienenee (kuva 4c), minkä seurauksena paine keuhkopussin ontelossa kasvaa, mikä aiheuttaa keuhkojen tilavuuden pienenemistä. Ilmanpaine niissä nousee ilmakehän painetta korkeammaksi, ja ilma keuhkoista syöksyy ympäristöön.
Normaalilla hiljaisella hengityksellä hengitetään sisään noin 500 ml ilmaa, saman verran uloshengitetään normaalin uloshengityksen aikana ja kokonaisilmatilavuus keuhkoissa on noin 7 l.
1 Sisäänhengitys-uloshengitysmekanismin selittämiseen voidaan käyttää rintaontelon mallikaaviota, joka on saatavilla biologitoimistosta. Täällä voidaan esitellä vesispirometriä, jolla mitataan keuhkojen vitaalikapasiteettia. Leningradin opetuselokuvastudion vuonna 1964 julkaisema elokuva "Hengityselinten rakenne ja toiminnot" voidaan myös näyttää tätä aihetta tutkittaessa.
Sydän on pumppu.
Sydän on hämmästyttävä pumppu, joka toimii taukoamatta koko ihmisen elämän ajan.
Se pumppaa 0,1 litraa verta sekunnissa, 6 litraa minuutissa, 360 litraa yhdessä tunnissa, 8640 litraa yhdessä päivässä, yli 3 miljoonaa litraa vuodessa ja noin 220 miljoonaa 70 elinvuoden aikana. , l.
Jos sydän ei pumppaisi verta suljetun järjestelmän läpi, vaan pumppaisi sen jonkinlaiseen säiliöön, niin 100 m pitkä (PC) m leveä ja 22 m syvä allas olisi mahdollista täyttää.
Pufferfish olemassaolon taistelussa. Kaasulakien "soveltaminen" eräänlaisen kalan - puffikalan - elämässä on mielenkiintoinen. Se elää Intian valtamerellä ja Välimerellä. Hänen ruumiinsa on tiheästi täynnä lukuisia piikkejä - muunneltuja suomuja; levossa ne ovat enemmän tai vähemmän lähellä kehoa. Vaaran ilmaantuessa paisukala ryntää välittömästi veden pinnalle ja nielemällä ilmaa suolistoon muuttuu turvonneeksi palloksi; piikit nousevat ja työntyvät ulos kaikkiin suuntiin (kuva 5). Kala pysyy lähellä pintaa kaatuen vatsallaan ja osa ruumiista työntyy veden yläpuolelle. Tässä asennossa puffikala on suojattu petoeläimiltä sekä alhaalta että ylhäältä. Kun vaara on ohitettu, täpläkala vapauttaa ilmaa ja sen ruumis saa kaikkimuotoisen muodon.
Hydrostaattiset laitteet villieläimissä. Villieläimissä on outoja eturauhaslaitteita. Esimerkiksi nautilus-suvun pääjalkaiset elävät kuorissa, jotka on erotettu väliseinillä erillisiin kammioihin (kuva 6). Eläin itse miehittää viimeisen kammion, kun taas loput ovat täynnä kaasua. Uppoaakseen pohjaan nilviäinen täyttää kuoren vedellä, se tulee raskaaksi ja uppoaa helposti. Kelluakseen pintaan nautilus pumppaa kaasua kuoren osastoihin; kaasu syrjäyttää veden ja pesuallas löystyy.
Neste ja kaasu ovat kuoressa paineen alaisia, minkä vuoksi helmiäinen talo ei räjähdä edes 4 cm1.sadan metrin syvyydessä.
Mielenkiintoinen tapa liikuttaa meritähtiä, merisiiliä, holoturiaa, jotka liikkuvat hydro-t yttisten paineiden erojen vuoksi. Meritähden ohuet, ontot ja joustavat jalat turpoavat liikkuessaan. Dpnlsipemin alla olevat rungot-pumput pumppaavat niihin vettä. Vesi venyttää niitä, ne vetäytyvät eteenpäin, tarttuvat kiviin. Imetyt jalat puristetaan ja vetävät meritähtiä eteenpäin, sitten vesi pumpataan muihin jalkoihin ja ajoneuvot jatkavat matkaa. Meritähtien keskinopeus on noin 10 m/h. Mutta toisaalta täällä saavutetaan täysi liikkeenvaimennus!

Archimedean voima
Kalastaa. Vesiympäristössä asuvien elävien organismien tiheys eroaa hyvin vähän veden tiheydestä, joten niiden paino on lähes täysin tasapainotettu Arkhimedeen voiman vaikutuksesta. Tämän ansiosta vesieläimet eivät tarvitse niin massiivisia luurankoja kuin maanpäälliset (kuva 7).
Uimarakon rooli kaloissa on mielenkiintoinen. Tämä on kalan ainoa kehon osa, jolla on huomattava puristuvuus; Puristamalla kuplaa rinta- ja vatsalihasten voimin kala muuttaa kehonsa tilavuutta ja sitä kautta keskimääräistä tiheyttä, minkä ansiosta se voi tietyissä rajoissa säädellä sukelluksensa syvyyttä.
Vesilinnut. Tärkeä tekijä vesilintujen elämässä on paksu höyhen- ja untuvakerros, joka ei päästä vettä läpi ja joka sisältää huomattavan määrän ilmaa; Tämän linnun koko kehoa ympäröivän omituisen ilmakuplan vuoksi sen keskimääräinen tiheys on hyvin alhainen. Tämä selittää sen tosiasian, että ankat ja muut vesilinnut eivät uppoa juurikaan uiessaan.
Hopeinen hämähäkki. Fysiikan lakien kannalta hopeahämähäkin olemassaolo on erittäin mielenkiintoinen. Hopeahämähäkki järjestää asuntonsa - vedenalaisen kellon - vahvasta verkosta. Täällä hämähäkki tuo pinnalta ilmakuplia, jotka viipyvät vatsan ohuiden karvojen välissä. Kelloon hän kerää ilmaa, jota hän täydentää aika ajoin; Tämän ansiosta hämähäkki voi pysyä veden alla pitkään.
Vesikasvit. Monet vesikasvit säilyttävät pystyasennon varsien äärimmäisestä joustavuudesta huolimatta, koska niiden oksien päissä on suuria ilmakuplia, jotka toimivat kellukkeina.
Vesi Kastanja. Utelias vesikasvi on chilim (water prex). Se kasvaa Volgan takavesillä, järvissä ja suistoissa. Sen hedelmät (vesipähkinät) saavuttavat 3 cm halkaisijan ja ovat muodoltaan meriankkurin muotoisia, joissa on tai ei ole muutama terävä sarvi. Tämä "ankkuri" auttaa pitämään nuoren itävän kasvin sopivassa paikassa. Kun chilim haalistuu, raskaita hedelmiä alkaa muodostua veden alla. Ne saattoivat hukuttaa kasvin, mutta juuri tuolloin lehtien varrelle muodostuu turvotusta - eräänlainen "pelastusvyö". Tämä lisää kasvien vedenalaisen osan tilavuutta; siten nostovoima kasvaa. Näin saavutetaan tasapaino hedelmän painon ja turvotuksen synnyttämän kelluvuusvoiman välillä.
Uiminen sifonofori. Zoologit kutsuvat sifonoforeja erityiseksi suoliston eläinten ryhmäksi. Kuten meduusat, ne ovat vapaasti uivia merieläimiä. Kuitenkin toisin kuin edelliset, ne muodostavat monimutkaisia ​​pesäkkeitä, joilla on erittäin selvä polymorfismi*. Pesäkkeen huipulla on yleensä yksilö, jonka avulla koko pesäke pysyy vesipatsaassa ja liikkuu - tämä on kaasua sisältävä kupla. Kaasua tuotetaan erityisillä tiivisteillä. Tämä kupla saavuttaa joskus 30 cm pituuden.
Tämän osion rikas biofyysinen materiaali mahdollistaa oppituntien johtamisen kuudesluokkalaisten kanssa monipuolisesti ja mielenkiintoisesti.
Kuvataanpa esimerkiksi keskustelua, jossa tutkitaan aihetta "Arkimedeolainen voima". Opiskelija tuntee kalojen elämän, vesikasvien ominaisuudet. He ovat jo tutustuneet kelluvan voiman toimintaan. Vähitellen saamme heidät ymmärtämään Arkhimedesen lain roolia kaikille vesiympäristössä oleville olennoille. Aloitamme keskustelun esittämällä kysymyksiä: miksi kalalla on heikompi luuranko kuin maalla elävillä olennoilla? Miksi levät eivät tarvitse kovia varsia? Miksi rantaan jäänyt valas kuolee oman painonsa alle? Tällaiset epätavalliset kysymykset fysiikan tunnilla yllättävät opiskelijat. He ovat kiinnostuneita. Jatkamme keskustelua ja muistutamme kavereita, että vedessä on käytettävä paljon vähemmän voimaa tukeakseen toveria kuin rannalla (ilmassa). Yhteenvetona kaikki nämä tosiasiat ohjaamalla oppilaita oikeaan tulkintaan, tuomme lapset kauaskantoiseen yleistykseen fyysisen tekijän vaikutuksesta (nostevoima, joka osoittautuu paljon suuremmiksi vesiympäristössä kuin ilmassa) vesieläinten ja -kasvien kehityksestä ja rakenteellisista ominaisuuksista.

Newtonin lait
Jotkut inertian ilmenemismuodot. Palkokasvien kypsät palot, jotka avautuvat nopeasti, kuvaavat kaaria. Tällä hetkellä siemenet irtautuvat kiinnityspaikoista hitauden vaikutuksesta tangentiaalisesti sivuille. Tämä siementen levitysmenetelmä on melko yleinen kasvikunnassa.
Atlantin ja Intian valtameren trooppisilla vyöhykkeillä havaitaan usein ns lentävien kalojen lentoa, jotka paetessaan meren petoeläimiä hyppäävät ulos vedestä ja tekevät liukulennon suotuisalla tuulella kattaen etäisyydet jopa 200 - 300 m 5 - 7 m korkeudella ilmaa pyrstöevän nopean ja voimakkaan värähtelyn vuoksi. Aluksi kala ryntää pitkin veden pintaa, sitten voimakas hännän isku nostaa sen ilmaan. Levitetyt pitkät rintaevät tukevat kalan vartaloa kuin purjelentokone. Kalan lentoa vakauttavat häntäevät; kalat liikkuvat vain inertialla.
Uinti ja Newtonin kolmas laki. On helppo nähdä, että liikkeen aikana kalat ja iilimatot työntävät vettä takaisin, kun taas ne itse liikkuvat eteenpäin. Uiva iilimato ajaa vettä takaisin aaltomaisilla kehon liikkeillä ja uiva kala hännän aallolla. Siten kalojen ja iilimatojen liike voi toimia esimerkkinä Newtonin kolmannesta laista.
Lento ja Newtonin kolmas laki. Hyönteisten lento perustuu siipien räpyttelyyn (flapping flight). Lennonhallinta saavutetaan lähes yksinomaan siipien avulla. Siipien räpyttelytason suuntaa muuttamalla hyönteiset muuttavat liikkeen suuntaa: eteenpäin, taaksepäin, lentävät yhdessä paikassa, kääntyvät jne. Jotkut ketterimmistä lentävistä hyönteisistä ovat kärpäsiä. Omi tekee usein jyrkkiä käännöksiä sivulle. Tämä saavutetaan kääntämällä äkillisesti pois yhden kehon puolen siivet - niiden liike pysähtyy hetkeksi, kun taas vartalon toisen puolen siivet jatkavat värähtelyä, mikä aiheuttaa kääntymisen sivulle alkuperäisestä lentosuunnasta. .
Perhosilla-brazh-nnkp ja hevosperhoilla on suurin lentonopeus - 14 - 15 m / s. Sudenkorennot lentävät nopeudella 10 m / s, lantakuoriaiset - jopa 7 m / s, mehiläiset - jopa 6 - 7 m / s. Hyönteisten lentonopeus on hidas lintuihin verrattuna. Kuitenkin, jos lasketaan suhteellinen nopeus (nopeus, jolla kimalainen, noppi, kottarainen ja lentokone liikkuvat matkan, joka vastaa sen oman ruumiin pituutta), niin käy ilmi, että se on pienin lentokoneessa ja eniten hyönteisille.
Hans Leonardo da Vinci tutki lintujen lentoa etsiessään tapoja pyörittää lentokoneita. II oli kiinnostunut lintujen lennoista. V. Žukovski, joka kehitti aerodynamiikan perusteet. Nyt räpyttelyn periaate herättää jälleen itserakentajien huomion
Suihkukoneisto villieläimissä. Jotkut eläimet liikkuvat suihkuvoiman periaatteella, esimerkiksi kalmarit, mustekalat (kuva 8), seepia. Meren nilviäinen-I rsbshok, joka puristaa jyrkästi kuoriventtiilejä, voi liikkua eteenpäin nykäyksillä kuoreen heitetyn vesisuihkun reaktiivisen voiman vuoksi. Suunnilleen sama liike ja joitain muita nilviäisiä. Sudenkorentotoukat imevät vettä takasuoliin, heittävät sen sitten ulos ja hyppäävät eteenpäin III ”ryntäyksen” voiman vaikutuksesta.
Koska näissä tapauksissa iskut erotetaan toisistaan ​​merkittävillä aikaväleillä, ei saavuteta suurta liikenopeutta. Liikkumisnopeuden, toisin sanoen reaktiivisten impulssien määrän lisäämiseksi aikayksikköä kohden, tarvitaan hermojen johtavuuden lisääminen, mikä kiihdyttää suihkumoottoria palvelevien lihasten supistumista. Tällainen suuri johtavuus on mahdollista suurella hermon halkaisijalla. Tiedetään, että kalmarilla on eläinkunnan suurimmat hermosäikeet. Ne saavuttavat 1 mm:n halkaisijan - 50 kertaa suuremman kuin useimmat nisäkkäät - ja suorittavat virityksen nopeudella 25 m/s. Tämä selittää kalmareiden suuren liikkeen nopeuden (jopa 70 km / h).
Kiihdytykset ja ylikuormitukset, joita elävät olennot pystyvät kestämään. Newtonin lakeja tutkiessaan opiskelija pääsee tutustumaan kiihtyvyyksiin, joita ihminen kohtaa eri elämäntilanteissa.
Kiihdytykset hississä Suurin kiihtyvyys (tai hidastuvuus) hissikorin liikkeen aikana normaalikäytössä ei saa ylittää 2 m/s2 kaikissa hisseissä. Pysähdyttäessä “stop” maksimikiihtyvyyden arvo ei saa ylittää 3 m/s2.
Kiihtyvyys ilmailussa. Kun keho kokee kiihtyvyyttä, sanotaan, että se altistuu ylikuormitukselle. Ylikuormituksen suuruutta kuvaa liikkeen kiihtyvyyden a suhde vapaan pudotuksen kiihtyvyyteen g:
k = -. g
Laskuvarjohypyn aikana tapahtuu suuria kiihtyvyksiä ja siten ylikuormituksia.
Jos avaat laskuvarjon 1000 m korkeudessa 15 sekuntia putoamisen jälkeen, ylikuormitus on noin 6; laskuvarjon avaaminen saman viiveen jälkeen 7000 metrin kohdalla aiheuttaa ylikuormituksen, joka on 12; 11 000 metrin korkeudessa samoissa olosuhteissa ylikuormitus on lähes kolme kertaa suurempi kuin 1000 metrin korkeudessa.
Laskuvarjolla laskeutuessa tapahtuu myös ylikuormituksia, jotka ovat mitä pienempiä, sitä pidempi jarrutusmatka. Siksi g-voima on pienempi laskeutuessa pehmeälle maalle. 5 m/s laskeutumisnopeudella ja sen takaisinmaksulla polvien ja vartalon taipumisesta johtuen noin 0,5 m matkalla ylikuormitus on noin 3,5.
Maksimikiihtyvyydet, vaikkakin hyvin lyhytaikaiset, ihminen kokee poistuessaan lentokoneesta. Samalla istuimen lähtönopeus ohjaamosta on noin 20 m/s, kiihdytysrata -1 - 1,8 m. Kiihtyvyyden maksimiarvo on 180 - 190 m/s2, ylikuormitus - 18 - 20.
Suuresta arvosta huolimatta tällainen ylikuormitus ei kuitenkaan ole terveydelle vaarallista, koska se vaikuttaa lyhyen ajan, noin 0,1 sekuntia.
Kiihtyvyyden vaikutus eläviin organismeihin. Mieti, kuinka kiihtyvyydet vaikuttavat ihmiskehoon. Iivian, mukaan lukien pään, avaruudellista liikettä ilmaisevat hermoimpulssit menevät erityiseen elimeen - vestibulaarilaitteeseen. Vestibulaarinen laite ilmoittaa myös ommelaivoille liikenopeuden muutoksesta, joten sitä kutsutaan myös kiihtyvyysaistin elimeksi. Tämä piarat asetetaan sisäkorvaan.
Vestibulaarilaitteen ärsytyksen kynnysarvot, jotka saavuttavat ihmisen tajuihinsa, sekä verkkokalvon kiihtyvyys eri liikkeiden aikana on esitetty taulukossa 3.

Selästä rintaan, rinnasta selkään ja puolelta toiselle suuntautuvat kiihdytykset ovat helpommin siedettyjä. Siksi henkilön oikea asento on erittäin tärkeä. Edellytyksenä on yleinen fyysinen harjoittelu, joka johtaa koko kehon lihasten hyvään kehitykseen.
Lisäksi on tarpeen erityisesti harjoitella vartaloa kiihtyvyyksien kestävyyden lisäämiseksi. Tällainen koulutus suoritetaan erityisillä lineaarisilla kiihdyttimillä, sentrifugeissa ja muissa asennuksissa.
Käytetään myös erityisiä anti-g-pukuja, joiden muotoilu varmistaa sisäelinten kiinnittymisen.
Tässä on mielenkiintoista muistaa, että K. E. Tsiolkovsky ehdotti, että hänen ruumiinsa asetettaisiin saman tiheyden omaavaan nesteeseen lisätäkseen ihmisen kestävyyttä kiihtyvyyteen. On huomattava, että tällainen kehon suojaaminen kiihtyvyydestä on luonnossa melko laajalle levinnyt. Näin alkio suojataan munassa, näin sikiö on suojattu kohdussa. K. E. Tsiolkovsky laittoi kananmunan suolaliuospurkkiin ja pudotti sen korkealta. Muna ei rikki.
Tällä hetkellä on olemassa tietoa vastaavista kokeista kaloilla ja sammakoilla. Veteen laitetut kalat ja sammakot kestivät 1000 g:n ja sitä suuremmat iskukiihtyvyydet.
Swordfish iskunvaimennin. Luonnossa on erilaisia ​​mukautuksia, joiden avulla elävät organismit voivat sietää kiihtyvyyden ja hidastumisen aikana ilmeneviä ylikuormituksia kivuttomasti. Tiedetään, että työntö hypyn aikana pehmenee, jos laskeudut puolitaivutetuille jaloille; iskunvaimentimen roolia hoitaa selkäranka, jossa rustotyynyt ovat eräänlaisia ​​puskureita.
Miekkakalalla on mielenkiintoinen iskunvaimennin. Miekkakala tunnetaan meriuimarien ennätyksen haltijana. Sen nopeus on 80-90 km/h. Hänen miekkansa pystyy lävistämään laivan tammirungon. Hän ei kärsi sellaisesta iskusta. Osoittautuu, että hänen päässään miekan juuressa on hydraulinen iskunvaimennin - pienet hunajakennomaiset ontelot, jotka on täytetty rasvalla. Ne pehmentävät iskua. Miekkakalan nikamien väliset rustotyynyt ovat erittäin paksuja; Kuten vaunujen puskurit, ne vähentävät työntövoimaa.
Yksinkertaiset mekanismit villieläimissä
Eläinten ja ihmisten luurangossa kaikki luut, joilla on jonkin verran liikkumisvapautta, ovat vipuja, esimerkiksi ihmisillä - raajojen luut, alaleuka, kallo (tukipiste on ensimmäinen nikama), sormien sormus. sormet. Kissoilla liikkuvat kynnet ovat vipuja; monilla kaloilla on piikit selkäevässä; niveljalkaisissa useimmat osat niiden ulkoisesta luurangosta; simpukoilla on kuoriventtiilit.
Luuston sidokset on yleensä suunniteltu lisäämään nopeutta ja menettämään voimaa. Erityisen suuria nopeuden lisäyksiä saadaan hyönteisillä.
Luurangon vipuelementin käsivarsien pituuden suhde riippuu läheisesti tämän elimen suorittamista elintärkeistä toiminnoista. Esimerkiksi vinttikoiran ja hirven pitkät jalat määräävät heidän kykynsä juosta nopeasti; myyrän lyhyet tassut on suunniteltu suurten voimien kehittämiseen alhaisella nopeudella; vinttikoiran pitkät leuat mahdollistavat nopean saaliin tarttumisen juostessa, ja bulldogin lyhyet leuat sulkeutuvat hitaasti mutta vahvasti (purulihas kiinnittyy hyvin lähelle hampaat ja lihasten voima siirtyy hampaat lähes heikentämättä).
Vipuelementtejä löytyy eläimen ja ihmisen kehon eri osista - näitä ovat esimerkiksi raajat, leuat.
Tarkastellaan vivun tasapainoolosuhteita kallon esimerkissä (kuva 9, a). Tässä vivun O pyörimisakseli kulkee kallon nivelen läpi ensimmäisen nikaman kanssa. Suhteellisen lyhyen olkapään tukipisteen edessä vaikuttaa pään painovoima, sen takana niskaluun kiinnittyneiden lihasten ja nivelsiteiden vetovoima F.
Toinen esimerkki vivun toiminnasta on jalkakaaren toiminta nostettaessa varpaille (kuva 9, b). Vivun tuki O, jonka läpi pyörimisakseli kulkee, ovat jalkapöydän luiden päät. Voittovoima R - koko kehon paino - kohdistetaan taluluun. Vaikuttava lihasvoima F, joka nostaa kehoa, välittyy akillesjänteen kautta ja kohdistuu calcaneuksen ulkonemaan.
Kasveissa vipuelementit ovat vähemmän yleisiä, mikä selittyy kasviorganismin alhaisella liikkuvuudella. Tyypillinen vipu on puunrunko ja pääjuuri, joka muodostaa sen jatkon. Männyn tai tammen syvälle maahan menevä juurella on suuri kaatumiskestävyys (vastuslapa on suuri), joten männyt ja tammet eivät juuri koskaan käänny ylösalaisin. Päinvastoin kuuset, joilla on puhtaasti pinnallinen juuristo, kaatuvat hyvin helposti.
Mielenkiintoisia kytkentämekanismeja löytyy joistakin kukista (kuten salvian heteistä) ja myös joistakin alasvetohedelmistä.
Harkitse niittysalvian rakennetta (kuva 10). Pitkänomainen hete toimii vivun pitkänä varteena A. Sen päässä on ponne. Vivun lyhyt varsi B ikään kuin suojaa kukan sisäänkäyntiä. Kun hyönteinen (useimmiten kimalainen) ryömii kukkaan, se painaa vivun lyhyttä vartta. Samaan aikaan pitkä käsi osuu ponnella kimalaisen selkään ja jättää siihen siitepölyä. Lentäessään toiseen kukkaan, hyönteinen pölyttää sen tällä siitepölyllä.
Luonnossa ovat yleiset joustavat elimet, jotka voivat muuttaa kaarevuuttaan laajalla alueella (selkäranka, häntä, sormet, käärmeen runko ja monet kalat). Niiden joustavuus johtuu joko useiden lyhyiden vipujen ja vivustojärjestelmän yhdistelmästä,
tai yhdistelmä suhteellisen joustamattomia elementtejä ja välielementtejä, jotka ovat helposti muotoutuvia (norsun runko, toukka jne.). Taivutuksen hallinta toisessa tapauksessa saavutetaan pitkittäis- tai vinosti sijoitettujen tankojen järjestelmällä.
Monien eläinten "lävistystyökalut" - kynnet, sarvet jne. - ovat kiilan muotoisia (muokattu kalteva taso); nopeasti liikkuvien kalojen pään terävä muoto on kiilan kaltainen. Monet näistä kiiloista ovat hampaita, piikillä (kuva 11) on erittäin sileät kovat pinnat (minimaalinen kitka), minkä vuoksi ne ovat erittäin teräviä.

Muodonmuutoksia
Ihmiskeho kokee melko suuren mekaanisen kuormituksen omasta painostaan ​​ja työtoiminnan aikana tapahtuvista lihasponnisteluista. Inter-
Resno, että henkilön esimerkki voi jäljittää kaikenlaisia ​​muodonmuutoksia. Puristusjännitykset kokevat selkärangassa, alaraajoissa ja jalan ihossa. Jännitys - yläraajat, nivelsiteet, jänteet, lihakset; taivutus - selkäranka, lantion luut, raajat; vääntö - niska päätä käännettäessä, vartalo alaselässä käännettäessä, kädet pyöriessä jne.
Muodonmuutosongelmien laatimiseen käytimme taulukon 4 tietoja.
Taulukosta käy ilmi, että jännityksessä olevan luun tai jänteen kimmomoduuli on erittäin suuri ja lihaksille, suonille ja valtimoille erittäin pieni.
Olkapuuta tuhoava murtojännitys on noin 8-107 N/m2, reisiluuta tuhoava murtojännitys noin 13-107 N/m2. Nivelsiteiden, keuhkojen jne. sidekudokset ovat erittäin elastisia, esimerkiksi takaraivositeitä voi venyttää yli kaksi kertaa.
Yksittäisistä tangoista (ristikoista) tai 120°:n kulmassa yhtyneistä levyistä koostuvilla rakenteilla on maksimaalinen lujuus minimaalisella materiaalinkulutuksella. Esimerkki tällaisista rakenteista ovat kuusikulmainen hunajakennosolut.
Vääntövastus kasvaa erittäin nopeasti paksuuden kasvaessa, joten vääntöliikkeiden suorittamiseen suunnitellut elimet ovat yleensä pitkiä ja ohuita (linnun kaula, käärmeen vartalo).
Taivutuksen aikana materiaalia venytetään kuperaa puolta pitkin ja puristetaan koveraa puolta pitkin; keskikokoiset leuat, joilla on huomattava
muodostelmia ei testata. Siksi tekniikassa kiinteät tangot korvataan putkilla, palkit valmistetaan T-palkeista tai I-palkeista; Tämä säästää materiaalia ja vähentää yksiköiden painoa. Kuten tiedät, nopeasti kasvavien kasvien - viljakasvien (kuva 12), sateenvarjokasvien jne. - raajojen ja varren luut ovat putkimaisia. Auringonkukassa ja muissa kasveissa varressa on löysä ydin. Viljojen nuoret, kypsymättömät lehdet taitetaan aina putkeen.
T-palkkia muistuttavia rakenteita löytyy lintujen rintalastusta, monien surffausvyöhykkeellä elävien nilviäisten kuorista jne. Palkki on ylöspäin kaareva ja siinä on luotettavat tuet, jotka eivät anna sen päiden siirtyä erilleen (kaari) , on suuri vahvuus suhteessa sen kuperaan puoleen (arkkitehtoniset kaaret, tynnyrit; ja eliöissä - kallo, rintakehä, munankuoret, pähkinät, kovakuoriaisten kuoret, ravut, kilpikonnat jne.).
Elävien olentojen kaatuminen. Galileo Galilei kirjoitti: "Kuka ei tietäisi, että hevonen, joka putoaa kolmen tai neljän kyynärän korkeudelta, murtaa jalkansa, kun taas koira ei kärsi, ja kissa pysyy vahingoittumattomana, heitetyksi kahdeksasta kymmeneen kyynärään, aivan kuten sirkka, joka putosi tornin huipulta, tai muurahainen, joka putosi maahan ainakin kuun pallolta.
Miksi suurelta korkeudelta maahan putoavat pienet hyönteiset pysyvät vahingoittumattomina, kun taas suuret eläimet kuolevat?
Eläimen luiden ja kudosten vahvuus on verrannollinen niiden poikkileikkauspinta-alaan. Myös ilmaan kohdistuva kitkavoima kappaleiden putoamisen yhteydessä on verrannollinen tähän alueeseen. Eläimen massa (ja sen paino) on verrannollinen sen tilavuuteen. Kun kehon koko pienenee, sen tilavuus pienenee paljon nopeammin kuin pinta. Näin ollen putoavan eläimen koon pienentyessä sen hidastusvoima ilmaa vasten (massayksikköä kohti) kasvaa verrattuna suuremman eläimen hidastusvoimaan massayksikköä kohti. Toisaalta pienemmällä eläimellä luu- ja lihasvoima lisääntyy (myös massayksikköä kohti).
Ei ole täysin oikein verrata hevosen ja kissan vahvuutta kaatuessa, koska niillä on erilainen ruumiinrakenne, erityisesti "iskuja vaimentavat" laitteet, jotka pehmentävät iskuja iskujen aikana, ovat erilaisia. Olisi oikeampaa verrata tiikeria, ilvestä ja kissaa. Näistä kissaeläimistä vahvin olisi kissa!
"Rakennuslaitteet" villieläinten maailmassa. Tutkittuaan aihetta "Solid Body" on hyödyllistä puhua analogioista "luonnon rakennustekniikassa" ja ihmisen luomassa tekniikassa.
Luonnon ja ihmisten rakennustaide kehittyy samalla periaatteella - materiaalia ja energiaa säästäen.
Muinaisista ajoista lähtien erilaiset luontomallit ovat olleet yllättäviä ja ilahduttavia. Hämähäkin verkon vahvuus ja eleganssi on hämmästyttävää, mehiläisten asunnon rakennustaide ilahduttaa - niiden hunajakennojen tiukka geometria, joka koostuu säännöllisistä kuusikulmaisista soluista. Muurahaisten ja termiittien rakenteet ovat hämmästyttäviä. Kalkkipitoisten korallirunkojen muodostamat korallisaaret ja riutat ovat hämmästyttäviä. Jotkut merilevät on peitetty herkästi muotoilluilla kovilla kuorilla. Esimerkiksi peridiinit on puettu omituisiin kuoriin, jotka muodostuvat erillisistä kovista kuorista. Ne on esitetty suurella suurennuksella kuvassa 13.
Vielä monimuotoisempia ovat meren radiolaarit (yksinkertaisimmat eläimet), joiden pienet luurangot on esitetty kuvassa 14 (vertailun vuoksi lumihiutaleet on esitetty numeroiden - 3 alla).
Viime aikoina rakentajien huomion ovat kiinnittäneet näytteet kasvimaailmasta. K. A. Timiryazev kirjoitti: "Varren rooli, kuten tiedetään, on pääasiassa arkkitehtoninen: se on koko rakennuksen kiinteä luuranko, joka kantaa lehtitelttaa ja jonka paksuudessa, kuten vesiputkissa, on mehuja kuljettavia astioita. laitettu... Varresta opimme joukon hämmästyttäviä tosiasioita, jotka todistavat, että ne on rakennettu kaikkien rakennustaiteen sääntöjen mukaan.
Jos otamme huomioon varren ja nykyaikaisen tehdashormin poikkileikkaukset, niiden suunnittelun samankaltaisuus on silmiinpistävää. Putken tarkoitus on luoda vetoa ja poistaa haitalliset kaasut pois maasta. Ravinteet nousevat ylös kasvin varresta juurista. Sekä putki että varsi ovat jatkuvasti samantyyppisten staattisten ja dynaamisten kuormituksen - oman painonsa, tuulen jne. - vaikutuksen alaisia. Nämä ovat syitä niiden rakenteelliseen samankaltaisuuteen. Molemmat mallit ovat onttoja. Varren säikeet sekä putken pitkittäisvahvistus sijaitsevat koko kehän kehällä. Molempien rakenteiden seinillä on soikeita aukkoja. Spiraalivahvistuksen rooli varressa on iholla.
Tiedetään, että luissa oleva kiinteä materiaali sijoittuu pääjännitysten liikeratojen mukaisesti. Tämä voidaan löytää, jos tarkastellaan ihmisen reisiluun yläosan pitkittäistä leikkausta ja kaarevaa nosturipalkkia, joka toimii taivutuksessa pystysuoran kuorman vaikutuksesta, joka jakautuu tietylle yläpinnan alueelle. Mielenkiintoista on, että teräksinen Eiffel-torni muistuttaa rakenteeltaan ihmisen putkimaisia ​​luita (reisi tai sääriluu). Samankaltaisuus on rakenteiden ulkoisissa muodoissa ja luun "palkkien" ja "palkkien" ja tornin kannattimien välisissä kulmissa.
Nykyaikaiselle arkkitehtuurille ja rakennustekniikalle on ominaista huomioiminen villieläinten parhaisiin "esimerkkeihin". Nykyajan vaatimuksia ovat kuitenkin lujuus ja keveys, jotka voidaan helposti täyttää käyttämällä rakentamisessa terästä, teräsbetonia, alumiinia, lujitettua sementtiä ja muovia. Spatiaaliset hilajärjestelmät ovat yleistymässä. Niiden prototyypit ovat puun varren tai rungon "luurankoja", jotka on muodostettu kestävämmästä kudoksesta kuin muu kasvimateriaali, joka suorittaa biologisia ja eristäviä tehtäviä. Tämä on puun lehtien suonijärjestelmä ja juurikarvojen hila. Tällaiset rakenteet muistuttavat koreja, lampunvarjostimen lankakehystä, parvekkeen kaarevaa ristikkoa jne. Italialainen insinööri P. Nervi käytti puunlehden rakenteen periaatetta Torinon messuhallin päällysteessä, kiitos mm. jonka kevyt ja ohut rakenne kattaa 98 metrin jännevälin ilman tukia. Kirjamme kannessa on tämäntyyppinen rakennus, joka näyttää joko kuorelta tai kukkakuppilta.
Ominaista on pneumaattisten rakenteiden käyttö, jotka ovat melko yhdenmukaisia ​​luonnollisten muotojen kanssa: hedelmien muoto, ilmakuplat, verisuonet, kasvien lehdet jne.
Rakennusmateriaalien vahvistamiseksi fysikaaliset kemistit ovat kääntyneet pienimpien rakenteiden tutkimukseen ja kehittävät nyt teknologiaa monista hienoista kuiduista, kalvoista ja rakeista koostuvien ultravahvojen materiaalien valmistamiseksi luonnon ehdottamien periaatteiden mukaisesti. Raskaiden rakenteiden saamiseksi ei kuitenkaan riitä rakennusmateriaalien vahvistaminen. Tiedetään, että luurakenteet ylittävät joskus teräsrakenteet useissa indikaattoreissa, mutta tämä tapahtuu teräksen lujuutta heikomman luumateriaalin "jakauman" vuoksi.
Luomalla tämän tai toisen rakenteen luonto ratkaisee monia ongelmia - se ottaa huomioon tarvittavan vastustuskyvyn ulkoisille mekaanisille vaikutuksille ja ympäristön fysikaalisille ja kemiallisille vaikutuksille, tarjoaa kasveille vettä, ilmaa, aurinkoa. Kaikki nämä
tehtävät ratkaistaan ​​kokonaisvaltaisesti, kaikki on yhteisen tehtävän, elimistön yleisen elämänrytmin, alaista. Kasveissa et näe vapaasti riippuvia vesikapillaareja, kuten ihmisten rakenteissa. Veden tasaisen ja jatkuvan liikkeen tehtävän lisäksi ne suorittavat myös mekaanisen toiminnon, joka vastustaa ympäristön ulkoisia mekaanisia vaikutuksia.
Ja jos kuvittelet mahdollisuuden rakentavan materiaalin itseuudistukseen sen toiminnan aikana, mikä on luonnostaan ​​​​elävälle luonnolle! Ilmeisesti suoja haitallisilta kemiallisilta vaikutuksilta, matalilta ja korkeilta lämpötiloilta löytyy kasvien ja eläinten sisäkudosten tutkimuksesta.
Bioniikalla aseistettu rakennustaide luo rakenteiden ja rakennusten maailman luonnollisemman ja täydellisemmän kuin se, johon olemme tottuneet.

Ihmisen kehittämä voima
"Työ ja valta" -aihetta läpikäydessä on mielenkiintoista antaa tietoa voimasta, jota ihminen pystyy kehittämään.
Uskotaan, että henkilö voi normaaleissa työoloissa kehittää tehoa noin 70 - 80 wattia (eli noin 0,1 hv). Lyhytaikainen tehon lisääminen useaan kertaan on kuitenkin mahdollista.
Joten 750 kilometriä painava henkilö voi hypätä 1 metrin korkeuteen 1 sekunnissa, mikä vastaa 750 watin tehoa. Nopealla nousulla, esimerkiksi 7 porrasta, joista jokainen on noin 0,15 m korkea, noin 1 litran teho kehittyy 1 sekunnissa. Kanssa. tai 735 wattia.
Äskettäin olympiapyöräilijä Brian Jolly testasi 480 wattia 5 minuutin ajan, mikä on lähes 2/3 hv. Kanssa.
Välitön tai räjähdysmäinen energian vapautuminen on mahdollista ihmiselle erityisesti urheilulajeissa, kuten kuulantyöntö tai korkeushyppy. Havainnot ovat osoittaneet, että korkeiden hyppyjen aikana, joissa molemmilla jaloilla on samanaikainen repulsio, jotkut miehet kehittävät keskimäärin noin 5,2 litran tehon 0,1 sekunnissa. s. ja naiset - 3,5 a. Kanssa.

Laitteet nostovoiman muuttamiseen
Mielenkiintoisia tietoja haiden ja sampien rungon rakenteesta voidaan raportoida lentokoneen siiven nostovoima-ongelman tutkimuksen yhteydessä. Tiedetään, että lentokonetta laskettaessa, kun sen nopeus ja siten nostovoima on pieni, tarvitaan lisälaitteita nostovoiman lisäämiseksi. Tätä tarkoitusta varten käytetään erityisiä suojia -
siiven alapinnalla sijaitsevat läpät, jotka lisäävät sen profiilin kaarevuutta. Laskeutuessaan ne kumartuvat.
Luiset kalat (joihin kuuluu suurin osa nykykaloista) säätelevät keskimääräistä tiheyttä ja vastaavasti upotussyvyyttä uimarakon avulla. Rustokaloilla ei ole tällaista sopeutumista. Niiden nostovoima muuttuu profiilin muutoksesta johtuen, kuten esimerkiksi lentokoneissa, hait (rustokalat) muuttavat nostovoimaansa rinta- ja vatsaevien avulla.

Sydän-keuhkokone (APC)
Mekaniikan opiskelun päätteeksi on hyödyllistä kertoa opiskelijoille sydän-keuhkokoneen laitteesta.
Sydänleikkausten aikana on usein tarpeen kytkeä se tilapäisesti pois verenkierrosta ja leikata kuivaa sydäntä.
Riisi. viisitoista.
Sydän-keuhkokone koostuu kahdesta pääosasta: pumppujärjestelmästä ja hapettimesta. Pumput suorittavat sydämen toimintoja - ne ylläpitävät painetta ja verenkiertoa kehon verisuonissa leikkauksen aikana. Oxygenaattori suorittaa keuhkojen toimintoja ja tarjoaa veren happisaturaatiota.
Yksinkertaistettu kaavio laitteesta on esitetty kuvassa 15. Mäntäpumppuja 18 käyttää sähkömoottori 20 säätimen 19 kautta, joka säätää pumpun mäntien rytmin ja iskun. Paine öljyllä täytettyjen putkien kautta välittyy pumppuihin 4 ja 9, jotka kumikalvojen ja venttiilien avulla luovat tarvittavan tyhjiön fysiologisen yksikön laskimoosaan (pumppu 4) ja puristuksen valtimoosaan (pumppu 9). laitteesta. Fysiologinen lohko koostuu verenkiertoelimistöstä, joka polyeteenikatetrien avulla on yhteydessä suuriin verisuoniin niiden poistumiskohdassa sydämestä ja hapettimesta.
Veri imetään ilmalukon 1, sähkömagneettisen puristimen 2, tasauskammion 3 läpi, joka suorittaa eteisen toimintoja, ja injektoidaan pumpun 4 avulla hapettimen yläkammioon 5. Tässä veri jakautuu tasaisesti sen keskikammion 6 täyttävän verivaahtopylvään yli. Se on nylonverkosta valmistettu sylinteri, jonka pohjassa on hapen jakaja 7. Happi tulee kammioon tasaisesti 30 reiän kautta. kammion pohjalle muodostunut ilmakerros. Vaahtokolonnin kuplien kokonaispinta-ala on noin 5000 cm2 (veritilavuudella 150 - 250 cm3). Oxygenaattorissa veri kyllästyy hapella, vapauttaa hiilidioksidia ympäröivään ilmakehään ja virtaa alempaan kammioon 8, josta se tulee pumpun 9, puristimen 10 ja ilmalukon 11 kautta kehon valtimojärjestelmään. Happi tulee hapettimiin kaasumittarin 17 ja kostuttimen 16 kautta. Happilaitteen yläosassa on vaahdonestolaite 12 ja kaasun ulostulo. Suoni 15, jossa on ylimääräistä verta tai verenkorvikenestettä, on yhteydessä hapettimeen puristimen 14 kautta. Veren virtausta hapettimesta säätelee uimuri 13, joka on liitetty induktiivisesti ulkopuolella olevaan kelaan, joka ohjaa laitteen sähkömagneettisten puristimien aktivointia.

Kysymyksiä ja tehtäviä

Eläviin esineisiin liittyvien ongelmien ratkaisemisessa tulee olla tarkkana, ettei biologisten prosessien tulkintavirheitä tule.
Harkitse ratkaisua useisiin ongelmiin, joita ehdotimme opiskelijoille.

Tehtävä 1. Kuinka selittää fysikaalisten esitysten avulla, että myrskyssä kuusi murtuu helposti juuren mukana, kun taas männyssä runko katkeaa nopeammin?
Ennen kuin teemme päätöksen, luemme näiden puiden ominaisuudet.
"Juurilla, pinnallisesti leviävä, se (kuusi. - Ts.K.) voi punota kiviä tiukasti, minkä vuoksi sillä on vuoristossa tarvittava vakaus myös erittäin ohuella maakerroksella, mutta koska se ei, kuin mänty, jättäen pystysuoraan juuren alas, sitten tasangoilla erillinen kuusi vetää helposti ulos myrskyn mukana juuren mukana. Puun kruunu muodostaa valtavan pyramidin."
”Metsässä kasvava mänty muodostaa korkean pylväsmäisen rungon ja pienen pyramidin muotoisen kruunun. Päinvastoin, puhtaasti avoimessa paikassa kasvaessaan se saavuttaa vain pienen kasvun, mutta sen kruunu kasvaa laajasti.
Sitten he keskustelivat opiskelijoiden kanssa mahdollisuudesta soveltaa hetkien sääntöä ongelman ratkaisemiseen.
Olemme kiinnostuneita analysoimaan vain asian laadullista puolta. Lisäksi meitä kiinnostaa kysymys molempien puiden vertailukäyttäytymisestä. Kuorman rooli ongelmassamme on tuulen voimalla FB. Runkoon vaikuttavan tuulen voima voidaan laskea lattuun vaikuttavaan tuulen voimaan ja jopa olettaa, että molempiin puihin vaikuttavat tuulen voimat ovat samat. Sitten ilmeisesti jatkoperustelun pitäisi olla "seuraava. Männyn juuristo menee syvemmälle maahan kuin kuusen. Tästä johtuen männyn maassa pitävän voiman lapa on suurempi kuin kuusen ( Kuva 16). Siksi kuusen kääntäminen juurista ylöspäin vaatii vähemmän tuulen vääntömomenttia kuin männyn, ja männyn irrottamiseen tarvitaan enemmän tuulen vääntöä kuin sen murtamiseen. irtoaa useammin kuin mänty, ja mänty katkeaa useammin kuin kuusi.

KOHETS FRAGMEHTA KIRJAT

Ihmisen toimintojen tunteminen on yksi vaikeimmista tehtävistä. Tieteen kehitys ensimmäisissä vaiheissa tapahtuu - tieteenalojen eriyttäminen, jonka tavoitteena on tiettyjen ongelmien syvällinen tutkiminen. Ensimmäisessä vaiheessa yritämme tuntea tietyn osan, ja kun onnistumme siinä, syntyy toinen tehtävä - kuinka tehdä yleinen idea. Alkuperäisten erikoisalojen risteyksessä on tieteenalat. Tämä koskee myös biofysiikkaa, joka ilmestyi fysiologian, fysiikan, fysikaalisen kemian risteyskohdassa ja avasi uusia mahdollisuuksia biologisten prosessien ymmärtämiseen.

Biofysiikka- tiede, joka tutkii fysikaalisia ja fysikaalis-kemiallisia prosesseja elävän aineen eri tasoilla (molekyyli, solu, elin, koko organismi) sekä fysikaalisten ympäristötekijöiden vaikutusten malleja ja mekanismeja elävään aineeseen.

jakaa-

• molekyylibiofysiikka - prosessien kinetiikka ja termodynamiikka
• solun biofysiikka - solurakenteen ja fysikaalis-kemiallisten ilmenemismuotojen tutkimus - läpäisevyys, biopotentiaalien muodostuminen
• aistielinten biofysiikka - fysikaaliset ja kemialliset vastaanottomekanismit, energian muunnos, tiedon koodaus reseptoreissa.
• Monimutkaisten järjestelmien biofysiikka - säätely- ja itsesäätelyprosessit ja näiden prosessien termodynaamiset ominaisuudet
• Ulkoisten tekijöiden vaikutuksen biofysiikka - tutkii ionisoivan säteilyn, ultraäänen, tärinän, valoaltistuksen vaikutusta kehoon

Biofysiikan tehtävät

1. Muodosta villin luonnon malleja tutkimalla kehon fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä
2. Tutkimus mekanismeista, jotka vaikuttavat fyysisiin tekijöihin kehoon

Euler (1707-1783) - hydrodynamiikan teorian lait, jotka selittävät veren liikkeen verisuonten läpi

Lavoisier (1780) - tutki energian vaihtoa kehossa

Galvani (1786) - biopotentiaalien, eläinten sähkön opin perustaja

Helmholtz (1821)

Röntgen - yritti selittää lihasten supistumisen mekanismeja pietsoefektien asennosta

Arrhenius - klassisen kinetiikan lait selittämään biologisia prosesseja

Lomonosov - energian säilymisen ja muuntamisen laki

Sechenov - tutki kaasun kulkeutumista veressä

Lazarev - kansallisen biofyysisen koulun perustaja

Pauling - proteiinin avaruudellisen rakenteen löytäminen

Watson ja Crick - DNA:n kaksoisrakenteen löytö

Hodgkin, Huxley, Katz - biosähköisten ilmiöiden ionisen luonteen löytö

Prigogine - peruuttamattomien prosessien termodynamiikan teoria

Eigen - hypersyklien teoria evoluution perustana

Sakman, Neher - loi ionikanavien molekyylirakenteen

Biofysiikka liittyi lääketieteen kehitykseen, koska. Siellä käytettiin menetelmiä fyysiseen kehoon vaikuttamiseen.

Biologia kehittyi ja oli välttämätöntä tunkeutua molekyylitasolla tapahtuvien biologisten prosessien salaisuuksiin

Teollisuuden tarve, jonka kehitys johti erilaisten fyysisten tekijöiden vaikutukseen kehossa - radioaktiivinen säteily, tärinä, painottomuus, ylikuormitukset

Biofysikaalisen tutkimuksen menetelmät

• Röntgendiffraktioanalyysi- aineen atomirakenteen tutkiminen röntgendiffraktiolla. Diffraktiokuviosta selviää aineen elektronitiheyden jakauma, ja jo siitä voidaan määrittää, mitä atomeja aine sisältää ja miten ne sijaitsevat. Kiderakenteiden, nesteiden ja proteiinimolekyylien tutkimus.
• Pylväskromatografia- seosten erilainen jakautuminen ja analyysi kahden faasin välillä - liikkuva ja kiinteä. Se voi liittyä vaihteleviin aineen absorptioasteisiin tai vaihtelevaan ioninvaihtoasteeseen. Voi olla kaasua tai nestettä. Aineiden jakautumista käytetään kapillaareissa - kapillaareissa tai sorbentilla täytettyissä putkissa - pylväs. Voidaan tehdä paperille, lautasille
• Spektrianalyysi- aineen laadullinen ja kvantitatiivinen määritys optisten spektrien avulla. Aine määritetään joko emissiospektri - emissiospektrianalyysillä tai absorptiospektri - absorptio. Ainepitoisuuden määrää spektrin viivojen suhteellinen tai absoluuttinen paksuus. Sisältää myös radiospektroskopia - elektroniparamagneettinen resonanssi ja ydinmagneettinen resonanssi.
• Isotooppiosoitus
• elektronimikroskopia
• ultraviolettimikroskopia- biologisten objektien tutkiminen UV-säteissä lisää kuvan kontrastia, erityisesti solunsisäisiä rakenteita, ja sen avulla voit tutkia muita soluja ilman esivärjäystä ja valmisteen kiinnittämistä

Yksi tärkeimmistä olemassaolon edellytyksistä on toimintojen, elinten ja kudosten, järjestelmien riittävä sopeutuminen ympäristöön. Elimistön ja ympäristön tasapaino on jatkuvaa. Näissä prosesseissa pääprosessi on fysiologisten toimintojen säätely ja hallinta.

Tietojen toteuttamisen, hallinnan ja käsittelyn yleisiä lakeja eri järjestelmissä tutkii kybernetiikan tiede (kybernetiikka on johtamisen taidetta), johtamisen lait ovat yhteisiä sekä ihmisille että teknisille laitteille. Kybernetiikan syntyä valmisteli automaattisen ohjauksen teorian kehitys, radioelektroniikan kehitys ja informaatioteorian luominen.

Shannon (1948) esitteli tämän työn teoksessa "The Mathematical Theory of Communication"

Kybernetiikka tutkii kaikenlaisia ​​järjestelmiä, jotka pystyvät vastaanottamaan, tallentamaan ja käsittelemään tietoa ja käyttämään sitä hallintaan ja säätelyyn. Kybernetiikka tutkii niitä signaaleja ja tekijöitä, jotka johtavat tiettyihin ohjausprosesseihin.

Sillä on suuri merkitys lääketieteen kannalta. Biologisten prosessien analysointi mahdollistaa säätelymekanismien laadullisen ja kvantitatiivisen tutkimisen. Johtamisen ja säätelyn tietoprosessit ovat ratkaisevia elimessä, ts. ovat ensisijaisia, joiden perusteella kaikki prosessit tapahtuvat.

Järjestelmät- järjestetty elementtien kokonaisuus, jotka on kytketty toisiinsa ja suorittavat tiettyjä toimintoja koko järjestelmän ohjelman mukaisesti. Aivojen elementit ovat neuroneja. Joukkueen elementit ovat ihmiset, jotka muodostavat sen. Vain joukko ei ole kyberneettinen järjestelmä.

Ohjelmoida- järjestelmän muutossarja tilassa ja ajassa, joka voidaan sisällyttää järjestelmän rakenteeseen tai tulla siihen ulkopuolelta.

Yhteys- elementtien vuorovaikutusprosessi keskenään, jossa tapahtuu aineen, energian, tiedon vaihtoa.

Viestit ovat jatkuvia ja erillisiä.

Jatkuva niillä on jatkuvasti muuttuvan arvon luonne (verenpaine, lämpötila, lihasjännitys, musiikilliset melodiat).

Diskreetti- koostuvat erillisistä vaiheista tai asteikoista, jotka eroavat toisistaan ​​(välittäjäosat, DNA:n typpipohja, morsekoodin pisteet ja katkoviivat)

Tietojen koodausprosessi on myös tärkeä. Sitä koodaavat hermoimpulssit hermokeskusten tiedon havaitsemiseksi. Koodielementit - symbolit ja paikat. Symbolit ovat ulottumattomia suureita, jotka erottavat jotain (aakkosten kirjaimet, matemaattiset merkit, hermoimpulssit, hajuaineiden molekyylit ja paikat määräävät symbolien tilallisen ja ajallisen järjestyksen).

Tietokoodi sisältää samat tiedot kuin alkuperäinen viesti. Tämä on isomorfismin ilmiö. Koodisignaalin energia-arvo on erittäin alhainen. Tiedon saapuminen arvioidaan signaalin läsnäolon tai puuttumisen perusteella.

Viesti ja tieto eivät ole sama asia, koska informaatioteorian mukaan

Tiedot- viestin vastaanottamisen jälkeen eliminoituvan epävarmuuden mitta.

Tapahtuman mahdollisuus ennakkotietoa.

Tapahtuman todennäköisyys tiedon vastaanottamisen jälkeen on jälkikäteen tietoa.

Viestin informatiivisuus on suurempi, jos vastaanotettu tieto lisää posterioria todennäköisyyttä.

Tietojen ominaisuudet.

1. Tiedolla on järkeä vain, jos siellä on sen vastaanottimet (kuluttaja) - "jos huoneessa on televisio, eikä siinä ole ketään"
2. Signaalin läsnäolo ei välttämättä tarkoita, että tietoa lähetetään, koska on viestejä, jotka eivät sisällä mitään uutta kuluttajalle.
3. Tietoa voidaan välittää sekä tietoisella että alitajuisella tasolla.
4. Jos tapahtuma on luotettava (ts. sen todennäköisyys on P=1), niin tapahtuneesta viestistä ei ole tietoa kuluttajalle
5. Viesti tapahtumasta, jonka todennäköisyys on P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Disinformaatiota- tiedon negatiivinen arvo.

Tapahtumien epävarmuuden mitta - haje(H)

Jos log2 N=1 niin N=2

Tietoyksikkö - bitti(kaksoistietoyksikkö)

H = lg N (hartley)

1 hartley on tiedon määrä, joka tarvitaan valitsemaan yksi kymmenestä yhtäläisestä mahdollisuudesta. 1 hartley = 3,3 bittiä

Säädin voi työskennellä kompensaatiolla, kun vaikutus kehoon on säätimen kompensoiva toiminta, joka johtaa toiminnan normalisoitumiseen

Johtamisen tavoitteena on fysiologisten toimintojen käynnistäminen, niiden korjaaminen ja prosessien koordinointi.

Vanhin on humoraalinen säätelymekanismi.

hermostomekanismi.

neurohumoraalinen mekanismi.

Sääntelymekanismien kehittyminen johtaa siihen, että eläimet pystyvät liikkumaan ja voivat poistua epäsuotuisasta ympäristöstä, toisin kuin kasvit.

Outpost-mekanismi (ihmisillä) - ehdollisten refleksien muodossa. Signalointiärsykkeiden osalta voimme toteuttaa ympäristöön vaikuttavia toimenpiteitä.

Biofysiikka (biologinen fysiikka) - tiede yksinkertaisimmista ja perustavanlaatuisimmista vuorovaikutuksista, jotka ovat taustalla elävän aineen eri organisoitumistasoilla - molekyyli-, solu-, organismi- ja populaatiossa.

Johdanto

Biofysiikan teoreettiset rakenteet ja mallit perustuvat käsitteisiin energiasta, voimasta, vuorovaikutustyypeistä, fysikaalisen ja muodollisen kinetiikan, termodynamiikan ja informaatioteorian yleisistä käsitteistä. Nämä käsitteet heijastavat aineen perusvuorovaikutusten ja liikelakien luonnetta, mikä, kuten tiedätte, on fysiikan - perustavanlaatuisen luonnontieteen - aihe. Biofysiikka biologiana tieteenä keskittyy biologisiin prosesseihin ja ilmiöihin. Nykyaikaisen biofysiikan päätrendi on tunkeutuminen syvimmille, alkeellisille tasoille, jotka muodostavat elämisen rakenteellisen organisaation perustan.

Biofysiikan muodostuminen ja kehittyminen liittyy läheisesti modernin biologian, fysiikan, kemian ja matematiikan ideoiden, teoreettisten lähestymistapojen ja menetelmien intensiiviseen vuorovaikutukseen.

IUPAB:n hyväksymä moderni biofysiikan luokitus

Kansainvälisen puhtaan ja sovelletun biofysiikan liiton (1961) hyväksymä luokittelu, joka heijastaa biofysikaalisen tutkimuksen tärkeimpiä biologisia kohteita, sisältää seuraavat osat: molekyylibiofysiikka, jonka tehtävänä on tutkia biofysikaalisten ja fysikaalisten kemiallisten aineiden fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia. makromolekyylit ja molekyylikompleksit; solubiofysiikka, joka tutkii solujen elämän fysikaalis-kemiallisia perusteita, kalvojen ja soluorganellien molekyylirakenteen ja niiden toimintojen välistä suhdetta, soluprosessien koordinaatiomalleja, niiden mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia, soluprosessien energiaa ja termodynamiikkaa; monimutkaisten järjestelmien biofysiikka, jotka sisältävät yksittäisiä organelleja, kokonaisia ​​organismeja ja populaatioita; säätö- ja säätöprosessien biofysiikka, joka käsittelee biologisten järjestelmien ohjausperiaatteiden tutkimusta ja mallintamista. Biofysiikassa on myös osioita: biopolymeerien rakenne (proteiinit, DNA, lipidit), biomekaniikka, biologinen optiikka, biomagnetismi, biologinen termodynamiikka. Biofysiikka sisältää myös tieteenaloja, jotka tutkivat erilaisten fysikaalisten tekijöiden (valo, ionisoiva säteily, sähkömagneettiset kentät jne.) vaikutusmekanismeja biologisiin järjestelmiin.

Fysiikan ja matematiikan periaatteiden tunkeutumisen historia biologiaan

Biologisten esineiden fysikaalisten ominaisuuksien tutkimuksen alku liittyy mekaniikan perustan luoneiden G. Galileon ja R. Descartesin (1600-luku) töihin, joiden periaatteiden pohjalta yritettiin ensin selittää joitakin elämän prosesseja. Esimerkiksi Descartes uskoi, että ihmiskeho on kuin monimutkainen kone, joka koostuu samoista elementeistä kuin epäorgaaniset kappaleet. Italialainen fyysikko G. Borelli sovelsi mekaniikan periaatteita kuvaillessaan eläinten liikkeiden mekanismeja. Vuonna 1628 W. Harvey kuvasi verenkierron mekanismin hydrauliikan lakien perusteella. 1700-luvulla fysiikan alan löydöillä ja sen matemaattisen laitteiston parantamisella oli suuri merkitys elävissä organismeissa tapahtuvien fysikaalis-kemiallisten prosessien ymmärtämisessä. Fysikaalisten lähestymistapojen käyttö vauhditti kokeellisten menetelmien ja eksaktien tieteiden ideoiden tuomista biologiaan. L. Euler kuvasi matemaattisesti veren liikettä suonten läpi. M.V. Lomonosov teki joukon yleisiä arvioita maun ja visuaalisten tuntemusten luonteesta, esitti yhden ensimmäisistä värinäön teorioista. A. Lavoisier ja P. Laplace osoittivat epäorgaanisten ja orgaanisten kappaleiden kemian lakien yhtenäisyyden osoittaen, että hengitysprosessi on samanlainen kuin hidas palaminen ja että se on lämmönlähde eläville organismeille. A. Voltain ja L. Galvanin välinen luova keskustelu viimeksi mainitun "elävän sähkön" löytämisen ongelmasta muodosti sähköfysiologian perustan ja sillä oli tärkeä rooli sähkön tutkimuksessa yleensä.

Biofysiikan kehitys 1800-luvun alussa - 1900-luvun alussa

1800-luvulla Biologian kehitystä seurasi biologisten rakenteiden ja prosessien fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia koskevan tiedon rikastuminen. Erittäin tärkeä oli S. Arrheniuksen ratkaisujen elektrolyyttisen teorian luominen ja V. Nernstin biosähköisten ilmiöiden ioniteorian luominen. Saatiin perusideoita toimintapotentiaalien luonteesta ja roolista herätteen esiintymis- ja leviämismekanismissa hermoa pitkin ( G. Helmholtz, E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Saksa); Osmoottisten ja sähköisten ilmiöiden merkitys solujen ja kudosten elämässä selvisi J. Loebin (USA), W. Nernstin ja R. Gerberin (Saksa) työn ansiosta. Kaiken tämän ansiosta Dubois-Reymond päätti, että organismien aineellisista hiukkasista ei löydy uusia voimia, jotka eivät voisi toimia niiden ulkopuolella. Tällainen periaatteellinen kanta lopetti elämänprosessien selittelyt joidenkin erityisten "elävien tekijöiden, jotka eivät ole fysikaalisten mittausten mukaisia".

Kotimaiset tutkijat ovat antaneet merkittävän panoksen biofysiikan kehitykseen. NIITÄ. Sechenov tutkii kaasujen liukenemismalleja veressä, liikkeiden biomekaniikkaa. V.Yu ehdotti hermokudosten virityksen kondensaattoriteoriaa, joka perustuu ionien epätasaiseen liikkuvuuteen. Chagovets. K.A. Timiryazev määritti aurinkospektrin yksittäisten osien fotosynteettisen aktiivisuuden määrittäen kvantitatiivisia kuvioita, jotka liittyvät fotosynteesiprosessin nopeuden ja klorofyllin valon absorption eri spektraalisen koostumuksen lehtiin. Fysiikan ja fysikaalisen kemian ideoita ja menetelmiä käytettiin tutkittaessa liikettä, kuulo- ja näköelimiä, fotosynteesiä, sähkömotorisen voiman muodostumismekanismia hermossa ja lihaksessa, ioniympäristön merkitystä solujen elintoiminnalle. ja kudoksia. Vuosina 1905-15. N.K. Koltsov tutki fysikaalis-kemiallisten tekijöiden (pintajännitys, vetyionien pitoisuus, kationit) roolia solujen elämässä. P.P. Lazarevin ansioksi luetaan viritysteorian (1916) kehittäjä ja valokemiallisten reaktioiden kinetiikka. Hän loi ensimmäisen Neuvostoliiton biofyysikkojen koulun, yhdisti ympärilleen suuren joukon merkittäviä tiedemiehiä (heihin kuuluivat S. I. Vavilov, S. V. Kravkov, V. V. Shuleikin, S. V. Deryagin ja muut). Vuonna 1919 hän perusti Moskovaan Terveyden kansankomissariaatin biologisen fysiikan instituutin, jossa tutkittiin virityksen ioniteoriaa, valon vaikutuksesta tapahtuvien reaktioiden kinetiikkaa, absorptio- ja fluoresenssispektrejä. biologisten esineiden sekä eri ympäristötekijöiden ensisijaisen vaikutuksen prosessit kehoon. Kirjat V.I. Vernadsky ("Biosfääri", 1926), E.S. Bauer ("Teoreettinen biologia", 1935), D.L. Rubinshtein ("Biologian fysikaalis-kemialliset perusteet", 1932), N.K. Koltsov ("Solun organisaatio", 1936), D.N. Nasonov ja V.Ya. Alexandrova ("Elävän aineen reaktio ulkoisiin vaikutuksiin", 1940) jne.

1900-luvun jälkipuoliskolla biofysiikan kehitys liittyi suoraan fysiikan ja kemian kehitykseen, tutkimusmenetelmien ja teoreettisten lähestymistapojen kehittämiseen ja parantamiseen sekä elektronisten tietokoneiden käyttöön. Biofysiikan kehittyessä biologiaan ovat levinneet sellaiset tarkat kokeelliset tutkimusmenetelmät kuin spektri, isotooppi, diffraktio ja radiospektroskopia. Atomienergian laaja kehitys herätti kiinnostusta radiobiologian ja säteilybiofysiikan alan tutkimukseen.

Biofysiikan alkukehitysjakson päätulos on päätelmä fysiikan peruslakien perustavanlaatuisesta soveltuvuudesta biologian alalla aineen liikelakeja koskeviin peruslakeihin. Suuri yleismetodologinen merkitys biologian eri alojen kehitykselle on tällä ajanjaksolla saaduilla todisteilla energian säilymisen laista (termodynamiikan ensimmäinen laki), kemiallisen kinetiikan periaatteiden hyväksymisestä dynaamisen käyttäytymisen perustaksi. biologisten järjestelmien käsite, avoimien järjestelmien käsite ja termodynamiikan toinen pääsääntö biologisissa järjestelmissä, ja lopuksi johtopäätös erityisten "elävien" energiamuotojen puuttumisesta. Kaikki tämä vaikutti suurelta osin biologian kehitykseen, sekä biokemian menestys ja edistysaskel biopolymeerien rakenteen tutkimuksessa, mikä vaikutti johtavan nykyaikaisen biologian tieteen - fysiikan ja kemiallisen biologian - muodostumiseen, jossa biofysiikalla on tärkeä merkitys. paikka.

Modernin biofysiikan tutkimuksen pääsuuntaukset ja saavutukset

Nykyaikaisessa biofysiikassa on kaksi pääaluetta, jotka muodostavat biofysiikan aiheen - teoreettinen biofysiikka ratkaisee biologisten järjestelmien termodynamiikan, biologisten prosessien dynaamisen organisoinnin ja säätelyn yleiset ongelmat, ottaa huomioon makromolekyylien ja niiden kompleksien rakenteen, stabiilisuuden ja molekyylinsisäisen dynaamisen liikkuvuuden määrittävien vuorovaikutusten fyysisen luonteen, energian muuntumismekanismit niissä; ja tiettyjen biologisten prosessien biofysiikka ( solujen biofysiikka), jonka analyysi tehdään yleisten teoreettisten käsitteiden pohjalta. Pääsuuntaus biofysiikan kehityksessä liittyy tunkeutumiseen molekyylimekanismeihin, jotka ovat biologisten ilmiöiden taustalla elämisen eri tasoilla.

Biofysiikan nykyisessä kehitysvaiheessa on tapahtunut perustavanlaatuisia muutoksia, jotka liittyvät ensisijaisesti monimutkaisten järjestelmien biofysiikan ja molekyylibiofysiikan teoreettisten osien nopeaan kehitykseen. Juuri näillä biologisten järjestelmien dynaamisen käyttäytymisen säännönmukaisuuksia ja biorakenteiden molekyylien vuorovaikutusmekanismeja käsittelevillä alueilla on saatu yleisiä tuloksia, joiden perusteella biofysiikka on muodostanut oman teoreettisen perustansa. Teoreettiset mallit, jotka on kehitetty sellaisilla aloilla kuin kinetiikka, termodynamiikka, biologisten järjestelmien säätelyteoria, biopolymeerien rakenne ja niiden elektroniset konformaatioominaisuudet muodostavat perustan biofysiikassa tiettyjen biologisten prosessien analysoinnille. Tällaisten mallien luominen on välttämätöntä biologisesti merkittävien perustavanlaatuisten molekyyli- ja soluvuorovaikutusten yleisten periaatteiden tunnistamiseksi molekyyli- ja solutasolla, niiden luonteen paljastamiseksi nykyajan fysiikan ja kemian lakien mukaisesti matematiikan viimeisintä edistystä käyttäen ja niiden pohjalta kehittämiseksi. näistä alkuperäisistä yleistetyistä käsitteistä, jotka sopivat kuvatuille biologisille ilmiöille.

Tärkein piirre on, että mallien rakentaminen biofysiikassa edellyttää sellaista läheisten eksaktien tieteiden ajatusten muuntamista, mikä vastaa näiden tieteiden uusien käsitteiden kehittämistä biologisten prosessien analysoinnissa. Biologiset järjestelmät itsessään ovat tietolähde, joka stimuloi tiettyjen fysiikan, kemian ja matematiikan alueiden kehitystä.

Monimutkaisten systeemien biofysiikan alalla kemiallisen kinetiikan periaatteiden käyttö aineenvaihduntaprosessien analysoinnissa on avannut laajat mahdollisuudet niiden matemaattiseen mallintamiseen tavallisilla differentiaaliyhtälöillä. Tässä vaiheessa saatiin monia tärkeitä tuloksia lähinnä fysiologisten ja biokemiallisten prosessien, solujen kasvudynamiikan ja populaatiokoon mallintamisesta ekologisissa järjestelmissä. Olennaista monimutkaisten biologisten prosessien matemaattisen mallintamisen kehittämisessä oli hylätä ajatus vastaavien yhtälöiden täsmällisten analyyttisten ratkaisujen pakollisesta löytämisestä ja kvalitatiivisten menetelmien käyttö differentiaaliyhtälöiden analysoinnissa, mikä mahdollistaa paljastaa biologisten järjestelmien yleiset dynaamiset piirteet. Näitä ominaisuuksia ovat stationääritilojen ominaisuudet, niiden lukumäärä, vakaus, mahdollisuus vaihtaa tilasta toiseen, itsevärähtelevien tilojen läsnäolo ja dynaamisten tilojen kaotisointi.

Tältä pohjalta kehitettiin ajatuksia aikojen hierarkiasta ja "minimaalisista" ja riittävistä malleista, jotka heijastavat täysin kohteen pääominaisuuksia. Lisäksi kehitettiin parametrinen analyysi järjestelmien dynaamisesta käyttäytymisestä, mukaan lukien perusmallien analyysi, jotka heijastavat tiettyjä biologisten järjestelmien ajassa ja tilassa tapahtuvan itseorganisoitumisen näkökohtia. Lisäksi todennäköisyysmallien käyttö, joka heijastaa stokastisten tekijöiden vaikutusta biologisten järjestelmien deterministisiin prosesseihin, on yhä tärkeämpää. Järjestelmän dynaamisen käyttäytymisen bifurkaatioriippuvuus parametrien kriittisistä arvoista heijastaa dynaamisen tiedon ilmaantumista järjestelmään, mikä toteutuu toimintatilan vaihtuessa.

Biofysiikan yleisbiologisesti merkittäviä saavutuksia ovat mm. organismien ja solujen termodynaamisten ominaisuuksien ymmärtäminen avoimina järjestelminä, termodynamiikan 2. pääsääntöön perustuvien kriteerien muotoilu avoimen systeemin kehittymiselle stabiiliin tilaan. ( I. Prigogine); värähtelyprosessien mekanismien paljastaminen populaatioiden tasolla, entsymaattiset reaktiot. Aktiivisissa väliaineissa tapahtuvien autoaaltoprosessien teorian perusteella luodaan olosuhteet dissipatiivisten rakenteiden spontaanille ilmaantumiselle homogeenisissa avoimissa järjestelmissä. Tältä pohjalta rakennetaan malleja morfogeneesin prosesseista, säännöllisten rakenteiden muodostumisesta bakteeriviljelmien kasvun aikana, hermoimpulssin etenemisestä ja hermostuneesta virityksestä hermoverkostoissa. Teoreettisen biofysiikan kehittyvä ala on biologisen tiedon alkuperän ja luonteen sekä sen yhteyden entropiaan, kaaoksen olosuhteiden ja itsekaltaisten fraktaalirakenteiden muodostumisen tutkimus monimutkaisissa biologisissa järjestelmissä.

Yleisesti ottaen yhtenäisen molekyyli-kineettisen kuvauksen kehittäminen on kiireellinen ongelma biofysiikassa, mikä edellyttää alustavien peruskäsitteiden kehittämistä. Näin ollen irreversiibelien prosessien termodynamiikan alalla minkä tahansa komponentin kokonaispitoisuudesta riippuvaisen kemiallisen potentiaalin käsite ja tiukasti ottaen entropian käsite eivät enää päde heterogeenisille järjestelmille, jotka ovat kaukana tasapainosta. Aktiivisissa makromolekyylikomplekseissa molekyylinsisäiset transformaatiot riippuvat ensisijaisesti niiden organisaation luonteesta eivätkä yksittäisten aineosien kokonaispitoisuudesta. Tämä edellyttää uusien kriteerien kehittämistä peruuttamattomien prosessien stabiiliudelle ja suunnalle heterogeenisissä epätasapainoisissa järjestelmissä.

Molekyylibiofysiikassa tiettyjen biologisten prosessien tutkiminen perustuu tietoihin, jotka on saatu tutkimuksista biopolymeerien (proteiinit ja nukleiinihapot) fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista, niiden rakenteesta, itsekokoautumismekanismeista, molekyylinsisäisestä liikkuvuudesta jne. Biofysiikassa on suuri merkitys nykyaikaisten kokeellisten menetelmien, ensisijaisesti radiospektroskopian (NMR, EPR), spektrofotometrian, röntgendiffraktioanalyysin, elektronitunnelimikroskopian, atomivoimamikroskopian, laserspektroskopian, erilaisten elektrometristen menetelmien, mukaan lukien mikroelektroditeknologian, käyttö. Niiden avulla on mahdollista saada tietoa molekyylimuunnosten mekanismeista rikkomatta biologisten objektien eheyttä. Tällä hetkellä noin 1000 proteiinin rakenne on selvitetty. Entsyymien avaruudellisen rakenteen ja niiden aktiivisen keskuksen purkaminen mahdollistaa entsymaattisen katalyysin molekyylimekanismien luonteen ymmärtämisen ja uusien lääkkeiden luomisen suunnittelun sen pohjalta. Biologisesti aktiivisten aineiden, mukaan lukien lääkkeet, kohdistetun synteesin mahdollisuudet perustuvat myös perustutkimuksiin molekyylien liikkuvuuden ja tällaisten molekyylien biologisen aktiivisuuden välisestä suhteesta.

Teoreettisen molekyylibiofysiikan alalla ideoita elekt- EKV(M.V. Wolkenstein), proteiinin stokastiset ominaisuudet ( NOIN. Ptitsyn) muodostavat perustan biomakromolekyylien toimintaperiaatteiden ymmärtämiselle. Biologisten kuvioiden spesifisyys, jotka paljastuvat täysin kehittyneen biologisen järjestelmän korkeimmilla organisoitumistasoilla, ilmenee kuitenkin jo elävien alemmilla molekyylitasoilla. Energian muunnos ja reaktiotuotteiden esiintyminen komplekseissa saavutetaan makromolekyylin yksittäisten osien molekyylinsisäisten vuorovaikutusten seurauksena. Tästä seuraa loogisesti ajatukset makromolekyylin ainutlaatuisuudesta fyysisenä kohteena, joka yhdistää vuorovaikutuksia tilastollisissa ja mekaanisissa vapausasteissa. Se on ajatus makromolekyyleistä, pääasiassa proteiinista, eräänlaisina molekyylikoneina ( LA. Blumenfeld, D.S. Tšernavski) mahdollistavat erilaisten energiatyyppien muuntumisen vuorovaikutuksen seurauksena yhden makromolekyylin sisällä. Biofysikaalisen analyysimenetelmän ja fysikaalisen vuorovaikutuksen yleisten mallien rakentamisen hedelmällisyys heijastuu siinä, että EQI-periaatteen avulla voimme tarkastella biologisessa roolissaan näennäisesti kaukana toisistaan ​​olevien molekyylikoneiden toimintaa yhtenäisestä yleistieteellisestä kokonaisuudesta. asema - esimerkiksi molekyylikompleksit, jotka osallistuvat fotosynteesin ja näön primaarisiin prosesseihin, entsymaattisten reaktioiden entsyymi-substraattikompleksit, ATP-syntetaasin molekyylimekanismit sekä ionien siirto biologisten kalvojen läpi.

Biofysiikka tutkii ominaisuuksia biologiset kalvot, niiden molekyylirakenne, proteiini- ja lipidikomponenttien konformaatioliikkuvuus, lämpötilankestävyys, lipidiperoksidaatio, ei-elektrolyyttien ja eri ionien läpäisevyys, molekyylirakenne ja ionikanavien toimintamekanismit, solujen väliset vuorovaikutukset. Paljon huomiota kiinnitetään biorakenteiden energianmuunnosmekanismeihin (katso Art. Bioenergetics), joissa ne liittyvät elektronien siirtoon ja elektronisen virityksen energian muuntamiseen. Vapaiden radikaalien rooli elävissä järjestelmissä ja niiden merkitys ionisoivan säteilyn haitallisessa vaikutuksessa sekä useiden muiden patologisten prosessien kehittymisessä ( N.M. Emanuel, B.N. Tarusov). Yksi biokemian raja-alueista on mekanokemia, joka tutkii lihasten supistumiseen, värekarvojen ja siipien liikkeisiin, soluelinten ja protoplasman liikkeisiin liittyviä kemiallisen ja mekaanisen energian keskinäisiä konversiomekanismeja. Tärkeä paikka on "kvantti" biofysiikalla, joka tutkii biologisten rakenteiden primaarisia vuorovaikutusprosesseja valokvanttien kanssa (fotosynteesi, näkö, vaikutukset ihoon jne.), bioluminesenssin ja fototrooppisten reaktioiden mekanismeja, ultraviolettisäteilyn toimintaa. ja näkyvä valo ( fotodynaamiset efektit) biologisissa esineissä. Takaisin 40-luvulla. 20 tuumaa . A.N. Terenin paljasti triplettitilojen roolin fotokemiallisissa ja useissa fotobiologisissa prosesseissa. A.A. Krasnovski osoitti valon herättämän klorofyllin kyvyn läpikäydä redox-muunnoksia, jotka ovat fotosynteesin ensisijaisten prosessien taustalla. Nykyaikaiset laserspektroskopian menetelmät tarjoavat suoraa tietoa vastaavien valoindusoitujen elektronisten siirtymien kinetiikasta, atomiryhmien värähtelyistä välillä 50-100 femtosekuntia 10-12-10-6 s ja enemmän.

Biofysiikan ideoita ja menetelmiä ei käytetä laajasti vain biologisten prosessien tutkimuksessa makromolekyyli- ja solutasolla, vaan ne ovat levinneet erityisesti viime vuosina myös elävän luonnon väestö- ja ekosysteemitasolle.

Biofysiikan edistysaskeleita käytetään laajalti lääketieteessä ja ekologiassa. Lääketieteellinen biofysiikka käsittelee patologisten muutosten alkuvaiheiden tunnistamista kehossa (solussa) molekyylitasolla. Sairauksien varhainen diagnosointi perustuu spektrimuutosten, luminesenssin, veri- ja kudosnäytteiden sähkönjohtavuuden rekisteröintiin, jotka liittyvät sairauteen (esim. kemiluminesenssin tason perusteella voidaan arvioida lipidien peroksidaatiota). analysoi abioottisten tekijöiden (lämpötila, valo, sähkömagneettiset kentät, ihmisperäinen saaste jne.) molekyylimekanismeja eliöiden biologisiin rakenteisiin, elinkykyyn ja stabiilisuuteen. Ekologisen biofysiikan tärkein tehtävä on ekosysteemien tilan arviointimenetelmien nopea kehittäminen. Tällä alueella yksi tärkeimmistä tehtävistä on arvioida täysin uusien materiaalien - nanomateriaalien - myrkyllisyyttä sekä niiden vuorovaikutusmekanismeja biologisten järjestelmien kanssa.

Venäjällä biofysiikan tutkimusta tehdään useissa tutkimuslaitoksissa ja yliopistoissa. Yksi johtavista paikoista kuuluu Pushchinon tieteelliselle keskukselle, jossa vuonna 1962 perustettiin Neuvostoliiton tiedeakatemian biologisen fysiikan instituutti, joka myöhemmin jaettiin Institute of Cell Biophysics RAS(Johtaja - Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtajajäsen E.E. Fesenko) ja Teoreettisen ja kokeellisen biofysiikan instituutti RAS(Johtaja - RAS:n kirjeenvaihtajajäsen G.R. Ivanitski. Biofysiikka kehittyy aktiivisesti Venäjän federaation terveysministeriön biofysiikan instituutti, Molekyylibiologian instituutti RAS ja Institute of Protein RAS, Biofysiikan instituutti SB RAS(Johtaja - Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtajajäsen Degermedzhi A.G.), Moskovan yliopistoissa. Pietari ja Voronezh, sisään, sisään jne.

Biofyysisen koulutuksen kehittäminen Venäjällä

Rinnakkain tutkimuksen kehittämisen kanssa oli käynnissä perustan muodostuminen biofysiikan alan asiantuntijoiden koulutusta varten. Ensimmäinen Neuvostoliiton biofysiikan laitoksella Moskovan valtionyliopiston biologian ja maaperän tiedekunnassa järjestettiin vuonna 1953 (B.N. Tarusov), ja vuonna 1959 Moskovan valtionyliopiston (L.A. Blumenfeld) fysiikan tiedekuntaan avattiin biofysiikan laitos. Molemmat laitokset eivät ole vain koulutuskeskuksia, jotka kouluttavat päteviä biofyysikoita, vaan myös suuria tutkimuskeskuksia. Biofysiikan laitokset järjestettiin sitten useisiin muihin maan yliopistoihin, mukaan lukien Valtion yliopisto "Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutti", sisään National Research Nuclear University "MEPhI" sekä johtavissa lääketieteellisissä yliopistoissa. Biofysiikan kurssia opetetaan kaikissa maan yliopistoissa. Biofysikaalista tutkimusta tehdään instituuteissa ja yliopistoissa monissa maailman maissa. Kansainvälisiä biofysiikan kongresseja järjestetään säännöllisesti kolmen vuoden välein. Biofyysikkojen seurat ovat olemassa Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa ja useissa muissa maissa. Venäjällä Venäjän tiedeakatemian biofysiikan tieteellinen neuvosto koordinoi tieteellistä työtä ja hoitaa kansainvälisiä suhteita. Biofysiikan osio on saatavilla osoitteessa Moskovan luonnontieteilijöiden seura.

Niitä aikakauslehtiä, joissa biofysiikkaa koskevia artikkeleita julkaistaan, ovat: "Biophysics" (M., 1956 -); "Molecular Biology" (M., 1967 -); "Radiobiology" (M., 1961 - tällä hetkellä "Radiation biology. Radioecology"); "Biologiset kalvot" (M., 19 -). "Advances in Biological and Medical Physics" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N.Y. - Amst., 1947 -); "Biophysical Journal" (N.Y., 1960 -); "Bulletin of Mathematical Biophysics" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. Vuosina 1955 - 1961 "Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); "Journal of Molecular Biology" (N.Y. - L., 1959 -); "Journal of Ultrastructure Research" (N.Y. - L., 1957 -) "Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry" (L., 1950 -) ; European Journal of Biophysics (); Jurnal of Theoretical Biology (1961).

Suositeltavaa luettavaa

Blumenfeld L.A. Biologisen fysiikan ongelmat. M., 1977

Volkenstein M.V. Biofysiikka. M., 1981

M. Jackson. Molekyyli- ja solubiofysiikka. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Itseorganisoituminen epätasapainoisissa rakenteissa. per. englannista. M., 1979;

Rubin A.B. Biofysiikka. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3. painos)

A.V., Ptitsyn O.B. Proteiinin fysiikka. M., 2002.

LIITTOVALTION KOULUTUSVIRASTO

VALTION OPETUSLAITOS

KORKEA AMMATILLINEN KOULUTUS

"IRKUTSKIN VALTION PEDAGOGINEN YLIOPISTO"

Fysiikan laitos

Matematiikan, fysiikan ja

tietotekniikka

erikoisuus "540200 - fyysinen

matemaattinen koulutus"

fysiikan profiili

Fyysisen ja matematiikan kandidaatin tutkinto

Kirjeenvaihtomuotoinen koulutus

KURSSITYÖT

Biofysiikka fysiikan tunneilla luokilla 7-9

Täydentäjä: Rudykh Tatyana Valerievna

Tieteellinen neuvonantaja: ehdokas

fysiikassa ja matematiikassa Lyubushkina Lyudmila Mikhailovna

Suojauspäivä _________________________

Merkitse ______________________________

Irkutsk 2009

Johdanto 3

LUKUminä . BIOFYSIIKAN MUODOSTUS

1.1. Tiedemiesten panos biofysiikan kehitykseen 5

1.2. Biofysiikan perustaja 10

1.3. Kvanttiteorian luominen 11

1.4. Soveltava biofysiikka 14

1.5. Muutokset biofysiikassa 16

1.6. Biofysiikka teoreettisena biologiana 18

1.7. Fysiikan biofysikaalista tutkimusta 21

1.8. Biofysiikan tutkimus biologiassa 23

LUKUII. BIOFYSIIKKA FYSIIKAN TUNNIT

2.1. Biofysiikan elementit fysiikan tunneilla luokilla 7-9 24

2.2. Biofysiikan soveltaminen peruskoulun tunneilla 25

2.3. Blitz-turnaus "Fysiikka villieläimissä" 33

Johtopäätös 35

Viitteet 36

Johdanto

Tutkimuksen relevanssi:

Maailmankuva on persoonallisuuden rakenteen tärkein osa. Se sisältää yleistettyjen näkemysten järjestelmän maailmasta, ihmisen paikasta siinä sekä näkemysten, uskomusten, ihanteiden, periaatteiden järjestelmän, jotka vastaavat tiettyä maailmankuvaa. Maailmankuvan muodostumisprosessi tapahtuu intensiivisesti kouluiässä. Jo peruskoulussa (7-9 luokka) oppilaiden tulee ymmärtää, että fysikaalisten ilmiöiden ja lakien tutkiminen auttaa ymmärtämään ympäröivää maailmaa.

Suurin osa uusista fysiikan oppikirjoista, erityisesti ylimmän perus- ja erikoiskoulun oppikirjoista, ei kuitenkaan edistä kokonaisvaltaista käsitystä opiskelusta materiaalista. Lasten kiinnostus aiheeseen on vähitellen hiipumassa. Siksi lukion tärkeä tehtävä on luoda oppilaiden mieleen yleinen kuva maailmasta sen yhtenäisyyden ja elottoman ja elävän luonnon ominaisuuksien monimuotoisuuden kanssa. Maailmankuvan eheys saavutetaan muiden tekniikoiden ja tieteidenvälisten yhteyksien ohella.

Mikä tahansa koulun fysiikan kurssin aihe sisältää tieteellisen tiedon elementtejä, jotka ovat välttämättömiä maailmankuvan muodostumiselle ja koululaisten omaksumiselle opittavan tieteenalan peruskäsitteisiin. Koska luonnontieteellisten tieteenalojen sisältö koulutusstandardeissa ja -ohjelmissa ei ole jäykästi jäsenneltyä, koululaisten tieto ei usein ole systematisoitua, muodollista.

Tutkimusongelma koostuu tarpeesta muodostaa kokonaisvaltainen käsitys fyysisestä maailmankuvasta ja opetettavan tieteenalan, fysiikan, opetusmateriaalin asianmukaisen systematisoinnin ja yleistämisen puutteesta.

Tutkimuksen tarkoitus: Jäljittää luonnontieteiden syklin kahden aineen - fysiikan ja biologian - integraatiota.

Tutkimuksen kohde: Biofysiikka ja sen suhde muihin aineisiin.

Opintojen aihe: Biofysiikka fysiikan tunneilla luokilla 7-9pääkoulu.

Asetetun tavoitteen toteuttaminen vaati useiden ratkaisujen ratkaisemista erityisiä tehtäviä:

Tutkia ja analysoida tutkimusaiheeseen liittyvää opetus- ja metodologista kirjallisuutta.

Analysoi erilaisia ​​biofysikaalisia ilmiöitä.

Valitse kokeellisia tehtäviä, erilaisia ​​tehtäviä, joiden ratkaiseminen edellyttää sekä fysiikan että biologian tuntemusta.

Tutkimuksen käytännön merkitys: työn tuloksia voidaan suositella käytännön käyttöön fysiikan opettajia kaikissa oppilaitoksissa.

Tutkimuksen logiikka määritti työn rakenteen, joka koostui johdannosta, kahdesta luvusta, johtopäätöksestä ja lähdeluettelosta. Ensimmäinen luku on omistettu "Biofysiikka ja sen suhde muihin oppiaineisiin" liittyvän oppikirjallisuuden analysointiin, toisessa tarkastellaan fysiikan ja biologian suhdetta erityistehtävien esimerkillä.

Lopuksi tutkimuksen tulokset kootaan yhteen ja annetaan suosituksia biofysikaalisten ilmiöiden soveltamisen parantamiseksi koulun fysiikan kurssin opiskelussa.

Luku minä BIOFYSIIKAN MUODOSTUS

1.1. Tiedemiesten panos biofysiikan kehitykseen.

Biofysiikka- luonnontieteen ala, joka käsittelee biologisten järjestelmien organisoinnin ja toiminnan fysikaalisia ja fysikaalis-kemiallisia periaatteita kaikilla tasoilla (alamolekyylistä biosfääriin), mukaan lukien niiden matemaattinen kuvaus. Biofysiikka käsittelee pohjimmiltaan elävien järjestelmien mekanismeja ja ominaisuuksia. Eläminen on avoin järjestelmä, joka pystyy ylläpitämään itseään ja lisääntymään.

Monitieteisenä tieteenä biofysiikka syntyi 1900-luvulla, mutta sen esihistoria ulottuu yli vuosisadan taakse. Kuten sen syntymiseen johtaneet tieteet (fysiikka, biologia, lääketiede, kemia, matematiikka), biofysiikka kävi läpi sarjan vallankumouksellisia muutoksia viime vuosisadan puoliväliin mennessä. Fysiikan, biologian, kemian ja lääketieteen tiedetään olevan läheisiä tieteitä, mutta olemme tottuneet siihen, että niitä opiskellaan erikseen ja itsenäisesti. Pohjimmiltaan riippumaton erillinen tutkimus näistä tieteistä on väärin. Luonnontutkija voi kysyä elottomalta luonnolta vain kaksi kysymystä: "Mitä?" Ja miten?". "Mikä" on tutkimuksen aihe, "miten" - miten tämä aihe on järjestetty. Biologinen evoluutio on tuonut villieläimiä ainutlaatuiseen tarkoitukseen. Siksi biologi, lääkäri, humanisti voi esittää myös kolmannen kysymyksen: "Miksi?" tai "Mitä varten?". Kysy "Miksi Kuu?" ehkä runoilija, mutta ei tiedemies.

Tiedemiehet osasivat kysyä luonnolta oikeat kysymykset. He antoivat korvaamattoman panoksen fysiikan, biologian, kemian ja lääketieteen kehitykseen - tieteisiin, jotka yhdessä matematiikan kanssa muodostivat biofysiikan.

ajasta alkaen Aristoteles (384-322 eKr.) fysiikka sisälsi kaiken tiedon elottomasta ja elävästä luonnosta (kreikaksi "Physis" - "luonto"). Luonnon askeleet hänen näkemyksensä mukaan: epäorgaaninen maailma, kasvit, eläimet, ihminen. Aineen ensisijaiset ominaisuudet ovat kaksi vastakohtaparia "lämmin - kylmä", "kuiva - märkä". Alkuaineiden peruselementit ovat maa, ilma, vesi, tuli. Korkein, täydellisin alkuaine on eetteri. Elementit itsessään ovat erilaisia ​​yhdistelmiä ensisijaisista ominaisuuksista: kylmän ja kuivan yhdistelmä vastaa maata, kylmästä märkään - vettä, lämpimästä märkään - ilmaa, lämpimästä kuivaan - tulta. Eetterin käsite toimi myöhemmin perustana monille fysikaalisille ja biologisille teorioille. Nykyaikaisin termein Aristoteleen ideat perustuvat luonnontekijöiden lisäyksen (synergismin) ja luonnonjärjestelmien hierarkian ei-additiivisuuteen.

Täsmällisenä luonnontieteenä, nykyaikaisena tieteenä, fysiikka on peräisin Galileo Galilei (1564-1642), joka opiskeli alun perin lääketiedettä Pisan yliopistossa ja vasta sitten kiinnostui geometriasta, mekaniikasta ja tähtitiedestä, kirjoituksista Arkhimedes (n. 287 - 212 eKr.) ja Eukleides (3. vuosisadalla eKr.).

Yliopistot tarjoavat ainutlaatuisen mahdollisuuden kokea tieteiden, erityisesti fysiikan, lääketieteen ja biologian, ajallista yhteyttä. Joten 16-18-luvuilla lääketieteen suunta, jota kutsuttiin "iatrofysiikaksi" tai "iatromekaniikaksi" (kreikan kielestä "iatros" - "lääkäri"). Lääkärit yrittivät selittää kaikkia ilmiöitä terveessä ja sairaassa ihmisen ja eläimen kehossa fysiikan tai kemian lakien perusteella. Ja sitten ja myöhempinä aikoina fysiikan ja lääketieteen, fyysikkojen ja biologien välinen yhteys oli läheisin, iatrofysiikan jälkeen iatrokemia ilmestyi. "Elävän ja eloton" tieteen jako tapahtui suhteellisen äskettäin. Fysiikan osallistuminen voimakkaine ja syvästi kehittyneine teoreettisine, kokeellisiin ja metodologisiin lähestymistavoineen biologian ja lääketieteen perusongelmien ratkaisemiseen on kiistatonta, mutta on kuitenkin tunnustettava, että fysiikan historiallisessa mielessä se on suuressa velassa lääkäreille, jotka olivat aikansa koulutetuimpia ihmisiä ja joiden panos klassisen fysiikan perustan luomiseen on korvaamaton. Puhumme tietysti klassisesta fysiikasta.

Biofysikaalisen tutkimuksen vanhimpien aiheiden joukossa, vaikka se ensi silmäyksellä näyttääkin oudolta, on mainittava bioluminesenssi, sillä elävien organismien valonsäteily on pitkään kiinnostanut luonnonfilosofeja. Ensimmäistä kertaa Aristoteles kiinnitti huomiota tähän ilmiöön oppilaansa Aleksanteri Suuren kanssa, jolle hän osoitti rannikon hehkua ja näki syyn tähän meren eliöiden luminesenssissa. Ensimmäisen tieteellisen tutkimuksen "eläin" hehkusta teki Athanasis Kircher (1601-1680), saksalainen pappi, tietosanakirjailija, tunnettu maantieteilijänä, tähtitieteilijänä, matemaatikkona, kielitieteilijänä, muusikkona ja lääkärinä, ensimmäisten luonnontieteellisten kokoelmien ja museoiden luoja, kirjansa kaksi lukua "Suuren valon ja varjon taide" ("Ars magna Lucis et Umbrae ») hän omistautui bioluminesenssille.

Hänen tieteellisten etujensa luonteen vuoksi suurin fyysikko voidaan katsoa biofyysikkojen ansioksi Isaac Newton (1643-1727), joka oli kiinnostunut organismien fyysisten ja fysiologisten prosessien välisistä yhteysongelmista ja käsitteli erityisesti värinäön kysymyksiä. Täydentäessään Principiaansa vuonna 1687 Newton kirjoitti: "Nyt pitäisi lisätä jotain erittäin ohuesta eetteristä, joka tunkeutuu kaikkiin kiinteisiin kappaleisiin ja sisältyy niihin ja jonka voimalla ja toimilla hyvin pienillä etäisyyksillä olevien kappaleiden hiukkaset vetäytyvät toisiinsa, ja kun ne joutuvat kosketuksiin yhtenäisinä, sähköistyneet ruumiit vaikuttavat pitkiä matkoja, sekä hylkivät että houkuttelevat läheisiä kehoja, valo säteilee, heijastuu, taittuu, poikkeaa ja lämmittää ruumiita, jokainen tunne kiihtyy, pakottaa eläinten raajat liikkumaan tahdon mukaan. välittyvät tämän eetterin värähtelyjen kautta ulkoisista aistielimistä aivoihin ja aivoista lihaksiin.

Yksi ranskalaisen modernin kemian perustajista Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) yhdessä maanmiehensä tähtitieteilijän, matemaatikon ja fyysikon kanssa Pierre Simon Laplace (1749-1827) harjoittaa kalorimetriaa, biofysiikan haaraa, jota nyt kutsutaan biofysikaaliseksi termodynamiikaksi. Lavoisier sovelsi kvantitatiivisia menetelmiä, jotka käsittelevät lämpökemiaa, hapetusprosesseja. Lavoisier ja Laplace perustivat ajatuksensa siitä, että epäorgaanisille ja orgaanisille kappaleille ei ole olemassa kahta kemiaa - "elävää" ja "elämätöntä".

Suurten edeltäjiemme joukossa, jotka loivat perustan biofysiikalle, pitäisi lukea italialainen anatomi Luigi Galvani(1737 - 1798) ja fysiikka Alessandro Volta(1745 - 1827), sähköopin luojat. Galvani kokeili sähkökonetta ja eräs hänen ystävänsä kosketti vahingossa veitsellä sammakon reisiä, jota oli tarkoitus käyttää keitossa. Kun sammakon jalkalihakset yhtäkkiä supistuivat, Galvanin vaimo huomasi sähkökoneen välähtävän ja ihmetteli, "oliko näiden tapahtumien välillä yhteyttä". Vaikka Galvanin oma mielipide tästä ilmiöstä poikkesi yksityiskohtaisesti seuraavasta, on varmaa, että koe toistettiin ja todettiin. , joka totesi, että jalka toimi vain sen ulkoisen sähköpotentiaalin erojen ilmaisimena. Galvanin kannattajat suorittivat kokeen, jossa ei ollut mukana ulkoisia sähkövoimia, mikä osoitti, että eläimen tuottama virta voi aiheuttaa lihasten supistumista. Mutta oli myös mahdollista, että supistuminen johtui kosketuksesta metallien kanssa; Volta teki vastaavat tutkimukset, ja ne johtivat hänen löytämiseensä sähköparistosta, joka oli niin tärkeä, että Galvanin tutkimukset jäivät sivuun. Tämän seurauksena sähköpotentiaalin tutkiminen eläimillä katosi tieteellisestä huomiosta vuoteen 1827. Koska sammakonjalka oli useiden vuosien ajan herkin potentiaalierojen ilmaisin, lopullinen ymmärrys siitä, että elävät kudokset voivat tuottaa virtoja, syntyi vasta galvanometrit ovat riittävän herkkiä mittaamaan lihaksissa syntyviä virtoja ja pieniä potentiaalieroja hermokalvon poikki.

Galvanin "eläinsähköä" koskevien töiden yhteydessä ei voi kuin muistaa itävaltalaisen lääkärin - fysiologin nimeä Friedrich Anton Mesmer(1733-1815), joka kehitti ajatuksia parantavasta "eläinmagnetismista", jonka avulla hänen oletuksensa mukaan oli mahdollista muuttaa kehon tilaa, hoitaa sairauksia. On huomattava, että jo nyt sähkömagneettisten ja sähkömagneettisten kenttien vaikutukset eläviin järjestelmiin ovat suurelta osin perustieteen mysteeri. Ongelmia on edelleen olemassa, ja nykyajan fyysikkojen kiinnostus tutkia ulkoisten fysikaalisten tekijöiden vaikutusta biologisiin järjestelmiin ei katoa.

Kuitenkin ennen kuin biologia ja fysiikka ehtivät erota, julkaistiin tunnettu kirja "Tieteen kielioppi", jonka oli kirjoittanut englantilainen matemaatikko. Karl Pearson (1857 - 1935) jossa hän antoi yksi ensimmäisistä biofysiikan määritelmistä (vuonna 1892): "Emme voi sanoa täydellisellä varmuudella, että elämä on mekanismi, ennen kuin pystymme määrittelemään tarkemmin, mitä tarkalleen tarkoitamme termillä "mekanismi" sovellettaessa orgaanisia kappaleita. Jo nyt näyttää varmalta, että jotkut fysiikan yleistykset ... kuvaavat ... osaa aistikokemuksemme elämänmuotojen suhteen. Tarvitsemme ... tieteenalan, jonka tehtävänä on soveltaa epäorgaanisten ilmiöiden, fysiikan lakeja orgaanisten muotojen kehittämiseen. ... Biologian tosiasiat - morfologia, embryologia ja fysiologia - muodostavat erityistapauksia yleisten fysikaalisten lakien soveltamisesta. ... Sitä olisi parempi kutsua biofysiikaksi."

1.2. Biofysiikan perustaja

Modernin biofysiikan perustajaa tulisi harkitaHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), josta tuli erinomainen fyysikko, yksi kirjoittajista minä termodynamiikan laki. Vielä nuorena sotilaskirurgina hän osoitti, että aineenvaihduntamuutokset lihaksissa liittyvät tiukasti niiden suorittamaan mekaaniseen työhön ja lämmöntuotantoon. Aikuisina vuosinaan hän käsitteli paljon sähködynamiikan ongelmia. Vuonna 1858 hän loi perustan nesteen pyörreliikkeen teorialle. Hän suoritti myös loistavia kokeita hermoimpulssin biofysiikan, näön biofysiikan, bioakustiikan alalla, kehitti Jungin idean kolmentyyppisistä visuaalisista reseptoreista, sähköpiirissä syntyvillä sähköpurkauksilla on värähtelevä luonne. Kiinnostus akustiikan, nesteiden ja sähkömagneettisten järjestelmien värähtelyprosesseihin johti tutkijan tutkimaan hermoimpulssien leviämisen aaltoprosessia. Helmholtz aloitti ensimmäisenä aktiivisen median ongelmien tutkimisen mittaamalla suurella tarkkuudella hermoimpulssin etenemisnopeutta aksoneissa, jotka nykyajan näkökulmasta ovat aktiivinen yksiulotteinen väliaine. Vuonna 1868 Helmholtz valittiin Pietarin tiedeakatemian kunniajäseneksi.

Venäläisen tiedemiehen, fysiologin ja biofyysikon kohtalot liittyvät hämmästyttävällä tavalla, Ivan Mihailovitš Sechenov(1829 - 1905) ja Helmholtz. Valmistuttuaan Moskovan yliopistosta vuosina 1856–1860 hän opiskeli ja työskenteli Helmholtzin kanssa. Vuodesta 1871 vuoteen 1876 Sechenov työskenteli Novorossiysk-yliopistossa Odessassa, sitten Pietarin ja Moskovan yliopistoissa tutkien hermokudoksen sähköilmiöitä ja veren kaasunkuljetusmekanismeja.

1.3. Kvanttiteorian luominen

Klassisen fysiikan aika 1600-1800-luvuilla päättyi kuitenkin 1900-luvun alussa fysiikan suurimpaan vallankumoukseen - kvanttiteorian luomiseen. Tämä ja monet muut uudet fysiikan osa-alueet erottivat sen luonnontieteiden piiristä. Tässä vaiheessa fysiikan ja lääketieteen vuorovaikutus muutti merkittävästi luonnettaan: käytännössä kaikki nykyaikaiset lääketieteellisen diagnostiikan, terapian, farmakologian jne. menetelmät alkoivat perustua fysikaalisiin lähestymistapoihin ja menetelmiin. Tämä ei vähennä biokemian merkittävää roolia lääketieteen kehityksessä. . Siksi meidän pitäisi puhua niistä merkittävistä tiedemiehistä, joiden nimet liittyvät tieteiden yhdistämiseen ja biofysiikan muodostumiseen. Puhumme fyysikoista, jotka tulivat biologian ja lääketieteen historiaan, lääkäreistä, jotka ovat antaneet merkittävän panoksen fysiikkaan, vaikka fyysikkojen olisikin vaikea päästä käsiksi lääketieteen erityisongelmiin, jotka ovat syvästi tunkeutuneita kemian ideoista, tiedosta ja lähestymistavasta. , biokemia, molekyylibiologia jne. Samaan aikaan lääkärit kohtaavat myös perustavanlaatuisia vaikeuksia pyrkiessään muotoilemaan tarpeitaan ja tehtäviään, jotka voitaisiin ratkaista asianmukaisin fysikaalisin ja fysikaalis-kemiallisin menetelmin. On vain yksi tehokas tapa päästä ulos tilanteesta, ja se on löydetty. Tämä on universaali yliopistokoulutus, jossa opiskelijat, tulevat tiedemiehet, voivat ja pitäisi saada kaksi, kolme ja jopa neljä peruskoulutusta - fysiikassa, kemiassa, lääketieteessä, matematiikassa ja biologiassa.

Niels Bohr väitti, että "mitään biologisen tutkimuksen tulosta ei voida yksiselitteisesti kuvata muuten kuin fysiikan ja kemian käsitteiden perusteella." Tämä tarkoitti, että biologia, lääketiede, matematiikka, kemia ja fysiikka alkoivat lähentyä jälleen lähes puolentoista vuosisadan eron jälkeen, mikä johti uusien integroitujen tieteiden syntymiseen, kuten biokemia, fysikaalinen kemia ja biofysiikka.

Brittiläinen fysiologi ja biofyysikko Archibald Vivienne Hill (s. 1886), Nobel-fysiologian palkinnon saaja (1922) on luonut perustan, jolle lihasten supistumisteoria kehittyy edelleen, mutta jo molekyylitasolla. Hill kuvaili biofysiikkaa näin: "On ihmisiä, jotka voivat muotoilla ongelman fysikaalisin termein... jotka voivat ilmaista tuloksen fysiikan termein. Nämä älylliset ominaisuudet enemmän kuin mitään erityisolosuhteita, fyysisiä laitteita ja menetelmiä tarvitaan, tulla biofyysikaksi ... Kuitenkin ... fyysikolle, joka ei pysty kehittämään biologista lähestymistapaa, joka ei ole kiinnostunut elävistä prosesseista ja toiminnoista ... joka pitää biologiaa vain fysiikan osana, ei ole tulevaisuutta biofysiikassa.

Ei vain keskiajalla, vaan myös viime aikoina lääkärit, biologit ja fyysikot osallistuivat tasavertaisesti näiden tieteiden kompleksin kehittämiseen. Aleksander Leonidovich Chizhevsky (1897-1964), joka on saanut muun muassa lääketieteellisen koulutuksen Moskovan yliopistosta, hän tutki vuosia heliokronobiologiaa, ilma-ionien vaikutusta eläviin organismeihin ja punasolujen biofysiikkaa. Hänen kirjaansa "Historiallisen prosessin fyysiset tekijät" ei koskaan julkaistu P. P. Lazarevin, N. K. Koltsovin, koulutuksen kansankomissaarin Lunacharskyn ja muiden ponnisteluista huolimatta.

On myös huomattava erinomainen tiedemies Gleb Mikhailovich Frank(1904-1976), joka loi Neuvostoliiton tiedeakatemian biofysiikan instituutin (1957), sai Nobel-palkinnon yhdessä I. E. Tammin ja P. A. Cherenkovin kanssa "Cherenkov-säteilyn" teorian luomisesta. Kaikkien tasojen biologisten järjestelmien värähtelevä käyttäytyminen, joka on tunnettu ammoisista ajoista lähtien, on askarruttanut biologien lisäksi myös fysikaalikemistit ja fyysikot. Löytö 1800-luvulla kemiallisten reaktioiden vaihteluista johti myöhemmin ensimmäisten analogisten mallien syntymiseen, kuten "rautahermo", "elohopeasydän".

Termodynaaminen linja Biofysiikan kehitys liittyi luonnollisesti itse termodynamiikan kehitykseen. Lisäksi luonnontieteilijöiden intuitiivisesti hyväksymä avoimien biologisten järjestelmien epätasapainoinen luonne vaikutti epätasapainoisten järjestelmien termodynamiikan muodostumiseen. Tasapainojärjestelmien termodynamiikka, joka alun perin liitettiin pääasiassa kalorimetriaan, vaikutti myöhemmin merkittävästi solujen rakenteellisten muutosten, aineenvaihdunnan ja entsymaattisen katalyysin kuvaamiseen.

Loistavien lääketieteen fyysikkojen listaa voitaisiin laajentaa merkittävästi, mutta tavoitteena on paljastaa biologian, kemian, lääketieteen ja fysiikan syvät yhteydet, näiden tieteiden eriytetyn olemassaolon mahdottomuus. Suuren osan biofysikaalisesta tutkimuksesta ovat tehneet biologiasta kiinnostuneet fyysikot; Siksi fysiikkaan ja fysikaaliseen kemiaan koulutetuilla tiedemiehillä on oltava keino löytää tiensä biologiaan ja tutustua fysikaaliselle tulkinnalle avoimiin ongelmiin. Vaikka klassisen suuntautuneet biologian laitokset tarjoavat usein paikkoja biofyysikoille, ne eivät korvaa keskuksia, joissa biofyysinen tutkimus on keskeistä.

Biofyysikot pystyvät jakamaan biologiset ongelmat suoraan fyysiseen tulkintaan soveltuviin segmentteihin ja muotoilla hypoteeseja, joita voidaan testata kokeellisesti. Biofysiikan tärkein työkalu on suhde. Tähän on lisätty kyky käyttää monimutkaista fysikaalista teoriaa elävien olentojen tutkimiseen, esimerkiksi: röntgendiffraktiotekniikkaa tarvittiin suurten molekyylien, kuten proteiinien, rakenteen selvittämiseen. Biofyysikot tunnustavat yleisesti uusien fyysisten työkalujen, kuten atomimagneettiresonanssin ja elektronien spin-resonanssin, käytön tiettyjen biologian ongelmien tutkimisessa.

1.4. Soveltava biofysiikka

Biologisiin tarkoituksiin käytettävien työkalujen kehittäminen on tärkeä osa uutta sovelletun biofysiikan alaa. Biolääketieteen instrumentteja käytetään luultavasti laajimmin lääketieteellisissä ympäristöissä. Soveltava biofysiikka on tärkeä terapeuttisen radiologian alalla, jossa annoksen mittaaminen on erittäin tärkeää hoidossa, ja diagnostisessa radiologiassa, erityisesti teknologioissa, joihin liittyy isotooppipaikannus ja koko kehon skannaus, auttamaan kasvainten diagnosoinnissa. Tietokoneiden merkitys potilaan diagnoosin ja hoidon määrittämisessä kasvaa. Sovellettavan biofysiikan sovellusmahdollisuudet näyttävät loputtomalta, sillä tutkimusvälineiden kehittämisen ja niiden soveltamisen välinen pitkä viive merkitsee sitä, että monet jo tunnettuihin fysikaalisiin periaatteisiin perustuvat tieteelliset työkalut tulevat pian välttämättömiksi lääketieteelle.

Venäjän biofysiikka tieteenalana muodostui suurelta osin menneisyyden lopun, tämän vuosisadan alun merkittävien venäläisten tiedemiesten keskuudessa - fyysikoissa, biologeissa, lääkäreissä, jotka olivat läheisesti yhteydessä Moskovan yliopistoon. Heidän joukossaan oli N.K. Koltsov, V.I.Vernadski, P.N. Lebedev, P.P. Lazarev, myöhemmin - S.I. Vavilov, A.L. Chizhevsky ja monet muut.

James D. Watson(1928) yhdessä englantilaisen biofyysikon ja geneetiikan kanssa Francis H.K. itkeä(1916) ja biofyysikko Maurice Wilkins(1916) (joka sai ensimmäisenä korkealaatuisia röntgensäteitä DNA:sta yhdessä Rosalind Franklinin kanssa) loi vuonna 1953 DNA:sta kolmiulotteisen mallin, joka mahdollisti sen biologisten toimintojen ja fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien selittämisen. Vuonna 1962 Watson, Crick ja Wilkins saivat tästä työstä Nobel-palkinnon.

Ensimmäinen luentokurssi Venäjällä nimeltä "Biofysiikka" luettiin lääkäreille Moskovan yliopiston klinikalla vuonna 1922. Petr Petrovitš Lazarev(1878 - 1942), valittu vuonna 1917 ehdokkuudesta Ivan Petrovitš Pavlov(1849-1936) akateemikko. P.P. Lazarev valmistui Moskovan yliopiston lääketieteellisestä tiedekunnasta vuonna 1901. Sitten hän suoritti täyden fysiikan ja matematiikan kurssin ja työskenteli fysiikan laboratoriossa Petr Nikolaevich Lebedev(1866-1912), yksi kokeellisen fysiikan perustajista Venäjällä, ensimmäisen venäläisen tieteellisen fyysisen koulukunnan luoja, joka vuonna 1985 vastaanotti ja tutki millimetrin sähkömagneettisia aaltoja, löysi ja mittasi valon painetta kiinteisiin aineisiin ja kaasuihin (1999-1907) , joka vahvisti valon sähkömagneettisen teorian. Vuonna 1912 Lazarev johti opettajansa laboratoriota. Ensimmäinen biofyysikko, akateemikko Lazarev, johti ainutlaatuista fysiikan ja biofysiikan instituuttia, joka perustettiin Lebedevin elinaikana. Vuodesta 1920 vuoteen 1931 P. P. Lazarev johti tätä valtion biofysiikan instituuttia, joka perustettiin hänen aloitteestaan, Lazarev on lääketieteellisen radiologian perustaja, hänen instituutissaan oli ensimmäinen ja ainoa röntgenyksikkö, jolla Lenin kuvattiin vuoden 1918 salamurhayrityksen jälkeen, jonka jälkeen Lazarevista tuli lääketieteellisen radiologian instituutin aloitteentekijä ja ensimmäinen johtaja. Lazarev järjesti myös Kurskin magneettisen anomalian magneettisen kartoituksen, jonka ansiosta Maan fysiikan instituutin henkilökunta muodostui. Biofysiikan ja fysiikan instituutti kuitenkin tuhoutui Lazarevin pidätyksen jälkeen vuonna 1931, ja vuonna 1934 Lebedev FIAN perustettiin tähän rakennukseen.

1.5. Muutoksia biofysiikassa

1940-luvulta lähtien biofysiikassa on alkanut dramaattisia muutoksia. Ja se oli ajan kutsu - vuosisadamme puoliväliin mennessä ilmiömäisen harppauksen tehnyt fysiikka astui aktiivisesti biologiaan. Kuitenkin 1950-luvun lopulla euforia odotuksesta nopeasta ratkaisusta monimutkaisiin elämisen ongelmiin meni nopeasti ohi: fyysikkojen, joilla ei ollut perustavanlaatuista biologista ja kemiallista koulutusta, oli vaikea erottaa fysiikan ulottuvilla olevia, mutta "biologisesti merkittäviä" asioita. elävien järjestelmien toiminnan näkökohtia ja todellisia biologeja ja biokemistejä tiettyjen fyysisten ongelmien ja lähestymistapojen olemassaolosta ei pääsääntöisesti epäilty. Noiden ja myöhempien päivien tieteen kiireellinen tarve oli asiantuntijoiden koulutus kolmella perusmuodostelmalla: fysikaalisella, biologisella ja kemiallisella.

Maassamme oli toinen tärkeä syy biologian ja fysiikan välisen tiiviin liiton syntymiseen 1940-luvulla. Tuolloisten poliitikkojen epäammattimaisen, tuhoisan puuttumisen jälkeen genetiikan, molekyylibiologian, luonnonhoidon teorian ja käytännön aloille osa biologeista pystyi jatkamaan tutkimustaan ​​vain fyysisen profiilin tieteellisissä laitoksissa.

Kuten kaikki raja-alueet, jotka perustuvat fysiikan, biologian, kemian, matematiikan perustieteisiin, lääketieteen, geofysiikan ja geokemian, tähtitieteen ja avaruusfysiikan saavutuksiin jne. Biofysiikka vaatii aluksi kantajiensa integroitua, tietosanakirjallista lähestymistapaa itseensä, koska sen tarkoituksena on selvittää elävien järjestelmien toimintamekanismit elävän aineen organisoinnin kaikilla tasoilla. Lisäksi tämä määrää myös kollegoiden, läheisten tieteenalojen edustajien, toistuvan väärinymmärryksen biofysiikkaan ja biofyysikoihin liittyen. On vaikeaa, joskus lähes mahdotonta erottaa toisistaan ​​biofysiikka ja fysiologia, biofysiikka ja solubiologia, biofysiikka ja biokemia, biofysiikka ja ekologia, biofysiikka ja kronobiologia, biofysiikka ja biologisten prosessien matemaattinen mallinnus jne. Biofysiikka pyrkii siis selvittämään biologisten järjestelmien toimintamekanismeja kaikilla tasoilla ja kaikkien luonnontieteellisten lähestymistapojen pohjalta.

1.6. Biofysiikka - teoreettisena biologiana

Tiedetään, että biofysiikassa on mukana myös biologeja, kemistejä, lääkäreitä, insinöörejä ja armeijaa, mutta biofyysikkojen koulutusjärjestelmä osoittautui optimaaliseksi yleisen fysiikan yliopistokoulutuksen perusteella. Samaan aikaan biofysiikkaa on käsitelty ja käsitellään teoreettisena biologiana, ts. tiede elävien järjestelmien rakenteen ja toiminnan perusfysikaalisista ja fysikaalis-kemiallisista perusteista kaikilla organisaatiotasoilla - submolekyylitasolta biosfäärin tasolle. Biofysiikan aiheena ovat elävät järjestelmät, menetelmänä fysiikka, fysikaalinen kemia, biokemia ja matematiikka.

1950-luvun 50-luvulla fysiikan tiedekunnan opiskelijat osoittivat opettajiaan seuraten kiinnostusta myös lääketieteen ja biologian ongelmiin. Lisäksi näytti mahdolliselta antaa tiukka fysikaalinen analyysi maailmankaikkeuden merkittävimästä ilmiöstä - Elämän ilmiöstä. Kirja käännetty 1947 E. Schrödinger"Mitä on elämä? Fysiikan näkökulmasta. Elämisen sytologinen puoli”, luennot I.E.Tamma, N.V. Timofejev-Resovski, viimeisimmät biokemian ja biofysiikan löydöt saivat ryhmän opiskelijoita hakemaan Moskovan valtionyliopiston rehtoriin I. G. Petrovski pyynnöllä ottaa käyttöön biofysiikan opetus fysiikan tiedekunnassa. Rehtori kiinnitti suurta huomiota opiskelijoiden oma-aloitteisuuteen. Järjestettiin luentoja ja seminaareja, joihin osallistuivat innostuneesti aloitteentekijöiden lisäksi myös heihin liittyneet luokkatoverit, jotka myöhemmin muodostivat Moskovan valtionyliopiston fysiikan tiedekunnan ensimmäisen erikoistumisryhmän "Biofysiikka" ja ovat nyt Venäjän ylpeys. biofysiikka.

Biologisen tiedekunnan biofysiikan laitos on perustettu vuonna 1953. Sen ensimmäinen pää oli B.N. Tarusov. Tällä hetkellä johtaa biologian tiedekunnan biofysiikan laitosta A.B. Rubiini. Ja syksyllä 1959 ensimmäisenä maailmassa Biofysiikan laitos, joka alkoi kouluttaa biofyysikoita fyysikoista (ennen sitä biofyysikot koulutettiin biologeista tai lääkäreistä). Akateemikot I.G. Petrovsky, I.E. Tamm, N.N. -kemisti). Hallinnon puolelta erikoistumisen luominen " biofysiikka» Dekaaniprofessori ruumiillistui fysiikan tiedekunnassa V.S. Fursov, joka tuki sen kehitystä kaikki vuodet, ja hänen sijaisensa V.G. Zubov. Osaston ensimmäiset työntekijät olivat fysikokemisti L.A. Blumenfeld, joka johti laitosta lähes 30 vuotta ja on nyt sen professori, biokemisti S.E. Shnol, laitoksen professori ja fysiologi I.A. Kornienko.

Syksyllä 1959 Moskovan yliopiston fysiikan tiedekuntaan perustettiin maailman ensimmäinen biofysiikan laitos, joka alkoi kouluttaa biofysiikan asiantuntijoita fyysikoista. Laitoksen olemassaolon aikana on koulutettu noin 700 biofyysikkoa.

Laitoksen ensimmäiset työntekijät olivat laitosta 30 vuotta johtanut fysikokemisti L.A. Blumenfeld (1921 - 2002), laitoksen professori biokemisti S.E. Shnol ja fysiologi I.A. Kornienko. He muotoilivat fyysikkojen biofyysisen koulutusjärjestelmän rakentamisen periaatteet, määrittelivät laitoksen tieteellisen tutkimuksen pääsuuntaukset.

Biofysiikan laitoksella L.A. Blumenfeld piti useiden vuosien ajan luentokursseja "Fysikaalinen kemia", "Kvanttikemia ja molekyylien rakenne", "Selected Chapters of Biophysics". Yli 200 teoksen, 6 monografian kirjoittaja.

V.A.:n tieteelliset intressit Tverdislov liittyy kalvojen biofysiikkaan, epäorgaanisten ionien roolin tutkimukseen biologisissa järjestelmissä, ioninsiirron mekanismeihin solun läpi ja mallikalvoihin ionipumppujen avulla. Hän ehdotti ja kehitti kokeellisesti mallin nesteseosten parametriseen erotteluun jaksollisissa kentissä heterogeenisissä järjestelmissä.

Fysiikan tiedekunnan mittakaavassa biofysiikan laitos on pieni, mutta historiallisesti on käynyt ilmi, että sen työntekijöiden tutkimus on päällekkäin merkittävällä perus- ja soveltavan biofysiikan alueella. Merkittäviä saavutuksia on biologisten järjestelmien energian muuntamisen fysikaalisten mekanismien tutkimisessa, biologisten kohteiden radiospektroskopiassa, entsymaattisen katalyysin fysiikassa, kalvojen biofysiikassa, biomakromolekyylien vesiliuosten tutkimuksessa, itseorganisaatioprosessien tutkimuksessa. biologisissa ja mallijärjestelmissä, biologisten perusprosessien säätelyssä, lääketieteellisen biofysiikan, nano- ja bioelektroniikan alalla jne. Biofysiikan laitos on useiden vuosien ajan tehnyt yhteistyötä yliopistojen ja johtavien tieteellisten laboratorioiden kanssa Saksassa, Ranskassa, Englannissa, USA:ssa, Puolassa, Tšekin tasavallassa ja Slovakiassa, Ruotsissa, Tanskassa, Kiinassa ja Egyptissä.

1.7. Biofysikaalista tutkimusta fysiikassa

Fyysikoiden kiinnostus biologiaa kohtaan 1800-luvulla. lisääntynyt jatkuvasti. Samaan aikaan biologian tieteenaloilla vetovoima fysikaalisiin tutkimusmenetelmiin voimistui, ne tunkeutuivat yhä enemmän biologian monimuotoisimpiin alueisiin. Fysiikan avulla mikroskoopin tietokykyä laajennetaan. XX vuosisadan 30-luvun alussa. elektronimikroskooppi tulee näkyviin. Radioaktiiviset isotoopit, jatkuvasti kehittyvä spektritekniikka ja röntgendiffraktioanalyysi ovat tulossa valinnaiseksi välineeksi biologisessa tutkimuksessa. Röntgen- ja ultraviolettisäteiden soveltamisala laajenee; sähkömagneettisia värähtelyjä ei käytetä vain tutkimusvälineenä, vaan myös kehoon vaikuttavina tekijöinä. Tunkeutuu laajasti biologiaan ja erityisesti fysiologiaan, elektroniseen teknologiaan.

Uusien fysikaalisten menetelmien käyttöönoton myötä kehittyy myös molekyylibiofysiikka. Saavutettuaan valtavan menestyksen elottoman aineen olemuksen ymmärtämisessä, fysiikka alkaa vaatia perinteisin menetelmin tulkitsemaan elävän aineen luonnetta. Molekyylibiofysiikassa luodaan erittäin laajoja teoreettisia yleistyksiä monimutkaisen matemaattisen laitteiston avulla. Perinnettä noudattaen biofyysikko pyrkii pääsemään eroon erittäin monimutkaisesta ("likaisesta") biologisesta kohteesta kokeessa ja haluaa tutkia organismeista eristettyjen aineiden käyttäytymistä mahdollisimman puhtaassa muodossa. Erilaisten biologisten rakenteiden ja prosessien mallien - sähköisten, elektronisten, matemaattisten jne. - kehitys kehittyy voimakkaasti. Solujen liikkeen malleja luodaan ja tutkitaan (esimerkiksi elohopeapisara happamassa liuoksessa saa aikaan rytmisiä liikkeitä, kuten ameeba), läpäisevyydestä ja hermojen johtumisesta. Erityisesti F. Lillyn luoma hermojohtamismalli herättää paljon huomiota. Tämä on rautalankarengas, joka on asetettu kloorivetyhappoliuokseen. Kun siihen kohdistetaan naarmu, joka tuhoaa pintaoksidikerroksen, syntyy sähköinen potentiaaliaalto, joka on hyvin samanlainen kuin hermoja pitkin kiihtyessään kulkevat aallot. Tämän mallin tutkimukselle on omistettu monia tutkimuksia (1930-luvulta alkaen) matemaattisia analyysimenetelmiä käyttäen. Tulevaisuudessa luodaan kehittyneempi kaapeliteoriaan perustuva malli. Sen rakentamisen perustana oli fyysinen analogia sähkökaapelin ja hermokuidun potentiaalien jakautumisen välillä.

Muut molekyylibiofysiikan alueet ovat vähemmän suosittuja. Niistä on syytä mainita matemaattinen biofysiikka, jonka johtaja on N. Rashevsky. Yhdysvalloissa Rashevsky-koulu julkaisee Mathematical Biophysics -lehteä. Matemaattinen biofysiikka liittyy moniin biologian alueisiin. Se ei ainoastaan ​​kuvaa matemaattisessa muodossa sellaisten ilmiöiden kuin kasvun, solujen jakautumisen, virittymisen määrällisiä malleja, vaan myös yrittää analysoida korkeampien organismien monimutkaisia ​​fysiologisia prosesseja.

1.8 Biofysikaalista tutkimusta biologiassa

Vahva sysäys biofysiikan muodostumiselle oli synty XIX-luvun lopulla - XX-luvun alussa. fysikaalinen kemia, jonka sanelee tarve tunnistaa kemiallisen vuorovaikutuksen taustalla olevat mekanismit. Tämä uusi tieteenala kiinnitti välittömästi biologien huomion sillä, että se avasi mahdollisuuden ymmärtää fysikaaliskemiallisia prosesseja noissa "likaisissa" elävissä järjestelmissä fyysikon näkökulmasta, joiden kanssa heidän oli vaikea työskennellä. Useat fysikaalisessa kemiassa nousseet suuntaukset ovat synnyttäneet samanlaisia ​​suuntauksia biofysiikassa.

Yksi fysikaalisen kemian historian suurimmista tapahtumista oli kehitys S. Arrhenius (Nobel-palkinto, 1903) teoria suolojen elektrolyyttisesta dissosiaatiosta vesiliuoksissa (1887), joka paljasti syyt niiden toimintaan. Tämä teoria herätti kiinnostuksen fysiologeissa, jotka olivat hyvin tietoisia suolan roolista viritysilmiöissä, hermoimpulssien johtamisessa, verenkierrossa ja niin edelleen. Jo vuonna 1890 nuori fysiologi V.Yu. Chagovets esittelee tutkimuksen "Arrheniuksen dissosiaatioteorian soveltamisesta sähkömotiivisiin ilmiöihin elävissä kudoksissa", jossa hän yritti yhdistää biosähköisten potentiaalien esiintymisen ionien epätasaiseen jakautumiseen.

Useat fysikaalisen kemian perustajat osallistuvat fysikaalis-kemiallisten ideoiden siirtämiseen biologisiin ilmiöihin. Perustuu suola-ionien liikeilmiöön, W. Nernst (1908) muotoili hänen hyvin tunnetun kvantitatiivisen virityslakinsa: fysiologisen virityksen kynnys määräytyy siirrettyjen ionien lukumäärän mukaan. Fyysikko ja kemisti W. Ostwald kehitti teorian biosähköisten potentiaalien syntymisestä, joka perustui oletukseen, että solun pinnalla on ioneja puoliläpäisevä kalvo, joka pystyy erottamaan vastakkaisten varausten ioneja. Näin luotiin biofysikaalisen suunnan perusta biologisten kalvojen läpäisevyyden ja rakenteen tulkinnassa laajassa mielessä.

Luku II. BIOFYSIIKKA FYSIIKAN TUNNIT

2.1. Biofysiikan osat fysiikan tunneilla luokilla 7-9

Modernille tieteelle ominaista on eri tieteenalojen ideoiden, teoreettisten lähestymistapojen ja menetelmien intensiivinen tunkeutuminen toisiinsa. Tämä koskee erityisesti fysiikkaa, kemiaa, biologiaa ja matematiikkaa. Fysikaaliset tutkimusmenetelmät ovat siis laajasti käytössä elävän luonnon tutkimuksessa, ja tämän kohteen ainutlaatuisuus herättää henkiin uusia, edistyneempiä fyysisen tutkimuksen menetelmiä.

Fysiikan ja biologian väliset yhteydet huomioon ottaen on tarpeen osoittaa opiskelijoille useiden elävän ja elottoman luonnon lakien yhteisyys, syventää heidän ymmärrystään aineellisen maailman ykseydestä, ilmiöiden suhteesta ja ehdollisuudesta, niiden tunnistetavuudesta, perehdyttää heidät fysikaalisten menetelmien käyttöön biologisten prosessien tutkimuksessa.

Fysiikan tunneilla on korostettava, että aikamme tyypillinen merkki on useiden monimutkaisten tieteiden synty. Biofysiikka on kehittynyt - tiede, joka tutkii fyysisten tekijöiden vaikutusta eläviin organismeihin.

Biofysikaalisten esimerkkien houkutteleminen auttaa omaksumaan paremmin fysiikan kurssin. Biofysikaalisen materiaalin tulee liittyä suoraan fysiikan ja biologian kurssien opetussuunnitelmaan ja heijastaa lupaavimpia tieteen ja teknologian kehityssuuntia. Fysiikan kurssin lähes kaikkiin osiin voidaan valita suuri määrä biofysikaalisia esimerkkejä, joita on suositeltavaa käyttää yhdessä esimerkkien kanssa elottomasta luonnosta ja tekniikasta.

2.2. Biofysiikan käyttö luokkahuoneessa peruskoulussa

Mekaniikka

Liike ja voimat.

Kun opiskelet aihetta "Liike ja voimat" luokalla 7, voit esitellä oppilaat eri eläinten liikkumisnopeuksilla. Etana ryömii noin 5,5 m tunnissa. Kilpikonna liikkuu noin 70 m/h nopeudella. Perho lentää nopeudella 5 m/s. Keskimääräinen kävelynopeus on noin 1,5 m/s eli noin 5 km/h. Hevonen pystyy liikkumaan nopeudella 30 km/h ja enemmän.

Joidenkin eläinten enimmäisnopeus: koirakoira - 90 km / h, strutsi - 120 km / h, gepardi - 110 km / h, antilooppi - 95 km / h.

Eläinmaailman eri edustajien nopeusdataa käyttämällä on mahdollista ratkaista monenlaisia ​​ongelmia. Esimerkiksi:

Simpukan nopeus on 0,9 mm/s. Ilmoita tämä nopeus yksiköissä cm/min, m/h.

Saalista jahtaava muuttohaukka sukeltaa nopeudella 300 km/h. Minkä matkan se kulkee 5 sekunnissa?

Tiedetään, että tammen keskimääräinen kasvuvauhti on noin 0,3 m vuodessa. Kuinka vanha on 6,3 m korkea tammi?

Puhelimen paino Tiheys.

Kehon paino ja tilavuus liittyvät suoraan kasviston edustajiin, esimerkiksi seuraavat tehtävät annetaan:

Määritä koivupuun massa, jos sen tilavuus on 5 m 3.

Määritä kuivan bambun tilavuus, jos sen massa on 4800 kg.

Määritä balsapuun tiheys, jos sen massa on 50 tonnia ja tilavuus 500 m 3.

Painovoima.

Kun opiskelet tätä aihetta, voit suorittaa seuraavan koulutustyön. Eri nisäkkäiden massat on annettu: valas - 70000 kg, norsu - 4000 kg, sarvikuono - 2000 kg, härkä - 1200 kg, karhu - 400 kg, sika 200 kg, ihminen - 70 kg, susi - 40 kg, jänis - 6 kg. Etsi heidän painonsa newtoneina.

Samoja tietoja voidaan käyttää voimien kuvaamiseen graafisesti.

Nesteiden ja kaasujen paine.

Ihmiskehoon, jonka pinta-ala, jonka massa on 60 kg ja korkeus 160 cm, on noin 1,6 m 2, kohdistuu 160 000 N:n voima ilmakehän paineen vuoksi. Kuinka kroppa kestää niin valtavan kuormituksen?

Tämä saavutetaan johtuen siitä, että kehon suonet täyttävien nesteiden paine tasapainottaa ulkoista painetta.

Tähän asiaan liittyy läheisesti mahdollisuus olla veden alla suurissa syvyyksissä. Tosiasia on, että kehon siirtäminen toiselle tasolle aiheuttaa sen toimintojen hajoamisen. Tämä johtuu astioiden seinien muodonmuutoksesta, joka on suunniteltu tietylle paineelle sisä- ja ulkopuolelta. Lisäksi paineen muuttuessa monien kemiallisten reaktioiden nopeus muuttuu, minkä seurauksena myös kehon kemiallinen tasapaino muuttuu. Paineen noustessa kehon nesteiden kaasujen imeytyminen lisääntyy, ja kun se laskee, tapahtuu liuenneiden kaasujen vapautumista. Kun paine laskee nopeasti voimakkaasta kaasujen vapautumisesta, veri ikään kuin kiehuu, mikä johtaa verisuonten tukkeutumiseen, usein kuolemaan. Tämä määrittää suurimman syvyyden, jossa sukellusoperaatiot voidaan suorittaa (yleensä vähintään 50 metriä). Laskeutuminen ja nousu on tehtävä hyvin hitaasti, jotta kaasujen vapautuminen tapahtuu vain keuhkoissa, ei heti koko verenkiertoelimessä.

Esimerkkejä eräistä voimista villieläimissä.

Perhon teho lennossa on 10-5 wattia.

Miekkakalaisku 10 5 -10 6 W.

Uskotaan, että henkilö voi normaaleissa työoloissa kehittää noin 70-80 W tehoa, mutta lyhytaikainen tehon lisääminen useaan kertaan on mahdollista. Joten 750 N:n henkilö voi hypätä 1 metrin korkeuteen 1 sekunnissa, mikä vastaa 750 W:n tehoa; juoksija kehittää noin 1000 watin tehoa.

Välitön tai räjähdysmäinen energian vapautuminen on mahdollista urheilulajeissa, kuten kuulantyöntö tai korkeushypy. Havainnot ovat osoittaneet, että korkeiden hyppyjen aikana, joissa molemmilla jaloilla repulsoidaan samanaikaisesti, jotkut miehet kehittävät keskimäärin noin 3700 W tehon 0,1 sekunnissa ja naiset - 2600 W.

Sydän-keuhkokone (AIC)

Mekaniikan opiskelun päätteeksi on hyödyllistä kertoa opiskelijoille sydän-keuhkokoneen laitteesta.

Sydänleikkausten aikana on usein tarpeen kytkeä se tilapäisesti pois kehon verenkierrosta (noin 4-5 litraa aikuisella potilaalla), kiertävän veren asetettu lämpötila.

Sydän-keuhkokone koostuu kahdesta pääosasta: pumpun ja happigeneraattorin osasta. Pumput suorittavat sydämen toimintoja - ne ylläpitävät painetta ja verenkiertoa kehon verisuonissa leikkauksen aikana. Happigeneraattori hoitaa keuhkojen toiminnan ja varmistaa vähintään 95 %:n veren kyllästymisen ja ylläpitää CO 2 -osapaineen tasolla 35-45 mm Hg. Taide. laskimoveri potilaan verisuonista virtaa painovoiman vaikutuksesta happigeneraattoriin, joka sijaitsee leikkauspöydän tason alapuolella, jossa se kyllästetään hapella, vapautetaan ylimääräisestä hiilidioksidista ja pumpataan sitten potilaan verenkiertoon valtimopumpulla. AIK pystyy pitkään korvaamaan sydämen ja keuhkojen toiminnot.

Eläviin esineisiin liittyvien ongelmien ratkaisemisessa tulee olla tarkkana, ettei biologisten prosessien tulkintavirheitä tule.

Tehtävä. Miten selittää fyysisten esitysten avulla, että myrskyssä kuusi repeytyy helposti juurineen, kun taas männyn runko murtuu todennäköisemmin?

Olemme kiinnostuneita analysoimaan vain asian laadullista puolta. Lisäksi meitä kiinnostaa kysymys molempien puiden vertailukäyttäytymisestä. Kuorman rooli ongelmassamme on tuulen voimalla F B. Voit lisätä runkoon vaikuttavan tuulen voiman lattuun vaikuttavaan tuulenvoimaan ja jopa olettaa, että molempiin puihin vaikuttavat tuulenvoimat ovat samat. . Sitten ilmeisesti lisäperustelun pitäisi olla seuraava. Männyn juuristo menee syvemmälle maahan kuin kuusen. Tästä johtuen männyn maassa pitävän voiman lapa on suurempi kuin kuusen. Siksi kuusen kääntämiseen juurella tarvitaan vähemmän voimaa ja tuulta kuin murtaa. Siksi kuusi käy juurella esiin useammin kuin mänty ja mänty katkeaa useammin kuin kuusi.

Lämmön ja molekyyli-ilmiöiden tutkimus

Laite "keinomunuainen"

Tätä laitetta käytetään ensiapuun akuutin myrkytyksen yhteydessä; valmistella potilaita, joilla on krooninen munuaisten vajaatoiminta munuaisensiirtoa varten; tiettyjen hermoston häiriöiden (skitsofrenia, masennus) hoitoon.

AIP on hemodialysaattori, jossa veri joutuu kosketuksiin suolaliuoksen kanssa puoliläpäisevän kalvon läpi. Osmoottisten paineiden eroista johtuen aineenvaihduntatuotteiden (urea ja virtsahappo) ionit ja molekyylit sekä erilaiset kehosta poistettavat myrkylliset aineet kulkeutuvat kalvon läpi verestä suolaliuokseen.

kapillaari-ilmiöitä.

Kapillaari-ilmiöitä tarkasteltaessa tulee korostaa niiden roolia biologiassa, koska useimmat kasvi- ja eläinkudokset ovat läpäiseviä valtavan määrän kapillaarisuonia. Juuri kapillaareissa tapahtuvat kehon hengitykseen ja ravitsemukseen liittyvät pääprosessit, kaikki monimutkaisin elämän kemia, joka liittyy läheisesti diffuusiin ilmiöihin.

Sydän- ja verisuonijärjestelmän fyysinen malli voi olla useiden haarautuneiden putkien järjestelmä, joissa on elastiset seinämät. Kun haarautuminen kasvaa, putkien kokonaispoikkileikkaus kasvaa ja nesteen nopeus pienenee vastaavasti. Kuitenkin johtuen siitä, että bifurkaatio koostuu monista kapeista kanavista, sisäiset kitkahäviöt kasvavat suuresti ja kokonaisvastus nesteiden liikkeelle (nopeuden laskusta huolimatta) kasvaa merkittävästi.

Pintailmiöiden rooli elävän luonnon elämässä on hyvin monimuotoinen. Esimerkiksi veden pintakalvo on tuki monille eliöille liikkuessaan. Tätä liikettä esiintyy pienissä hyönteisissä ja hämähäkkieläimissä. Jotkut vedessä elävät eläimet, joilla ei ole kiduksia, ripustetaan alhaalta lähelle veden pintakalvoa hengityselimiä ympäröivien erityisten kastumattomien harjasten avulla. Tätä tekniikkaa käyttävät hyttysen toukat (mukaan lukien malaria).

Itsenäiseen työskentelyyn voit tarjota tehtäviä, kuten:

Miten molekyylikineettisen teorian tietoa voidaan soveltaa selittämään mekanismia, jolla kasvien juurikarvat imevät ravinteita maaperästä?

Miten selittää olkikaton vedenpitävyys, heinä pinoissa?

Määritä korkeus, johon pintajännitysvoimien vaikutuksesta vesi kohoaa kasvien varsissa, joissa on halkaisijaltaan 0,4 mm kapillaareja. Voidaanko kapillaarisuutta pitää ainoana syynä veden nousuun kasvin vartta pitkin?

Onko totta, että matalalla maan päällä lentävät pääskyset ilmoittavat sateen lähestymisestä?

Värähtelyn ja äänen tutkimus

Esimerkkejä jaksollisista prosesseista biologiassa: monet kukat sulkevat terien illalla; useimmissa eläimissä jälkeläisten ilmestyminen on säännöllistä; kasvien fotosynteesin intensiteetissä tapahtuvat säännölliset muutokset tunnetaan; vaihtelut kokevat ytimien koon soluissa jne.

Metsän ääniä.

Metsän äänet (kahina) syntyvät lehtien värähtelyn seurauksena tuulen vaikutuksesta ja niiden kitkasta toisiaan vastaan. Tämä on erityisen havaittavissa haavan lehdissä, koska ne ovat kiinnittyneet pitkiin ja ohuisiin lehtilehtiin, joten ne ovat erittäin liikkuvia ja huojuvat heikoimmillakin ilmavirroilla.

Sammakoilla on erittäin kovat ja melko vaihtelevat äänet. Joillakin sammakalajeilla on mielenkiintoisia äänenvahvistuslaitteita pään sivuilla suurten pallomaisten kuplien muodossa, jotka turpoavat itkeessään ja toimivat voimakkaana resonanssina.

Hyönteisten ääni johtuu useimmiten siipien nopeasta tärinästä lennon aikana (hyttyset, kärpäset, mehiläiset). Useammin siipiään räpäyttävän hyönteisen lennon havaitsemme korkeamman taajuuden ja siten korkeamman äänenä. Joillakin hyönteisillä, kuten heinäsirkoilla, on erityiset äänielimet - takajalkojen kynsirivi, joka koskettaa siipien reunoja ja saa ne värisemään.

Lahjuksesta pesästä ulos lentävä työmehiläinen tekee keskimäärin 180 siipilyöntiä sekunnissa. Kun hän palaa kuormalla, iskujen määrä kasvaa 280:een. Miten tämä vaikuttaa kuulemaan ääneen?

Miksi perhosen lento on hiljaa?

Monilla sammakoilla tiedetään olevan suuria, pallomaisia ​​rakkuloita pään sivuilla, jotka turpoavat kutsuessaan. Mikä on niiden tarkoitus?

Mikä määrittää hyönteisten lennon aikana lähettämän äänen taajuuden?

Optiikan ja atomin rakenteen tutkimus.

Kevyt.

Valo on ehdottoman välttämätöntä elävälle luonnolle, sillä se toimii energian lähteenä. Klorofyllia sisältävät kasvit ovat joitakin bakteereja lukuun ottamatta ainoita eliöitä, jotka pystyvät syntetisoimaan omaa ainettaan vedestä, mineraalisuoloista ja hiilidioksidista säteilyenergian avulla, jonka ne muuttavat kemialliseksi energiaksi assimilaatioprosessissa. Kaikki muut planeetallamme elävät organismit - kasvit ja eläimet - ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia ​​klorofylliä sisältävistä kasveista. Ne absorboivat voimakkaimmin klorofyllin spektrin absorptiovyöhykkeitä vastaavat säteet. Niitä on kaksi: yksi on spektrin punaisessa osassa, toinen sinivioletissa. Kasvin jäljellä olevat säteet heijastavat. He antavat klorofylliä sisältäville kasveille vihreän värin. Klorofylliä sisältäviä kasveja edustavat korkeammat kasvit, sammalet ja levät.

Eläinmaailman eri edustajien silmät.

Sammakkoeläimillä silmän sarveiskalvo on hyvin kupera. Silmien mukauttaminen tapahtuu, kuten kaloissa, linssin liikkeellä.

Linnuilla on erittäin terävä näkö, parempi kuin muilla eläimillä. Heidän silmämuna on erittäin suuri ja sillä on erikoinen rakenne, jonka ansiosta näkökenttä kasvaa. Lintuilla, joilla on erityisen terävä näkö (korppikotkat, kotkat), on pitkänomainen "teleskooppinen" silmämuna. Vedessä elävien nisäkkäiden (esimerkiksi valaiden) silmät muistuttavat syvänmeren kalojen silmiä sarveiskalvon pullistuman ja suuren taitekertoimen suhteen.

Kuinka mehiläiset näkevät värit.

Mehiläisten näkemys on erilainen kuin ihmisten. Ihminen erottaa noin 60 yksittäistä näkyvän spektrin väriä. Mehiläiset erottavat vain 6 väriä: keltainen, sinivihreä, sininen, "violetti", violetti ja ihmisille näkymätön ultravioletti. Mehiläisen "magenta" väri on sekoitus spektrin keltaisia ​​ja ultraviolettisäteitä, jotka näkyvät mehiläiselle.

Tämän osion itsenäiseen työskentelyyn voit tarjota seuraavia tehtäviä:

Mitä varten kaksi silmää on?

Ihmisen ja kotkan silmän verkkokalvo on suunnilleen sama, mutta kotkan silmän hermosolujen (kartioiden) halkaisija sen keskiosassa on pienempi - vain 0,3 - 0,4 mikronia (mikronia = 10 -3 mm). Mitä merkitystä tällaisella kotkan silmän verkkokalvon rakenteella on?

Pimeyden tullessa silmän pupilli laajenee. Miten tämä vaikuttaa ympäröivien kohteiden kuvan terävyyteen? Miksi?

Kalan silmän linssi on pallomainen. Mitkä kalojen elinympäristön ominaisuudet tekevät tästä linssistä sopivan? Mieti kalojen silmien mukautumismekanismia, jos linssin kaarevuus ei muutu.

2.3. Blitz-turnaus "Fysiikka villieläimissä"

Itsenäisen käytännön toiminnan järjestämiseksi 7. luokan opiskelijoille voidaan tarjota blitz-turnaus "Fysiikka villieläimissä".

Oppitunnin tarkoitus: materiaalin toisto aiheesta "Yleistäminen koko kurssille"; tiedon, kekseliäisyyden, loogisen ajattelun koe.

Pelin säännöt

Kysymykset valitaan koko 7. luokan kurssin ajan.

Oppitunti etenee kovaa vauhtia.

Oppitunnin aikana voit käyttää mitä tahansa viitekirjallisuutta, mukaan lukien oppikirja.

Tuntien aikana

Opettaja lukee kysymyksen. Pelaaja, joka on valmis vastaamaan, nostaa kätensä; Ensimmäisenä kätensä nostava saa puheenvuoron. Oikea vastaus on 1 pisteen arvoinen. Vähiten pisteitä saaneet osallistujat putoavat pelistä.

Kysymyksiä:

Vedestä poistuessaan eläimiä ravistellaan. Mitä fyysistä lakia tässä tapauksessa käytetään? (Inertialaki).

Mikä on jäniksen jalkapohjien elastisten karvojen merkitys? (Janiksen jalkapohjien elastinen karva pidentää jarrutusaikaa hyppyssä ja heikentää siten iskuvoimaa).

Miksi jotkut kalat pitelevät eviään lähellään liikkuessaan nopeasti? (Liikevastuksen vähentämiseksi).

Syksyllä puutarhojen ja puistojen läheltä kulkevien raitiovaunuraiteiden viereen ripustetaan joskus juliste: ”Varoitus! Lehtien pudotus. Mitä tämä varoitus tarkoittaa? (Kiskoille putoavat lehdet vähentävät kitkaa, joten auto pääsee jarrutettaessa pitkälle.)

Mikä on ihmisen luun puristuslujuus? (Esim. pystysuoraan asetettu reisiluu kestää puolentoista tonnin kuorman paineen).

Miksi sukellussaappaat valmistetaan painavista lyijypohjallisista? (Saappaiden raskaat lyijypohjat auttavat sukeltajaa voittamaan veden kelluvuuden.)

Miksi ihminen voi liukastua astuessaan kovan, kuivan herneen päälle? (Kitka edistää ihmisen liikkumista. Kuiva herne, laakerin kaltainen, vähentää kitkaa ihmisen jalkojen ja tuen välillä).

Miksi mutapohjaisessa joessa juuttumme enemmän matalaan paikkaan kuin syvään? (Sukeltaessamme suurempaan syvyyteen syrjäyttämme suuremman määrän vettä. Arkhimedesin lain mukaan meihin vaikuttaa tässä tapauksessa suuri kelluva voima).

Yhteenveto.

Opettaja antaa arvosanat.

Johtopäätös

K. D. Ushinsky kirjoitti, että jotkut opettajat näyttävät tekevän vain sitä, mitä he toistavat, mutta itse asiassa he siirtyvät nopeasti eteenpäin oppiessaan uusia asioita. Toistaminen uuden mukana johtaa käsitellyn materiaalin parempaan ymmärtämiseen ja muistamiseen. Tiedetään myös, että paras tapa herättää kiinnostusta aihetta kohtaan on soveltaa hankittua tietoa muillakin kuin niillä aloilla, joilla ne on saatu. Toiston järjestäminen biofysikaalisen materiaalin avulla on juuri sellainen toisto, kun se tapahtuu uuden mukana, kiinnostaa suuresti opiskelijoita ja antaa heille mahdollisuuden soveltaa fysiikan lakeja villieläinten kenttään.

Biofysikaalisten esimerkkien houkutteleminen auttaa omaksumaan paremmin fysiikan kurssin. Biofysikaalisen materiaalin tulee liittyä suoraan fysiikan ja biologian kurssien opetussuunnitelmaan ja heijastaa lupaavimpia tieteen ja teknologian kehityssuuntia.

Tieteidenvälisten yhteyksien luominen fysiikan ja biologian välille tarjoaa suuria mahdollisuuksia materialististen uskomusten muodostumiselle. Koululaiset oppivat havainnollistamaan fysiikan lakeja paitsi tekniikan esimerkeillä, myös esimerkeillä villieläimistä. Toisaalta, kun otetaan huomioon kasvi- ja eläinorganismien elintärkeä toiminta, he käyttävät fysikaalisia lakeja, fysikaalisia analogioita.

Toistamalla ja yhdistämällä biofysikaalista materiaalia käsiteltyä materiaalia opettaja voi perehdyttää opiskelijat uusimpiin saavutuksiin biofysiikan ja bioniikan alalla, kannustaa heitä lukemaan lisäkirjallisuutta.

Organisatorisesti oppituntia voidaan rakentaa eri tavoin: opettajien luentoina, opiskelijoiden fysiikan ja biologian opettajien ohjauksessa laatimien raporttien muodossa.

KIRJASTUS

Trofimova T.I. Kokoelma fysiikan kurssin tehtäviä teknisille korkeakouluille - 3. painos. - M .: LLC Publishing House Onyx 21st Century: LLC Publishing House Mir and Education, 2003 - 384 s.: ill.

Zorin N.I. Valinnainen kurssi "Biofysiikan elementit": luokka 9. - M.: VAKO, 2007. - 160 s. - (Opettajan työpaja).

Valinnaiset 9: Fysiikka. Kemia. Biologia: Vapaasti valittavien kurssien rakentaja (Ainevälisten ja ainekohtaisten): Esiprofiilikoulutuksen järjestämiseen 9. luokan opiskelijoille: 2 kirjassa. Kirja. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. ja muut - M .: 5 tiedon puolesta, 2006. - 304 s. - (Valinnainen).

Valinnaiset 9: Fysiikka. Kemia. Biologia: Vapaasti valittavien kurssien rakentaja (Ainevälisten ja ainekohtaisten): Esiprofiilikoulutuksen järjestämiseen 9. luokan opiskelijoille: 2 kirjassa. Kirja. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. ja muut - M .: 5 tiedon puolesta, 2006. - 176 s. - (Valinnainen).

Maron A.E. Fysiikan laadullisten ongelmien kokoelma: 7-9 solun yleissivistävälle koulutukselle. laitokset / A.E. Maron, E.A. Kastanjanruskea. - M.: Koulutus, 2006. - 239 s.: ill.

Lukashik V.I. Kokoelma fysiikan tehtäviä oppilaitosten luokille 7-9 / V.I. Lukashik, E.V. Ivanova. – 22. painos – M.: Enlightenment, 2008. – 240 s.: ill.

Katz Ts.B. Biofysiikka fysiikan tunneilla / Kirja. opettajalle: työkokemuksesta. - 2. painos, tarkistettu. – M.: Enlightenment, 1988. – 159 s.: ill.

Volkov V.A., Polyansky S.E. Pourochnye kehitys fysiikassa. Luokka 7 - 2. painos. - M.: VAKO, 2007. - 304 s. - (Auttamaan koulun opettajaa: A.V. Peryshkinin, S.V. Gromovin, N.A. Rodinan koulutussarjoihin).

Yksi vanhimmista tieteistä on tietysti biologia. Ihmisten kiinnostus itsessä ja ympäröivissä olennoissa tapahtuviin prosesseihin syntyi useita tuhansia vuosia ennen aikakauttamme.

Eläinten, kasvien ja luonnonprosessien havainnointi oli tärkeä osa ihmisten elämää. Ajan myötä tietoa on kertynyt paljon, menetelmiä villieläinten ja siinä esiintyvien mekanismien tutkimiseksi on parannettu ja kehitetty. Tämä johti monien osien syntymiseen, jotka muodostavat kaiken kaikkiaan monimutkaisen tieteen.

Biologinen tutkimus eri elämänalueilla mahdollistaa uuden arvokkaan tiedon saamisen, joka on tärkeää maapallon biomassan rakenteen ymmärtämisen kannalta. Käytä tätä tietoa käytännön inhimillisiin tarkoituksiin (avaruustutkimus, lääketiede, maatalous, kemianteollisuus ja niin edelleen).

Monet löydöt mahdollistivat biologisen tutkimuksen kaikkien elävien järjestelmien sisäisen rakenteen ja toiminnan alalla. Organismien molekyylikoostumusta, niiden mikrorakennetta on tutkittu, monia geenejä on eristetty ja tutkittu ihmisten ja eläinten, kasvien genomista. Biotekniikan ansioiden ansiosta voit saada useita kasveja kauden aikana sekä kasvattaa eläinrotuja, jotka antavat enemmän lihaa, maitoa ja munia.

Mikro-organismien tutkiminen mahdollisti antibioottien hankkimisen ja kymmenien ja satojen rokotteiden luomisen, jotka mahdollistavat monien sairauksien voittamisen, jopa ne, jotka vaativat tuhansia ihmishenkiä ihmisten ja eläinten epidemioissa.

Siksi moderni biologian tiede on ihmiskunnan rajattomat mahdollisuudet monilla tieteenaloilla, teollisuudessa ja terveyden säilyttämisessä.

Biologian tieteiden luokitus

Yksi biologian tieteen ensimmäisistä ilmestyneistä yksityisistä osista. Kuten kasvitiede, eläintiede, anatomia ja taksonomia. Myöhemmin alkoi muodostua enemmän teknisistä laitteista riippuvaisia ​​tieteenaloja - mikrobiologia, virologia, fysiologia ja niin edelleen.

On olemassa joukko nuoria ja edistyksellisiä tieteitä, jotka syntyivät vasta 1900-2000-luvulla ja joilla on tärkeä rooli biologian modernissa kehityksessä.

Ei ole olemassa yhtä, vaan useita luokituksia, joiden mukaan biologiset tieteet voidaan luokitella. Heidän luettelonsa on varsin vaikuttava kaikissa tapauksissa, harkitse yhtä niistä.

Biologia	Yksityiset tieteet	Kasvitiede	tutkii kaikkien planeetalla esiintyvien kasvien ulkoista ja sisäistä rakennetta, fysiologisia prosesseja, filogeneesiä ja leviämistä luonnossa.	Sisältää seuraavat osat: algologia; dendrologia; taksonomia; anatomia; morfologia; fysiologia; bryologia; paleobotiikka; ekologia; geobotaniikka; etnobotaniikka; kasvien lisääntyminen.
		Eläintiede	tutkii kaikkien planeetalla olevien eläinten (eläimistön) ulkoista ja sisäistä rakennetta, fysiologisia prosesseja, fylogeesia ja leviämistä luonnossa.	Kurssit sisältyvät: Tiedonalat: topografinen anatomia; vertaileva; järjestelmällinen; ikä; muovi; toimiva; kokeellinen.
		Antropologia	useita tieteenaloja, jotka tutkivat ihmisen kehitystä ja muodostumista biologisessa ja sosiaalisessa ympäristössä kompleksissa	Osat: filosofinen, oikeudellinen, uskonnollinen, fyysinen, sosiaalinen, kulttuurinen, visuaalinen.
		Mikrobiologia	tutkii pienimpiä eläviä organismeja bakteereista viruksiin	Tieteenalat: virologia, bakteriologia, lääketieteellinen mikrobiologia, mykologia, teollisuus, tekninen, maatalous, avaruusmikrobiologia
		Yleiset tieteet	Systematiikka	tehtäviin kuuluu perustan kehittäminen planeettamme kaiken elämän luokittelulle tavoitteena tiukka järjestys ja biomassan edustajien tunnistaminen
	Morfologia		kuvaus kaikkien elävien olentojen elinten ulkoisista merkeistä, sisäisestä rakenteesta ja topografiasta	Osat: kasvit, eläimet, mikro-organismit, sienet
	Fysiologia		tutkii tietyn järjestelmän, elimen tai kehon osan toiminnan ominaisuuksia, kaikkien prosessien mekanismeja, jotka varmistavat sen elintärkeän toiminnan	Kasveja, eläimiä, ihmisiä, mikro-organismeja
	Ekologia		tiede elävien olentojen suhteesta toisiinsa, ympäristöön ja ihmiseen	Geoekologia, yleinen, sosiaalinen, teollinen
	Genetiikka		tutkii elävien olentojen genomia, ominaisuuksien perinnöllisyyden ja vaihtelevuuden mekanismeja eri olosuhteiden vaikutuksesta sekä genotyypin historiallisia muutoksia evoluution muutosten aikana
	biomaantiede		pohtii tiettyjen elollisten olentojen uudelleensijoittamista ja leviämistä planeetalla
	evoluutiooppi		paljastaa ihmisen ja planeetan muiden elävien järjestelmien historiallisen kehityksen mekanismit. Niiden alkuperä ja kehitys
	Monimutkaiset tieteet, jotka syntyivät risteyksessä toistensa kanssa	Biokemia	tutkii elävien olentojen soluissa tapahtuvia prosesseja kemiallisesta näkökulmasta
		Biotekniikka	ottaa huomioon organismien, niiden tuotteiden ja/tai osien käytön ihmisten tarpeisiin
		Molekyylibiologia	tutkii elävien olentojen periytyvän tiedon välittymis-, varastointi- ja käyttömekanismeja sekä proteiinien, DNA:n ja RNA:n toimintoja ja hienorakennetta.	Liittyvät tieteet: geeni- ja solutekniikka, molekyyligenetiikka, bioinformatiikka, proteomiikka, genomiikka
		Biofysiikka	Se on tiede, joka tutkii kaikkia mahdollisia fyysisiä prosesseja, joita esiintyy kaikissa elävissä organismeissa viruksista ihmisiin	Tämän tieteenalan osia käsitellään jäljempänä.

Siksi olemme yrittäneet vangita pääasiallisen monimuotoisuuden, joka on biologiset tieteet. Tämä luettelo tekniikan ja tutkimusmenetelmien kehityksen myötä laajenee ja täydentyy. Siksi yhtenäistä biologian luokitusta ei ole nykyään olemassa.

Progressiiviset biotieteet ja niiden merkitys

Biologian nuorimpia, moderneja ja edistyksellisiä tieteitä ovat mm.

• bioteknologia;
• molekyylibiologia;
• avaruusbiologia;
• biofysiikka;
• biokemia.

Jokainen näistä tieteistä syntyi aikaisintaan 1900-luvulla, ja siksi sitä pidetään perustellusti nuorena, intensiivisesti kehittyvänä ja käytännön ihmistoiminnan kannalta merkittävimpänä.

Pysähdytään sellaisiin asioihin kuin biofysiikka. Tämä on tiede, joka ilmestyi noin vuonna 1945 ja josta tuli tärkeä osa koko biologista järjestelmää.

Mitä on biofysiikka?

Tähän kysymykseen vastaamiseksi on ensinnäkin tarpeen tuoda esiin sen läheinen yhteys kemiaan ja biologiaan. Joissakin kysymyksissä näiden tieteiden väliset rajat ovat niin lähellä, että on vaikea päätellä, mikä niistä on erityisesti mukana ja prioriteetti. Siksi biofysiikkaa kannattaa pitää monimutkaisena tieteenä, joka tutkii elävissä järjestelmissä tapahtuvia syviä fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja sekä molekyylien, solujen, elinten tasolla että koko biosfäärin tasolla.

Kuten kaikki muutkin, biofysiikka on tiedettä, jolla on oma tutkimuskohde, päämääränsä ja päämääränsä sekä arvokkaita ja merkittäviä tuloksia. Lisäksi tämä tieteenala liittyy läheisesti useisiin uusiin suuntiin.

Opiskelukohteet

Biofysiikassa ne ovat biojärjestelmiä eri organisaatiotasoilla.

1. virukset, yksisoluiset sienet ja levät).
2. Yksinkertaisimmat eläimet.
3. Yksittäiset solut ja niiden rakenneosat (organellit).
4. Kasveja.
5. Eläimet (mukaan lukien ihmiset).
6. ekologiset yhteisöt.

Eli biofysiikka on elävän tutkimusta siinä tapahtuvien fysikaalisten prosessien näkökulmasta.

Tieteen tehtävät

Aluksi biofyysikkojen tehtävänä oli todistaa fysikaalisten prosessien ja ilmiöiden olemassaolo elävien olentojen elämässä ja tutkia niitä, selvittää niiden luonne ja merkitys.

Tämän tieteen nykyaikaiset tehtävät voidaan muotoilla seuraavasti:

1. Tutkia geenien rakennetta ja niiden välittymiseen ja varastointiin liittyviä mekanismeja, modifikaatioita (mutaatioita).
2. Harkitse monia solubiologian näkökohtia (solujen vuorovaikutusta keskenään, kromosomaalisia ja geneettisiä vuorovaikutuksia ja muita prosesseja).
3. Tutkia polymeerimolekyylejä (proteiinit, nukleiinihapot, polysakkaridit) yhdessä molekyylibiologian kanssa.
4. Paljastaa kosmogeofyysisten tekijöiden vaikutus kaikkien fysikaalisten ja kemiallisten prosessien kulkuun elävissä organismeissa.
5. Paljasta syvällisemmin fotobiologian mekanismit (fotosynteesi, fotoperiodismi ja niin edelleen).
6. Toteuttaa ja kehittää matemaattisen mallintamisen menetelmiä.
7. Käytä nanoteknologian tuloksia elävien järjestelmien tutkimuksessa.

Tästä luettelosta on selvää, että biofysiikka tutkii monia merkittäviä ja vakavia nyky-yhteiskunnan ongelmia, ja tämän tieteen tuloksilla on suuri merkitys ihmisen ja hänen elämänsä kannalta.

Muodostumisen historia

Tieteenä biofysiikka syntyi suhteellisen äskettäin - vuonna 1945, kun hän julkaisi teoksensa "Mitä on elämä fysiikan näkökulmasta". Hän oli ensimmäinen, joka huomasi ja osoitti, että monet fysiikan lait (termodynamiikka, kvanttimekaniikan lait) tapahtuvat juuri elävien olentojen organismien elämässä ja työssä.

Tämän miehen työn ansiosta biofysiikan tiede aloitti intensiivisen kehityksensä. Kuitenkin jo aikaisemmin, vuonna 1922, Venäjälle perustettiin biofysiikan instituutti, jota johti P. P. Lazarev. Siellä päärooli on osoitettu kudosten ja elinten virityksen luonteen tutkimukselle. Tuloksena oli ionien merkityksen tunnistaminen tässä prosessissa.

1. Galvani löytää sähkön ja sen merkityksen eläville kudoksille (biosähkö).
2. A. L. Chizhevsky on useiden tieteenalojen isä, jotka tutkivat avaruuden vaikutusta biosfääriin sekä ionisaatiosäteilyä ja elektrohemodynamiikkaa.
3. Proteiinimolekyylien yksityiskohtaista rakennetta tutkittiin vasta röntgendiffraktioanalyysin (röntgendiffraktioanalyysi) keksimisen jälkeen. Tämän tekivät Perutz ja Kendrew (1962).
4. Samana vuonna DNA:n kolmiulotteinen rakenne löydettiin (Maurice Wilkins).
5. Neher ja Zakman onnistuivat vuonna 1991 kehittämään menetelmän sähköpotentiaalin paikalliseen kiinnittämiseen.

Myös monet muut löydöt antoivat biofysiikan tieteen lähteä intensiivisen ja asteittaisen kehityksen ja muodostumisen nykyaikaistamisen tielle.

Biofysiikan osat

On olemassa useita tieteenaloja, jotka muodostavat tämän tieteen. Tarkastellaanpa niistä alkeellisinta.

1. Monimutkaisten järjestelmien biofysiikka - ottaa huomioon kaikki monisoluisten organismien itsesäätelyn monimutkaiset mekanismit (systeemigeneesi, morfogeneesi, synergogeneesi). Tämä tieteenala tutkii myös ontogeneesin ja evoluutiokehityksen prosessien fyysisen komponentin piirteitä, organismien järjestäytymistasoja.
2. Aistijärjestelmien bioakustiikka ja biofysiikka - tutkii elävien organismien aistijärjestelmiä (näkö, kuulo, vastaanotto, puhe ja muut), tapoja lähettää erilaisia ​​signaaleja. Paljastaa energian muuntumismekanismit, kun organismit havaitsevat ulkoisia vaikutuksia (ärsytystä).
3. Teoreettinen biofysiikka - sisältää useita alatieteitä, jotka osallistuvat biologisten prosessien termodynamiikan tutkimukseen, organismien rakenneosien matemaattisten mallien rakentamiseen. Huomioi myös kineettiset prosessit.
4. Molekyylibiofysiikka - tarkastelee tällaisten biopolymeerien, kuten DNA:n, RNA:n, proteiinien, polysakkaridien, rakenteellisen organisaation ja toiminnan syviä mekanismeja. Hän osallistuu näiden molekyylien mallien ja graafisten kuvien rakentamiseen, ennustaa niiden käyttäytymistä ja muodostumista elävissä järjestelmissä. Lisäksi tämä tieteenala rakentaa supramolekyylisiä ja submolekulaarisia järjestelmiä biopolymeerien rakentamis- ja toimintamekanismin määrittämiseksi elävissä järjestelmissä.
5. Solun biofysiikka. Hän tutkii tärkeimpiä soluprosesseja: erilaistumista, jakautumista, viritystä ja kalvorakenteen biopotentiaalia. Erityistä huomiota kiinnitetään aineiden kalvokuljetuksen mekanismeihin, potentiaalieroihin, kalvon ja sitä ympäröivien osien ominaisuuksiin ja rakenteeseen.
6. Aineenvaihdunnan biofysiikka. Tärkeimmät pohdittavat ovat auringon muodostuminen ja organismien sopeutuminen siihen, hemodynamiikka, lämpösäätely, aineenvaihdunta ja ionisaatiosäteiden vaikutus.
7. Soveltava biofysiikka. Se koostuu useista tieteenaloista: bioinformatiikka, biometriikka, biomekaniikka, evoluutioprosessien ja ontogeneesin tutkimus, patologinen (lääketieteellinen) biofysiikka. Sovellettavan biofysiikan tutkimuskohteita ovat tuki- ja liikuntaelimistö, liiketavat, menetelmät ihmisen tunnistamiseen fyysisten ominaisuuksien perusteella. Lääketieteellinen biofysiikka ansaitsee erityistä huomiota. Siinä tarkastellaan patologisia prosesseja organismeissa, menetelmiä molekyylien tai rakenteiden vaurioituneiden osien rekonstruoimiseksi tai niiden kompensoimiseksi. Tarjoaa materiaalia bioteknologiaan. Sillä on suuri merkitys erityisesti geneettisten sairauksien kehittymisen ehkäisyssä, niiden eliminoinnissa ja vaikutusmekanismien selittämisessä.
8. Elinympäristön biofysiikka - tutkii sekä paikallisten olentojen elinympäristöjen että lähi- ja kaukaisten avaruusolioiden fysikaalisia vaikutuksia. Pohtii myös biorytmejä, sääolosuhteiden ja biokenttien vaikutusta olentoihin. Kehittää toimenpiteitä kielteisten vaikutusten ehkäisemiseksi

Kaikki nämä tieteenalat antavat valtavan panoksen elävien järjestelmien elämänmekanismien, biosfäärin ja erilaisten olosuhteiden vaikutuksen ymmärtämiseen.

Nykyaikaisia ​​saavutuksia

Jotkut merkittävimmistä biofysiikan saavutuksiin liittyvistä tapahtumista voidaan nimetä:

• paljasti organismien kloonausmekanismit;
• transformaatioiden piirteitä ja typpioksidin roolia elävissä järjestelmissä on tutkittu;
• pienten ja lähetti-RNA:iden välinen suhde on luotu, mikä mahdollistaa tulevaisuudessa ratkaisun löytämisen moniin lääketieteellisiin ongelmiin (sairauksien eliminointi);
• löysi autoaaltojen fyysisen luonteen;
• molekyylibiofyysikkojen työn ansiosta on tutkittu DNA-synteesin ja replikaation näkökohtia, mikä johti mahdollisuuteen luoda useita uusia lääkkeitä vakaviin ja monimutkaisiin sairauksiin;
• on luotu tietokonemalleja kaikista fotosynteesiprosessiin liittyvistä reaktioista;
• kehitetään menetelmiä organismin ultraäänitutkimukseen;
• yhteys kosmogeofysikaalisten ja biokemiallisten prosessien välillä on osoitettu;
• ennustettu ilmastonmuutos planeetalla;
• urokenaasientsyymin merkityksen selvittäminen tromboosien ehkäisyssä ja aivohalvauksen jälkeisten seurausten eliminoinnissa;
• teki myös useita löytöjä proteiinin rakenteesta, verenkiertojärjestelmästä ja muista kehon osista.

Biofysiikan instituutti Venäjällä

Maassamme niitä on. M. V. Lomonosov. Tämän oppilaitoksen pohjalta toimii biofysiikan tiedekunta. Hän kouluttaa päteviä asiantuntijoita työhön tällä alalla.

On erittäin tärkeää antaa hyvä alku tuleville ammattilaisille. Heillä on kova työ edessään. Biofyysikon on ymmärrettävä elävissä olennoissa tapahtuvien prosessien kaikki hienoudet. Lisäksi opiskelijoiden tulee ymmärtää fysiikka. Loppujen lopuksi tämä on monimutkainen tiede - biofysiikka. Luennot on rakennettu siten, että ne kattavat kaikki biofysiikkaan liittyvät ja muodostavat tieteenalat ja käsittelevät sekä biologisia että fysikaalisia kysymyksiä.