Mūsdienu biofizikas galvenie attīstības virzieni. Biofizikālo pētījumu līmeņi. Lekcijas par biofiziku Puiši, ka mums jautāja par mikro biofiziku

27.06.2022

IEVADS

"Dabas loģika ir bērniem vispieejamākā un noderīgākā loģika."
K. D. Uminskis

Šajā rokasgrāmatā, kurā sniegts darba pieredzes apraksts, ir mēģināts aplūkot galvenos fizikas un bioloģijas skolas kursu saiknes virzienus un iezīmes un iezīmēt iespējamos šīs saiknes stiprināšanas veidus un formas.
Šī darba galvenie virzieni ir šādi: iepazīstināt studentus ar fizikālajām izpētes un ietekmes metodēm, kuras plaši izmanto bioloģijā un medicīnā, ar savvaļas fiziku, ar dažiem bionikas elementiem.
Gandrīz visās fizikas kursa sadaļās var atlasīt lielu skaitu biofizikālo piemēru (to arī darījām, skat. pielikumā), taču vēlams tos izmantot tikai daļēji, kopā ar tehniskajiem piemēriem un piemēriem no nedzīvās dabas.
Biofizikālo piemēru piesaistes galvenais mērķis ir panākt labāku fizikas kursa asimilāciju. Biofizikālajam materiālam jābūt tieši saistītam ar fizikas un bioloģijas kursu programmām un jāatspoguļo perspektīvākie zinātnes un tehnikas attīstības virzieni.
Var norādīt trīs galvenos biofizikālā materiāla atlases virzienus.
Pirmajam virzienam ir mērķis – parādīt skolēniem dabas likumu vienotību, fizikas likumu piemērojamību dzīvam organismam.
Otrais virziens atbilst iepazīšanai ar fizikālajām ietekmes un pētniecības metodēm, kuras plaši izmanto bioloģijā un medicīnā. Vidusskolas fizikas kursā skolēni tiek iepazīstināti tikai ar optiskajiem instrumentiem (lupu, mikroskopu), izmantojot rentgena starus un "marķētos atomus". Taču jau parastā pilsētas klīnikā katrs cilvēks saskaras ar lielu skaitu fizikālu metožu sava ķermeņa apskatei - mēra asinsspiedienu, fiksē sirds biopotenciālus u.tml., par ko skolā nedomā.
Trešais virziens ietver studentu iepazīstināšanu ar bionikas idejām un dažiem rezultātiem. Piemēram, pētot vibrācijas, skolēniem stāsta, ka kodes dzirdes orgāns uztver skaņas vibrācijas frekvenču diapazonā no 10 līdz 100 kHz un ļauj konstatēt sikspārņa tuvošanos (tam kodes ir iecienīts ēdiens ) 30 m attālumā.Šie savvaļas dzīvnieku "sasniegumi" ir augstāki par rezultātiem, kas iegūti eholotu, ultraskaņas radaru, defektu detektoru un pat radaru jomā. Tādu piemēru ir daudz. Taču jāuzsver, ka bionikas mērķis ir nevis akli atdarināt bioloģiskās sistēmas, bet gan atklāt to uzbūves principus.

I nodaļa
BIOFIZISKĀ MATERIĀLA IZMANTOŠANA FIZIKAS STUNDĀS

Studentu iepazīšanas veidi ar biofizikālo materiālu būtiski neatšķiras no veidiem, kā iepazīstināt viņus ar tehnoloģiju elementiem. Fizika ir tehnoloģiju pamats; no otras puses, fizika tiek plaši izmantota pētījumiem bioloģijā un palīdz izprast bioloģisko objektu uzbūves un dzīves īpatnības.
Jau pirmajās nodarbībās bērni uzzina, ka visās dabaszinātnēs tiek izmantoti fizikas likumi. Šī ideja ir jāprecizē un jāpaplašina. Pirmajā iepazīšanās reizē ar priekšmetu – fiziku, vēlams skolēniem parādīt tās likumu piemērojamību cilvēku un augu, putnu, zivju u.c. dzīvē. Lai to izdarītu, var salīdzināt putnu, kukaiņu un lidmašīnu lidojumus. , runāt par atrašanās vietu dzīvnieku pasaulē nedzirdamo skaņu laukā. Varat, piemēram, runāt par to, ka kurmja ķermeņa uzbūves izpēte palīdzēja inženieriem izveidot zemes pārvietošanas mašīnu, bet delfīnu un zivju novērojumi palīdz uzlabot zemūdenes. Ir zināmi Leonardo da Vinči klasiskie novērojumi par putnu lidošanu un to spārnu dizainu un šo ideju izmantošanu mūsdienu inženieriem lidmašīnu, spararatu un raķešu projektēšanā. Svarīgi, lai jau no pirmajām mācību stundām skolēnu prātos tiktu iespiesta doma, ka fizika ir atslēga gan nedzīvās, gan dzīvās dabas parādību izpratnē.
Prezentējot jaunu materiālu fizikā, ilustratīvu biofizikālo informāciju vislabāk ir pasniegt pašam skolotājam. Tie var būt gan skaitliski dzīvos organismus raksturojoši dati, gan bioloģijā izmantoto pētījumu metožu apraksts, gan īsi dati par medicīnisko vai bioloģisko aprīkojumu.
Jaunā materiāla prezentāciju var pamīšus ar sarunu, īpaši zemākajās klasēs. Skolotājs atsaucas uz skolēnu dzīves pieredzi, uz informāciju, ko viņi saņēma, mācoties pamatskolā, botānikas, ģeogrāfijas un citu saistīto disciplīnu stundās. Dzīvās dabas fizikas uzdevumu risināšanai var būt liela nozīme, iepazīstoties ar biofizikas elementiem. Piemēram, izmantojot skriešanas, slidošanas u.c. sporta rekordu tabulu, var atrast vidējos ātrumus, praktizēt ātruma mērvienību pārveidošanu no vienas sistēmas uz citu.
Atkārtojot pagātni, iespējams iesaistīt arī biofizikālo materiālu. Šo darba formu izmantojām pēc dažu tēmu apguves, mācību gada beigās un atkārtojot pirms gala eksāmeniem. Nosauksim dažas apskatu atkārtošanas tēmas: mehānika savvaļas dzīvniekiem, elektrība un savvaļas dzīvnieki, optika un dzīvība, elektromagnētisko lauku ietekme uz dzīvniekiem un augu organismiem.
Vairāki biofizikāli jautājumi būtu jāizklāsta, izmantojot fragmentus no dažām filmām un filmām, zīmējumus, diagrammas un tabulas, kā arī bioloģijas klasē pieejamos uzskates līdzekļus.
Visbiežāk fizikas skolotāji var iegūt tikai ļoti ierobežotu aprīkojumu bioloģijas kabinetā (mikroskops, acs, auss modeļi; atbilstošās tabulas). Tikmēr tas nebūt nav viss bioloģijas kabinetos pieejamais aprīkojums, ko var lietderīgi izmantot fizikas apguvē. Jau pirmajā biofizikālajā vakarā “Fizika un medicīna” no bioloģijas kabineta izmantojām sekojošu aprīkojumu: plaušu dzīvības tilpuma mērīšanas ierīci, asinsspiediena mērīšanas ierīci, acu un ausu modeļus, dinamometrus muskuļu spēka mērīšanai.
Vēlāk savā darba praksē, iepazīstinot skolēnus ar biofizikas elementiem, šim nolūkam mēģinājām izmantot arī bioloģijas kabineta aprīkojumu: A. N. Kabanova “Tabulas par cilvēka anatomiju un fizioloģiju”, “Mnr dzīvnieki” - a. daudzkrāsu tabulu sērija A. A. Jahontovs, herbāriji un tauriņu, spāru, vaboļu, bruņurupuču uc kolekcijas. Ir arī noderīgi parādīt dažas izglītojošas filmas un filmu lentes par bioloģiju.
Turpmāk norādīsim, kur un kādus uzskates līdzekļus un tehniskos līdzekļus var izmantot, kā arī kādus uzskates līdzekļus var izgatavot paši skolēni.

§ 1. Biofizikas elementi mehānikas izpētē

Kustība un spēki
Apgūstot tēmu “Kustības un spēki” VI klasē, skolēnus var iepazīstināt ar dažādu dzīvo būtņu kustības ātrumiem. Gliemezis 1 stundā norāpo apmēram 5,5 m Bruņurupucis pārvietojas ar ātrumu aptuveni 70 m/h. Muša lido ar ātrumu 5 m/s. Vidējais iešanas ātrums ir aptuveni 1,5 m/s jeb aptuveni 5 km/h. Kājnieku militārā vienība var pārvietoties ar ātrumu līdz 7 km/h. Zirgs spēj pārvietoties ar ātrumu no 6 līdz 30 km/h un vairāk.
No vidējās joslas dzīvniekiem visātrāk skrien zaķis, kura ātrums sasniedz 50 - 60 km/h. Nedaudz zemāks par viņu ir vilks, kas var skriet ar ātrumu līdz 45 km / h. ;
Daudzas zivis pārvietojas ar vidējo ātrumu aptuveni 4 km/h, bet dažas no tām spēj sasniegt daudz lielāku ātrumu: piemēram, zobenzivis var sasniegt ātrumu līdz 90 km/h.
Interesanti ir arī ņemt vērā zivju kustības ātrumu tabulā norādītos skaitļus.
Šeit ļoti svarīgi ir pievērst uzmanību zivju ātruma novērtējumam centimetros sekundē, kā arī ķermeņa garumos sekundē. Pēc šiem datiem ātrākā izrādās forele, lai gan tās ātruma absolūtā vērtība ir salīdzinoši neliela.
Izmantojot dažādu dzīvnieku pasaules pārstāvju ātruma datus, iespējams atrisināt dažāda veida problēmas. Apskatīsim dažus no tiem.
Auss gliemežnīcas kustības ātrums ir 0,9 mm/sek. Izsakiet šo ātrumu cm/min, m/h.
Lielais piekūns, dzenoties pēc upuriem, nirst ar ātrumu 300 km/h. Kādu attālumu tas veic 5 sekundēs?
1 Daudzu dzīvo būtņu ātrumu izsaka ar īpašu vērtību, kas vienāda ar to ķermeņa garumu skaitu, ko tās pārvietojas sekundē
Pasta baloža lidojuma ātrums 1800 m/min. Izsakiet šo vērtību km/h. Kādu attālumu balodis veicis 3 stundu lidojumā? Vai ir iespējams apdzīt balodi ar automašīnu ar vidējo ātrumu 60 km/h?
Zināms, ka vidējais ozola augšanas ātrums ir aptuveni 30 cm/gadā. Cik vecs ir 6,3 m augsts koks?
Padomju Savienības sportists Vladimirs Kūts 5000 m noskrēja 815 sekundēs. Nosakiet tā ātrumu km/h.

Tel svars Blīvums
Iepazīstoties ar jēdzienu "ķermeņa masa" un sastādot uzdevumus vielas blīvuma un ķermeņa aizņemtā tilpuma noteikšanai, izmantojām dažus papildu tabulas datus (2. tabula).
Piemērs. Nosakiet bērza koksnes masu, ja tās tilpums ir 5 m3.
Piemērs. Kāda ir linsēklu eļļas masa, kas aizņem 5 litrus?
Piemērs. Nosakiet sausa bambusa tilpumu, ja tā masa ir 4800 kg.

Gravitācija. Ķermeņa masa
Studējot šo tēmu, varat veikt šādu apmācības darbu. Norādītas dažādu zīdītāju masas: valis - /0000 kg, zilonis - 4000 kg, degunradzis - 2000 kg, bullis - 1200 kg, lācis - 400 kg, cūka - 200 kg, cilvēks - 70 kg, vilks - 10 kg, zaķis - 6 kg. Atrodiet to svaru ņūtonos.
Tos pašus datus var izmantot, lai grafiski attēlotu spēkus.
Pa ceļam var sniegt vēl kādu interesantu informāciju.
Lielākie dzīvnieki pieder zīdītāju klasei, no kuriem zilais valis ir īpaši pārsteidzošs pēc izmēra un svara. Piemēram, viens no noķertajiem vaļiem sasniedza 33 m garumu un svēra 1500 kn, kas atbilda 30 ziloņu vai 150 buļļu svaram. Lielākais mūsdienu putns ir Āfrikas strauss, kas sasniedz 2,75 m augstumu, 2 litrus garš (no knābja gala līdz astes galam) un sver 75 kg. Mazākie putni ir kolibri. Vienas sugas kolibri sver aptuveni 2 g, spārnu plētums 3,5 cm.
Berzes un pretestības spēki.

Berze dzīvajos organismos
Nosakot berzes spēku problēmu, var izmantot lielu daudzumu biofizikālā materiāla. Ir zināms, ka šķidrumiem, ko izmanto berzes samazināšanai (eļļai, darvai utt.), vienmēr ir ievērojama viskozitāte. Tā ir arī dzīvā organismā: šķidrumi, kas samazina berzi, vienlaikus ir ļoti viskozi.
Piemēram, asinis ir šķidrums, kas ir viskozāks par ūdeni. Pārvietojoties pa asinsvadu sistēmu, tas piedzīvo pretestību iekšējās berzes un kuģu virsmas berzes dēļ. Jo plānāki ir trauki, jo lielāka ir berze un jo vairāk pazeminās asinsspiediens.
Zema berze locītavās ir saistīta ar to gludo virsmu, to eļļošanu ar sinoviālo šķidrumu. Siekalas spēlē eļļošanas lomu, norijot pārtiku. Muskuļu vai cīpslu berze pret kaulu samazinās, jo maisi, kuros tie atrodas, izdala īpašu šķidrumu. Šādu piemēru skaitu var turpināt.
Kustības orgānu darba virsmām būtiska ir ievērojama berze. Nepieciešams nosacījums kustībai ir uzticams "savienojums" starp kustīgo ķermeni un "balstu". Satvēriens tiek panākts vai nu ar punktiem uz ekstremitātēm (spīles, asas naga malas, pakaviņu smailes), vai ar nelieliem nelīdzenumiem, piemēram, sariem, zvīņām, bumbuļiem utt. Būtiska berze ir nepieciešama arī orgānu satveršanai. Viņu forma ir interesanta: tās ir vai nu knaibles, aizraujošas
objekts no divām pusēm vai pavedieni, kas to aptver (ja iespējams, vairākas reizes). Roka apvieno knaibles darbību un pilnīgu pārklājumu no visām pusēm; plaukstu mīkstā āda labi pielīp pie turamo priekšmetu raupjuma.
Daudziem augiem un dzīvniekiem ir dažādi orgāni, kas kalpo satveršanai (augu antenas, ziloņa stumbrs, kāpjošo dzīvnieku sīkstās astes utt.). Visām tām ir tinumam ērta forma un raupja virsma, lai palielinātu berzes koeficientu (1. att.).
Starp dzīviem organismiem ir izplatītas adaptācijas (vilna, sari, zvīņas, smailes, kas atrodas slīpi pret virsmu), kuru dēļ berze ir maza, pārvietojoties vienā virzienā, un liela, pārvietojoties pretējā virzienā. Sliekas kustība balstās uz šo principu. Sari, kas vērsti atpakaļ, brīvi izlaiž tārpa ķermeni uz priekšu, bet kavē pretējo kustību. Pagarinot ķermeni, galvas daļa virzās uz priekšu, bet astes daļa paliek savā vietā, bet saraujoties, galvas daļa kavējas, un astes daļa tiek pievilkta līdz tai.
Izmaiņas pretestībā, pārvietojoties dažādos virzienos, novērojamas arī daudziem ūdensputniem. Piemēram, pīļu vai zosu kāju peldplēves tiek izmantotas kā airi. Pārvietojot pēdu atpakaļ, pīle grābj ūdeni ar iztaisnotu membrānu, un, virzoties uz priekšu, pīle kustina pirkstus - pretestība samazinās, kā rezultātā pīle virzās uz priekšu.
Labākie peldētāji ir zivis un delfīni. Daudzu zivju ātrums sasniedz desmitiem kilometru stundā, piemēram, zilās haizivs ātrums ir aptuveni 36 km/h. Zivis var attīstīt šādu ātrumu, pateicoties plūstošajai ķermeņa formai, galvas konfigurācijai, kas izraisa zemu pretestību1.
1 Pretestības samazināšanos zivju ķermeņa plūstošās formas dēļ var ilustrēt uz pildītiem asariem, līdakām; var parādīt arī tabulu "Haizivs" no A. A. Jahontova sērijas "Dzīvnieku pasaule".
Speciālistu interesi izraisīja delfīnu spēja bez lielas piepūles pārvietoties ūdenī lielā ātrumā (pie kuģa priekšgala 55 - 60 km/h, brīvi peldot - 30 - 40 km/h). Tika atzīmēts, ka ap kustīgu delfīnu notiek tikai neliela strūklas (lamināra) kustība, kas nepārvēršas virpulī (turbulentā).
Pētījumi ir parādījuši, ka delfīnu "pretturbulences" noslēpums
slēpjas viņa ādā. Tas sastāv no diviem slāņiem - ārējā, īpaši elastīgā, 1,5 mm bieza un iekšējā, blīva, 4 mm bieza.
Starp šiem slāņiem ir izaugumi jeb tapas. Zemāk ir blīvi austas šķiedras, starp kurām atstarpe ir vairākus centimetrus piepildīta ar taukiem.
Šī āda darbojas kā lielisks slāpētājs. Turklāt delfīna ādai pastāvīgi ir plāns īpašas "smērvielas" slānis, ko ražo īpaši dziedzeri. Tas samazina berzes spēku.
Kopš 1960. gada tiek ražoti mākslīgie slāpējošie pārklājumi, kas pēc īpašībām ir līdzīgi “delfīna ādai”. Un jau pirmie eksperimenti ar torpēdu un laivu, kas apvilkta šādā ādā, apstiprināja iespēju samazināt ūdensizturību par 40 - 60%.
Ir zināms, ka zivis pārvietojas baros. Mazās jūras zivtiņas staigā barā, pēc formas līdzīgas lāsei, savukārt ūdens pretestība bara kustībām ir vismazākā.
Daudzi putni tālsatiksmes lidojumu laikā pulcējas ķēdē vai skolā. Pēdējā gadījumā spēcīgākais putns lido uz priekšu, tā ķermenis griežas pa gaisu kā kuģa ķīlis šķērso ūdeni. Pārējie putni lido tā, lai saglabātu skolas aso leņķi; tie saglabā pareizo pozīciju attiecībā pret vadošo putnu instinktīvi, jo tas atbilst pretestības spēku minimumam.
plānojot lidojumu. Planēšanas lidojums diezgan bieži novērojams gan augu, gan dzīvnieku valstībā. Daudzi augļi un sēklas ir aprīkoti vai nu ar matiņu saišķiem (pienene, kokvilna u.c.), kas darbojas kā izpletnis, vai atbalsta plaknes procesu un izvirzījumu veidā (skujkoki, kļava, bērzs, liepas un daudzi lietussargi). Daži augļi un sēklas, kas aprīkotas ar "planieriem", ir parādīti 2. attēlā, a.
Augu planieri daudzējādā ziņā ir pat progresīvāki nekā mākslīgie. Tie paceļ daudz lielāku slodzi, salīdzinot ar savu svaru, turklāt ir stabilāki.
Interesanta ir lidojošo vāveru, kurpju un sikspārņu ķermeņa uzbūve (2.b att.). Viņi izmanto savas membrānas, lai veiktu lielus lēcienus. Tātad lidojošās vāveres no viena koka galotnes līdz cita koka apakšējiem zariem var lēkt līdz 20 - 30 m tālumā.

Šķidrumu un gāzu spiediens
Atmosfēras spiediena nozīme dzīvo organismu dzīvē.
Cilvēka ķermeni, kura virsma ar masu 60 kg un augstumu 160 cm ir aptuveni vienāda ar 1,6 m2, atmosfēras spiediena ietekmē iedarbojas 160 tūkstoši n. Kā ķermenis iztur tik milzīgu slodzi?
Tas tiek panākts, pateicoties tam, ka šķidrumu spiediens, kas piepilda ķermeņa traukus, līdzsvaro ārējo spiedienu.
Ar šo problēmu ir cieši saistīta iespēja atrasties zem ūdens lielā dziļumā. Fakts ir tāds, ka ķermeņa pārvietošana uz citu augstuma līmeni izraisa tā funkciju sabrukumu. Tas, no vienas puses, ir saistīts ar kuģu sienu deformāciju, kas paredzētas noteiktam spiedienam no iekšpuses un ārpuses. Turklāt, mainoties spiedienam, mainās arī daudzu ķīmisko reakciju ātrums, kā rezultātā mainās arī ķermeņa ķīmiskais līdzsvars. Palielinoties spiedienam, palielinās gāzu uzsūkšanās ķermeņa šķidrumos, un, samazinoties spiedienam, izdalās izšķīdušās gāzes. Strauji samazinoties spiedienam intensīvas gāzu izdalīšanās dēļ, asinis it kā vārās, kas noved pie asinsvadu aizsprostošanās, kas bieži vien ir letāla. Tas nosaka maksimālo dziļumu, kurā var veikt niršanas darbības (parasti ne zemāk par 50 m). Ūdenslīdēju nolaišanai un pacelšanai jābūt ļoti lēnai, lai gāzu izdalīšanās notiktu tikai plaušās, nevis uzreiz visā asinsrites sistēmā.
Interesanti ir sīkāk analizēt to orgānu darbības principu, kas darbojas atmosfēras spiediena ietekmē.
Orgānu darbs, kas darbojas atmosfēras spiediena ietekmē. sūkšanas mehānisms. Muskuļu piepūle (mēles, aukslēju u.c. muskuļu kontrakcija) rada negatīvu spiedienu (reti) mutes dobumā, un atmosfēras spiediens nospiež tur daļu šķidruma.
Dažādu veidu piesūcekņu darbības mehānisms. Piesūcekņiem ir vai nu puslodes formas bļoda ar lipīgām malām un augsti attīstītiem muskuļiem (malas tiek nospiestas pret upuri, tad palielinās piesūcekņa tilpums; par piemēru var kalpot dēles un galvkāju piesūcekņi), vai arī tie sastāv no ādas sajūgu rinda šauru kabatu veidā. Malas tiek uzklātas uz virsmas, uz kuras turēties; mēģinot pavilkt piesūcekni, palielinās kabatu dziļums, spiediens tajās samazinās, un atmosfēras spiediens (ūdensdzīvniekiem ūdens spiediens) piesūcekni piespiež pie virsmas spēcīgāk. Piemēram, lipīgai zivij jeb remorai ir piesūceknis, kas aizņem gandrīz visu tās galvas garumu. Šī zivs pielīp pie citām zivīm, akmeņiem, kā arī laivām un kuģiem. Tas pielīp tik stingri, ka to ir vieglāk salauzt, nekā atkabināt, pateicoties kam tas var kalpot kā sava veida makšķerāķis.
3. attēlā redzams nūja - viena no diviem garākajiem kalmāru slazdošanas taustekļu gals, tas ir blīvi iesēdināts ar dažāda izmēra piesūcekņiem.
Līdzīgā veidā izkārtotas cūkgaļas lenteņa piesūcekņi, ar kuru palīdzību šis lentenis pieķeras pie cilvēka zarnu sieniņas.
Šo piesūcekņu uzbūvi var parādīt uz slapja lenteņa preparāta, kas pieejams bioloģijas kabinetā.
Pastaigas pa lipīgu augsni. Atmosfēras spiediena ietekme ir ļoti jūtama, ejot pa viskozu augsni (purva iesūkšanas efekts). Kad kāja ir pacelta, zem tās veidojas retināta telpa; pārmērīgs ārējais spiediens neļauj kājai pacelties. Spiediena spēks uz pieauguša cilvēka kāju Att. 3.
var sasniegt 1000 k. Tas ir īpaši redzams, ejot ar zirgu, kura cietais nags darbojas kā virzulis.
Ieelpošanas un izelpas mehānisms. Plaušas atrodas krūtīs un ir atdalītas no tās un no diafragmas ar hermētisku dobumu, ko sauc par pleiras dobumu. Palielinoties krūškurvja tilpumam, palielinās pleiras dobuma tilpums, un gaisa spiediens tajā samazinās, un otrādi. Tā kā plaušas* ir elastīgas, spiedienu tajās regulē tikai spiediens pleiras dobumā. Ieelpojot palielinās krūškurvja tilpums, kā rezultātā samazinās spiediens pleiras dobumā (4.6. att.); tas izraisa plaušu tilpuma palielināšanos gandrīz par 1000 ml. Tajā pašā laikā spiediens tajās kļūst mazāks par atmosfēras spiedienu, un gaiss pa elpceļiem ieplūst plaušās. Izelpojot samazinās krūškurvja tilpums (4.c att.), kā rezultātā palielinās spiediens pleiras dobumā, kas izraisa plaušu tilpuma samazināšanos. Gaisa spiediens tajās kļūst augstāks par atmosfēras spiedienu, un gaiss no plaušām ieplūst vidē.
Ar normālu klusu elpu tiek ieelpots apmēram 500 ml gaisa, tikpat daudz tiek izelpots normālas izelpas laikā, un kopējais gaisa tilpums plaušās ir aptuveni 7 l.
1 Lai izskaidrotu ieelpošanas – izelpas mehānismu, var izmantot krūškurvja dobuma paraugshēmu, kas pieejama bioloģijas kabinetā. Šeit var demonstrēt ūdens spirometru, kas kalpo plaušu vitālās kapacitātes mērīšanai. Pētot šo tēmu, var demonstrēt arī Ļeņingradas izglītības filmu studijas 1964. gadā izdoto filmu "Elpošanas orgānu uzbūve un funkcijas".
Sirds ir sūknis.
Sirds ir pārsteidzošs sūknis, kas darbojas bez pārtraukuma visas cilvēka dzīves garumā.
Tas izsūknē 0,1 litru asiņu 1 sekundē, 6 litrus minūtē, 360 litrus 1 stundā, 8640 litrus vienā dienā, vairāk nekā 3 miljonus litru gadā un aptuveni 220 miljonus 70 dzīves gados. , l.
Ja sirds nesūknētu asinis caur slēgtu sistēmu, bet iesūknētu kaut kādā rezervuārā, tad būtu iespējams piepildīt 100 m garu (PC) m platu un 22 m dziļu baseinu.
Pūšzivis cīņā par eksistenci. Interesanta ir gāzu likumu "piemērošana" sava veida zivtiņai - vēdzelei. Tas dzīvo Indijas okeānā un Vidusjūrā. Viņas ķermenis ir blīvi izraibināts ar daudziem tapas - pārveidotiem svariem; miera stāvoklī tie atrodas vairāk vai mazāk tuvu ķermenim. Kad rodas briesmas, vēdzele nekavējoties steidzas uz ūdens virsmu un, norijot gaisu zarnās, pārvēršas par pietūkušu bumbu; tapas paceļas un izvirzās visos virzienos (5. att.). Zivs turas tuvu virsmai, apgāžoties ar vēderu, un daļa ķermeņa izvirzās virs ūdens. Šajā stāvoklī vēdzele ir aizsargāta no plēsējiem gan no apakšas, gan no augšas. Kad briesmas ir pārgājušas, pūšļais atbrīvo gaisu, un tās ķermenis iegūst visveidīgo formu.
Hidrostatiskās ierīces savvaļas dzīvniekiem. Savvaļas dabā pastāv ziņkārīgi prostatas aparāti. Piemēram, nautilus ģints galvkāji dzīvo čaulās, kas ar starpsienām atdalītas atsevišķās kamerās (6. att.). Dzīvnieks pats aizņem pēdējo kameru, bet pārējās ir piepildītas ar gāzi. Lai nogrimtu apakšā, mīkstmieši piepilda čaumalu ar ūdeni, tas kļūst smags un viegli grimst. Lai uzpeldētu uz virsmu, nautilus iesūknē gāzi korpusa nodalījumos; gāze izspiež ūdeni un izlietne šļakstās.
Šķidrums un gāze atrodas zem spiediena čaulā, tāpēc perlamutra māja neplīst pat 4 cm1 dziļumā.simts metri.
Interesants jūraszvaigznes, jūras ežu, holotūriešu pārvietošanas veids, kas pārvietojas hidro-titiskā spiediena atšķirības dēļ. Jūras zvaigznes plānās, dobās un elastīgās kājas uzbriest, kustoties. Korpusi-sūkņi zem dpnlsipem sūknē tajos ūdeni. Ūdens tos stiepj, tie velkas uz priekšu, pielīp pie akmeņiem. Piesūktās kājas tiek saspiestas un velk jūras zvaigzni uz priekšu, pēc tam ūdens tiek iesūknēts citās kājās un transporta līdzekļi dodas tālāk. Vidējais jūras zvaigžņu ātrums ir aptuveni 10 m/h. Bet, no otras puses, šeit tiek panākta pilnīga kustību slāpēšana!

Arhimēda spēks
Zivis. Ūdens vidē mītošo dzīvo organismu blīvums ļoti maz atšķiras no ūdens blīvuma, tāpēc to svaru gandrīz pilnībā līdzsvaro Arhimēda spēks. Pateicoties tam, ūdensdzīvniekiem nav vajadzīgi tik masīvi skeleti kā sauszemes (7. att.).
Interesanta ir peldpūšļa loma zivīs. Šī ir vienīgā zivs ķermeņa daļa, kurai ir ievērojama saspiežamība; Saspiežot burbuli ar krūšu un vēdera muskuļu piepūli, zivs maina ķermeņa tilpumu un līdz ar to arī vidējo blīvumu, pateicoties kuram tā noteiktās robežās var regulēt niršanas dziļumu.
Ūdensputni. Svarīgs faktors ūdensputnu dzīvē ir bieza spalvu un dūnu kārta, kas nelaiž cauri ūdeni, kas satur ievērojamu daudzumu gaisa; pateicoties šim savdabīgajam gaisa burbulim, kas ieskauj visu putna ķermeni, tā vidējais blīvums ir ļoti zems. Tas izskaidro faktu, ka pīles un citi ūdensputni peldoties daudz neiegrimst.
Sudraba zirneklis. No fizikas likumu viedokļa sudraba zirnekļa esamība ir ļoti interesanta. Sudraba zirneklis savu mājokli - zemūdens zvanu - iekārto no stipra tīkla. Šeit zirneklis no virsmas iznes gaisa burbuļus, kas kavējas starp vēdera plāniem matiņiem. Zvanā viņš savāc gaisa padevi, ko ik pa laikam papildina; pateicoties tam, zirneklis var ilgstoši palikt zem ūdens.
Ūdens augi. Daudzi ūdensaugi saglabā vertikālu stāvokli, neskatoties uz to stublāju ārkārtīgo elastību, jo to zaru galos ir norobežoti lieli gaisa burbuļi, kas spēlē pludiņu lomu.
Ūdens kastanis. Ziņkārīgs ūdensaugs ir chilim (ūdens prekss). Tas aug Volgas aizmugures ūdeņos, ezeros un estuāros. Tās augļi (ūdensrieksti) sasniedz 3 cm diametru, un to forma ir līdzīga jūras enkuram ar vai bez dažiem asiem ragiem. Šis "enkurs" kalpo, lai jauno dīgtspēju noturētu piemērotā vietā. Kad chilim izzūd, zem ūdens sāk veidoties smagi augļi. Viņi varētu noslīcināt augu, bet tieši tajā laikā uz lapu kātiņiem veidojas uztūkumi - sava veida "glābšanas josta". Tas palielina augu zemūdens daļas apjomu; līdz ar to palielinās peldošais spēks. Tādējādi tiek panākts līdzsvars starp augļa svaru un peldspējas spēku, ko rada pietūkums.
Peldēšanas sifonofors. Zoologi sifonoforus sauc par īpašu zarnu dzīvnieku grupu. Tāpat kā medūzas, tās ir brīvi peldoši jūras dzīvnieki. Tomēr atšķirībā no pirmajām tie veido sarežģītas kolonijas ar ļoti izteiktu polimorfismu*. Kolonijas pašā augšā parasti atrodas indivīds, ar kura palīdzību visa kolonija tiek turēta ūdens stabā un kustas - tas ir burbulis, kas satur gāzi. Gāzi ražo īpaši dziedzeri. Šis burbulis dažreiz sasniedz 30 cm garu.
Šīs sadaļas bagātīgais biofizikālais materiāls ļauj daudzveidīgi un interesanti vadīt nodarbības ar sestklasniekiem.
Aprakstīsim, piemēram, sarunu tēmas “Arhimēda spēks” izpētes procesā. Skolēni pārzina zivju dzīvi, ūdens augu īpašības. Viņi jau ir iepazinušies ar peldošā spēka darbību. Pamazām mēs viņus novedam pie izpratnes par Arhimēda likuma lomu visām ūdens vidē esošajām radībām. Sarunu sākam ar jautājumu uzdošanu: kāpēc zivs skelets ir vājāks nekā uz sauszemes dzīvojošajām radībām? Kāpēc aļģēm nav vajadzīgi cieti stublāji? Kāpēc iestrēdzis valis mirst zem sava svara? Šādi neparasti jautājumi fizikas stundā skolēnus pārsteidz. Viņi ir ieinteresēti. Turpinām sarunu un atgādinām puišiem, ka ūdenī, lai atbalstītu biedru, jāpieliek daudz mazāks spēks nekā krastā (gaisā). Apkopojot visus šos faktus, virzot skolēnus uz to pareizu interpretāciju, mēs novedam bērnus pie tālejoša vispārinājuma par fiziskā faktora ietekmi (peldspējas spēks, kas ūdens vidē izrādās daudz lielāks nekā gaisā) par ūdens radību un augu attīstību un struktūras īpatnībām.

Ņūtona likumi
Dažas inerces izpausmes. Nogatavojušās pākšaugu pākstis, kas ātri atveras, apraksta lokus. Šajā laikā sēklas, atraujoties no piestiprināšanas vietām, pēc inerces tangenciāli virzās uz sāniem. Šī sēklu izkliedēšanas metode augu valstībā ir diezgan izplatīta.
Atlantijas un Indijas okeāna tropiskajās zonās bieži novērojams tā saukto lidojošo zivju lidojums, kas, bēgot no jūras plēsējiem, izlec no ūdens un veic planēšanas lidojumu ar labvēlīgu vēju, veicot attālumus līdz pat plkst. 200 - 300 m 5 - 7 m augstumā gaiss astes spuras straujo un spēcīgo vibrāciju dēļ. Sākumā zivs steidzas pa ūdens virsmu, tad spēcīgs astes sitiens paceļ to gaisā. Izplatītas garās krūšu spuras atbalsta zivs ķermeni kā planieris. Zivju lidojumu stabilizē astes spuras; zivis kustas tikai ar inerci.
Peldēšana un Ņūtona trešais likums. Ir viegli redzēt, ka kustības procesā zivis un dēles atgrūž ūdeni, bet pašas virzās uz priekšu. Peldoša dēle dzen ūdeni atpakaļ ar viļņveidīgām ķermeņa kustībām, bet peldoša zivs ar astes vilni. Tādējādi zivju un dēles kustība var kalpot kā ilustrācija Ņūtona trešajam likumam.
Lidojums un Ņūtona trešais likums. Kukaiņu lidojuma pamatā ir spārnu plivināšana (lidojums). Lidojuma vadība tiek nodrošināta gandrīz tikai ar spārniem. Mainot spārnu plivināšanas plaknes virzienu, kukaiņi maina kustības virzienu: uz priekšu, atpakaļ, lido vienuviet, griežas utt. Daži no veiklākajiem kukaiņiem lidojumā ir mušas. Omi bieži veic asus pagriezienus uz sāniem. Tas tiek panākts, pēkšņi izslēdzot vienas ķermeņa puses spārnus - to kustība uz brīdi apstājas, savukārt otras ķermeņa puses spārni turpina svārstīties, kas izraisa pagriezienu uz sāniem no sākotnējā lidojuma virziena. .
Vislielākais lidojuma ātrums ir tauriņiem-brazh-nnkp un zirgu mušiņām - 14-15 m / s. Spāres lido ar ātrumu 10 m / s, mēslu vaboles - līdz 7 m / s, bites - līdz 6 - 7 m / s. Kukaiņu lidojuma ātrums ir lēns, salīdzinot ar putniem. Taču, ja parēķinām relatīvo ātrumu (ātrumu, ar kādu kamene, ātrs, strazds un lidmašīna pārvietojas pa attālumu, kas vienāds ar sava ķermeņa garumu), tad izrādās, ka tas būs mazākais lidmašīna un visvairāk kukaiņiem.
Hanss Leonardo da Vinči pētīja putnu lidojumus, meklējot veidus, kā griezt lidmašīnas. II interesēja putnu lidojums. V. Žukovskis, kurš izstrādāja aerodinamikas pamatus. Tagad plivināšanas lidojuma princips atkal piesaista pašbūvētāju uzmanību
Reaktīvā piedziņa savvaļas dzīvniekiem. Daži dzīvnieki pārvietojas pēc reaktīvās piedziņas principa, piemēram, kalmāri, astoņkāji (8. att.), sēpijas. Jūras molusks-I rsbshok, strauji saspiežot čaulas vārstus, var kustēties uz priekšu rāvienos čaulā iemestās ūdens strūklas reaktīvā spēka dēļ. Apmēram tāds pats gājiens un daži citi mīkstmieši. Spāres kāpuri ievelk ūdeni aizmugurējā zarnā, pēc tam izmet to ārā un lec uz priekšu III “steidziena” spēka ietekmē.
Tā kā šajos gadījumos triecienus viens no otra atdala ievērojami laika intervāli, netiek sasniegts liels kustības ātrums. Lai palielinātu kustības ātrumu, citiem vārdiem sakot, reaktīvo impulsu skaitu laika vienībā, ir nepieciešama paaugstināta nervu vadītspēja, kas izraisa reaktīvo dzinēju apkalpojošo muskuļu kontrakciju. Tik liela vadītspēja ir iespējama ar lielu nerva diametru. Ir zināms, ka kalmāriem ir lielākās nervu šķiedras dzīvnieku valstībā. Tie sasniedz 1 mm diametru — 50 reizes lielāku nekā vairumam zīdītāju — un veic ierosmi ar ātrumu 25 m/s. Tas izskaidro lielo kalmāru kustības ātrumu (līdz 70 km / h).
Paātrinājumi un pārslodzes, ko dzīvās būtnes spēj izturēt. Studējot Ņūtona likumus, skolēnus var iepazīstināt ar paātrinājumiem, ar kuriem saskaras cilvēks dažādās dzīves situācijās.
Paātrinājumi liftā Maksimālais paātrinājums (vai palēninājums) lifta kabīnes kustības laikā normālas darbības laikā nedrīkst pārsniegt 2 m/s2 visiem liftiem. Apturot “stop”, maksimālā paātrinājuma vērtība nedrīkst pārsniegt 3 m/s2.
Paātrinājums aviācijā. Kad ķermenis piedzīvo paātrinājumu, tiek teikts, ka tas tiek pakļauts pārslodzei. Pārslodzes lielumu raksturo kustības a paātrinājuma attiecība pret brīvā kritiena paātrinājumu g:
k = - . g
Izpletņlēkšanā notiek lieli paātrinājumi un līdz ar to arī pārslodzes.
Ja 15 sekundes pēc kritiena atverat izpletni 1000 m augstumā, tad pārslodze būs aptuveni 6; izpletņa atvēršana pēc tādas pašas kavēšanās 7000 m rada pārslodzi, kas vienāda ar 12; 11 000 m augstumā tādos pašos apstākļos pārslodze būs gandrīz trīs reizes lielāka nekā 1000 m augstumā.
Nolaižoties ar izpletni, rodas arī pārslodzes, kas ir mazākas, jo garāks bremzēšanas ceļš. Tāpēc g-spēks būs mazāks, nolaižoties uz mīkstas zemes. Ar nolaišanās ātrumu 5 m/s un tā atmaksu ceļā ap 0,5 m ceļgalu un rumpja saliekšanās dēļ pārslodze ir aptuveni 3,5.
Maksimālos, lai arī ļoti īslaicīgos, paātrinājumus cilvēks piedzīvo, izkāpjot no lidmašīnas. Tajā pašā laikā sēdekļa izbraukšanas ātrums no kabīnes ir aptuveni 20 m/s, paātrinājuma ceļš ir -1 - 1,8 m Maksimālā paātrinājuma vērtība sasniedz 180 - 190 m/s2, pārslodze - 18 - 20.
Tomēr, neskatoties uz lielo vērtību, šāda pārslodze nav bīstama veselībai, jo iedarbojas īsu laiku, aptuveni 0,1 sek.
Paātrinājumu ietekme uz dzīviem organismiem. Apsveriet, kā paātrinājumi ietekmē cilvēka ķermeni. Nervu impulsi, kas signalizē par ivia telpisko kustību, ieskaitot galvu, nonāk īpašā orgānā - vestibulārajā aparātā. Vestibulārais aparāts informē arī šuvju smadzenes par kustības ātruma izmaiņām, tāpēc to sauc arī par paātrinājuma sajūtas orgānu. Šo pijaratu ievieto iekšējā ausī.
Vestibulārā aparāta kairinājumu robežvērtību raksturojums, kas sasniedz cilvēka apziņu, kā arī tīklenes paātrinājums dažādu kustību laikā ir parādīts 3. tabulā.

Paātrinājumi, kas vērsti no muguras uz krūtīm, no krūtīm uz muguru un no vienas puses uz otru, ir vieglāk panesami. Tāpēc ļoti svarīga ir pareiza cilvēka poza. Priekšnoteikums ir vispārējs fiziskais treniņš, kas nodrošina labu visa ķermeņa muskuļu attīstību.
Turklāt ir nepieciešams īpaši trenēt ķermeni, lai palielinātu izturību pret paātrinājumiem. Šāda apmācība tiek veikta uz īpašiem lineāriem paātrinātājiem, centrifūgās un citās iekārtās.
Tiek izmantoti arī speciāli anti-g tērpi, kuru dizains nodrošina iekšējo orgānu fiksāciju.
Šeit ir interesanti atcerēties, ka K. E. Ciolkovskis, lai palielinātu cilvēka izturību pret paātrinājumu darbību, ierosināja ievietot savu ķermeni šķidrumā ar tādu pašu blīvumu kā tas. Jāatzīmē, ka šāda ķermeņa aizsardzība no paātrinājumiem ir diezgan izplatīta dabā. Šādi tiek aizsargāts embrijs olšūnā, šādi tiek aizsargāts auglis dzemdē. K. E. Ciolkovskis ievietoja vistas olu sāls šķīduma burkā un nometa no augstuma. Ola neplīsa.
Šobrīd ir dati par līdzīgiem eksperimentiem ar zivīm un vardēm. Ūdenī ievietotās zivis un vardes izturēja trieciena paātrinājumus 1000 g un vairāk.
Zobenzivs amortizators. Dabā ir dažādi pielāgojumi, kas ļauj dzīviem organismiem nesāpīgi izturēt pārslodzes, kas rodas paātrinājuma un palēninājuma laikā. Zināms, ka grūdiens lēciena laikā mīkstina, ja piezemējies uz pussaliektām kājām; amortizatora lomu spēlē mugurkauls, kurā skrimšļa spilventiņi ir sava veida buferi.
Zobenzivīm ir interesants amortizators. Zobenzivs ir pazīstama kā rekordiste jūras peldētāju vidū. Tā ātrums sasniedz 80-90 km/h. Viņas zobens spēj caurdurt ozolkoka kuģa korpusu. Viņa necieš no šāda trieciena. Izrādās, viņas galvā pie zobena pamatnes atrodas hidrauliskais amortizators - mazi šūnveida dobumi, kas piepildīti ar taukiem. Tie mīkstina triecienu. Skrimšļveida spilventiņi starp zobenzivs skriemeļiem ir ļoti biezi; tāpat kā buferi uz vagoniem, tie samazina stumšanas spēku.
Vienkārši mehānismi savvaļas dzīvniekiem
Dzīvnieku un cilvēku skeletā visi kauli, kuriem ir zināma kustību brīvība, ir sviras, piemēram, cilvēkiem - ekstremitāšu kauli, apakšžoklis, galvaskauss (balsta punkts ir pirmais skriemelis), mugurkaula falangas. pirksti. Kaķiem kustīgie nagi ir sviras; daudzām zivīm ir muguriņas uz muguras spuras; posmkājiem vairums to ārējā skeleta segmentu; gliemenēm ir čaulas vārsti.
Skeleta saites parasti ir paredzētas, lai palielinātu ātrumu, zaudējot spēku. Īpaši lielu ātruma pieaugumu iegūst kukaiņi.
Skeleta sviras elementa roku garuma attiecība ir cieši atkarīga no šī orgāna veiktajām dzīvības funkcijām. Piemēram, kurta un brieža garās kājas nosaka viņu spēju ātri skriet; kurmja īsās ķepas ir paredzētas lielu spēku attīstīšanai ar mazu ātrumu; kurta garie žokļi ļauj ātri satvert laupījumu skrienot, un buldoga īsie žokļi aizveras lēni, bet stingri turas (košļājamais muskulis ir piestiprināts ļoti tuvu ilkņiem, un muskuļu spēks tiek pārnests uz ilkņi gandrīz bez vājuma).
Sviras elementi ir atrodami dažādās dzīvnieka un cilvēka ķermeņa daļās - tās ir, piemēram, ekstremitātes, žokļi.
Apskatīsim sviras līdzsvara apstākļus uz galvaskausa piemēra (9. att., a). Šeit sviras O rotācijas ass iet cauri galvaskausa artikulācijai ar pirmo skriemeļu. Atbalsta punkta priekšā uz salīdzinoši īsā pleca darbojas galvas gravitācijas spēks, aiz tā ir pakauša kaulam piesaistīto muskuļu un saišu vilces spēks F.
Vēl viens sviras darbības piemērs ir pēdas velves darbība, paceļot uz pirkstiem (9. att., b). Sviras balsts O, caur kuru iet rotācijas ass, ir pleznas kaulu galvas. Pārvaramais spēks R - visa ķermeņa svars - tiek pielikts uz tālvadības kaula. Darbojošais muskuļu spēks F, kas paceļ ķermeni, tiek pārnests caur Ahileja cīpslu un tiek pielietots kaļķakmens izvirzījumam.
Augos sviras elementi ir retāk sastopami, kas skaidrojams ar augu organisma zemo mobilitāti. Tipiska svira ir koka stumbrs un galvenā sakne, kas veido tā turpinājumu. Priedes vai ozola saknei, kas iet dziļi zemē, ir liela izturība pret apgāšanos (pretestības plecs ir liels), tāpēc priedes un ozoli gandrīz nekad neapgriežas otrādi. Gluži pretēji, egles, kurām ir tīri virspusēja sakņu sistēma, ļoti viegli apgāžas.
Interesantus savienojuma mehānismus var atrast dažos ziedos (piemēram, salvijas putekšņos) un arī dažos nolaižamajos augļos.
Apsveriet pļavas salvijas uzbūvi (10. att.). Izstieptais putekšņlapa kalpo kā sviras garā roka A. Tās galā ir putekšņlapa. Īsā sviras roka B it kā aizsargā ieeju ziedā. Kad kukainis (visbiežāk kamene) ielīst ziedā, tas nospiež sviras īso roku. Tajā pašā laikā garā roka ietriecas kamenes aizmugurē ar putekšņlapu un atstāj uz tās putekšņus. Lidot uz citu ziedu, kukainis to apputeksnē ar šiem ziedputekšņiem.
Dabā ir izplatīti elastīgi orgāni, kas var mainīt savu izliekumu plašā diapazonā (mugurkauls, aste, pirksti, čūsku ķermenis un daudzas zivis). To elastība ir saistīta vai nu ar lielu skaitu īsu sviru kombinācijas ar sakabes sistēmu,
vai salīdzinoši neelastīgu elementu kombinācija ar viegli deformējamiem starpelementiem (ziloņa stumbrs, kāpurķēde utt.). Liekšanas kontrole otrajā gadījumā tiek panākta ar garenvirziena vai slīpi novietotu stieņu sistēmu.
Daudzu dzīvnieku "pīrsinga instrumenti" - nagi, ragi utt. ir veidoti kā ķīlis (modificēta slīpa plakne); strauji kustīgu zivju galvas smailā forma ir līdzīga ķīlim. Daudzi no šiem ķīļiem ir zobi, muguriņiem (11. att.) ir ļoti gludas cietas virsmas (minimāla berze), tāpēc tie ir ļoti asi.

Deformācijas
Cilvēka ķermenis piedzīvo diezgan lielu mehānisko slodzi no sava svara un no muskuļu piepūles, kas rodas darba aktivitātes laikā. starp-
Resno, ka cilvēka piemērā var izsekot visu veidu deformācijām. Kompresijas spriedzi izjūt mugurkauls, apakšējās ekstremitātes un pēdas apvalks. Sastiepumi - augšējās ekstremitātes, saites, cīpslas, muskuļi; locīšana - mugurkauls, iegurņa kauli, ekstremitātes; vērpes - kakls, griežot galvu, rumpis muguras lejasdaļā, griežot, rokas, griežot utt.
Lai apkopotu deformāciju problēmas, mēs izmantojām 4. tabulā sniegtos datus.
Tabulā redzams, ka kaulam vai cīpslai sasprindzinātā elastības modulis ir ļoti liels, bet muskuļiem, vēnām, artērijām – ļoti mazs.
Maksimālais spriegums, kas iznīcina pleca kaulu, ir aptuveni 8-107 N/m2, galējais spriegums, kas iznīcina augšstilba kaulu, ir aptuveni 13-107 N/m2. Saistaudi saitēs, plaušās u.c. ir ļoti elastīgi, piemēram, pakauša saite var tikt izstiepta vairāk nekā divas reizes.
Konstrukcijām, kas veidotas no atsevišķiem stieņiem (kopnēm) vai plāksnēm, kas saplūst 120° leņķī, ir maksimāla izturība ar minimālu materiāla patēriņu. Šādu struktūru piemērs ir sešstūra šūnveida šūnas.
Vērpes pretestība ļoti strauji palielinās, palielinoties biezumam, tāpēc orgāni, kas paredzēti vērpes kustību veikšanai, parasti ir gari un plāni (putna kakls, čūskas ķermenis).
Izlieces laikā materiāls tiek izstiepts gar tā izliekto pusi un saspiests gar ieliekto pusi; vidēji žokļi ar ievērojamu de-
veidojumi netiek pārbaudīti. Tāpēc tehnoloģijā cietie stieņi tiek aizstāti ar caurulēm, sijas tiek izgatavotas T-sijas vai I-sijas; tas ietaupa materiālu un samazina vienību svaru. Kā zināms, strauji augošu augu - graudaugu (12. att.), lietussargu u.c. - ekstremitāšu un stublāju kauliem ir cauruļveida struktūra.Saulespuķēm un citiem augiem stublājam ir irdena serde. Jaunas, nenobriedušas labības lapas vienmēr ir salocītas caurulītē.
T veida sijai līdzīgas konstrukcijas ir sastopamas putnu krūšu kaulā, daudzu sērfošanas zonā dzīvojošo gliemju čaumalās utt. Sija ir izliekta uz augšu un ar uzticamiem balstiem, kas neļauj tā galiem pārvietoties (arka) , ir liels spēks attiecībā uz centieniem, kas iedarbojas uz tā izliekto pusi (arhitektūras arkas, mucas; un organismos - galvaskauss, krūtis, olu čaumalas, rieksti, vaboļu čaumalas, vēži, bruņurupuči utt.).
Dzīvo būtņu krišana. Galileo Galilejs rakstīja: “Kurš gan nezina, ka zirgs, krītot no trīs vai četru olektis augstuma, salauž kājas, bet suns necieš, un kaķis paliek neskarts, tiek izmests no astoņām līdz desmit olektim, tāpat kā krikets, kas nokrita no torņa augšas, vai skudra, kas nokrita zemē vismaz no Mēness sfēras.
Kāpēc mazie kukaiņi, krītot zemē no liela augstuma, paliek neskarti, bet lielie dzīvnieki iet bojā?
Dzīvnieka kaulu un audu stiprums ir proporcionāls to šķērsgriezuma laukumam. Arī berzes spēks pret gaisu ķermeņiem krītot ir proporcionāls šim laukumam. Dzīvnieka masa (un tā svars) ir proporcionāla tā tilpumam. Samazinoties ķermeņa izmēram, tā apjoms samazinās daudz ātrāk nekā virsma. Tādējādi, samazinoties krītoša dzīvnieka izmēram, tā palēninājuma spēks pret gaisu (uz masas vienību) palielinās, salīdzinot ar palēninājuma spēku uz lielāka dzīvnieka masas vienību. Savukārt mazākam dzīvniekam palielinās kaulu stiprums un muskuļu spēks (arī uz masas vienību).
Nav gluži pareizi salīdzināt zirga un kaķa spēku, kad tie krīt, jo tiem ir atšķirīga ķermeņa uzbūve, jo īpaši atšķiras "triecienu absorbējošās" ierīces, kas triecienu laikā mīkstina triecienus. Pareizāk būtu salīdzināt tīģeri, lūsi un kaķi. Spēcīgākais starp šiem kaķiem būtu kaķis!
"Būvtehnika" savvaļas dzīvnieku pasaulē. Pēc tēmas "Ciets ķermenis" apguves ir lietderīgi runāt par analoģijām "dabas celtniecības tehnikā" un cilvēka radītajā tehnikā.
Dabas un cilvēku būvmāksla attīstās pēc viena principa – taupot materiālus un enerģiju.
Kopš seniem laikiem dažādi savvaļas dzīvnieku dizaini ir bijuši pārsteidzoši un iepriecinoši. Zirnekļu tīkla spēks un elegance ir pārsteidzoša, medus bišu mītnes būvmāksla priecē - to šūnveida stingrā ģeometrija, kas sastāv no regulārām sešstūra šūnām. Skudru un termītu struktūras ir pārsteidzošas. Koraļļu salas un rifi, ko veido kaļķaini koraļļu skeleti, ir pārsteidzoši. Dažas jūraszāles ir pārklātas ar smalkas formas cietiem čaumalām. Piemēram, peridīnijas ir ietērptas savādos čaumalās, ko veido atsevišķi cieti čaumalas. Tie ir parādīti lielā palielinājumā 13. attēlā.
Vēl daudzveidīgāki ir jūras radiolarieši (vienkāršākie dzīvnieki), kuru sīkie skeleti ir parādīti 14. attēlā (salīdzinājumam sniegpārslas parādītas ar cipariem - 3).
Pēdējā laikā celtnieku uzmanību piesaista augu pasaules paraugi. K. A. Timirjazevs rakstīja: “Kābam, kā zināms, galvenokārt ir arhitektoniska nozīme: tas ir stingrs visas ēkas skelets, kas nes lapu telti un kura biezumā, tāpat kā ūdensvados, atrodas trauki, kas ved sulas. uzlika ... Tieši uz kātiem mēs uzzinājām veselu virkni pārsteidzošu faktu, kas pierāda, ka tie ir būvēti saskaņā ar visiem būvmākslas noteikumiem.
Ja ņemam vērā kāta un modernā rūpnīcas skursteņa šķērsgriezumus, tad to konstrukciju līdzība ir pārsteidzoša. Caurules mērķis ir radīt iegrimi un noņemt kaitīgās gāzes prom no zemes. Barības vielas paceļas uz auga stublāju no saknēm. Gan cauruli, gan kātu pastāvīgi ietekmē viena veida statiskās un dinamiskās slodzes - sava svara, vēja utt. Tas ir to strukturālās līdzības iemesli. Abi modeļi ir dobi. Kāta pavedieni, kā arī caurules gareniskais pastiprinājums atrodas gar visa apkārtmēra perifēriju. Gar abu konstrukciju sienām ir ovāli tukšumi. Spirālveida stiegrojuma lomu kātā pilda āda.
Zināms, ka cietais materiāls kaulos atrodas saskaņā ar galveno spriegumu trajektorijām. To var atrast, ja ņemam vērā cilvēka augšstilba augšdaļas garengriezumu un izliektu celtņa siju, kas darbojas izliekumā vertikālas slodzes ietekmē, kas sadalīta noteiktā augšējās virsmas zonā. Interesanti, ka tērauda Eifeļa tornis savā struktūrā atgādina cilvēka cauruļveida kaulus (augšstilba kaula vai stilba kaula). Konstrukciju ārējās formās un stūros starp kaula “sijām” un “sijām” un torņa lencēm ir līdzība.
Mūsdienu arhitektūrai un ēku tehnoloģijām ir raksturīga uzmanība labākajiem savvaļas "piemēriem". Galu galā mūsdienu prasības ir spēks un vieglums, ko var viegli apmierināt, būvniecībā izmantojot tēraudu, dzelzsbetonu, alumīniju, armētu cementu un plastmasu. Telpisko režģu sistēmas kļūst plaši izmantotas. To prototipi ir koka stumbra vai stumbra "skeleti", kas veidoti no izturīgākiem audiem nekā pārējais augu materiāls, kas veic bioloģiskas un izolācijas funkcijas. Tā ir koka lapu vēnu sistēma un sakņu matiņu režģis. Šādas konstrukcijas atgādina grozus, abažūra stiepļu rāmi, balkona izliektu režģi u.c. Turīnas izstāžu zāles segumā itāļu inženieris P. Nervi izmantoja koka lapas struktūras principu, pateicoties kuras vieglā un plānā konstrukcija aptver 98 metrus bez balstiem. Uz mūsu grāmatas vāka ir attēlota šāda veida ēka, kas izskatās pēc gliemežvāka vai apgāzta zieda krūzes.
Raksturīga ir pneimatisko konstrukciju izmantošana, kas diezgan atbilst dabiskajām formām: augļu formai, gaisa burbuļiem, asinsvadiem, augu lapām utt.
Lai stiprinātu būvmateriālus, fizikālie ķīmiķi ir pievērsušies mazāko konstrukciju izpētei un šobrīd izstrādā tehnoloģiju īpaši izturīgu materiālu ražošanai, kas sastāv no daudzām smalkām šķiedrām, plēvēm un graudiem pēc dabas ieteiktajiem principiem. Tomēr, lai iegūtu lieljaudas konstrukcijas, nepietiek tikai ar būvmateriālu nostiprināšanu. Ir zināms, ka kaulu struktūras dažkārt vairākos rādītājos pārspēj tērauda struktūras, taču tas notiek kaulu materiāla “izplatības” dēļ, kas ir zemāks par tēraudu.
Veidojot tādu vai citu struktūru, daba atrisina daudzas problēmas – ņem vērā nepieciešamo izturību pret ārējām mehāniskām ietekmēm un vides fizikāli ķīmiskajām ietekmēm, nodrošina augus ar ūdeni, gaisu, sauli. Visi šie
uzdevumi tiek risināti kompleksi, viss ir pakļauts kopējam uzdevumam, vispārējam organisma dzīves ritmam. Augos jūs neredzēsit brīvi suspendētus ūdens kapilārus, kā cilvēka struktūrās. Papildus uzdevumam nodrošināt vienmērīgu un pastāvīgu ūdens kustību, tie veic arī mehānisku funkciju, izturoties pret ārējām mehāniskām vides ietekmēm.
Un, ja jūs iedomājaties konstruktīva materiāla pašatjaunošanās iespēju tā darbības laikā, kas ir raksturīga dzīvajai dabai! Acīmredzot aizsardzību pret kaitīgām ķīmiskām ietekmēm, no zemām un augstām temperatūrām var atrast augu un dzīvnieku iekšējo audu izpētē.
Būvmāksla, kas bruņota ar bioniku, radīs konstrukciju un ēku pasauli, kas ir dabiskāka un perfektāka nekā tā, pie kuras esam pieraduši.

Cilvēka izstrādātais spēks
Izejot cauri tēmai “Darbs un spēks”, ir interesanti sniegt kādu informāciju par spēku, ko cilvēks spēj attīstīt.
Tiek uzskatīts, ka cilvēks normālos darba apstākļos var attīstīt aptuveni 70 - 80 vatu (jeb aptuveni 0,1 ZS) jaudu. Tomēr ir iespējams īslaicīgs jaudas pieaugums vairākas reizes.
Tātad cilvēks, kas sver 750 k, 1 sekundē var uzlēkt līdz 1 m augstumam, kas atbilst 750 vatu jaudai. Strauji kāpjot, piemēram, 7 pakāpieni, no kuriem katrs ir aptuveni 0,15 m augsts, 1 sekundes laikā attīstās aptuveni 1 litra jauda. Ar. vai 735 vati.
Nesen olimpiskais riteņbraucējs Braiens Džolijs 5 minūtes testēja 480 vatus, kas ir gandrīz 2/3 ZS. Ar.
Cilvēkam ir iespējama momentāna jeb sprādzienbīstama enerģijas izdalīšanās, īpaši tādos sporta veidos kā lodes grūšana vai augstlēkšana. Novērojumi liecina, ka augstlēkšanas laikā ar vienlaicīgu atgrūšanos ar abām kājām daži vīrieši 0,1 sekundes laikā attīsta vidējo jaudu aptuveni 5,2 litrus. s., un sievietes - 3,5 a. Ar.

Ierīces celšanas spēka maiņai
Interesantu informāciju par haizivju un stores ķermeņa uzbūvi var sniegt saistībā ar lidmašīnas spārna pacelšanas spēka problēmas izpēti. Zināms, ka, nolaižoties lidaparātam, kad tā ātrums un līdz ar to arī pacelšanas spēks ir mazs, ir nepieciešamas papildu ierīces pacelšanas spēka palielināšanai. Šim nolūkam tiek izmantoti speciāli vairogi -
atloki, kas atrodas uz spārna apakšējās virsmas un palīdz palielināt tā profila izliekumu. Piezemējoties tie noliecas.
Kaulainas zivis (kurās ietilpst lielākā daļa mūsdienu zivju) savu vidējo blīvumu un attiecīgi iegremdēšanas dziļumu regulē ar peldpūšļa palīdzību. Skrimšļainajām zivīm šādas adaptācijas nav. To celšanas spēks mainās, mainoties profilam, tāpat kā lidmašīnām, piemēram, haizivis (skrimšļzivis) maina celšanas spēku ar krūšu un vēdera spuru palīdzību.

Sirds-plaušu mašīna (APC)
Pabeidzot mehānikas studijas, ir lietderīgi studentiem pastāstīt par sirds-plaušu aparāta ierīci.
Sirds operāciju laikā bieži rodas nepieciešamība to īslaicīgi izslēgt no asinsrites un operēt sausu sirdi.
Rīsi. piecpadsmit.
Sirds-plaušu iekārta sastāv no divām galvenajām daļām: sūkņa sistēmas un oksigenatora. Sūkņi pilda sirds funkcijas – operācijas laikā uztur spiedienu un asinsriti ķermeņa traukos. Skābekļa aparāts pilda plaušu funkcijas un nodrošina asiņu piesātinājumu ar skābekli.
Vienkāršota iekārtas shēma ir parādīta 15. attēlā. Virzuļa sūkņus 18 darbina elektromotors 20 caur regulatoru 19 \, kas nosaka sūkņa virzuļu ritmu un gājienu. Spiediens pa caurulēm, kas pildītas ar eļļu, tiek pārnests uz sūkņiem 4 un 9, kas, izmantojot gumijas diafragmas un vārstus, rada nepieciešamo vakuumu fizioloģiskā bloka venozajā daļā (4. sūknis) un kompresiju arteriālajā daļā (9. sūknis). no ierīces. Fizioloģiskais bloks sastāv no asinsrites sistēmas, kas, izmantojot polietilēna katetru, sazinās ar lieliem asinsvadiem to izejas punktā no sirds un oksigenatora.
Asinis tiek iesūktas caur gaisa slazdu 1, elektromagnētisko skavu 2, izlīdzināšanas kameru 3, kas veic ātrija funkcijas, un ar sūkņa 4 palīdzību tiek ievadītas oksigenatora augšējā kamerā 5. Šeit asinis ir vienmērīgi sadalītas pa asins putu kolonnu, kas aizpilda tās vidējo kameru 6. Tas ir cilindrs, kas izgatavots no neilona sieta, kura apakšā atrodas skābekļa sadalītājs 7. Skābeklis vienmērīgi caur 30 caurumiem nonāk kamerā pa gaisa slānis, kas veidojas kameras apakšā. Kopējā burbuļu virsma putu kolonnā ir aptuveni 5000 cm2 (ar asins tilpumu 150 - 250 cm3). Skābekļa aparātā asinis tiek piesātinātas ar skābekli, izdala oglekļa dioksīdu apkārtējā atmosfērā un ieplūst apakšējā kamerā 8, no kurienes caur sūkni 9, skavu 10 un gaisa slazdu 11 nonāk ķermeņa arteriālajā sistēmā. Skābeklis iekļūst oksigenatorā caur gāzes skaitītāju 17 un mitrinātāju 16. Skābeklis augšējā daļā atrodas pretputotājs 12 un gāzes izvads. Trauks 15 ar rezerves asinīm vai asins aizstājēju šķidrumu sazinās ar oksigenatoru caur skavu 14. Asins plūsmu no oksigenatora regulē pludiņš 13, kas induktīvi savienots ar spoli, kas atrodas ārpusē, kas kontrolē ierīces elektromagnētisko skavu aktivizēšanos.

Jautājumi un uzdevumi

Risinot problēmas, kas saistītas ar dzīviem objektiem, liela uzmanība jāpievērš bioloģisko procesu kļūdainas interpretācijas novēršanai.
Apsveriet vairāku problēmu risinājumu, ko piedāvājām studentiem.

Uzdevums 1. Kā ar fizisku priekšstatu palīdzību izskaidrot, ka vētrā egle viegli izlaužas kopā ar sakni, bet priedē ātrāk lūzt stumbrs?
Pirms lēmuma pieņemšanas mēs iepazināmies ar šo koku īpašībām.
“Ar saknēm, virspusēji izplatoties, tā (egle. - Ts.K.) var cieši pīt akmeņus, tāpēc tai ir vajadzīgā stabilitāte kalnos pat ar ļoti plānu augsnes kārtu, bet, tā kā tā nav, kā priede, vertikāli atstājot uz leju sakni, tad līdzenumos atsevišķu egli viegli izrauj vētra kopā ar sakni. Koka vainags veido milzīgu piramīdu."
“Mežā augošā priede veido augstu kolonnu stumbru un nelielu piramīdveida vainagu. Gluži pretēji, augot tīri atklātā vietā, tas sasniedz tikai nelielu augšanu, bet tā vainags aug plaši.
Pēc tam viņi ar skolēniem pārrunāja iespēju problēmas risināšanā pielietot momentu likumu.
Mēs esam ieinteresēti analizēt tikai jautājuma kvalitatīvo pusi. Turklāt mūs interesē jautājums par abu koku salīdzinošo uzvedību. Slodzes lomu mūsu problēmā spēlē vēja spēks FB. Var pieskaitīt vēja spēku, kas iedarbojas uz stumbru, vēja spēkam, kas iedarbojas uz vainagu, un pat pieņemt, ka vēja spēki, kas iedarbojas uz abiem kokiem, ir vienādi. Tad acīmredzot tālākai spriešanai vajadzētu "būt šādi. Priedes sakņu sistēma iet dziļāk zemē nekā eglei. Līdz ar to priedi zemē noturošā spēka plecs ir lielāks nekā eglei ( 16. att.). Tāpēc, lai egli pagrieztu pie saknes uz augšu, nepieciešams mazāks vēja griezes moments nekā priedei, un, lai izravētu priedi ar saknēm, ir vajadzīgs lielāks vēja griezes moments, nekā lai to nolauztu. tiek izravēta biežāk nekā priede, un priede lūst biežāk nekā egle.

KOHETS FRAGMEHTA GRĀMATAS

Cilvēka funkciju pārzināšana ir viens no grūtākajiem uzdevumiem. Zinātnes attīstība pirmajos posmos notiek - disciplīnu diferenciācija, kuras mērķis ir dziļi izpētīt noteiktas problēmas. Pirmajā posmā mēs cenšamies zināt noteiktu daļu, un, kad tas izdodas, rodas cits uzdevums - kā izveidot vispārēju priekšstatu. Sākotnējo specialitāšu krustpunktā ir zinātniskās disciplīnas. Tas attiecas arī uz biofiziku, kas parādījās fizioloģijas, fizikas, fizikālās ķīmijas krustpunktā un pavēra jaunas iespējas bioloģisko procesu izpratnē.

Biofizika- zinātne, kas pēta fizikālos un fizikāli ķīmiskos procesus dažādos dzīvās vielas līmeņos (molekulāras, šūnu, orgānu, visa organisma), kā arī fizikālās vides faktoru ietekmes uz dzīvo vielu modeļus un mehānismus.

Piešķirt-

molekulārā biofizika - procesu kinētika un termodinamika
šūnu biofizika - šūnu struktūras un fizikāli ķīmisko izpausmju izpēte - caurlaidība, biopotenciālu veidošanās
maņu orgānu biofizika - fizikāli ķīmiskie uztveršanas mehānismi, enerģijas transformācija, informācijas kodēšana receptoros.
Sarežģītu sistēmu biofizika - regulēšanas un pašregulācijas procesi un šo procesu termodinamiskās īpašības
Ārējo faktoru ietekmes biofizika - pēta jonizējošā starojuma, ultraskaņas, vibrācijas, gaismas iedarbības ietekmi uz ķermeni

Biofizikas uzdevumi

Izveidojiet savvaļas dabas modeļus, pētot fiziskās un ķīmiskās parādības organismā
Fizisko faktoru ietekmes uz organismu mehānismu izpēte

Eilers (1707-1783) - hidrodinamikas teorijas likumi, lai izskaidrotu asins kustību caur traukiem

Lavuazjē (1780) - pētīja enerģijas apmaiņu organismā

Galvani (1786) - biopotenciālu, dzīvnieku elektrības doktrīnas pamatlicējs

Helmholcs (1821)

Rentgens - mēģināja izskaidrot muskuļu kontrakcijas mehānismus no pjezo efektu stāvokļa

Arrēnijs - klasiskās kinētikas likumi bioloģisko procesu skaidrošanai

Lomonosovs - enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likums

Sečenovs - pētīja gāzes transportēšanu asinīs

Lazarevs - nacionālās biofizikālās skolas dibinātājs

Paulings - proteīna telpiskās struktūras atklāšana

Vatsons un Kriks - DNS dubultās struktūras atklāšana

Hodžkins, Hakslijs, Kats - bioelektrisko parādību jonu rakstura atklāšana

Prigožins - neatgriezenisku procesu termodinamikas teorija

Eigens - hiperciklu teorija, kā evolūcijas pamats

Sakmans, Nehers - izveidoja jonu kanālu molekulāro struktūru

Biofizika kļuva saistībā ar medicīnas attīstību, jo. tur tika izmantotas ķermeņa fiziskās ietekmes metodes.

Bioloģija attīstījās, un bija nepieciešams iekļūt molekulārā līmenī notiekošo bioloģisko procesu noslēpumos

Nepieciešamība pēc rūpniecības, kuras attīstība izraisīja dažādu fizisko faktoru iedarbību uz organismu - radioaktīvais starojums, vibrācijas, bezsvara stāvoklis, pārslodzes.

Biofizikālās izpētes metodes

Rentgenstaru difrakcijas analīze- vielas atomu struktūras izpēte, izmantojot rentgenstaru difrakciju. Vielas elektronu blīvuma sadalījumu nosaka pēc difrakcijas shēmas, un jau pēc tā var noteikt, kuri atomi vielā atrodas un kā tie atrodas. Kristālu struktūru, šķidrumu un olbaltumvielu molekulu izpēte.
Kolonnu hromatogrāfija- atšķirīgs maisījumu sadalījums un analīze starp 2 fāzēm - mobilajām un stacionārajām. Tas var būt saistīts ar dažādu vielu absorbcijas pakāpi vai dažādām jonu apmaiņas pakāpēm. Var būt gāze vai šķidrums. Vielu sadalījums tiek izmantots kapilāros - kapilāros, vai caurulēs, kas pildītas ar sorbentu - kolonnveida. Var izdarīt uz papīra, šķīvjiem
Spektrālā analīze- vielas kvalitatīva un kvantitatīva noteikšana pēc optiskajiem spektriem. Vielu nosaka vai nu ar emisijas spektru – emisijas spektrālo analīzi, vai pēc absorbcijas spektra – absorbcijas. Vielas saturu nosaka spektra līniju relatīvais vai absolūtais biezums. Iekļauts arī radiospektroskopija – elektronu paramagnētiskā rezonanse un kodolmagnētiskā rezonanse.
Izotopu indikācija
elektronu mikroskopija
ultravioletā mikroskopija- bioloģisko objektu izpēte UV staros palielina attēla kontrastu, īpaši intracelulārās struktūras, un ļauj pārbaudīt citas šūnas bez iepriekšējas krāsošanas un preparāta fiksācijas

Viens no svarīgākajiem pastāvēšanas nosacījumiem ir adekvāta funkciju, orgānu un audu, sistēmu pielāgošanās videi. Notiek pastāvīga organisma un vides līdzsvarošana. Šajos procesos galvenais process ir fizioloģisko funkciju regulēšana un kontrole.

Vispārīgos likumus informācijas ieviešanai, pārvaldībai un apstrādei dažādās sistēmās pēta kibernētikas zinātne (kibernētika ir vadības māksla) Vadības likumi ir kopīgi gan cilvēkiem, gan tehniskajām ierīcēm. Kibernētikas rašanos sagatavoja automātiskās vadības teorijas attīstība, radioelektronikas attīstība un informācijas teorijas izveide.

Šo darbu prezentēja Šenons (1948) grāmatā "Komunikācijas matemātiskā teorija"

Kibernētika nodarbojas ar jebkura veida sistēmu izpēti, kas spēj saņemt, uzglabāt un apstrādāt informāciju un izmantot to pārvaldībai un regulēšanai. Kibernētika pēta tos signālus un faktorus, kas noved pie noteiktiem kontroles procesiem.

Tam ir liela nozīme medicīnā. Bioloģisko procesu analīze ļauj kvalitatīvi un kvantitatīvi izpētīt regulēšanas mehānismus. Organismā noteicošie ir vadības un regulēšanas informācijas procesi, t.i. ir primārie, uz kuru pamata notiek visi procesi.

Sistēmas- organizēts elementu komplekss, kas savienoti viens ar otru un veic noteiktas funkcijas saskaņā ar visas sistēmas programmu. Smadzeņu elementi būs neironi. Komandas elementi ir cilvēki, kas to veido. Tikai pūlis nav kibernētiska sistēma.

Programma- sistēmas izmaiņu secība telpā un laikā, kas var tikt iekļauta sistēmas struktūrā vai iekļūt tajā no ārpuses.

Savienojums- elementu savstarpējās mijiedarbības process, kurā notiek matērijas, enerģijas, informācijas apmaiņa.

Ziņojumi ir nepārtraukti un diskrēti.

Nepārtraukta ir nepārtraukti mainīgas vērtības raksturs (asinsspiediens, temperatūra, muskuļu sasprindzinājums, mūzikas melodijas).

Diskrēts- sastāv no atsevišķiem soļiem vai gradācijām, kas atšķiras viena no otras (mediatoru daļas, DNS slāpekļa bāze, Morzes koda punkti un domuzīmes)

Svarīgs ir arī informācijas kodēšanas process. To kodē nervu impulsi, lai nervu centri uztvertu informāciju. Koda elementi - simboli un pozīcijas. Simboli ir bezizmēra lielumi, kas kaut ko atšķir (alfabēta burti, matemātiskās zīmes, nervu impulsi, smaržīgu vielu molekulas un pozīcijas nosaka simbolu telpisko un laika izkārtojumu).

Informācijas kods satur tādu pašu informāciju kā sākotnējā ziņojumā. Tas ir izomorfisma fenomens. Koda signālam ir ļoti zema enerģijas vērtība. Informācijas ienākšanu novērtē pēc signāla esamības vai neesamības.

Ziņojums un informācija nav viens un tas pats, jo saskaņā ar informācijas teoriju

Informācija- nenoteiktības apjoma mērs, kas tiek novērsts pēc ziņojuma saņemšanas.

Pasākuma iespēja a priori informācija.

Notikuma iespējamība pēc informācijas saņemšanas ir a posteriori informācija.

Ziņojuma informatīvums būs lielāks, ja saņemtā informācija palielinās posterior varbūtību.

Informācijas īpašības.

Informācijai ir jēga tikai tad, ja ir tās uztvērēji (patērētājs) - "ja istabā ir televizors un tajā nav neviena"
Signāla esamība ne vienmēr norāda, ka informācija tiek pārraidīta, jo ir ziņas, kas patērētājam nenes neko jaunu.
Informāciju var pārraidīt gan apziņas, gan zemapziņas līmenī.
Ja notikums ir ticams (t.i., tā iespējamība ir P=1), paziņojums, ka tas noticis, patērētājam nesniedz nekādu informāciju
Ziņojums par notikumu, kura iespējamība ir P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Dezinformācija- informācijas negatīvā vērtība.

Notikumu nenoteiktības mērs - entropija(H)

Ja log2 N=1, tad N=2

Informācijas vienība - mazliet(dubultā informācijas vienība)

H=lg N (Hārtlijs)

1 Hārtlijs ir informācijas apjoms, kas nepieciešams, lai izvēlētos vienu no desmit līdzvērtīgām iespējām. 1 Hārtlijs = 3,3 biti

Regulators var strādāt pie kompensācijas, ja ietekme uz ķermeni ir regulatora kompensējoša darbība, kas noved pie funkcijas normalizēšanas.

Vadība ir vērsta uz fizioloģisko funkciju iedarbināšanu, to korekciju un procesu koordinēšanu.

Senākais ir humorālais regulēšanas mehānisms.

nervu mehānisms.

neirohumorālais mehānisms.

Regulēšanas mehānismu attīstība noved pie tā, ka dzīvnieki, atšķirībā no augiem, spēj pārvietoties un var atstāt nelabvēlīgu vidi.

Priekšposteņa mehānisms (cilvēkiem) - kondicionētu refleksu veidā. Uz signalizācijas stimuliem mēs varam īstenot pasākumus, lai ietekmētu vidi.

Biofizika (bioloģiskā fizika) - Zinātne par visvienkāršākajām un fundamentālākajām mijiedarbībām, kas ir pamatā bioloģiskajiem procesiem, kas notiek dažādos dzīvās vielas – molekulārās, šūnu, organisma un populācijas – organizācijas līmeņos.

Ievads

Biofizikas teorētiskās konstrukcijas un modeļi ir balstīti uz enerģijas, spēka, mijiedarbības veidu jēdzieniem, uz vispārīgiem fizikālās un formālās kinētikas, termodinamikas un informācijas teorijas jēdzieniem. Šie jēdzieni atspoguļo matērijas pamata mijiedarbības un kustības likumu būtību, kas, kā jūs zināt, ir fizikas priekšmets - fundamentāla dabas zinātne. Biofizika kā bioloģijas zinātne koncentrējas uz bioloģiskiem procesiem un parādībām. Mūsdienu biofizikas galvenā tendence ir iekļūšana dziļākajos, elementārajos līmeņos, kas veido dzīves strukturālās organizācijas pamatu.

Biofizikas veidošanās un attīstība ir cieši saistīta ar mūsdienu bioloģijas, fizikas, ķīmijas un matemātikas ideju, teorētisko pieeju un metožu intensīvu mijiedarbību.

IUPAB pieņemtā modernā biofizikas klasifikācija

Starptautiskās tīrās un lietišķās biofizikas savienības (1961) pieņemtajā klasifikācijā, kas atspoguļo galvenos bioloģiskos objektus biofizikālo pētījumu jomā, ir iekļautas šādas sadaļas: molekulārā biofizika, kuras uzdevums ir pētīt biofizikālās fizikas fizikālās un fizikāli ķīmiskās īpašības. makromolekulas un molekulārie kompleksi; šūnu biofizika, kas pēta šūnu dzīvības fizikāli ķīmiskos pamatus, membrānu un šūnu organellu molekulārās struktūras attiecības un to funkcijas, šūnu procesu koordinācijas modeļus, to mehāniskās un elektriskās īpašības, šūnu procesu enerģētiku un termodinamiku; sarežģītu sistēmu biofizika, kas ietver atsevišķus organellus, veselus organismus un populācijas; kontroles un regulēšanas procesu biofizika, kas nodarbojas ar kontroles principu izpēti un modelēšanu bioloģiskajās sistēmās. Ir arī biofizikas sadaļas: biopolimēru struktūra (olbaltumvielas, DNS, lipīdi), biomehānika, bioloģiskā optika, biomagnētisms, bioloģiskā termodinamika. Biofizika ietver arī zinātnes jomas, kas pēta dažādu fizikālo faktoru (gaismas, jonizējošā starojuma, elektromagnētisko lauku u.c.) ietekmes mehānismus uz bioloģiskajām sistēmām.

Fizikas un matemātikas principu iespiešanās vēsture bioloģijā

Bioloģisko objektu fizikālo īpašību izpētes sākums ir saistīts ar G. Galileo un R. Dekarta (17. gs.) darbiem, kas lika mehānikas pamatus, uz kuru principiem tika veikti pirmie mēģinājumi izskaidrot dažus dzīves procesiem. Piemēram, Dekarts uzskatīja, ka cilvēka ķermenis ir kā sarežģīta mašīna, kas sastāv no tādiem pašiem elementiem kā neorganiskie ķermeņi. Itāliešu fiziķis G. Borelli pielietoja mehānikas principus, aprakstot dzīvnieku kustību mehānismus. 1628. gadā V. Hārvijs aprakstīja asinsrites mehānismu, pamatojoties uz hidraulikas likumiem. 18. gadsimtā atklājumiem fizikas jomā un tās matemātiskā aparāta pilnveidošanai bija liela nozīme dzīvajos organismos notiekošo fizikāli ķīmisko procesu izpratnē. Fizisko pieeju izmantošana deva impulsu eksperimentālo metožu un eksakto zinātņu ideju ieviešanai bioloģijā. L. Eilers matemātiski aprakstīja asins kustību pa traukiem. M.V. Lomonosovs izteica vairākus vispārīgus spriedumus par garšas un vizuālo sajūtu būtību, izvirzīja vienu no pirmajām krāsu redzes teorijām. A. Lavuazjē un P. Laplass parādīja ķīmijas likumu vienotību neorganiskajiem un organiskajiem ķermeņiem, konstatējot, ka elpošanas process ir līdzīgs lēnai degšanai un ir siltuma avots dzīviem organismiem. Radoša diskusija starp A. Voltu un L. Galvani par problēmu, kā pēdējais atklāja "dzīvo elektrību", veidoja elektrofizioloģijas pamatu un spēlēja nozīmīgu lomu elektrības izpētē kopumā.

Biofizikas attīstība 19. gadsimtā - 20. gadsimta sākumā

19. gadsimtā bioloģijas attīstību pavadīja zināšanu bagātināšana par bioloģisko struktūru un procesu fizikāli ķīmiskajām īpašībām. Liela nozīme bija S. Arrhenius elektrolītisko risinājumu teorijai, V. Nernsta bioelektrisko parādību jonu teorijai. Tika iegūtas pamatidejas par darbības potenciālu būtību un lomu ierosmes rašanās un izplatīšanās mehānismā gar nervu ( G. Helmholcs, E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Vācija); osmotisko un elektrisko parādību nozīme šūnu un audu dzīvē tika noskaidrota, pateicoties J. Lēba (ASV), V. Nernsta un R. Gerbera (Vācija) darbiem. Tas viss ļāva Dubois-Reymond secināt, ka organismu materiālajās daļiņās nav atrasti jauni spēki, kas nevarētu darboties ārpus tām. Šāda principiāla nostāja izbeidza dzīvības procesu skaidrojumus ar dažu īpašu "fiziskiem mērījumiem nepakļaujamu dzīvo faktoru" darbību.

Iekšzemes zinātnieki ir devuši nozīmīgu ieguldījumu biofizikas attīstībā. VIŅI. Sečenovs pētīja gāzu šķīšanas modeļus asinīs, kustību biomehāniku. Nervu audu ierosināšanas kondensatora teoriju, kas balstīta uz jonu nevienlīdzīgo mobilitāti, ierosināja V.Yu. Čagoveca. K.A. Timirjazevs noteica atsevišķu saules spektra posmu fotosintēzes aktivitāti, nosakot kvantitatīvus modeļus, kas saista fotosintēzes procesa ātrumu un gaismas absorbciju ar hlorofilu dažāda spektrālā sastāva lapās. Fizikas un fizikālās ķīmijas idejas un metodes tika izmantotas, pētot kustību, dzirdes un redzes orgānus, fotosintēzi, elektromotora spēka ģenerēšanas mehānismu nervā un muskuļos, jonu vides nozīmi šūnu dzīvībai svarīgajā darbībā. un audi. 1905.-15.gadā. N.K. Koļcovs pētīja fizikāli ķīmisko faktoru (virsmas spraigums, ūdeņraža jonu koncentrācija, katjoni) lomu šūnu dzīvē. P.P. Lazarevs tiek uzskatīts par jonu ierosmes teorijas izstrādi (1916) un fotoķīmisko reakciju kinētikas izpēti. Viņš izveidoja pirmo padomju biofiziķu skolu, apvienoja ap sevi lielu ievērojamu zinātnieku grupu (to vidū bija S. I. Vavilovs, S. V. Kravkovs, V. V. Šuleikins, S. V. Derjagins un citi). 1919. gadā Maskavā nodibināja Veselības Tautas komisariāta Bioloģiskās fizikas institūtu, kur tika veikts darbs pie ierosmes jonu teorijas, gaismas iedarbībā notiekošo reakciju kinētikas, absorbcijas un fluorescences spektru izpētes. bioloģisko objektu, kā arī dažādu vides faktoru primārās ietekmes uz organismu procesiem. Grāmatas V.I. Vernadskis (“Biosfēra”, 1926), E.S. Bauers (“Teorētiskā bioloģija”, 1935), D.L. Rubinšteins (“Bioloģijas fizikāli ķīmiskie pamati”, 1932), N.K. Koļcovs (“Šūnas organizācija”, 1936), D.N. Nasonovs un V.Ya. Aleksandrova (“Dzīvās vielas reakcija uz ārējām ietekmēm”, 1940) utt.

20. gadsimta otrajā pusē biofizikas sasniegumi bija tieši saistīti ar fizikas un ķīmijas sasniegumiem, ar pētniecības metožu un teorētisko pieeju izstrādi un pilnveidošanu, kā arī ar elektronisko datoru izmantošanu. Attīstoties biofizikai, bioloģijā ir iekļuvušas tādas precīzas eksperimentālās pētījumu metodes kā spektrālā, izotopu, difrakcija un radiospektroskopiskā. Plašā atomenerģijas attīstība izraisīja interesi par pētījumiem radiobioloģijas un radiācijas biofizikas jomā.

Biofizikas sākotnējā attīstības perioda galvenais rezultāts ir secinājums par fizikas kā fundamentālas dabaszinātnes pamatlikumu par matērijas kustības likumiem fundamentālo pielietojamību bioloģijas jomā. Liela vispārīga metodoloģiska nozīme dažādu bioloģijas jomu attīstībā ir šajā periodā iegūtajiem enerģijas nezūdamības likuma pierādījumiem (pirmais termodinamikas likums), ķīmiskās kinētikas principu apstiprināšanai par dinamiskās uzvedības pamatu. bioloģisko sistēmu jēdziens un otrais termodinamikas likums bioloģiskajās sistēmās, un visbeidzot secinājums par īpašu "dzīvu" enerģijas formu neesamību. Tas viss lielā mērā ietekmēja bioloģijas attīstību, kā arī bioķīmijas panākumus un sasniegumus biopolimēru struktūras izpētē, veicināja vadošā mūsdienu virziena veidošanos bioloģijas zinātnē - fizikālajā un ķīmiskajā bioloģijā, kurā biofizika ieņem nozīmīgu vietu. vieta.

Mūsdienu biofizikas galvenie pētījumu virzieni un sasniegumi

Mūsdienu biofizikā ir 2 galvenās jomas, kas veido biofizikas priekšmetu - teorētiskā biofizika risina vispārīgas bioloģisko sistēmu termodinamikas, bioloģisko procesu dinamiskās organizācijas un regulēšanas problēmas, aplūko mijiedarbību fizikālo raksturu, kas nosaka makromolekulu un to kompleksu uzbūvi, stabilitāti un intramolekulāro dinamisko kustīgumu, enerģijas transformācijas mehānismus tajās; un specifisku bioloģisko procesu biofizika ( šūnu biofizika), kuras analīze tiek veikta, pamatojoties uz vispārīgiem teorētiskiem jēdzieniem. Galvenā biofizikas attīstības tendence ir saistīta ar iekļūšanu molekulārajos mehānismos, kas ir bioloģisko parādību pamatā dažādos dzīves organizācijas līmeņos.

Pašreizējā biofizikas attīstības stadijā ir notikušas būtiskas pārmaiņas, kas galvenokārt saistītas ar sarežģītu sistēmu biofizikas un molekulārās biofizikas teorētisko sadaļu straujo attīstību. Tieši šajās jomās, pievēršoties bioloģisko sistēmu dinamiskās uzvedības likumsakarībām un molekulāro mijiedarbības mehānismiem biostruktūrās, ir iegūti vispārīgi rezultāti, uz kuru pamata biofizika ir veidojusi savu teorētisko bāzi. Teorētiskie modeļi, kas izstrādāti tādās sadaļās kā kinētika, termodinamika, bioloģisko sistēmu regulēšanas teorija, biopolimēru struktūra un to elektroniskās konformācijas īpašības veido pamatu biofizikā konkrētu bioloģisko procesu analīzei. Šādu modeļu izveide ir nepieciešama, lai identificētu vispārējos fundamentālo bioloģiski nozīmīgu mijiedarbību principus molekulārā un šūnu līmenī, atklātu to būtību saskaņā ar mūsdienu fizikas un ķīmijas likumiem, izmantojot jaunākos matemātikas sasniegumus un izstrādātu, pamatojoties uz no šiem sākotnējiem vispārinātajiem jēdzieniem, kas ir adekvāti aprakstītajām bioloģiskajām parādībām.

Būtiskākā iezīme ir tā, ka modeļu konstruēšana biofizikā prasa tādu radniecīgu eksakto zinātņu ideju modifikāciju, kas ir līdzvērtīga jaunu konceptu izstrādei šajās zinātnēs, ko piemēro bioloģisko procesu analīzei. Bioloģiskās sistēmas pašas ir informācijas avots, kas stimulē noteiktu fizikas, ķīmijas un matemātikas jomu attīstību.

Sarežģītu sistēmu biofizikas jomā ķīmiskās kinētikas principu izmantošana vielmaiņas procesu analīzei ir pavērusi plašas iespējas to matemātiskajai modelēšanai, izmantojot parastos diferenciālvienādojumus. Šajā posmā tika iegūti daudzi svarīgi rezultāti, galvenokārt fizioloģisko un bioķīmisko procesu, šūnu augšanas dinamikas un populācijas lieluma modelēšanas jomā ekoloģiskajās sistēmās. Sarežģītu bioloģisko procesu matemātiskās modelēšanas izstrādē fundamentāla nozīme bija idejas noraidīšanai par obligātu atbilstošu analītisko risinājumu atrašanu un kvalitatīvu diferenciālvienādojumu analīzes metožu izmantošanu, kas ļauj atklāt bioloģisko sistēmu vispārējās dinamiskās iezīmes. Šīs pazīmes ietver stacionāro stāvokļu īpašības, to skaitu, stabilitāti, iespēju pārslēgties no viena režīma uz otru, pašoscilējošu režīmu esamību un dinamisko režīmu haotizāciju.

Pamatojoties uz to, tika izstrādātas idejas par laiku hierarhiju un "minimāliem" un adekvātiem modeļiem, kas diezgan pilnībā atspoguļo galvenās objekta īpašības. Tika izstrādāta arī sistēmu dinamiskās uzvedības parametriskā analīze, ieskaitot pamata modeļu analīzi, kas atspoguļo noteiktus bioloģisko sistēmu pašorganizēšanās aspektus laikā un telpā. Turklāt arvien svarīgāka kļūst varbūtības modeļu izmantošana, kas atspoguļo stohastisko faktoru ietekmi uz deterministiskajiem procesiem bioloģiskajās sistēmās. Sistēmas dinamiskās uzvedības bifurkācijas atkarība no parametru kritiskajām vērtībām atspoguļo dinamiskas informācijas rašanos sistēmā, kas tiek realizēta, mainoties darbības režīmam.

Biofizikas sasniegumi, kuriem ir vispārēja bioloģiska nozīme, ietver izpratni par organismu un šūnu kā atvērtu sistēmu termodinamiskajām īpašībām, uz 2. termodinamikas likumu balstītu kritēriju formulēšanu atvērtas sistēmas evolūcijai līdz stabilam stāvoklim. ( I. Prigožins); oscilācijas procesu mehānismu atklāšana populāciju līmenī, fermentatīvās reakcijas. Pamatojoties uz teoriju par autoviļņu procesiem aktīvā vidē, tiek izveidoti nosacījumi izkliedējošu struktūru spontānai parādīšanās homogēnās atvērtās sistēmās. Pamatojoties uz to, tiek veidoti morfoģenēzes procesu modeļi, regulāru struktūru veidošanās baktēriju kultūru augšanas laikā, nervu impulsa izplatīšanās un nervu ierosme neironu tīklos. Teorētiskās biofizikas attīstības virziens ir bioloģiskās informācijas izcelsmes un rakstura izpēte un tās saikne ar entropiju, haosa apstākļiem un fraktāliem sev līdzīgo struktūru veidošanās sarežģītās bioloģiskās sistēmās.

Kopumā vienota molekulāri kinētiskā apraksta izstrāde ir neatliekama biofizikas problēma, kas prasa sākotnējo pamatjēdzienu izstrādi. Tādējādi neatgriezenisku procesu termodinamikas jomā ķīmiskā potenciāla jēdziens atkarībā no jebkura komponenta kopējās koncentrācijas un, stingri runājot, entropijas jēdziens vairs nav spēkā neviendabīgām sistēmām, kas ir tālu no līdzsvara. Aktīvos makromolekulāros kompleksos intramolekulāras transformācijas galvenokārt ir atkarīgas no to organizācijas rakstura, nevis no atsevišķu sastāvdaļu kopējās koncentrācijas. Tam nepieciešams izstrādāt jaunus kritērijus neatgriezenisku procesu stabilitātei un virzienam neviendabīgās nelīdzsvarotās sistēmās.

Molekulārajā biofizikā specifisku bioloģisko procesu izpēte balstās uz datiem no pētījumiem par biopolimēru (olbaltumvielu un nukleīnskābju) fizikāli ķīmiskajām īpašībām, to uzbūvi, pašsavienošanās mehānismiem, intramolekulāro mobilitāti u.c. Liela nozīme biofizikā ir mūsdienu eksperimentālo metožu izmantošanai, galvenokārt radiospektroskopijai (KMR, EPR), spektrofotometrijai, rentgenstaru difrakcijas analīzei, elektronu tuneļmikroskopijai, atomspēka mikroskopijai, lāzera spektroskopijai, dažādām elektrometrisko metožu izmantošanai, tostarp izmantojot mikroelektrodu tehnoloģiju. Tie ļauj iegūt informāciju par molekulāro transformāciju mehānismiem, nepārkāpjot bioloģisko objektu integritāti. Šobrīd ir izveidota aptuveni 1000 olbaltumvielu struktūra. Fermentu telpiskās struktūras un to aktīvā centra atšifrēšana ļauj izprast fermentatīvās katalīzes molekulāro mehānismu būtību un uz tā pamata plānot jaunu medikamentu radīšanu. Bioloģiski aktīvo vielu, tostarp medikamentu, mērķtiecīgas sintēzes iespējas ir balstītas arī uz fundamentāliem pētījumiem par saistību starp molekulāro mobilitāti un šādu molekulu bioloģisko aktivitāti.

Teorētiskās molekulārās biofizikas jomā idejas par elektroniski konformācijas mijiedarbības - EKV(M.V. Volkenšteins), proteīna stohastiskās īpašības ( PAR. Pticins) veido pamatu biomakromolekulu darbības principu izpratnei. Tomēr bioloģisko modeļu specifika, kas pilnībā atklājas attīstītas bioloģiskās sistēmas augstākajos organizācijas līmeņos, izpaužas jau dzīvojošo zemākajos molekulārajos līmeņos. Enerģijas transformācija un reakcijas produktu parādīšanās kompleksos tiek panākta atsevišķu makromolekulas daļu intramolekulāru mijiedarbību rezultātā. No tā loģiski izriet idejas par makromolekulas kā fiziska objekta, kas apvieno mijiedarbību statistiskās un mehāniskās brīvības pakāpēs, unikalitāti. Tās ir idejas par makromolekulām, galvenokārt olbaltumvielu molekulām, kā par sava veida molekulārām mašīnām ( L.A. Blūmenfelds, D.S. Čerņavskis) ļauj izskaidrot dažādu enerģijas veidu transformāciju mijiedarbības rezultātā vienas makromolekulas ietvaros. Biofizikālās analīzes metodes auglīgums un vispārinātu fiziskās mijiedarbības modeļu konstruēšana atspoguļojas faktā, ka EQI princips ļauj aplūkot molekulāro mašīnu darbību, kas šķietami attālinātas viena no otras pēc to bioloģiskās lomas, no vienotas vispārējas zinātniskas struktūras. pozīcija - piemēram, molekulārie kompleksi, kas iesaistīti primārajos fotosintēzes un redzes procesos, fermentatīvo reakciju enzīmu-substrātu kompleksi, ATP sintetāzes molekulārie mehānismi, kā arī jonu pārnešana caur bioloģiskajām membrānām.

Biofizika pēta īpašības bioloģiskās membrānas, to molekulārā organizācija, olbaltumvielu un lipīdu komponentu konformācijas kustīgums, temperatūras izturība, lipīdu peroksidācija, neelektrolītu un dažādu jonu caurlaidība, molekulārā struktūra un jonu kanālu funkcionēšanas mehānismi, starpšūnu mijiedarbība. Liela uzmanība tiek pievērsta enerģijas pārvēršanas mehānismiem biostruktūrās (sk. Art. Bioenerģētika), kur tie ir saistīti ar elektronu pārnesi un ar elektroniskās ierosmes enerģijas pārveidošanu. Brīvo radikāļu loma dzīvajās sistēmās un to nozīme jonizējošā starojuma kaitīgajā iedarbībā, kā arī vairāku citu patoloģisku procesu attīstībā ( N.M. Emanuels, B.N. Tarusovs). Viena no biofizikas nozarēm, kas robežojas ar bioķīmiju, ir mehānoķīmija, kas pēta ķīmiskās un mehāniskās enerģijas savstarpējās pārvēršanās mehānismus, kas saistīti ar muskuļu kontrakciju, skropstu un flagellu kustību, organellu un protoplazmas kustību šūnās. Nozīmīgu vietu ieņem "kvantu" biofizika, kas pēta primāros bioloģisko struktūru mijiedarbības procesus ar gaismas kvantiem (fotosintēzi, redzi, ietekmi uz ādu u.c.), bioluminiscences un fototropo reakciju mehānismus, ultravioleto staru iedarbību. un redzamā gaisma ( fotodinamiskie efekti) uz bioloģiskiem objektiem. Vēl 40. gados. 20 collas . A.N. Terenīns atklāja tripletu stāvokļu lomu fotoķīmiskos un vairākos fotobioloģiskos procesos. A.A. Krasnovskis parādīja gaismas ierosinātā hlorofila spēju pakļaut redokspārveidojumiem, kas ir primāro fotosintēzes procesu pamatā. Mūsdienu lāzerspektroskopijas metodes sniedz tiešu informāciju par atbilstošo fotoinducēto elektronisko pāreju kinētiku, atomu grupu vibrācijām diapazonā no 50-100 femtosekundēm līdz 10 -12 -10 -6 s un vairāk.

Biofizikas idejas un metodes tiek ne tikai plaši izmantotas bioloģisko procesu izpētē makromolekulārajā un šūnu līmenī, bet arī izplatās, īpaši pēdējos gados, populācijas un dzīvās dabas organizācijas ekosistēmu līmeņos.

Biofizikas sasniegumi lielā mērā tiek izmantoti medicīnā un ekoloģijā. Medicīniskā biofizika nodarbojas ar patoloģisko izmaiņu sākuma stadiju identificēšanu organismā (šūnā) molekulārā līmenī. Agrīna slimību diagnostika balstās uz slimību pavadošo spektrālo izmaiņu, luminiscences, asins un audu paraugu elektrovadītspējas reģistrēšanu (piemēram, pēc hemiluminiscences līmeņa var spriest par lipīdu peroksidācijas raksturu). analizē abiotisko faktoru (temperatūra, gaisma, elektromagnētiskie lauki, antropogēnais piesārņojums uc) molekulāros iedarbības mehānismus uz organismu bioloģiskajām struktūrām, dzīvotspēju un stabilitāti. Ekoloģiskās biofizikas svarīgākais uzdevums ir ekspresmetožu izstrāde ekosistēmu stāvokļa novērtēšanai. Šajā jomā viens no svarīgākajiem uzdevumiem ir izvērtēt principiāli jaunu materiālu – nanomateriālu toksicitāti, kā arī to mijiedarbības mehānismus ar bioloģiskajām sistēmām.

Krievijā biofizikas pētījumi tiek veikti vairākos pētniecības institūtos un universitātēs. Viena no vadošajām vietām pieder zinātniskajam centram Puščino, kur 1962. gadā tika organizēts PSRS Zinātņu akadēmijas Bioloģiskās fizikas institūts, kas vēlāk tika sadalīts Šūnu Biofizikas institūts RAS(direktors - Krievijas Zinātņu akadēmijas korespondējošais loceklis E.E. Fesenko) un Teorētiskās un eksperimentālās biofizikas institūts RAS(Direktors - RAS korespondējošais loceklis G.R. Ivanitskis. gadā aktīvi attīstās biofizika Krievijas Federācijas Veselības ministrijas Biofizikas institūts, Molekulārās bioloģijas institūts RAS un Proteīna RAS institūts, Biofizikas institūts SB RAS(Direktors - Krievijas Zinātņu akadēmijas korespondējošais loceklis Degermedži A.G.), Maskavas universitātēs. Sanktpēterburga un Voroņeža, iekšā, iekšā utt.

Biofizikālās izglītības attīstība Krievijā

Paralēli pētījumu attīstībai norisinājās arī biofizikas jomas speciālistu sagatavošanas bāzes veidošana. Pirmā PSRS Biofizikas katedrā Maskavas Valsts universitātes Bioloģijas un augsnes zinātņu fakultātē tika organizēta 1953. gadā (B.N. Tarusovs), bet 1959. gadā Maskavas Valsts universitātes Fizikas fakultātē tika atvērta Biofizikas katedra (L.A. Blūmenfelds). Abas šīs nodaļas ir ne tikai izglītības centri, kas sagatavo kvalificētus biofiziķus, bet arī galvenie pētniecības centri. Pēc tam biofizikas katedras tika organizētas vairākās citās valsts universitātēs, tostarp Valsts universitāte "Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūts", iekšā Nacionālā pētniecības kodolpētniecības universitāte "MEPhI" kā arī vadošajās medicīnas universitātēs. Biofizikas kurss tiek pasniegts visās valsts augstskolās. Biofizikālie pētījumi tiek veikti institūtos un universitātēs daudzās pasaules valstīs. Starptautiskie biofizikas kongresi notiek regulāri reizi 3 gados. Biofiziķu biedrības pastāv ASV, Lielbritānijā un vairākās citās valstīs. Krievijā zinātnisko darbu koordinē un starptautiskās attiecības veido Biofizikas zinātniskā padome pie Krievijas Zinātņu akadēmijas. Biofizikas sadaļa pieejama plkst Maskavas dabaszinātnieku biedrība.

Starp periodiskajiem izdevumiem, kuros tiek publicēti raksti par biofiziku, ir: "Biofizika" (M., 1956 -); "Molekulārā bioloģija" (M., 1967 -); "Radiobioloģija" (M., 1961 - šobrīd "Radiācijas bioloģija. Radioekoloģija"); "Bioloģiskās membrānas" (M., 19 -). "Bioloģiskās un medicīniskās fizikas sasniegumi" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N.Y. - Amst., 1947 -); "Biofiziskais žurnāls" (N.Y., I960 -); "Matemātiskās biofizikas biļetens" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. In 1955 - 1961 "Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); "Journal of Molecular Biology" (N.Y. - L., 1959 -); "Ultrastruktūras pētījumu žurnāls" (N.Y. - L., 1957 -) "Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry" (L., 1950 -) ; Eiropas biofizikas žurnāls (); Teorētiskās bioloģijas žurnāls (1961).

Ieteicamā literatūra

Blūmenfelds L.A. Bioloģiskās fizikas problēmas. M., 1977. gads

Volkenšteins M.V. Biofizika. M., 1981. gads

M. Džeksons. Molekulārā un šūnu biofizika. M., Mir. 2009. gads

Nikolajs G., Prigožins I. Pašorganizācija nelīdzsvarotās struktūrās. per. no angļu valodas. M., 1979;

Rubīns A.B. Biofizika. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3. izdevums)

A.V., Pticins O.B. Olbaltumvielu fizika. M., 2002. gads.

FEDERĀLĀ IZGLĪTĪBAS AĢENTŪRA

VALSTS IZGLĪTĪBAS IESTĀDE

AUGSTĀKĀ PROFESIONĀLĀ IZGLĪTĪBA

"IRKUTSKAS VALSTS PEDAGOĢISKĀ UNIVERSITĀTE"

Fizikas katedra

Matemātikas, fizikas fakultāte un

informātika

specialitāte "540200 - fiziska

matemātiskā izglītība"

fizikas profils

Fiziskās un matemātikas bakalaura kvalifikācija

Neklātienes izglītības forma

KURSA DARBS

Biofizika fizikas stundās 7.-9.klasē

Pabeidza: Rudykh Tatjana Valerievna

Zinātniskais padomnieks: kandidāts

fizikā un matemātikā Ļubuškina Ludmila Mihailovna

Aizsardzības datums _________________________

Atzīmēt _________________________

Irkutska 2009

3. ievads

NODAĻAes . BIOFIZIKAS VEIDOŠANĀS

1.1. Zinātnieku ieguldījums biofizikas attīstībā 5

1.2. Biofizikas dibinātājs 10

1.3. Kvantu teorijas izveide 11

1.4. Lietišķā biofizika 14

1.5. Izmaiņas biofizikā 16

1.6. Biofizika kā teorētiskā bioloģija 18

1.7. Biofizikālie pētījumi fizikā 21

1.8. Biofizikālie pētījumi bioloģijā 23

NODAĻAII. BIOFIZIKA FIZIKAS STUNDĀS

2.1. Biofizikas elementi fizikas stundās 7.-9.klasē 24

2.2. Biofizikas pielietošana mācību stundās pamatskolā 25

2.3. Blica turnīrs "Fizika savvaļas dabā" 33

35. secinājums

Atsauces 36

Ievads

Pētījuma atbilstība:

Pasaules uzskats ir vissvarīgākā personības struktūras sastāvdaļa. Tā ietver vispārinātu uzskatu sistēmu par pasauli, par cilvēka vietu tajā, kā arī uzskatu, uzskatu, ideālu, principu sistēmu, kas atbilst noteiktam pasaules uzskatam. Pasaules skatījuma veidošanās process intensīvi notiek skolas vecumā. Jau pamatskolā (7.-9.klase) skolēniem ir jāapzinās, ka fizikālo parādību un likumu apgūšana palīdzēs izprast apkārtējo pasauli.

Tomēr lielākā daļa jauno fizikas mācību grāmatu, īpaši vecākām pamatskolām un specializētajām skolām, neveicina pētāmā materiāla holistisku uztveri. Bērnu interese par šo tēmu pamazām izzūd. Tāpēc nozīmīgs vidusskolas uzdevums ir veidot skolēnu prātos vispārēju priekšstatu par pasauli ar tās nedzīvās un dzīvās dabas īpašību vienotību un daudzveidību. Pasaules attēla integritāte tiek panākta kopā ar citiem paņēmieniem un starpdisciplināriem sakariem.

Jebkurš skolas fizikas kursa temats ietver zinātnisko zināšanu elementus, kas ir būtiski pasaules uzskata veidošanai un skolēnu apgūstamās disciplīnas pamatjēdzienu asimilācijai. Tā kā dabaszinātņu disciplīnu saturs izglītības standartos un programmās nav stingri strukturēts, bieži vien skolēnu zināšanas nav sistematizētas, formālas.

Pētījuma problēma sastāv no nepieciešamības veidot holistisku pasaules fiziskā attēla uztveri un mācītās disciplīnas, fizikas, mācību materiāla atbilstošas sistematizācijas un vispārināšanas trūkuma.

Pētījuma mērķis: Izsekot divu dabaszinību cikla priekšmetu – fizikas un bioloģijas – integrācijai.

Pētījuma objekts: Biofizika un tās attiecības ar citiem priekšmetiem.

Studiju priekšmets: Biofizika fizikas stundās 7.-9.klasēpamatskola.

Izvirzītā mērķa īstenošanai bija nepieciešams atrisināt vairākus konkrēti uzdevumi:

Izpētīt un analizēt izglītojošo un metodisko literatūru par pētāmo tēmu.

Analizēt dažādas biofizikālās parādības.

Izvēlēties eksperimentālus uzdevumus, dažāda veida uzdevumus, kuru risināšanai nepieciešamas zināšanas gan fizikā, gan bioloģijā.

Pētījuma praktiskā nozīme: darba rezultātus var ieteikt praktiskai lietošanai skolotājiem fizikas mācīšanā visās izglītības iestādēs.

Pētījuma loģika noteica darba struktūru, kas sastāvēja no ievada, divām nodaļām, noslēguma, literatūras saraksta. Pirmā nodaļa ir veltīta mācību literatūras analīzei par tēmu "Biofizika un tās attiecības ar citiem priekšmetiem", otrajā tiek apskatītas fizikas un bioloģijas attiecības uz konkrētu uzdevumu piemēra.

Noslēgumā tiek apkopoti pētījuma rezultāti un sniegti ieteikumi biofizikālo parādību pielietojuma pilnveidošanai skolas fizikas kursa apguvē.

nodaļa es BIOFIZIKAS VEIDOŠANĀS

1.1. Zinātnieku ieguldījums biofizikas attīstībā.

Biofizika- dabaszinātņu nozare, kas nodarbojas ar bioloģisko sistēmu organizācijas un funkcionēšanas fizikāliem un fizikāli ķīmiskajiem principiem visos līmeņos (no submolekulāras līdz biosfērai), ieskaitot to matemātisko aprakstu. Biofizika pamatā nodarbojas ar dzīvo sistēmu mehānismiem un īpašībām. Dzīve ir atvērta sistēma, kas spēj sevi uzturēt un vairoties.

Biofizika kā daudznozaru zinātne veidojās 20. gadsimtā, taču tās aizvēsture sniedzas vairāk nekā vienu gadsimtu senā pagātnē. Tāpat kā zinātnes, kas noveda pie tās rašanās (fizika, bioloģija, medicīna, ķīmija, matemātika), arī biofizika līdz pagājušā gadsimta vidum piedzīvoja vairākas revolucionāras pārvērtības. Zināms, ka fizika, bioloģija, ķīmija un medicīna ir cieši saistītas zinātnes, taču esam pieraduši, ka tās tiek apgūtas atsevišķi un neatkarīgi. Būtībā neatkarīgs atsevišķs šo zinātņu pētījums ir nepareizs. Dabaszinātnieks nedzīvajai dabai var uzdot tikai divus jautājumus: "Ko?" Un kā?". "Kas" ir pētījuma priekšmets, "kā" - kā šis priekšmets ir sakārtots. Bioloģiskā evolūcija ir radījusi savvaļas dzīvniekus unikālā veidā. Tāpēc biologs, ārsts, humānists var uzdot arī trešo jautājumu: "Kāpēc?" vai "Par ko?". Jautājiet "Kāpēc Mēness?" varbūt dzejnieks, bet ne zinātnieks.

Zinātnieki prata uzdot Dabai pareizos jautājumus. Viņi sniedza nenovērtējamu ieguldījumu fizikas, bioloģijas, ķīmijas un medicīnas attīstībā - zinātnēs, kas kopā ar matemātiku veidoja biofiziku.

No laika Aristotelis (384.-322.g.pmē.) fizika ietvēra informācijas kopumu par nedzīvo un dzīvo dabu (no grieķu. "Physis" - "Daba"). Dabas soļi viņa skatījumā: neorganiskā pasaule, augi, dzīvnieki, cilvēks. Matērijas primārās īpašības ir divi pretstatu pāri "silts - auksts", "sauss - mitrs". Elementu pamatelementi ir zeme, gaiss, ūdens, uguns. Augstākais, vispilnīgākais elements ir ēteris. Paši elementi ir dažādas primāro īpašību kombinācijas: aukstuma un sausuma kombinācija atbilst zemei, aukstumam mitram - ūdenim, siltam pret mitru - gaisu, siltu pret sausu - uguni. Ētera jēdziens vēlāk kalpoja par pamatu daudzām fizikālām un bioloģiskām teorijām. Mūsdienu terminos runājot, Aristoteļa idejas balstās uz dabas faktoru pievienošanas (sinerģisma) un dabisko sistēmu hierarhijas nesaskaitāmību.

Fizika kā precīza dabaszinātne, kā zinātne mūsdienu jēdzienā ir cēlusies no Galilejs Galilejs (1564–1642), kurš sākotnēji studējis medicīnu Pizas Universitātē un tikai tad aizrāvies par ģeometriju, mehāniku un astronomiju, rakstiem Arhimēds (ap 287. g. – 212. g. p.m.ē.) un Eiklīds (3. gs. p.m.ē.).

Universitātes sniedz unikālu iespēju izjust zinātņu, jo īpaši fizikas, medicīnas un bioloģijas, laika saistību. Tātad 16-18 gadsimtos medicīnas virziens, ko sauca par "iatrofiziku" vai "iatromehāniku" (no grieķu "iatros" - "ārsts"). Ārsti mēģināja izskaidrot visas parādības veselā un slimā cilvēka un dzīvnieka ķermenī, pamatojoties uz fizikas vai ķīmijas likumiem. Un tad un turpmākajos laikos fizikas un medicīnas, fiziķu un biologu saikne bija visciešākā, pēc jatrofizikas parādījās jatroķīmija. Zinātne par "dzīvu un nedzīvo" tika sadalīta salīdzinoši nesen. Fizikas līdzdalība ar tās spēcīgajām un dziļi attīstītajām teorētiskajām, eksperimentālajām un metodiskajām pieejām bioloģijas un medicīnas fundamentālo problēmu risināšanā ir nenoliedzama, tomēr jāatzīst, ka fizikas vēsturiskajā aspektā tā ir lielā parādā mediķiem, kuri bija sava laika izglītotākie cilvēki, kuru ieguldījums klasiskās fizikas pamatu izveidē ir nenovērtējams. Protams, mēs runājam par klasisko fiziku.

Starp senākajiem biofizikālo pētījumu objektiem, lai cik dīvaini tas pirmajā mirklī nešķistu, jāmin bioluminiscence, jo dzīvo organismu gaismas emisija jau sen interesējusi dabas filozofus. Pirmo reizi Aristotelis pievērsa uzmanību šim efektam ar savu skolnieku Aleksandru Lielo, kuram viņš parādīja piekrastes mirdzumu un saskatīja tam iemeslu jūras organismu luminiscenci. Pirmo zinātnisko pētījumu par "dzīvnieku" mirdzumu veica Athanasis Kircher (1601-1680), vācu priesteris, enciklopēds, pazīstams kā ģeogrāfs, astronoms, matemātiķis, valodnieks, mūziķis un ārsts, pirmo dabaszinātņu kolekciju un muzeju veidotājs, divas savas grāmatas nodaļas "Lielās gaismas un ēnas māksla" ("Ars magna Lūcis et Umbrae ») viņš veltīja bioluminiscenci.

Pēc viņa zinātnisko interešu rakstura vislielāko fiziķi var attiecināt uz biofiziķiem Īzaks Ņūtons (1643-1727), kurš interesējās par fizisko un fizioloģisko procesu saiknes problēmām organismos un jo īpaši nodarbojās ar krāsu redzes jautājumiem. Pabeidzot savu Principiju, 1687. gadā Ņūtons rakstīja: “Tagad vajadzētu piebilst kaut ko par kādu ļoti plānu ēteri, kas iekļūst visos cietajos ķermeņos un atrodas tajos un kura spēka un darbības rezultātā tiek savstarpēji piesaistītas ļoti mazos attālumos esošo ķermeņu daļiņas, un kad tie saskaras saliedēti, elektrificēti ķermeņi darbojas lielos attālumos, gan atgrūžot, gan piesaistot tuvus ķermeņus, gaisma tiek izstarota, atstarota, laužas, novirza un silda ķermeņus, katra sajūta ir satraukta, liekot dzīvnieku ekstremitātēm kustēties pēc vēlēšanās, ir ko šī ētera vibrācijas pārraida no ārējiem maņu orgāniem uz smadzenēm un no smadzenēm uz muskuļiem.

Viens no mūsdienu franču ķīmijas pamatlicējiem Antuāns Lorāns Lavuazjē (1743 - 1794) kopā ar savu tautieti astronomu, matemātiķi un fiziķi Pjērs Saimons Laplass (1749-1827) nodarbojas ar kalorimetriju, biofizikas nozari, ko tagad dēvētu par biofizikālo termodinamiku. Lavuazjē pielietoja kvantitatīvās metodes, nodarbojas ar termoķīmiju, oksidācijas procesiem. Lavuāzjē un Laplass pamatoja savas idejas, ka neorganiskajiem un organiskajiem ķermeņiem nav divu ķīmijas - "dzīvā" un "nedzīvā".

Starp mūsu lielajiem priekštečiem, kas lika pamatus biofizikai, jāpieskaita itāļu anatomam. Luidži Galvani(1737 - 1798) un fizika Alesandro Volta(1745 - 1827), elektrības doktrīnas veidotāji. Galvani eksperimentēja ar elektrisko mašīnu, un viens no viņa draugiem ar nazi nejauši pieskārās vardes augšstilbam, kuru grasījās izmantot zupā. Kad vardes kājas muskuļi pēkšņi sarāvās, Galvani sieva pamanīja, ka elektriskā iekārta mirgo, un prātoja, "vai starp šiem notikumiem ir kāda saistība". Lai gan paša Galvani viedoklis par šo parādību detalizēti atšķīrās no tālāk minētā, ir skaidrs, ka eksperiments tika atkārtots un pārbaudīts. , kurš norādīja, ka kāja kalpoja tikai kā ārējā elektriskā potenciāla atšķirību detektors. Galvani atbalstītāji veica eksperimentu, kurā netika iesaistīti ārēji elektriski spēki, tādējādi pierādot, ka dzīvnieka radītā strāva var izraisīt muskuļu kontrakciju. Bet bija arī iespējams, ka kontrakciju izraisīja saskare ar metāliem; Volta veica atbilstošus pētījumus, un tie noveda pie elektriskā akumulatora atklāšanas, kas bija tik svarīgi, ka Galvani pētījumi atkāpās. Rezultātā elektriskā potenciāla izpēte dzīvniekiem pazuda no zinātniskās uzmanības līdz 1827. gadam. Tā kā vardes kāja daudzus gadus bija visjutīgākais potenciālu atšķirību detektors, galīgā izpratne, ka strāvas var radīt dzīvi audi, radās tikai tad, kad galvanometri, kas ir pietiekami jutīgi, lai izmērītu muskuļos radītās strāvas un nelielas potenciāla atšķirības visā nervu membrānā.

Saistībā ar Galvani darbiem par "dzīvnieku elektrību" nevar neatcerēties austriešu ārsta - fiziologa vārdu. Frīdrihs Antons Mesmers(1733-1815), kurš izstrādāja idejas par ārstniecisko "dzīvnieku magnētismu", ar kura palīdzību, pēc viņa pieņēmuma, bija iespējams mainīt ķermeņa stāvokli, ārstēt slimības. Jāatzīmē, ka pat tagad elektrisko magnētisko un elektromagnētisko lauku ietekme uz dzīvām sistēmām joprojām ir fundamentālās zinātnes noslēpums. Problēmas joprojām pastāv, un patiesi, mūsdienu fiziķu interese pētīt ārējo fizisko faktoru ietekmi uz bioloģiskajām sistēmām neizzūd.

Taču, pirms bioloģijai un fizikai bija laiks atdalīties, tika izdota labi zināmā grāmata "Zinātņu gramatika", ko sarakstījis kāds angļu matemātiķis. Kārlis Pīrsons (1857 - 1935) kurā viņš deva viena no pirmajām biofizikas definīcijām (1892. gadā): “Mēs nevaram pilnīgi droši apgalvot, ka dzīvība ir mehānisms, kamēr mēs nevaram precīzāk precizēt, ko īsti mēs saprotam ar terminu “mehānisms”, ko attiecina uz organiskajiem ķermeņiem. Jau tagad šķiet skaidrs, ka daži fizikas vispārinājumi ... apraksta ... daļu no mūsu maņu pieredzes attiecībā uz dzīvības formām. Mums ir vajadzīga ... zinātnes nozare, kuras uzdevums ir neorganisko parādību, fizikas likumu pielietošana organisko formu attīstībā. ... Bioloģijas fakti - morfoloģija, embrioloģija un fizioloģija - veido īpašus vispārējo fizisko likumu piemērošanas gadījumus. ... Labāk to būtu saukt par biofiziku.

1.2. Biofizikas dibinātājs

Jāapsver mūsdienu biofizikas pamatlicējsHermanis L. Ferdinands fon Helmholcs (1821-1894), kurš kļuva par izcilu fiziķi, vienu no autoriem es termodinamikas likums. Būdams vēl jauns militārais ķirurgs, viņš parādīja, ka vielmaiņas transformācijas muskuļos ir cieši saistītas ar mehānisko darbu, ko tie veic, un siltuma veidošanos. Brieduma gados viņš daudz nodarbojās ar elektrodinamikas problēmām. 1858. gadā viņš ielika pamatus teorijai par šķidruma virpuļkustību. Viņš arī veica izcilus eksperimentus nervu impulsu biofizikas, redzes biofizikas, bioakustikas jomā, izstrādāja Junga ideju par trīs veidu vizuālajiem receptoriem, elektriskajām izlādēm, kas rodas elektriskā ķēdē, ir svārstīgs raksturs. Interese par svārstību procesiem akustikā, šķidrumos, elektromagnētiskajās sistēmās lika zinātniekam pētīt nervu impulsu izplatīšanās viļņu procesu. Tieši Helmholcs pirmais sāka pētīt aktīvo mediju problēmas, ar augstu precizitāti mērot nervu impulsa izplatīšanās ātrumu aksonos, kas no mūsdienu viedokļa ir aktīva viendimensionāla vide. 1868. gadā Helmholcu ievēlēja par Sanktpēterburgas Zinātņu akadēmijas goda locekli.

Krievu zinātnieka, fiziologa un biofiziķa likteņi ir saistīti pārsteidzošā veidā, Ivans Mihailovičs Sečenovs(1829 - 1905) un Helmholcs. Pēc Maskavas universitātes absolvēšanas 1856. līdz 1860. gadam viņš studēja un strādāja kopā ar Helmholcu. No 1871. līdz 1876. gadam Sečenovs strādāja Novorosijskas universitātē Odesā, pēc tam Sanktpēterburgas un Maskavas universitātēs, pētīja elektriskās parādības nervu audos un gāzes transportēšanas mehānismus asinīs.

1.3. Kvantu teorijas izveide

Taču 17.-19.gadsimta klasiskās fizikas periods beidzās 20.gadsimta sākumā ar lielāko revolūciju fizikā – kvantu teorijas radīšanu. Šī un vairākas citas jaunas fizikas jomas to atšķīra no dabaszinātņu loka. Šajā posmā fizikas un medicīnas mijiedarbība būtiski mainīja savu raksturu: praktiski visas mūsdienu medicīniskās diagnostikas, terapijas, farmakoloģijas u.c. metodes sāka balstīties uz fizikālām pieejām un metodēm. Tas nemazina bioķīmijas izcilo lomu medicīnas attīstībā. . Tāpēc jārunā par tiem izcilajiem zinātniekiem, kuru vārdi saistās ar zinātņu apvienošanu un biofizikas veidošanos. Mēs runājam par fiziķiem, kas iegājuši bioloģijas un medicīnas vēsturē, par ārstiem, kas devuši nozīmīgu ieguldījumu fizikā, lai gan fiziķiem šķiet grūti iekļūt specifiskās medicīnas problēmās, kas ir dziļi caurstrāvotas ar ķīmijas idejām, zināšanām un pieejām. , bioķīmija, molekulārā bioloģija utt. Tajā pašā laikā ārstiem ir arī fundamentālas grūtības, mēģinot formulēt savas vajadzības un uzdevumus, kurus varētu atrisināt ar atbilstošām fizikāli ķīmiskām metodēm. Ir tikai viena efektīva izeja no situācijas, un tā ir atrasta. Šī ir universāla augstskolas izglītība, kad studenti, topošie zinātnieki var un vajag iegūt divas, trīs un pat četras pamatizglītības – fizikā, ķīmijā, medicīnā, matemātikā un bioloģijā.

Nīls Bors apgalvoja, ka "nevienu bioloģisko pētījumu rezultātu nevar viennozīmīgi aprakstīt citādi, kā vien pamatojoties uz fizikas un ķīmijas jēdzieniem." Tas nozīmēja, ka bioloģija, medicīna, matemātika, ķīmija un fizika atkal pēc gandrīz pusotru gadsimtu ilgas atdalīšanas sāka saplūst, kā rezultātā radās tādas jaunas neatņemamas zinātnes kā bioķīmija, fizikālā ķīmija un biofizika.

Britu fiziologs un biofiziķis Arčibalds Vivjens Hill (dzimis 1886. gadā), Nobela prēmijas laureāts fizioloģijā (1922) ir to fundamentālo pamatu veidotājs, uz kuriem muskuļu kontrakciju teorija attīstās vēl šodien, bet jau molekulārā līmenī. Hils biofiziku raksturoja šādi: “Ir cilvēki, kas var formulēt problēmu fizikālā izteiksmē... kuri var izteikt rezultātu fizikā. Šīs intelektuālās īpašības vairāk nekā nepieciešami īpaši apstākļi, fiziskais aparāts un metodes, kļūt par biofiziķi ... Tomēr ... fiziķim, kurš nevar attīstīt bioloģisko pieeju, kurš neinteresējas par dzīviem procesiem un funkcijām ... kurš uzskata bioloģiju tikai par fizikas nozari, nav nākotnes biofizikā.

Šo zinātņu kompleksa attīstībā ne tikai viduslaikos, bet arī jaunākajos laikos vienlīdzīgi piedalījās ārsti, biologi un fiziķi. Aleksandrs Leonidovičs Čiževskis (1897-1964), kurš, cita starpā, ieguvis medicīnisko izglītību Maskavas Universitātē, daudzus gadus nodarbojās ar pētījumiem par heliohronobioloģiju, gaisa jonu ietekmi uz dzīviem organismiem un eritrocītu biofiziku. Viņa grāmata "Vēstures procesa fizikālie faktori" nekad netika izdota, neskatoties uz P. P. Lazareva, N. K. Koļcova, Izglītības tautas komisāra Lunačarska un citu centieniem.

Jāatzīmē arī izcilais zinātnieks Gļebs Mihailovičs Frenks(1904-1976), kurš izveidoja PSRS Zinātņu akadēmijas Biofizikas institūtu (1957), kopā ar I. E. Tammu un P. A. Čerenkovu saņēma Nobela prēmiju par "Čerenkova starojuma" teorijas izveidi. Visu līmeņu bioloģisko sistēmu svārstīgā uzvedība, kas pazīstama no neatminamiem laikiem, ir nodarbinājusi ne tikai biologus, bet arī fizikālos ķīmiķus un fiziķus. 19. gadsimtā atklājot svārstības ķīmisko reakciju gaitā, pēc tam radās pirmie analogie modeļi, piemēram, "dzelzs nervs", "dzīvsudraba sirds".

Termodinamiskā līnija Biofizikas attīstība dabiski bija saistīta ar pašas termodinamikas attīstību. Turklāt atvērto bioloģisko sistēmu nelīdzsvarotais raksturs, ko intuitīvi pieņēma dabaszinātnieki, veicināja nelīdzsvara sistēmu termodinamikas veidošanos. Līdzsvara sistēmu termodinamika, kas sākotnēji bija saistīta galvenokārt ar kalorimetriju, vēlāk sniedza nozīmīgu ieguldījumu šūnu strukturālo izmaiņu, metabolisma un fermentatīvās katalīzes aprakstā.

Izcilo medicīnas fiziķu sarakstu varētu būtiski paplašināt, taču mērķis ir atklāt bioloģijas, ķīmijas, medicīnas un fizikas dziļās sakarības, šo zinātņu diferencētas pastāvēšanas neiespējamību. Lielu daļu biofizikālo pētījumu ir veikuši fiziķi, kurus interesē bioloģija; tāpēc fizikā un fizikālajā ķīmijā apmācītiem zinātniekiem ir jābūt iespējai atrast ceļu bioloģijā un iepazīties ar problēmām, kuras var interpretēt fiziski. Lai gan klasiski orientētas bioloģijas nodaļas bieži piedāvā amatus biofiziķiem, tās neaizstāj centrus, kuros galvenā loma ir biofizikālajiem pētījumiem.

Biofiziķiem ir iespēja sadalīt bioloģiskās problēmas segmentos, kas ir tiešai fiziskai interpretācijai, un formulēt hipotēzes, kuras var pārbaudīt eksperimentāli. Galvenais biofizikas instruments ir attiecības. Tam ir pievienota iespēja izmantot sarežģītu fizikālo teoriju, lai pētītu dzīvas būtnes, piemēram: rentgenstaru difrakcijas tehnoloģija bija nepieciešama, lai noteiktu lielu molekulu, piemēram, olbaltumvielu, struktūru. Biofiziķi parasti atzīst jaunu fizisko instrumentu, piemēram, atomu magnētiskās rezonanses un elektronu griešanās rezonanses, izmantošanu noteiktu bioloģijas problēmu izpētē.

1.4. Lietišķā biofizika

Instrumentu izstrāde bioloģiskiem nolūkiem ir svarīgs jaunās lietišķās biofizikas jomas aspekts. Biomedicīnas instrumentus, iespējams, visplašāk izmanto medicīnas iestādēs. Lietišķā biofizika ir nozīmīga ārstniecības radioloģijas jomā, kurā ārstēšanai ļoti svarīga ir devu mērīšana, un diagnostiskā radioloģija, īpaši ar tehnoloģijām, kas ietver izotopu lokalizāciju un visa ķermeņa skenēšanu, kas palīdz audzēju diagnostikā. Pieaug datoru nozīme diagnozes noteikšanā un pacienta ārstēšanā. Lietišķās biofizikas pielietojuma iespējas šķiet bezgalīgas, jo ilgā aizkave starp pētniecības instrumentu izstrādi un to pielietošanu nozīmē, ka daudzi zinātniskie instrumenti, kas balstīti uz jau zināmiem fizikāliem principiem, drīz kļūs par būtiskām medicīnā.

Krievu biofizika kā zinātnes nozare lielā mērā veidojās starp izciliem pagātnes beigu, šī gadsimta sākuma krievu zinātniekiem - fiziķiem, biologiem, ārstiem, kas cieši saistīti ar Maskavas Universitāti. Viņu vidū bija N.K.Koļcovs, V.I.Vernadskis, P. N. Ļebedevs, P. P. Lazarevs, vēlāk - S.I. Vavilovs, A.L. Čiževskis un daudzi citi.

Džeimss D. Vatsons(1928) kopā ar angļu biofiziķi un ģenētiķi Francis H.K. raudāt(1916) un biofiziķis Moriss Vilkinss(1916) (kurš pirmo reizi kopā ar Rozalindu Franklinu ieguva augstas kvalitātes DNS rentgenstarus) 1953. gadā izveidoja DNS trīsdimensiju modeli, kas ļāva izskaidrot tās bioloģiskās funkcijas un fizikāli ķīmiskās īpašības. 1962. gadā Vatsons, Kriks un Vilkinss par šo darbu saņēma Nobela prēmiju.

Pirmais lekciju kurss Krievijā ar nosaukumu "Biofizika" tika lasīts ārstiem Maskavas universitātes klīnikā 1922. Petrs Petrovičs Lazarevs(1878 - 1942), ievēlēts 1917. gadā pēc nominācijas Ivans Petrovičs Pavlovs(1849 - 1936) akadēmiķis. P. P. Lazarevs absolvējis Maskavas universitātes Medicīnas fakultāti 1901. Pēc tam viņš pabeidza pilnu fizikas un matemātikas kursu un strādāja fizikas laboratorijā, kuru vadīja Petrs Nikolajevičs Ļebedevs(1866-1912), viens no eksperimentālās fizikas pamatlicējiem Krievijā, pirmās Krievijas zinātniskās fiziskās skolas veidotājs, kurš 1985. gadā saņēma un pētīja milimetru elektromagnētiskos viļņus, atklāja un mērīja gaismas spiedienu uz cietām vielām un gāzēm (1999-1907) , kas apstiprināja gaismas elektromagnētisko teoriju. 1912. gadā Lazarevs vadīja sava skolotāja laboratoriju. Pirmais biofiziķis, akadēmiķis Lazarevs, vadīja unikālo Fizikas un biofizikas institūtu, kas tika izveidots Ļebedeva dzīves laikā. No 1920. līdz 1931. gadam P. P. Lazarevs vadīja šo Valsts biofizikas institūtu, kas izveidots pēc viņa iniciatīvas, Lazarevs ir medicīniskās radioloģijas dibinātājs, viņa institūtā bija pirmā un vienīgā rentgena iekārta, uz kuras tika fotografēts Ļeņins pēc slepkavības mēģinājuma 1918. pēc tam Lazarevs kļuva par Medicīniskās radioloģijas institūta iniciatoru un pirmo direktoru. Lazarevs arī organizēja darbu pie Kurskas magnētiskās anomālijas magnētiskās kartēšanas, pateicoties kuriem tika izveidots Zemes fizikas institūta personāls. Taču Biofizikas un fizikas institūts tika iznīcināts pēc Lazareva aresta 1931. gadā, un 1934. gadā šajā ēkā tika dibināts Ļebedevas FIAN.

1.5. Izmaiņas biofizikā

Kopš 1940. gadiem biofizikā ir sākušās dramatiskas pārmaiņas. Un tāds bija laika aicinājums – līdz mūsu gadsimta vidum bioloģijā aktīvi ienāca fizika, kas bija veikusi fenomenālu lēcienu. Taču 50. gadu beigās eiforija no cerībām uz ātru risinājumu sarežģītām dzīves problēmām ātri pārgāja: fiziķiem bez fundamentālas bioloģiskās un ķīmiskās izglītības bija grūti izcelt fizikai pieejamu, bet “bioloģiski nozīmīgu”. dzīvo sistēmu funkcionēšanas aspekti, kā arī īstiem biologiem un bioķīmiķiem par konkrētu fizisko problēmu un pieeju esamību, kā likums, nebija aizdomas. Šo un turpmāko dienu zinātnei bija steidzama nepieciešamība sagatavot speciālistus ar trīs fundamentāliem veidojumiem: fizikālo, bioloģisko un ķīmisko.

Mūsu valstī bija vēl viens būtisks iemesls, kāpēc 20. gadsimta 40. gados izveidojās cieša bioloģijas un fizikas alianse. Pēc tā laika politiķu neprofesionālās, destruktīvās iejaukšanās fundamentālajās ģenētikas, molekulārās bioloģijas, dabas apsaimniekošanas teorijas un prakses jomās daļa biologu pētījumus varēja turpināt tikai fizikālā profila zinātniskajās institūcijās.

Tāpat kā jebkura robežzināšanu joma, kuras pamatā ir fizikas, bioloģijas, ķīmijas, matemātikas fundamentālās zinātnes, medicīnas, ģeofizikas un ģeoķīmijas, astronomijas un kosmosa fizikas sasniegumi utt. Sākotnēji biofizika no saviem nesējiem prasa integrētu, enciklopēdisku pieeju sev, jo tās mērķis ir noskaidrot dzīvo sistēmu funkcionēšanas mehānismus visos dzīvās vielas organizācijas līmeņos. Turklāt tas arī nosaka biežo neizpratni saistībā ar biofiziku un biofiziķiem no kolēģu, radniecīgu disciplīnu pārstāvju puses. Ir grūti, dažreiz gandrīz neiespējami atšķirt biofiziku un fizioloģiju, biofiziku un šūnu bioloģiju, biofiziku un bioķīmiju, biofiziku un ekoloģiju, biofiziku un hronobioloģiju, biofiziku un bioloģisko procesu matemātisko modelēšanu utt. Tādējādi biofizika ir vērsta uz bioloģisko sistēmu funkcionēšanas mehānismu noskaidrošanu visos līmeņos un uz visu dabaszinātņu pieeju pamata.

1.6. Biofizika - kā teorētiskā bioloģija

Zināms, ka ar biofiziku nodarbojas arī biologi, ķīmiķi, ārsti, inženieri un militārpersonas, taču biofiziķu sagatavošanas sistēma izrādījās optimāla, pamatojoties uz vispārējo universitātes izglītību fizikā. Tajā pašā laikā biofizika ir tikusi un tiek traktēta kā teorētiskā bioloģija, t.i. zinātne par dzīvu sistēmu uzbūves un funkcionēšanas fundamentālajiem fizikālajiem un fizikāli ķīmiskajiem pamatiem visos organizācijas līmeņos – no submolekulārā līmeņa līdz biosfēras līmenim. Biofizikas priekšmets ir dzīvās sistēmas, metode ir fizika, fizikālā ķīmija, bioķīmija un matemātika.

20. gadsimta 50. gados Fizikas fakultātes studenti, sekojot saviem skolotājiem, izrādīja interesi arī par medicīnas un bioloģijas problēmām. Turklāt šķita iespējams sniegt stingru fizisku analīzi par Visuma ievērojamāko fenomenu - Dzīvības fenomenu. Grāmata tulkota 1947. gadā E. Šrēdingers"Kas ir dzīve? No fizikas viedokļa. Citoloģiskais dzīves aspekts”, lekcijas I.E.Tamma, Ņ.V. Timofejevs-Resovskis, jaunākie atklājumi bioķīmijā un biofizikā mudināja studentu grupu pieteikties pie Maskavas Valsts universitātes rektora. I. G. Petrovskis ar lūgumu ieviest biofizikas mācīšanu Fizikas fakultātē. Rektors lielu uzmanību pievērsa studentu iniciatīvai. Tika organizētas lekcijas un semināri, kurus ar entuziasmu apmeklēja ne tikai iniciatori, bet arī viņiem pievienojušies kursabiedri, kuri vēlāk izveidoja Maskavas Valsts universitātes Fizikas fakultātes pirmo specializācijas grupu "Biofizika" un tagad ir Krievijas lepnums. biofizika.

Bioloģijas fakultātes Biofizikas katedra dibināta 1953. gadā. Tā pirmā galva bija B.N. Tarusovs. Šobrīd vada Bioloģijas fakultātes Biofizikas katedru A.B. Rubīns. Un 1959. gada rudenī pirmais pasaulē Biofizikas katedra, kas sāka sagatavot biofiziķus no fiziķiem (pirms tam biofiziķus gatavoja no biologiem vai ārstiem). Akadēmiķi I.G. Petrovskis, I.E. Tamms, N.N. -ķīmiķis). No administrācijas puses specializācijas izveide " biofizika» Dekāns profesors tika iemiesots Fizikas fakultātē V.S. Fursovs, kurš visus gadus atbalstīja tās attīstību, un viņa vietnieks V.G.Zubovs. Pirmie nodaļas darbinieki bija fizikāli-ķīmiķis L.A. Blūmenfelds, kurš katedru vadīja gandrīz 30 gadus un tagad ir tās profesors, bioķīmiķis S.E. Shnol, katedras profesors un fiziologs I.A.Korņienko.

1959. gada rudenī Maskavas universitātes Fizikas fakultātē tika izveidota pasaulē pirmā biofizikas katedra, kas sāka sagatavot biofizikas speciālistus no fiziķiem. Katedras pastāvēšanas laikā apmācīti ap 700 biofiziķu.

Pirmie katedras darbinieki bija fizikāli-ķīmiķis L.A.Blūmenfelds (1921 - 2002), kurš katedru vadīja 30 gadus, katedras profesors bioķīmiķis S.E.Šnols un fizioloģe I.A.Korņienko. Viņi formulēja fiziķu biofizikālās izglītības sistēmas veidošanas principus, noteica galvenos katedras zinātniskās pētniecības virzienus.

Biofizikas katedrā L.A. Ilgus gadus Blūmenfelds lasīja lekciju kursus "Fizikālā ķīmija", "Kvantu ķīmija un molekulu uzbūve", "Izvēlētās biofizikas nodaļas". Vairāk nekā 200 darbu, 6 monogrāfiju autors.

Zinātniskās intereses V.A. Tverdislovs ir saistīts ar membrānu biofiziku, ar neorganisko jonu lomas izpēti bioloģiskajās sistēmās, jonu pārneses mehānismiem caur šūnu un modelēšanas membrānām, izmantojot jonu sūkņus. Viņš ierosināja un eksperimentāli izstrādāja modeli šķidro maisījumu parametriskai atdalīšanai periodiskos laukos neviendabīgās sistēmās.

Fizikas fakultātes mēroga ziņā Biofizikas katedra ir neliela, taču vēsturiski izrādījās, ka tās darbinieku pētījumi pārklājas ar ievērojamu fundamentālās un lietišķās biofizikas jomu. Būtiski sasniegumi ir enerģijas pārveidošanas fizikālo mehānismu izpētē bioloģiskajās sistēmās, bioloģisko objektu radiospektroskopijā, fermentatīvās katalīzes fizikā, membrānu biofizikā, biomakromolekulu ūdens šķīdumu izpētē, pašorganizēšanās procesu izpētē. bioloģiskajās un modeļu sistēmās, bioloģisko pamatprocesu regulēšanā, medicīnas biofizikas, nano - un bioelektronikas u.c. Jau daudzus gadus Biofizikas katedra sadarbojas ar universitātēm un vadošajām zinātniskajām laboratorijām Vācijā, Francijā, Anglijā, ASV, Polijā, Čehijā un Slovākijā, Zviedrijā, Dānijā, Ķīnā, Ēģiptē.

1.7. Biofizikālie pētījumi fizikā

Fiziķu interese par bioloģiju 19. gs. nepārtraukti pieauga. Tajā pašā laikā bioloģiskajās disciplīnās pastiprinājās pievilcība fizikālajām pētniecības metodēm, tās arvien vairāk iekļuva visdažādākajās bioloģijas jomās. Ar fizikas palīdzību tiek paplašinātas mikroskopa informācijas iespējas. XX gadsimta 30. gadu sākumā. parādās elektronu mikroskops. Radioaktīvie izotopi, arvien pilnveidotā spektrālā tehnika un rentgenstaru difrakcijas analīze kļūst par bioloģisko pētījumu izvēles līdzekli. Rentgena un ultravioleto staru darbības joma paplašinās; elektromagnētiskās svārstības tiek izmantotas ne tikai kā izpētes līdzeklis, bet arī kā organismu ietekmējoši faktori. Plaši iekļūst bioloģijā un, īpaši fizioloģijā, elektroniskajās tehnoloģijās.

Līdz ar jaunu fizikālo metožu ieviešanu attīstās arī molekulārā biofizika. Sasniegusi milzīgus panākumus nedzīvās matērijas būtības izpratnē, fizika sāk apgalvot, izmantojot tradicionālās metodes, atšifrēt dzīvās matērijas būtību. Molekulārajā biofizikā tiek radīti ļoti plaši teorētiski vispārinājumi, iesaistot sarežģītu matemātisko aparātu. Ievērojot tradīciju, biofiziķis eksperimentā cenšas tikt prom no ļoti sarežģīta ("netīra") bioloģiskā objekta un dod priekšroku pētīt no organismiem izolētu vielu uzvedību pēc iespējas tīrākā veidā. Ļoti attīstās dažādu bioloģisko struktūru un procesu modeļu - elektrisko, elektronisko, matemātisko utt. Tiek veidoti un pētīti šūnu kustības modeļi (piemēram, dzīvsudraba piliens skābes šķīdumā rada ritmiskas kustības, piemēram, amēba), caurlaidību un nervu vadītspēju. Īpaši lielu uzmanību piesaista F. Lilija izveidotais nervu vadīšanas modelis. Tas ir dzelzs stieples gredzens, kas ievietots sālsskābes šķīdumā. Kad tam tiek uzklāts skrāpējums, iznīcinot oksīda virsmas slāni, rodas elektriskā potenciāla vilnis, kas ir ļoti līdzīgs viļņiem, kas uzbudināti pārvietojas pa nerviem. Daudzi pētījumi (sākot no 20. gadsimta 30. gadiem) ir veltīti šī modeļa izpētei, izmantojot matemātiskās analīzes metodes. Nākotnē tiks izveidots progresīvāks modelis, kura pamatā ir kabeļu teorija. Tās uzbūves pamatā bija kāda fiziska līdzība starp potenciālu sadalījumu elektriskajā kabelī un nervu šķiedrā.

Citas molekulārās biofizikas jomas ir mazāk populāras. Starp tiem jāatzīmē matemātiskā biofizika, kuras vadītājs ir N. Raševskis. ASV Raševska skola izdod žurnālu Mathematical Biophysics. Matemātiskā biofizika ir saistīta ar daudzām bioloģijas jomām. Tas ne tikai matemātiskā formā apraksta tādu parādību kā augšanas, šūnu dalīšanās, ierosmes kvantitatīvos modeļus, bet arī mēģina analizēt augstāko organismu sarežģītos fizioloģiskos procesus.

1.8. Biofizikālie pētījumi bioloģijā

Spēcīgs stimuls biofizikas veidošanai bija rašanās XIX beigās - XX gadsimta sākumā. fizikālā ķīmija, ko nosaka nepieciešamība identificēt ķīmiskās mijiedarbības pamatā esošos mehānismus. Šī jaunā disciplīna uzreiz pievērsa biologu uzmanību ar to, ka pavēra iespēju izprast fizikāli ķīmiskos procesus tajās “netīrajās” dzīvajās sistēmās no fiziķa viedokļa, ar kurām viņiem bija grūti strādāt. Vairākas tendences, kas radušās fizikālajā ķīmijā, ir izraisījušas līdzīgas tendences biofizikā.

Viens no lielākajiem notikumiem fizikālās ķīmijas vēsturē bija attīstība S. Arrhenius (Nobela prēmija, 1903) sāļu elektrolītiskās disociācijas teorija ūdens šķīdumos (1887), kas atklāja to darbības iemeslus. Šī teorija izraisīja fiziologu interesi, kuri labi apzinājās sāls lomu ierosmes parādībās, nervu impulsu vadīšanā, asinsritē utt. Jau 1890. gadā jaunais fiziologs V.Yu. Čagovets prezentē pētījumu "Par Arrēnija disociācijas teorijas pielietojumu elektromotora parādībām dzīvos audos", kurā viņš mēģināja saistīt bioelektrisko potenciālu rašanos ar nevienmērīgu jonu sadalījumu.

Fizikāli ķīmisko ideju pārnesē uz bioloģiskām parādībām piedalās vairāki fizikālās ķīmijas pamatlicēji. Pamatojoties uz sāls jonu kustības fenomenu, V. Nernsts (1908) formulēja savu labi zināmo kvantitatīvo ierosmes likumu: fizioloģiskās ierosmes slieksni nosaka pārnesto jonu skaits. Fiziķis un ķīmiķis V. Ostvalds izstrādāja bioelektrisko potenciālu rašanās teoriju, pamatojoties uz pieņēmumu, ka uz šūnas virsmas atrodas membrāna, kas ir daļēji caurlaidīga joniem un spēj atdalīt pretēju lādiņu jonus. Tādējādi tika likti biofizikālā virziena pamati bioloģisko membrānu caurlaidības un struktūras interpretācijā plašā nozīmē.

nodaļa II. BIOFIZIKA FIZIKAS STUNDĀS

2.1. Biofizikas elementi fizikas stundās 7.-9.klasē

Mūsdienu zinātnes raksturīga iezīme ir dažādām disciplīnām raksturīgo ideju, teorētisko pieeju un metožu intensīva savstarpēja iespiešanās. Īpaši tas attiecas uz fiziku, ķīmiju, bioloģiju un matemātiku. Tādējādi fizikālās izpētes metodes tiek plaši izmantotas dzīvās dabas izpētē, un šī objekta unikalitāte iedzīvina jaunas, progresīvākas fizikālās izpētes metodes.

Ņemot vērā fizikas un bioloģijas kopsakarības, nepieciešams parādīt skolēniem vairāku dzīvās un nedzīvās dabas likumu kopību, padziļināt izpratni par materiālās pasaules vienotību, parādību saistību un nosacītību, to atpazīstamību, iepazīstināt viņus ar fizikālo metožu izmantošanu bioloģisko procesu izpētē.

Fizikas stundās ir jāuzsver, ka raksturīga mūsu laikmeta zīme ir vairāku sarežģītu zinātņu rašanās. Ir izveidojusies biofizika – zinātne, kas pēta fizisko faktoru ietekmi uz dzīviem organismiem.

Biofizikālo piemēru piesaiste palīdz labāk asimilēt fizikas kursu. Biofizikālajam materiālam jābūt tieši saistītam ar fizikas un bioloģijas kursu programmu un jāatspoguļo perspektīvākie zinātnes un tehnikas attīstības virzieni. Gandrīz visās fizikas kursa sadaļās var atlasīt lielu skaitu biofizikālo piemēru, tos vēlams izmantot kopā ar piemēriem no nedzīvās dabas un tehnoloģijām.

2.2. Biofizikas izmantošana klasē pamatskolā

Mehānika

Kustība un spēki.

Apgūstot tēmu "Kustības un spēki" 7. klasē, jūs varat iepazīstināt skolēnus ar dažādu dzīvnieku kustības ātrumiem. Gliemezis 1 stundas laikā norāpo apmēram 5,5 m.Bruņurupucis pārvietojas ar ātrumu aptuveni 70 m/h. Muša lido ar ātrumu 5 m/s. Vidējais iešanas ātrums ir aptuveni 1,5 m/s jeb aptuveni 5 km/h. Zirgs spēj pārvietoties ar ātrumu 30 km/h un vairāk.

Dažu dzīvnieku maksimālais ātrums: suņa suns - 90 km / h, strauss - 120 km / h, gepards - 110 km / h, antilope - 95 km / h.

Izmantojot dažādu dzīvnieku pasaules pārstāvju ātruma datus, iespējams atrisināt dažāda veida problēmas. Piemēram:

Auss gliemežnīcas ātrums ir 0,9 mm/s. Izsakiet šo ātrumu cm/min, m/h.

Lielais piekūns, dzenoties pēc upuriem, nirst ar ātrumu 300 km/h. Kādu attālumu tas veic 5 sekundēs?

Zināms, ka ozola vidējais augšanas ātrums ir aptuveni 0,3 m gadā. Cik vecs ir ozols 6,3 m augsts?

Tel svars Blīvums.

Ķermeņa svars un apjoms ir tieši saistīti ar floras pārstāvjiem, piemēram, tiek doti šādi uzdevumi:

Nosakiet bērza koksnes masu, ja tās tilpums ir 5 m 3.

Nosakiet sausa bambusa tilpumu, ja tā masa ir 4800 kg.

Nosakiet balsas koka blīvumu, ja tā masa ir 50 tonnas un tilpums ir 500 m 3.

Gravitācija.

Studējot šo tēmu, varat veikt šādu apmācības darbu. Norādītas dažādu zīdītāju masas: valis - 70 000 kg, zilonis - 4000 kg, degunradzis - 2000 kg, bullis - 1200 kg, lācis - 400 kg, cūka 200 kg, cilvēks - 70 kg, vilks - 40 kg, zaķis - 6 Kilograms. Atrodiet to svaru ņūtonos.

Tos pašus datus var izmantot, lai grafiski attēlotu spēkus.

Šķidrumu un gāzu spiediens.

Cilvēka ķermenis, kura virsmas laukums ar masu 60 kg un augstumu 160 cm ir aptuveni vienāds ar 1,6 m 2, atmosfēras spiediena ietekmē tiek pakļauts 160 000 N spēkam. Kā ķermenis iztur tik milzīgu slodzi?

Tas tiek panākts, pateicoties tam, ka šķidrumu spiediens, kas piepilda ķermeņa traukus, līdzsvaro ārējo spiedienu.

Ar šo problēmu ir cieši saistīta iespēja atrasties zem ūdens lielā dziļumā. Fakts ir tāds, ka ķermeņa pārcelšana uz citu līmeni izraisa tā funkciju sabrukumu. Tas ir saistīts ar kuģu sienu deformāciju, kas paredzētas noteiktam spiedienam no iekšpuses un ārpuses. Turklāt, mainoties spiedienam, mainās arī daudzu ķīmisko reakciju ātrums, kā rezultātā mainās arī ķermeņa ķīmiskais līdzsvars. Palielinoties spiedienam, ķermeņa šķidrumi pastiprina gāzu uzsūkšanos, un, kad tas samazinās, notiek izšķīdušo gāzu izdalīšanās. Strauji samazinoties spiedienam intensīvas gāzu izdalīšanās dēļ, asinis it kā vārās, kas noved pie asinsvadu aizsprostošanās, kas bieži vien ir letāla. Tas nosaka maksimālo dziļumu, kādā var veikt niršanas darbības (parasti ne zemāk par 50 metriem). Nolaišanās un pacelšanās jāveic ļoti lēni, lai gāzu izdalīšanās notiktu tikai plaušās, nevis uzreiz visā asinsrites sistēmā.

Dažu savvaļas dzīvnieku spēku piemēri.

Mušas jauda lidojumā ir 10 -5 vati.

Zobenzivs trieciens 10 5 -10 6 W.

Tiek uzskatīts, ka cilvēks normālos darba apstākļos var attīstīt aptuveni 70-80 W jaudu, taču iespējams īslaicīgs jaudas pieaugums vairākas reizes. Tātad 750 N cilvēks 1 s var uzlēkt līdz 1 m augstumam, kas atbilst 750 W jaudai; skrējējs attīsta aptuveni 1000 vatu jaudu.

Tūlītēja vai sprādzienbīstama enerģijas atbrīvošana ir iespējama tādos sporta veidos kā lodes grūšana vai augstlēkšana. Novērojumi liecina, ka augstlēkšanas laikā ar vienlaicīgu atgrūšanu ar abām kājām daži vīrieši 0,1 s attīsta vidējo jaudu aptuveni 3700 W, bet sievietes - 2600 W.

Sirds-plaušu mašīna (AIC)

Pabeidzot mehānikas studijas, ir lietderīgi studentiem pastāstīt par sirds-plaušu aparāta ierīci.

Sirds operāciju laikā bieži rodas nepieciešamība to īslaicīgi izslēgt no ķermeņa aprites (apmēram 4-5 litri pieaugušam pacientam), iestatīto cirkulējošo asiņu temperatūru.

Sirds-plaušu iekārta sastāv no divām galvenajām daļām: sūkņa un skābekļa ģeneratora daļām. Sūkņi pilda sirds funkcijas – operācijas laikā uztur spiedienu un asinsriti ķermeņa traukos. Skābekļa ģenerators pilda plaušu funkciju un nodrošina asins piesātinājumu vismaz 95% apmērā un uztur daļēju CO 2 spiedienu 35-45 mm Hg līmenī. Art. venozās asinis no pacienta asinsvadiem gravitācijas ietekmē ieplūst skābekļa ģeneratorā, kas atrodas zem operāciju galda līmeņa, kur tiek piesātināts ar skābekli, atbrīvots no liekā oglekļa dioksīda un pēc tam ar arteriālo sūkni iesūknēts pacienta asinsritē. AIK ilgstoši spēj aizvietot sirds un plaušu funkcijas.

Risinot problēmas, kas saistītas ar dzīviem objektiem, liela uzmanība jāpievērš bioloģisko procesu kļūdainas interpretācijas novēršanai.

Uzdevums. Kā ar fizisku priekšstatu palīdzību izskaidrot, ka vētrā viegli izraujas egle, savukārt priedes stumbrs biežāk nolūst?

Mēs esam ieinteresēti analizēt tikai jautājuma kvalitatīvo pusi. Turklāt mūs interesē jautājums par abu koku salīdzinošo uzvedību. Slodzes lomu mūsu uzdevumā spēlē vēja spēks F B. Vēja spēku, kas iedarbojas uz stumbru, var pieskaitīt vēja spēkam, kas iedarbojas uz vainagu, un pat pieņemt, ka vēja spēki, kas iedarbojas uz abiem kokiem, ir vienādi. . Tad acīmredzot tālākai argumentācijai vajadzētu būt šādai. Priedes sakņu sistēma iet dziļāk zemē nekā eglei. Līdz ar to priedi zemē noturošā spēka plecs ir lielāks nekā eglei. Tāpēc, lai apgrieztu egli ar sakni, nepieciešams mazāks spēka un vēja moments, nekā to nolauzt. Tāpēc egle ar sakni izrādās biežāk nekā priede, un priede lūst biežāk nekā egle.

Siltuma un molekulāro parādību izpēte

Ierīce "mākslīgā niere"

Šo ierīci izmanto neatliekamās medicīniskās palīdzības sniegšanai akūtas intoksikācijas gadījumā; sagatavot pacientus ar hronisku nieru mazspēju nieres transplantācijai; noteiktu nervu sistēmas traucējumu (šizofrēnijas, depresijas) ārstēšanai.

AIP ir hemodializators, kurā asinis saskaras ar fizioloģisko šķīdumu caur daļēji caurlaidīgu membrānu. Pateicoties osmotiskā spiediena atšķirībām, caur membrānu no asinīm sāls šķīdumā nonāk vielmaiņas produktu (urīnvielas un urīnskābes) joni un molekulas, kā arī dažādas toksiskas vielas, kas jāizvada no organisma.

kapilārās parādības.

Apsverot kapilārās parādības, ir jāuzsver to loma bioloģijā, jo lielākā daļa augu un dzīvnieku audu ir caurstrāvoti ar milzīgu skaitu kapilāru asinsvadu. Tieši kapilāros notiek galvenie procesi, kas saistīti ar ķermeņa elpošanu un uzturu, visa vissarežģītākā dzīves ķīmija, kas cieši saistīta ar difūzām parādībām.

Sirds un asinsvadu sistēmas fiziskais modelis var būt daudzu sazarotu cauruļu sistēma ar elastīgām sienām. Palielinoties atzarojumam, kopējais cauruļu šķērsgriezums palielinās, un attiecīgi samazinās šķidruma ātrums. Taču, ņemot vērā to, ka bifurkācija sastāv no daudziem šauriem kanāliem, ievērojami palielinās iekšējie berzes zudumi un ievērojami palielinās kopējā pretestība šķidrumu kustībai (neskatoties uz ātruma samazināšanos).

Virszemes parādību loma dzīvās dabas dzīvē ir ļoti daudzveidīga. Piemēram, ūdens virsmas plēve ir atbalsts daudziem organismiem kustībā. Šis kustības veids ir sastopams maziem kukaiņiem un zirnekļveidīgajiem. Daži dzīvnieki, kas dzīvo ūdenī, bet kuriem nav žaunu, tiek apturēti no apakšas netālu no ūdens virsmas, izmantojot īpašus, nesamitrinošus sarus, kas apņem viņu elpošanas orgānus. Šo paņēmienu izmanto moskītu kāpuri (tostarp malārija).

Patstāvīgam darbam varat piedāvāt tādus uzdevumus kā:

Kā molekulārās kinētiskās teorijas zināšanas var izmantot, lai izskaidrotu mehānismu, ar kuru augu sakņu mati absorbē barības vielas no augsnes?

Kā izskaidrot salmu jumta ūdensizturību, sienu čupās?

Nosakiet augstumu, līdz kuram virsmas spraiguma spēku iedarbībā ūdens paceļas to augu kātos, kuru kapilāri ir 0,4 mm diametrā. Vai kapilaritāti var uzskatīt par vienīgo iemeslu ūdens pacelšanai gar auga stublāju?

Vai tā ir taisnība, ka bezdelīgas, kas lido zemu virs zemes, vēsta par lietus tuvošanos?

Vibrāciju un skaņas izpēte

Periodisku procesu piemēri bioloģijā: daudzi ziedi aizver vainagu tumsā; lielākajai daļai dzīvnieku pēcnācēju parādīšanās ir periodiska; ir zināmas periodiskas fotosintēzes intensitātes izmaiņas augos; svārstības piedzīvo šūnu kodolu lielumu utt.

Meža skaņas.

Meža skaņas (čaukstums) rodas lapu vibrācijas dēļ vēja ietekmē un to savstarpējai berzei. Īpaši tas ir pamanāms uz apses lapām, jo tās ir piestiprinātas pie gariem un tieviem kātiem, tāpēc ir ļoti kustīgi un šūpojas pat pie vājākajām gaisa plūsmām.

Vardēm ir ļoti skaļas un diezgan dažādas balsis. Dažām varžu sugām ir interesantas skaņas pastiprināšanas ierīces lielu sfērisku burbuļu veidā uz galvas sāniem, kas raudot uzbriest un kalpo kā spēcīgas rezonanses.

Kukaiņu skaņas visbiežāk izraisa straujās spārnu vibrācijas lidojuma laikā (odi, mušas, bites). Biežāk spārnus plivinātā kukaiņa lidojumu mēs uztveram kā augstākas frekvences un līdz ar to augstākas skaņas. Dažiem kukaiņiem, piemēram, sienāžiem, ir īpaši skaņas orgāni – krustnagliņu rinda uz pakaļkājām, kas pieskaras spārnu malām un liek tiem vibrēt.

Bite strādniece, kas izlido no stropa pēc kukuļa, veic vidēji 180 spārnu sitienus sekundē. Kad viņa atgriežas ar slodzi, sitienu skaits palielinās līdz 280. Kā tas ietekmē mūsu dzirdamo skaņu?

Kāpēc tauriņa lidojums klusē?

Ir zināms, ka daudzām vardēm galvas sānos ir lieli, sfēriski tulznas, kas uzbriest, kad tās sauc. Kāds ir viņu mērķis?

Kas nosaka kukaiņu izstarotās skaņas frekvenci lidojuma laikā?

Optikas un atoma uzbūves izpēte.

Gaisma.

Gaisma dzīvajai dabai ir absolūti nepieciešama, jo tai kalpo kā enerģijas avots. Hlorofilu nesošie augi, izņemot dažas baktērijas, ir vienīgie organismi, kas ar starojuma enerģijas palīdzību spēj sintezēt paši savu vielu no ūdens, minerālsāļiem un oglekļa dioksīda, ko asimilācijas procesā pārvērš ķīmiskajā enerģijā. Visi pārējie organismi, kas apdzīvo mūsu planētu – augi un dzīvnieki – tieši vai netieši ir atkarīgi no hlorofilu saturošiem augiem. Tie visspēcīgāk absorbē starus, kas atbilst hlorofila spektra absorbcijas joslām. Ir divi no tiem: viens atrodas spektra sarkanajā daļā, otrs - zili violetajā. Atlikušie auga stari atspoguļojas. Tieši viņi piešķir hlorofilu saturošiem augiem zaļo krāsu. Hlorofilu saturošus augus pārstāv augstākie augi, sūnas un aļģes.

Dažādu dzīvnieku pasaules pārstāvju acis.

Abiniekiem acs radzene ir ļoti izliekta. Acu pielāgošanu, tāpat kā zivīm, veic lēcas kustība.

Putniem ir ļoti asa redze, kas ir pārāka par citiem dzīvniekiem. Viņu acs ābols ir ļoti liels un tam ir savdabīga struktūra, kā rezultātā palielinās redzes lauks. Putniem ar īpaši asu redzi (grifi, ērgļi) ir iegarens "teleskopisks" acs ābols. Ūdenī dzīvojošo zīdītāju (piemēram, vaļu) acis radzenes izliekuma un lielā refrakcijas indeksa ziņā atgādina dziļjūras zivju acis.

Kā bites redz krāsas.

Bišu redze atšķiras no cilvēku redzes. Cilvēks izšķir apmēram 60 atsevišķas redzamā spektra krāsas. Bites izšķir tikai 6 krāsas: dzeltenu, zili zaļu, zilu, "violetu", violetu un cilvēkiem neredzamu ultravioleto. Bites "fuksīna" krāsa ir dzelteno un ultravioleto spektra staru sajaukums, kas redzams bitei.

Patstāvīgam darbam šajā sadaļā varat piedāvāt šādus uzdevumus:

Kam domātas divas acis?

Cilvēka un ērgļa acs tīklene ir aptuveni vienāda, bet ērgļa acs nervu šūnu (konusu) diametrs tās centrālajā daļā ir mazāks - tikai 0,3 - 0,4 mikroni (mikroni = 10 -3 mm). Kāda nozīme ir šādai ērgļa acs tīklenes struktūrai?

Iestājoties tumsai, acs zīlīte paplašinās. Kā tas ietekmē apkārtējo objektu attēla asumu? Kāpēc?

Zivs acs lēca ir sfēriska. Kādas zivju dzīvotnes īpašības padara šo lēcu piemērotu? Padomājiet par acu izmitināšanas mehānismu zivīm, ja lēcas izliekums nemainās.

2.3. Blica turnīrs "Fizika savvaļas dzīvniekiem"

Patstāvīgo praktisko aktivitāšu organizēšanai 7. klašu skolēniem var piedāvāt zibens turnīru "Fizika savvaļā".

Nodarbības mērķis: materiāla atkārtošana par tēmu “Vispārinoša nodarbība visam kursam”; zināšanu pārbaude, atjautība, spēja loģiski domāt.

Spēles noteikumi

Jautājumi tiek atlasīti visā 7. klases kursā.

Nodarbība notiek ātrā tempā.

Nodarbības laikā var izmantot jebkuru uzziņu literatūru, arī mācību grāmatu.

Nodarbību laikā

Skolotājs nolasa jautājumu. Spēlētājs, gatavs atbildēt, paceļ roku; Vārds tiek dots tam, kurš pirmais paceļ roku. Pareizā atbilde ir 1 punkta vērta. Dalībnieki, kuriem ir vismazāk punktu, tiek izslēgti no spēles.

Jautājumi:

Izejot no ūdens, dzīvnieki tiek kratīti. Kāds fiziskais likums tiek izmantots šajā gadījumā? (Inerces likums).

Kāda nozīme ir elastīgajam apmatojumam uz zaķa pēdu zolēm? (Elastīgie mati uz zaķa pēdu zolēm pagarina bremzēšanas laiku lecot un tāpēc vājina trieciena spēku).

Kāpēc dažas zivis, ātri pārvietojoties, tur savas spuras tuvu tām? (Lai samazinātu pretestību kustībām).

Rudenī pie tramvaja sliedēm, kas iet garām dārziem un parkiem, dažkārt tiek izkārts plakāts: “Uzmanību! Lapu krišana. Kāda ir šī brīdinājuma nozīme? (Lapas, kas krīt uz sliedēm, samazina berzi, tāpēc bremzējot automašīna var nobraukt tālu.)

Kāda ir cilvēka kaula spiedes izturība? (Ciskas kauls, piemēram, novietots vertikāli, var izturēt pusotras tonnas slodzes spiedienu).

Kāpēc niršanas zābaki ir izgatavoti ar smagām svina zolēm? (Zabaku smagās svina zoles palīdz nirējam pārvarēt ūdens peldspēju.)

Kāpēc cilvēks var paslīdēt, kāpjot uz cieta, sausa zirņa? (Berze veicina cilvēka kustību. Sausais zirnis, būdams kā gultnis, samazina berzi starp cilvēka kājām un balstu).

Kāpēc upē ar dubļainu dibenu vairāk iestrēgst seklumā nekā dziļā? (Ienirstot lielākā dziļumā, mēs izspiežam lielāku ūdens daudzumu. Saskaņā ar Arhimēda likumu uz mums šajā gadījumā iedarbosies liels peldošais spēks).

Apkopojot.

Skolotājs liek atzīmes.

Secinājums

K. D. Ušinskis rakstīja, ka daži skolotāji, šķiet, dara tikai to, ko atkārto, bet patiesībā viņi strauji virzās uz priekšu, apgūstot jaunas lietas. Atkārtošana, iesaistot jauno, ļauj labāk saprast un iegaumēt aptverto materiālu. Ir arī zināms, ka vislabākais veids, kā radīt interesi par priekšmetu, ir iegūtās zināšanas pielietot citās jomās, nevis tajās, kurās tās iegūtas. Atkārtojuma organizēšana, iesaistot biofizikālo materiālu, ir tieši tāds atkārtojuma veids, kad tas notiek, iesaistot jaunu, ļoti interesē skolēnus un ļauj pielietot fizikas likumus savvaļas dabas jomā.

Starpdisciplināru saikņu nodibināšana starp fiziku un bioloģiju sniedz lielas iespējas materiālistisku uzskatu veidošanai. Skolēni mācās ilustrēt fizikas likumus ne tikai ar piemēriem no tehnoloģijām, bet arī ar piemēriem no savvaļas dzīvniekiem. Savukārt, ņemot vērā augu un dzīvnieku organismu vitālo darbību, viņi izmanto fizikālos likumus, fizikālās analoģijas.

Aptvertā materiāla atkārtošana un nostiprināšana, izmantojot biofizikālo materiālu, dod iespēju skolotājam iepazīstināt skolēnus ar jaunākajiem sasniegumiem biofizikas un bionikas jomā, rosināt lasīt papildu literatūru.

Organizatoriski stundu var veidot dažādi: skolotāju lekciju veidā, studentu sagatavotu referātu veidā fizikas un bioloģijas skolotāju vadībā.

BIBLIOGRĀFIJA

Trofimova T.I. Tehnisko augstskolu fizikas kursa uzdevumu krājums - 3. izd. - M .: LLC izdevniecība Onyx 21. gadsimts: LLC izdevniecība Mir un izglītība, 2003 - 384 lpp.: ill.

Zorins N.I. Izvēles kurss "Biofizikas elementi": 9. klase. - M.: VAKO, 2007. - 160 lpp. - (Skolotāju darbnīca).

Izvēles 9.: fizika. Ķīmija. Bioloģija: izvēles kursu (starppriekšmetu un mācību priekšmetu orientētais) konstruktors: Pirmsprofila apmācību organizēšanai 9. klases skolēniem: 2 grāmatās. Grāmata. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. un citi - M .: 5 par zināšanām, 2006. - 304 lpp. - (Izvēles).

Izvēles 9.: fizika. Ķīmija. Bioloģija: izvēles kursu (starppriekšmetu un mācību priekšmetu orientētais) konstruktors: Pirmsprofila apmācību organizēšanai 9. klases skolēniem: 2 grāmatās. Grāmata. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. un citi - M .: 5 par zināšanām, 2006. - 176 lpp. - (Izvēles).

Marons A.E. Kvalitatīvo uzdevumu krājums fizikā: 7-9 šūnām vispārējai izglītībai. iestādes / A.E. Marons, E.A. Maroon. - M.: Izglītība, 2006. - 239 lpp.: ill.

Lukašiks V.I. Fizikas uzdevumu krājums izglītības iestāžu 7.-9.klasei / V.I. Lukašiks, E.V. Ivanova. – 22. izd. – M.: Apgaismība, 2008. – 240 lpp.: ill.

Katz Ts.B. Biofizika fizikas stundās / Grāmata. skolotājam: no darba pieredzes. - 2. izdevums, pārskatīts. – M.: Apgaismība, 1988. – 159 lpp.: ill.

Volkovs V.A., Poļanskis S.E. Pourochnye attīstība fizikā. 7. klase — 2. izd. - M.: VAKO, 2007. - 304 lpp. - (Palīdzēt skolas skolotājam: A. V. Periškina, S. V. Gromova, N. A. Rodinas apmācības komplektiem).

Viena no senākajām zinātnēm, protams, ir bioloģija. Cilvēku interese par procesiem, kas notiek sevī un apkārtējās būtnēs, radās vairākus tūkstošus gadu pirms mūsu ēras.

Dzīvnieku, augu, dabas procesu novērošana bija svarīga cilvēku dzīves sastāvdaļa. Laika gaitā sakrājies daudz zināšanu, pilnveidotas un attīstītas savvaļas dzīvnieku izpētes metodes un tajā sastopamie mehānismi. Tas noveda pie daudzu sadaļu rašanās, kas kopumā veido sarežģītu zinātni.

Bioloģiskie pētījumi dažādās dzīves jomās ļauj iegūt jaunus vērtīgus datus, kas ir svarīgi, lai izprastu planētas biomasas struktūru. Izmantojiet šīs zināšanas praktiskiem cilvēku mērķiem (kosmosa izpētē, medicīnā, lauksaimniecībā, ķīmiskajā rūpniecībā utt.).

Daudzi atklājumi ļāva veikt bioloģiskos pētījumus visu dzīvo sistēmu iekšējās struktūras un funkcionēšanas jomā. Pētīts organismu molekulārais sastāvs, to mikrostruktūra, izdalīti un pētīti daudzi gēni no cilvēku un dzīvnieku, augu genoma. Biotehnoloģijas priekšrocības, šūnu un ļauj iegūt vairākas augu ražas sezonā, kā arī audzēt dzīvnieku šķirnes, kas dod vairāk gaļas, piena un olu.

Mikroorganismu izpēte ļāva iegūt antibiotikas un izveidot desmitiem un simtiem vakcīnu, kas ļauj uzveikt daudzas slimības, pat tās, kas cilvēku un dzīvnieku epidēmijās prasīja tūkstošiem dzīvību.

Tāpēc mūsdienu bioloģijas zinātne ir cilvēces neierobežotās iespējas daudzās zinātnes, rūpniecības un veselības saglabāšanas nozarēs.

Bioloģijas zinātņu klasifikācija

Viena no pirmajām bioloģijas zinātnes privātajām sadaļām. Piemēram, botānika, zooloģija, anatomija un taksonomija. Vēlāk sāka veidoties no tehniskā aprīkojuma vairāk atkarīgas disciplīnas - mikrobioloģija, virusoloģija, fizioloģija u.c.

Ir vairākas jaunas un progresīvas zinātnes, kas radušās tikai 20.-21. gadsimtā un ieņem nozīmīgu vietu mūsdienu bioloģijas attīstībā.

Ir nevis viena, bet vairākas klasifikācijas, pēc kurām var sarindot bioloģijas zinātnes. Viņu saraksts visos gadījumos ir diezgan iespaidīgs, apsveriet vienu no tiem.

Bioloģija	Privātās zinātnes	Botānika	nodarbojas ar visu uz planētas esošo augu (floras) ārējās un iekšējās struktūras, fizioloģisko procesu, filoģenēzes un izplatības dabā izpēti.	Ietver šādas sadaļas: algoloģija; dendroloģija; taksonomija; anatomija; morfoloģija; fizioloģija; brioloģija; paleobotānika; ekoloģija; ģeobotānika; etnobotānika; augu pavairošana.
		Zooloģija	nodarbojas ar visu uz planētas esošo dzīvnieku (faunas) ārējās un iekšējās struktūras, fizioloģisko procesu, filoģenēzes un izplatības dabā izpēti.	Disciplīnas, kas iekļautas: Disciplīnas: topogrāfiskā anatomija; salīdzinošs; sistemātisks; vecums; plastmasa; funkcionāls; eksperimentāls.
		Antropoloģija	vairākas disciplīnas, kas pēta cilvēka attīstību un veidošanos bioloģiskajā un sociālajā vidē kompleksā	Sadaļas: filozofiskā, tiesu, reliģiskā, fiziskā, sociālā, kultūras, vizuālā.
		Mikrobioloģija	pēta mazākos dzīvos organismus, no baktērijām līdz vīrusiem	Disciplīnas: virusoloģija, bakterioloģija, medicīniskā mikrobioloģija, mikoloģija, rūpnieciskā, tehniskā, lauksaimniecības, kosmosa mikrobioloģija
		Vispārīgās zinātnes	Sistemātika	uzdevumi ietver pamatu izstrādi visas dzīvības klasifikācijai uz mūsu planētas ar mērķi stingri sakārtot un identificēt jebkuru biomasas pārstāvi
	Morfoloģija		visu dzīvo būtņu orgānu ārējo pazīmju, iekšējās uzbūves un topogrāfijas apraksts	Sadaļas: augi, dzīvnieki, mikroorganismi, sēnes
	Fizioloģija		pēta noteiktas sistēmas, orgāna vai ķermeņa daļas funkcionēšanas iezīmes, visu procesu mehānismus, kas nodrošina tā dzīvībai svarīgo darbību	Augi, dzīvnieki, cilvēki, mikroorganismi
	Ekoloģija		zinātne par dzīvo būtņu savstarpējām attiecībām, vidi un cilvēku	Ģeoekoloģija, vispārējā, sociālā, rūpnieciskā
	Ģenētika		pēta dzīvo būtņu genomu, pazīmju iedzimtības un mainīguma mehānismus dažādu apstākļu ietekmē, kā arī vēsturiskās genotipa izmaiņas evolucionāro transformāciju laikā
	bioģeogrāfija		apsver noteiktu dzīvo būtņu sugu pārvietošanu un izplatību uz planētas
	evolūcijas doktrīna		atklāj cilvēka un citu planētas dzīvo sistēmu vēsturiskās attīstības mehānismus. To izcelsme un attīstība
	Sarežģītas zinātnes, kas radās krustojumā viena ar otru	Bioķīmija	pēta dzīvu būtņu šūnās notiekošos procesus no ķīmiskā viedokļa
		Biotehnoloģija	apsver organismu, to produktu un/vai daļu izmantošanu cilvēku vajadzībām
		Molekulārā bioloģija	pēta dzīvo būtņu iedzimtās informācijas pārraides, uzglabāšanas un izmantošanas mehānismus, kā arī olbaltumvielu, DNS un RNS funkcijas un smalko struktūru.	Saistītās zinātnes: gēnu un šūnu inženierija, molekulārā ģenētika, bioinformātika, proteomika, genomika
		Biofizika	tā ir zinātne, kas pēta visus iespējamos fiziskos procesus, kas notiek visos dzīvajos organismos, no vīrusiem līdz cilvēkiem	Šīs disciplīnas sadaļas tiks aplūkotas turpmāk.

Tādējādi mēs esam mēģinājuši aptvert galveno daudzveidību, kas ir bioloģijas zinātnes. Šis saraksts ar tehnoloģiju un mācību metožu attīstību paplašinās un papildinās. Tāpēc vienotas bioloģijas klasifikācijas mūsdienās nav.

Progresīvās biozinātnes un to nozīme

Jaunākās, modernās un progresīvās bioloģijas zinātnes ietver, piemēram:

biotehnoloģija;
molekulārā bioloģija;
kosmosa bioloģija;
biofizika;
bioķīmija.

Katra no šīm zinātnēm veidojās ne agrāk kā 20. gadsimtā, un tāpēc pamatoti tiek uzskatīta par jaunu, intensīvi attīstās un praktiskajai cilvēka darbībai nozīmīgākā.

Pakavēsimies pie tādiem no tiem kā biofizika. Šī ir zinātne, kas parādījās ap 1945. gadu un kļuva par svarīgu visas bioloģiskās sistēmas sastāvdaļu.

Kas ir biofizika?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, pirmkārt, ir jānorāda tās ciešā saskarsme ar ķīmiju un bioloģiju. Dažos jautājumos robežas starp šīm zinātnēm ir tik tuvas, ka ir grūti noteikt, kura no tām ir īpaši iesaistīta un prioritāra. Tāpēc biofiziku ir vērts uzskatīt par kompleksu zinātni, kas pēta dzīvās sistēmās notiekošos dziļos fizikālos un ķīmiskos procesus gan molekulu, šūnu, orgānu līmenī, gan arī biosfēras līmenī kopumā.

Tāpat kā jebkura cita, biofizika ir zinātne, kurai ir savs izpētes objekts, mērķi un uzdevumi, kā arī cienīgi un nozīmīgi rezultāti. Turklāt šī disciplīna ir cieši saistīta ar vairākiem jauniem virzieniem.

Mācību objekti

Biofizikai tās ir biosistēmas dažādos organizatoriskos līmeņos.

vīrusi, vienšūnu sēnes un aļģes).
Vienkāršākie dzīvnieki.
Atsevišķas šūnas un to struktūras daļas (organellas).
Augi.
Dzīvnieki (ieskaitot cilvēkus).
ekoloģiskās kopienas.

Tas ir, biofizika ir dzīvā izpēte no tajā notiekošo fizisko procesu viedokļa.

Zinātnes uzdevumi

Sākotnēji biofiziķu uzdevumi bija pierādīt fizisko procesu un parādību esamību dzīvo būtņu dzīvē un tos pētīt, izzinot to būtību un nozīmi.

Šīs zinātnes mūsdienu uzdevumus var formulēt šādi:

Pētīt gēnu uzbūvi un mehānismus, kas pavada to pārnešanu un uzglabāšanu, modifikācijas (mutācijas).
Apsveriet daudzus šūnu bioloģijas aspektus (šūnu mijiedarbību savā starpā, hromosomu un ģenētisko mijiedarbību un citus procesus).
Pētīt polimēru molekulas (olbaltumvielas, nukleīnskābes, polisaharīdus) savienojumā ar molekulāro bioloģiju.
Atklāt kosmoģeofizikālo faktoru ietekmi uz visu fizisko un ķīmisko procesu norisi dzīvajos organismos.
Dziļāk atklāt fotobioloģijas mehānismus (fotosintēze, fotoperiodisms un tā tālāk).
Ieviest un izstrādāt matemātiskās modelēšanas metodes.
Pielietot nanotehnoloģiju rezultātus dzīvo sistēmu izpētē.

No šī saraksta redzams, ka biofizika pēta daudz nozīmīgu un nopietnu mūsdienu sabiedrības problēmu, un šīs zinātnes rezultātiem ir liela nozīme cilvēkam un viņa dzīvē.

Veidošanās vēsture

Biofizika kā zinātne dzima salīdzinoši nesen - 1945. gadā, kad viņš publicēja savu darbu "Kas ir dzīve no fizikas viedokļa." Tieši viņš pirmais pamanīja un norādīja, ka daudzi fizikas likumi (termodinamika, kvantu mehānikas likumi) notiek tieši dzīvo būtņu organismu dzīvē un darbā.

Pateicoties šī cilvēka darbam, biofizikas zinātne sāka intensīvu attīstību. Taču vēl agrāk, 1922. gadā, Krievijā tika izveidots biofizikas institūts, kuru vadīja P.P.Lazarevs. Tur galvenā loma tiek piešķirta audu un orgānu ierosmes rakstura izpētei. Rezultātā tika identificēta jonu nozīme šajā procesā.

Galvani atklāj elektrību un tās nozīmi dzīviem audiem (bioelektrība).
A. L. Čiževskis ir vairāku disciplīnu tēvs, kas pēta kosmosa ietekmi uz biosfēru, kā arī jonizācijas starojumu un elektrohemodinamiku.
Detalizēta olbaltumvielu molekulu struktūra tika pētīta tikai pēc rentgenstaru difrakcijas analīzes (rentgenstaru difrakcijas analīzes) atklāšanas. To izdarīja Perutz un Kendrew (1962).
Tajā pašā gadā tika atklāta DNS trīsdimensiju struktūra (Moriss Vilkinss).
Neheram un Zakmanam 1991. gadā izdevās izstrādāt metodi lokālai elektriskā potenciāla fiksācijai.

Arī vairāki citi atklājumi ļāva biofizikas zinātnei uzsākt intensīvas un progresīvas attīstības un veidošanās modernizācijas ceļu.

Biofizikas sadaļas

Ir vairākas disciplīnas, kas veido šo zinātni. Apskatīsim visvienkāršākos no tiem.

Sarežģītu sistēmu biofizika - aplūko visus sarežģītos daudzšūnu organismu pašregulācijas mehānismus (sistēmoģenēzi, morfoģenēzi, sinergoģenēzi). Tāpat šī disciplīna pēta ontoģenēzes un evolūcijas attīstības procesu fizikālās sastāvdaļas iezīmes, organismu organizācijas līmeņus.
Sensoru sistēmu bioakustika un biofizika - pēta dzīvo organismu maņu sistēmas (redze, dzirde, uztveršana, runa un citas), dažādu signālu pārraidīšanas veidus. Atklāj enerģijas konversijas mehānismus, organismiem uztverot ārēju ietekmi (kairinājumu).
Teorētiskā biofizika - ietver vairākas apakšzinātnes, kas saistītas ar bioloģisko procesu termodinamikas izpēti, organismu strukturālo daļu matemātisko modeļu konstruēšanu. Apsver arī kinētiskos procesus.
Molekulārā biofizika - aplūko tādu biopolimēru kā DNS, RNS, proteīnu, polisaharīdu strukturālās organizācijas un funkcionēšanas dziļos mehānismus. Viņš nodarbojas ar šo molekulu modeļu un grafisko attēlu konstruēšanu, prognozē to uzvedību un veidošanos dzīvās sistēmās. Tāpat šī disciplīna veido supramolekulāras un submolekulāras sistēmas, lai noteiktu biopolimēru uzbūves un darbības mehānismu dzīvās sistēmās.
Šūnas biofizika. Viņš pēta svarīgākos šūnu procesus: diferenciāciju, dalīšanos, ierosmi un membrānas struktūras biopotenciālus. Īpaša uzmanība tiek pievērsta vielu membrānas transportēšanas mehānismiem, potenciālu atšķirībai, membrānas un tās apkārtējo daļu īpašībām un struktūrai.
Metabolisma biofizika. Galvenās apskatāmās ir solarizācija un organismu pielāgošanās tai, hemodinamika, termoregulācija, vielmaiņa un jonizācijas staru ietekme.
Lietišķā biofizika. Tā sastāv no vairākām disciplīnām: bioinformātikas, biometrijas, biomehānikas, evolūcijas procesu un ontoģenēzes izpētes, patoloģiskās (medicīniskās) biofizikas. Lietišķās biofizikas studiju objekti ir muskuļu un skeleta sistēma, kustību metodes, metodes cilvēku atpazīšanai pēc fiziskajām pazīmēm. Medicīniskā biofizika ir pelnījusi īpašu uzmanību. Tajā aplūkoti patoloģiskie procesi organismos, bojāto molekulu vai struktūru posmu rekonstrukcijas vai to kompensācijas metodes. Dod materiālu biotehnoloģijai. Tam ir liela nozīme slimību, īpaši ģenētiska rakstura, attīstības profilaksē, to likvidēšanā un darbības mehānismu skaidrošanā.
Biotopu biofizika - pēta gan lokālo būtņu biotopu, gan tuvāko un tālāko kosmosa vienību ietekmi. Apsver arī bioritmus, laika apstākļu un biolauku ietekmi uz radībām. Izstrādā pasākumus negatīvās ietekmes novēršanai

Visas šīs disciplīnas sniedz milzīgu ieguldījumu, lai attīstītu izpratni par dzīvo sistēmu dzīves mehānismiem, biosfēras un dažādu apstākļu ietekmi uz tām.

Mūsdienu sasniegumi

Var nosaukt dažus no nozīmīgākajiem notikumiem, kas saistīti ar biofizikas sasniegumiem:

atklāja organismu klonēšanas mehānismus;
pētītas transformāciju īpatnības un slāpekļa oksīda loma dzīvās sistēmās;
ir izveidotas attiecības starp mazajām un ziņnesis RNS, kas nākotnē ļaus rast risinājumu daudzām medicīniskām problēmām (slimību likvidēšana);
atklāja autoviļņu fizisko būtību;
pateicoties molekulāro biofiziķu darbam, ir izpētīti DNS sintēzes un replikācijas aspekti, kas radīja iespēju radīt vairākas jaunas zāles nopietnu un sarežģītu slimību ārstēšanai;
izveidoti visu fotosintēzes procesu pavadošo reakciju datormodeļi;
izstrādātas organisma ultraskaņas izpētes metodes;
izveidota saikne starp kosmoģeofizikālajiem un bioķīmiskiem procesiem;
prognozētās klimata pārmaiņas uz planētas;
fermenta urokenāzes nozīmes atklāšana trombozes profilaksē un seku likvidēšanā pēc insulta;
arī veica vairākus atklājumus par proteīna uzbūvi, asinsrites sistēmu un citām ķermeņa daļām.

Biofizikas institūts Krievijā

Mūsu valstī tādi pastāv. M. V. Lomonosovs. Uz šīs mācību iestādes bāzes darbojas Biofizikas fakultāte. Tieši viņš sagatavo kvalificētus speciālistus darbam šajā jomā.

Ir ļoti svarīgi dot labu startu topošajiem speciālistiem. Viņus gaida grūts darbs. Biofiziķim ir jāsaprot visas dzīvajās būtnēs notiekošo procesu sarežģītības. Turklāt skolēniem ir jāsaprot fizika. Galu galā šī ir sarežģīta zinātne - biofizika. Lekcijas ir strukturētas tā, lai aptvertu visas ar biofiziku saistītās un veidojošās disciplīnas, kā arī apskatītu gan bioloģiskos, gan fizikālos jautājumus.