Główne kierunki rozwoju współczesnej biofizyki. Poziomy badań biofizycznych. Wykłady z biofizyki Chłopaki, których poproszono o mikrobiofizykę

WPROWADZANIE

„Logika natury jest najbardziej dostępną i najbardziej użyteczną logiką dla dzieci”.
K. D. Uminski

W niniejszym podręczniku, przedstawiającym opis doświadczeń zawodowych, podjęto próbę rozważenia głównych kierunków i cech powiązania szkolnych przedmiotów z fizyki i biologii oraz nakreślenia możliwych sposobów i form wzmocnienia tego powiązania.
Główne kierunki tej pracy to: zapoznanie studentów z fizycznymi metodami badań i oddziaływania, które są szeroko stosowane w biologii i medycynie, z fizyką przyrody, z elementami bioniki.
Można wybrać dużą liczbę przykładów biofizycznych dla prawie wszystkich części kursu fizyki (co zrobiliśmy, patrz załącznik), ale wskazane jest ich wykorzystanie tylko częściowo, wraz z przykładami technicznymi i przykładami z przyrody nieożywionej.
Głównym celem przyciągania przykładów biofizycznych jest osiągnięcie lepszej asymilacji kursu fizyki. Materiał biofizyczny powinien być bezpośrednio powiązany z programami zajęć z fizyki i biologii oraz odzwierciedlać najbardziej obiecujące kierunki rozwoju nauki i techniki.
Można wskazać trzy główne kierunki doboru materiału biofizycznego.
Pierwszy kierunek ma na celu pokazanie studentom jedności praw przyrody, zastosowania praw fizyki do żywego organizmu.
Drugi kierunek odpowiada zapoznaniu się z fizycznymi metodami oddziaływania i badań, które są szeroko stosowane w biologii i medycynie. Na kursie fizyki w szkole średniej uczniowie zapoznawani są wyłącznie z przyrządami optycznymi (lupa, mikroskop), wykorzystującymi promienie rentgenowskie i „oznakowane atomy”. Jednak już w zwykłej klinice miejskiej każda osoba ma do czynienia z dużą liczbą fizycznych metod badania swojego ciała - mierzy się ciśnienie krwi, rejestruje biopotencjały serca itp., Które nie są brane pod uwagę w szkole.
Trzeci kierunek polega na zapoznaniu studentów z ideami i niektórymi wynikami bioniki. Na przykład podczas badania wibracji uczniom mówi się, że narząd słuchu ćmy odbiera drgania dźwiękowe w zakresie częstotliwości od 10 do 100 kHz i umożliwia wykrycie zbliżania się nietoperza (dla niego ćma jest ulubionym pokarmem ) w odległości 30 m. Te „osiągnięcia” dzikiej przyrody są wyższe niż wyniki uzyskane w dziedzinie echosond, radarów ultradźwiękowych, defektoskopów, a nawet radarów. Takich przykładów jest wiele. Należy jednak podkreślić, że bionika nie ma na celu ślepego naśladowania układów biologicznych, ale ujawnienie zasad ich budowy.

Rozdział I
WYKORZYSTANIE MATERIAŁÓW BIOFIZYCZNYCH NA LEKCJACH FIZYKI

Sposoby zapoznania studentów z materiałem biofizycznym nie różnią się zasadniczo od sposobów zapoznania ich z elementami technologii. Fizyka jest podstawą technologii; z drugiej strony fizyka jest szeroko wykorzystywana do badań w biologii i pomaga zrozumieć cechy struktury i życia obiektów biologicznych.
Już na pierwszych lekcjach dzieci dowiadują się, że wszystkie nauki przyrodnicze korzystają z praw fizyki. Ten pomysł wymaga wyjaśnienia i rozwinięcia. Przy pierwszym zapoznaniu się z przedmiotem - fizyką, pożądane jest pokazanie uczniom zastosowania jej praw do życia ludzi i roślin, ptaków, ryb itp. Aby to zrobić, możesz porównać lot ptaków, owadów i samolotów , porozmawiaj o lokalizacji w świecie zwierząt w zakresie niesłyszalnych dźwięków. Można na przykład mówić o tym, że badanie budowy ciała kreta pomogło inżynierom stworzyć maszynę do robót ziemnych, a obserwacje delfinów i ryb pomogły ulepszyć łodzie podwodne. Znane są klasyczne obserwacje lotu ptaków i konstrukcja ich skrzydeł Leonarda da Vinci oraz wykorzystanie tych pomysłów przez współczesnych inżynierów przy projektowaniu samolotów, kół zamachowych i rakiet. Ważne jest, aby już od pierwszych lekcji w umysłach uczniów odcisnęła się myśl, że fizyka jest kluczem do zrozumienia zjawisk zarówno przyrody nieożywionej, jak i żywej.
Prezentując nowy materiał z fizyki, najlepiej przedstawić przykładowe informacje biofizyczne samemu nauczycielowi. Mogą to być zarówno dane liczbowe charakteryzujące organizmy żywe, jak i opis metod badawczych stosowanych w biologii oraz zwięzłe dane o sprzęcie medycznym lub biologicznym.
Prezentację nowego materiału można przeplatać z rozmową, zwłaszcza w niższych klasach. Nauczyciel odwołuje się do życiowych doświadczeń uczniów, do informacji, które otrzymali podczas nauki w szkole podstawowej, na lekcjach botaniki, geografii i innych pokrewnych dyscyplin. Rozwiązywanie problemów z fizyki przyrody ożywionej może odegrać ważną rolę w zapoznaniu się z elementami biofizyki. Na przykład, korzystając z tabeli rekordów sportowych dotyczących biegania, jazdy na łyżwach itp., możesz znaleźć średnie prędkości, poćwiczyć przeliczanie jednostek prędkości z jednego systemu na inny.
Powtarzając przeszłość, możliwe jest również wykorzystanie materiału biofizycznego. Korzystaliśmy z tej formy pracy po przestudiowaniu niektórych tematów, pod koniec roku szkolnego oraz podczas powtarzania przed maturą. Wymieńmy kilka tematów powtórek przeglądu: mechanika w przyrodzie, elektryczność i przyroda, optyka i życie, wpływ pól elektromagnetycznych na zwierzęta i organizmy roślinne.
Szereg zagadnień biofizycznych należy objaśnić za pomocą fragmentów niektórych filmów i przezroczy, rysunków, diagramów i tabel, a także pomocy wizualnych dostępnych na zajęciach z biologii.
Najczęściej nauczyciele fizyki mogą otrzymać tylko bardzo ograniczony zakres sprzętu w klasie biologii (mikroskop, modele oka, ucha; odpowiednie tabele). Tymczasem jest to dalekie od całego sprzętu dostępnego w salach biologicznych, który można z pożytkiem wykorzystać w nauce fizyki. Już podczas naszego pierwszego wieczoru biofizycznego „Fizyka i Medycyna” korzystaliśmy z następującego sprzętu z sali biologii: przyrząd do pomiaru objętości życiowej płuc, przyrząd do pomiaru ciśnienia krwi, modele oczu i uszu, dynamometry do pomiaru siły mięśni.
Później, w praktyce naszej pracy, wprowadzając studentów w elementy biofizyki, staraliśmy się również w tym celu wykorzystać wyposażenie sali biologii: „Tabele anatomii i fizjologii człowieka” A. N. Kabanova, „Zwierzęta Mnr” - a seria wielokolorowych tablic A. A. Yakhontov, zielniki i kolekcje motyli, ważek, chrząszczy, żółwi itp. Przydatne jest również pokazanie niektórych filmów edukacyjnych i przezroczy o biologii.
W przyszłości wskażemy, gdzie i jakie pomoce wizualne i środki techniczne można wykorzystać, a także jakie pomoce wizualne mogą wykonać sami uczniowie.

§ 1. Elementy biofizyki w nauce mechaniki

Ruch i siły
Podczas studiowania tematu „Ruch i siły” w klasie VI uczniowie mogą zostać zapoznani z prędkościami poruszania się różnych żywych istot. Ślimak pełza około 5,5 m w ciągu 1 godziny, żółw porusza się z prędkością około 70 m/h, mucha leci z prędkością 5 m/s. Średnia prędkość marszu wynosi około 1,5 m/s, czyli około 5 km/h. Jednostka wojskowa piechoty może poruszać się z prędkością do 7 km/h. Koń jest w stanie poruszać się z prędkością od 6 do 30 km/h i więcej.
Spośród zwierząt środkowego pasa najszybciej biega zając, jego prędkość sięga 50 - 60 km / h. Nieco gorszy od niego jest wilk, który może biec z prędkością do 45 km/h. ;
Wiele ryb porusza się ze średnią prędkością około 4 km/h, ale niektóre z nich są w stanie osiągnąć znacznie większe prędkości: na przykład miecznik może osiągnąć prędkość do 90 km/h.
Interesujące jest również rozważenie liczb podanych w tabeli prędkości ruchu ryb.
Tutaj bardzo ważne jest zwrócenie uwagi na szacowanie prędkości ryb w centymetrach na sekundę, a także długości ciała na sekundę. Według tych danych pstrąg okazuje się najszybszy, choć bezwzględna wartość jego prędkości jest stosunkowo niewielka.
Wykorzystując dane dotyczące prędkości różnych przedstawicieli świata zwierząt, można rozwiązywać różnego rodzaju problemy. Przyjrzyjmy się niektórym z nich.
Prędkość ruchu ślimaka wynosi 0,9 mm/s. Wyraź tę prędkość w cm/min, m/h.
Sokół wędrowny, goniąc zdobycz, nurkuje z prędkością 300 km/h. Jaką odległość pokonuje w 5 sekund?
1 Prędkość wielu żywych istot jest wyrażona przez specjalną wartość równą liczbie długości ich ciała, które poruszają się na sekundę
Prędkość lotu gołębia pocztowego 1800 m/min. Wyraź tę wartość w km/h. Jaką odległość pokona gołąb w ciągu 3 godzin lotu? Czy można wyprzedzić gołębia w samochodzie ze średnią prędkością 60 km/h?
Wiadomo, że średnie tempo wzrostu dębu wynosi około 30 cm/rok. Ile lat ma drzewo o wysokości 6,3 m?
Radziecki sportowiec Vladimir Kuts przebiegł 5000 mw 815 sekund. Określ jego prędkość w km/h.

Waga telefonu Gęstość
Zapoznając się z pojęciem „masy ciała” i przygotowując zadania wyznaczania gęstości substancji i objętości zajmowanej przez ciało, wykorzystaliśmy dodatkowe dane tabelaryczne (tab. 2).
Przykład. Określ masę drewna brzozowego, jeśli jego objętość wynosi 5 m3.
Przykład. Jaka jest masa oleju lnianego, która zajmuje objętość 5 litrów?
Przykład. Określ objętość suchego bambusa, jeśli jego masa wynosi 4800 kg.

Powaga. Masy ciała
Studiując ten temat, możesz przeprowadzić następujące prace szkoleniowe. Podano masy różnych ssaków: wieloryb - /0000 kg, słoń - 4000 kg, nosorożec - 2000 kg, byk - 1200 kg, niedźwiedź - 400 kg, świnia - 200 kg, człowiek - 70 kg, wilk - 10 kg, zając - 6 kg . Znajdź ich wagę w niutonach.
Te same dane można wykorzystać do graficznego przedstawienia sił.
Po drodze można podać kilka ciekawszych informacji.
Największe zwierzęta należą do klasy ssaków, z których płetwal błękitny jest szczególnie uderzający pod względem wielkości i wagi. Na przykład jeden ze złowionych wielorybów osiągnął długość 33 mi ważył 1500 kn, co odpowiadało wadze 30 słoni lub 150 byków. Największym współczesnym ptakiem jest struś afrykański, osiągający 2,75 m wysokości, 2 litry długości (od czubka dzioba do końca ogona) i ważący 75 kg. Najmniejsze ptaki to kolibry. Kolibry jednego z gatunków mają masę około 2 g, rozpiętość skrzydeł 3,5 cm.
Siły tarcia i oporu.

Tarcie w żywych organizmach
W ustaleniu problemu sił tarcia można wykorzystać dużą ilość materiału biofizycznego. Wiadomo, że płyny stosowane w celu zmniejszenia tarcia (olej, smoła itp.) zawsze mają znaczną lepkość. Tak samo jest z żywym organizmem: płyny służące do zmniejszania tarcia są jednocześnie bardzo lepkie.
Na przykład krew jest płynem bardziej lepkim niż woda. Przemieszczając się przez układ naczyniowy, napotyka na opór spowodowany tarciem wewnętrznym i tarciem o powierzchnię naczyń. Im cieńsze naczynia, tym większe tarcie i tym bardziej spada ciśnienie krwi.
Niskie tarcie w stawach wynika z ich gładkiej powierzchni, ich smarowania mazią stawową. Ślina pełni rolę nawilżającą podczas połykania pokarmu. Tarcie mięśni lub ścięgien o kość jest zmniejszone dzięki uwalnianiu specjalnego płynu przez worki, w których się znajdują. Szereg takich przykładów można kontynuować.
Dla powierzchni roboczych narządów ruchu zasadnicze znaczenie ma silne tarcie. Niezbędnym warunkiem ruchu jest niezawodne „sprzężenie” pomiędzy poruszającym się ciałem a „podporą”. Przyczepność uzyskuje się albo przez punkty na kończynach (pazury, ostre krawędzie kopyt, kolce podkowy), albo przez drobne nierówności, na przykład włosie, łuski, guzki itp. Znaczne tarcie jest również konieczne do uchwycenia narządów. Ich kształt jest ciekawy: to albo szczypce, ekscytujące
obiekt z dwóch stron lub pasma, które go otaczają (jeśli to możliwe, kilka razy). Dłoń łączy w sobie działanie kleszczyków i pełne pokrycie ze wszystkich stron; miękka skóra dłoni dobrze przylega do szorstkości przedmiotów, które należy trzymać.
Wiele roślin i zwierząt ma różne organy służące do chwytania (czułki roślin, trąba słonia, wytrwałe ogony wspinających się zwierząt itp.). Wszystkie mają wygodny do nawijania kształt oraz chropowatą powierzchnię zwiększającą współczynnik tarcia (rys. 1).
Wśród organizmów żywych powszechne są adaptacje (wełna, włosie, łuski, kolce położone ukośnie do powierzchni), przez co tarcie jest małe przy ruchu w jednym kierunku i duże przy ruchu w przeciwnym. Ruch dżdżownicy opiera się na tej zasadzie. Włosie, skierowane do tyłu, swobodnie przechodzi przez ciało robaka do przodu, ale hamuje ruch wsteczny. Kiedy tułów jest wydłużony, część głowy przesuwa się do przodu, podczas gdy część ogonowa pozostaje na miejscu, podczas kurczenia część głowy pozostaje, a część ogonowa jest do niej podciągana.
U wielu ptaków wodnych obserwuje się również zmianę oporu podczas poruszania się w różnych kierunkach. Na przykład membrany do pływania na nogach kaczek lub gęsi są używane jak wiosła. Przy cofaniu stopy kaczka grabi wodę wyprostowaną membraną, a podczas ruchu do przodu kaczka porusza palcami - opór maleje, w wyniku czego kaczka porusza się do przodu.
Najlepszymi pływakami są ryby i delfiny. Prędkość wielu ryb sięga dziesiątek kilometrów na godzinę, na przykład prędkość rekina błękitnego wynosi około 36 km/h. Ryba może rozwinąć taką prędkość dzięki opływowemu kształtowi ciała, konfiguracji głowy, która powoduje niski opór1.
1 Zmniejszenie oporu ze względu na opływowy kształt tułowia ryby można zobrazować na faszerowanym okoni, szczupaku; możesz również pokazać stół „Rekin” z serii A. A. Yakhontova „Świat zwierząt”.
Zainteresowanie specjalistów przyciągnęła zdolność delfinów do poruszania się w wodzie bez większego wysiłku z dużą prędkością (przy dziobie statku 55 – 60 km/h, swobodne pływanie – 30 – 40 km/h). Zauważono, że wokół poruszającego się delfina występuje tylko niewielki ruch odrzutowy (laminarny), który nie zamienia się w wir (turbulentny).
Badania wykazały, że sekret „antyturbulencji” delfinów
ukryty w jego skórze. Składa się z dwóch warstw - zewnętrznej, niezwykle elastycznej o grubości 1,5 mm oraz wewnętrznej, gęstej o grubości 4 mm.
Pomiędzy tymi warstwami znajdują się wyrostki lub kolce. Poniżej znajdują się gęsto utkane włókna, między którymi przestrzeń jest wypełniona tłuszczem na kilka centymetrów.
Ta skóra działa jak doskonały amortyzator. Ponadto skóra delfina stale ma cienką warstwę specjalnego „smaru” wytwarzanego przez specjalne gruczoły. Zmniejsza to siłę tarcia.
Od 1960 roku produkowane są sztuczne powłoki tłumiące, podobne w swoich właściwościach do „skóry delfina”. A już pierwsze eksperymenty z torpedą i łodzią pokrytą taką skórą potwierdziły możliwość zmniejszenia wodoodporności o 40 - 60%.
Wiadomo, że ryby poruszają się w ławicach. Małe ryby morskie chodzą w stadzie, kształtem zbliżonym do kropli, przy czym opór wody na ruch stada jest najmniejszy.
Wiele ptaków zbiera się w łańcuchu lub w ławicy podczas lotów na duże odległości. W tym drugim przypadku silniejszy ptak leci przed siebie, jego ciało przecina powietrze jak kil statku przecina wodę. Pozostałe ptaki lecą w taki sposób, aby zachować ostry kąt ławicy; instynktownie utrzymują prawidłową pozycję w stosunku do prowadzącego ptaka, ponieważ odpowiada to minimalnym siłom oporu.
planowanie lotu. Lot szybowcowy jest dość często obserwowany zarówno w królestwie roślin, jak i zwierząt. Wiele owoców i nasion jest wyposażonych albo w wiązki włosków (mniszka lekarskiego, bawełny itp.), które działają jak spadochron, albo w płaszczyzny podtrzymujące w postaci wyrostków i występów (iglaki, klon, brzoza, lipa i wiele parasolowych). Niektóre owoce i nasiona wyposażone w „glidery” pokazano na rysunku 2, a.
Szybowce roślinne są pod wieloma względami nawet bardziej zaawansowane niż te stworzone przez człowieka. Podnoszą znacznie większy ładunek w stosunku do swojej wagi, dodatkowo są bardziej stabilne.
Interesująca jest budowa ciała latających wiewiórek, chrząszczy i nietoperzy (ryc. 2b). Wykorzystują swoje membrany do wykonywania dużych skoków. Tak więc latające wiewiórki mogą skakać na odległość do 20 - 30 m od szczytu jednego drzewa do dolnych gałęzi drugiego.

Ciśnienie cieczy i gazów
Rola ciśnienia atmosferycznego w życiu organizmów żywych.
Na ciało ludzkie, którego powierzchnia o masie 60 kg i wysokości 160 cm wynosi w przybliżeniu 1,6 m2, działa siła 160 tys. n wywołana ciśnieniem atmosferycznym. Jak ciało wytrzymuje tak ogromne obciążenie?
Osiąga się to dzięki temu, że ciśnienie płynów wypełniających naczynia ciała równoważy ciśnienie zewnętrzne.
Ściśle związana z tą kwestią jest możliwość przebywania pod wodą na dużych głębokościach. Faktem jest, że przeniesienie ciała na inny poziom wysokości powoduje załamanie jego funkcji. Wynika to z jednej strony z deformacji ścian naczyń, zaprojektowanych do pewnego nacisku od wewnątrz i na zewnątrz. Ponadto wraz ze zmianą ciśnienia zmienia się również tempo wielu reakcji chemicznych, w wyniku czego zmienia się również równowaga chemiczna organizmu. Wraz ze wzrostem ciśnienia następuje zwiększona absorpcja gazów przez płyny ustrojowe, a wraz ze spadkiem ciśnienia uwalnianie rozpuszczonych gazów. Przy szybkim spadku ciśnienia z powodu intensywnego uwalniania gazów krew niejako się gotuje, co prowadzi do zablokowania naczyń krwionośnych, często śmiertelnego. Określa to maksymalną głębokość, na której można prowadzić operacje nurkowe (z reguły nie mniej niż 50 m). Opuszczanie i podnoszenie nurków musi być bardzo powolne, aby uwalnianie gazów następowało tylko w płucach, a nie natychmiast w całym układzie krążenia.
Interesujące jest dalsze bardziej szczegółowe przeanalizowanie zasady działania narządów działających pod wpływem ciśnienia atmosferycznego.
Praca narządów działających pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. mechanizm ssania. Wysiłek mięśniowy (skurcz mięśni języka, podniebienia itp.) wytwarza w jamie ustnej podciśnienie (rozrzedzenie), a ciśnienie atmosferyczne wypycha tam porcję płynu.
Mechanizm działania różnego rodzaju przyssawek. Przyssawki mają formę półkulistej miski z lepkimi brzegami i wysoko rozwiniętymi mięśniami (krawędzie są dociskane do zdobyczy, wtedy zwiększa się objętość przyssawki; przykładem mogą być przyssawki pijawek i głowonogów) lub składają się z przyssawek rząd skórzanych sprzęgieł w postaci wąskich kieszeni. Krawędzie są nakładane na powierzchnię, na której się trzymają; kiedy próbujesz wyciągnąć przyssawkę, głębokość kieszeni wzrasta, ciśnienie w nich maleje, a ciśnienie atmosferyczne (dla zwierząt wodnych ciśnienie wody) mocniej dociska przyssawkę do powierzchni. Na przykład lepka ryba lub remora ma przyssawkę, która zajmuje prawie całą długość jej głowy. Ta ryba przykleja się do innych ryb, kamieni, a także łodzi i statków. Przykleja się na tyle mocno, że łatwiej go złamać niż odczepić, dzięki czemu może służyć jako swoisty haczyk wędkarski.
Rysunek 3 przedstawia maczugę - koniec jednej z dwóch najdłuższych macek kałamarnicy, gęsto osadzony z przyssawkami różnej wielkości.
W podobny sposób ułożone są przyssawki wieprzowego tasiemca, za pomocą których tasiemiec ten przylega do ściany jelita człowieka.
Strukturę tych odrostów można pokazać na mokrym preparacie z tasiemca, który jest dostępny w gabinecie biologii.
Chodzenie po lepkiej glebie. Wpływ ciśnienia atmosferycznego jest bardzo zauważalny podczas chodzenia po lepkiej glebie (efekt ssania bagna). Kiedy noga jest podniesiona, pod nią tworzy się rozrzedzona przestrzeń; nadmierne ciśnienie zewnętrzne zapobiega podnoszeniu się nogi. Siła nacisku na nogę osoby dorosłej Ryc. 3.
może osiągnąć 1000 k. Jest to szczególnie widoczne podczas chodzenia konia, którego twarde kopyto działa jak tłok.
Mechanizm wdechu i wydechu. Płuca znajdują się w klatce piersiowej i są oddzielone od niej i przepony hermetyczną jamą zwaną jamą opłucnową. Wraz ze wzrostem objętości klatki piersiowej zwiększa się objętość jamy opłucnej, a ciśnienie powietrza w niej maleje i odwrotnie. Ponieważ płuca* są elastyczne, ciśnienie w nich regulowane jest jedynie ciśnieniem w jamie opłucnej. Podczas wdechu zwiększa się objętość klatki piersiowej, dzięki czemu zmniejsza się ciśnienie w jamie opłucnej (ryc. 4.6); powoduje to wzrost objętości płuc o prawie 1000 ml. Jednocześnie ciśnienie w nich staje się mniejsze niż atmosferyczne, a powietrze przepływa przez drogi oddechowe do płuc. Podczas wydechu zmniejsza się objętość klatki piersiowej (ryc. 4c), przez co wzrasta ciśnienie w jamie opłucnej, co powoduje zmniejszenie objętości płuc. Ciśnienie powietrza w nich staje się wyższe niż ciśnienie atmosferyczne, a powietrze z płuc wpada do otoczenia.
Przy normalnym, spokojnym oddechu wdychane jest około 500 ml powietrza, tyle samo wydychane jest podczas normalnego wydechu, a całkowita objętość powietrza w płucach wynosi około 7 l.
1 Do wyjaśnienia mechanizmu wdech-wydech można posłużyć się modelowym diagramem klatki piersiowej, dostępnym w gabinecie biologicznym. Tutaj można zademonstrować spirometr wodny, który służy do pomiaru pojemności życiowej płuc. Podczas studiowania tego tematu można również pokazać film „Struktura i funkcje narządów oddechowych”, wydany przez Leningradzkie Wytwórnie Filmów Edukacyjnych w 1964 roku.
Serce to pompa.
Serce to niesamowita pompa, która działa nieprzerwanie przez całe życie człowieka.
Pompuje 0,1 litra krwi w ciągu 1 sekundy, 6 litrów w minutę, 360 litrów w godzinę, 8640 litrów w ciągu dnia, ponad 3 miliony litrów w ciągu roku i około 220 milionów w ciągu 70 lat życia.
Gdyby serce nie pompowało krwi przez zamknięty system, ale wpompowało ją do jakiegoś zbiornika, wówczas można by napełnić basen o długości 100 m (PC) o szerokości i 22 m głębokości.
Rozdymka w walce o byt. Interesujące jest „zastosowanie” praw gazowych w życiu pewnego rodzaju ryby - rozdymki. Zamieszkuje Ocean Indyjski i Morze Śródziemne. Jej ciało jest gęsto usiane licznymi kolcami - zmodyfikowanymi łuskami; w spoczynku są mniej więcej blisko ciała. Kiedy pojawia się niebezpieczeństwo, rozdymka natychmiast wyskakuje na powierzchnię wody i połykając powietrze do jelit, zamienia się w spuchniętą kulę; kolce unoszą się i wystają we wszystkich kierunkach (rys. 5). Ryba trzyma się blisko powierzchni, przechylając brzuchem, a część ciała wystaje ponad wodę. W tej pozycji rozdymka jest chroniona przed drapieżnikami zarówno od dołu, jak i od góry. Kiedy niebezpieczeństwo mija, rozdymka uwalnia powietrze, a jej ciało przybiera wszechpostaciową formę.
Urządzenia hydrostatyczne w przyrodzie. W dzikiej przyrodzie istnieją ciekawe aparaty prostaty. Na przykład głowonogi z rodzaju nautilus żyją w muszlach oddzielonych przegrodami do oddzielnych komór (ryc. 6). Samo zwierzę zajmuje ostatnią komorę, podczas gdy reszta jest wypełniona gazem. Aby opaść na dno, mięczak wypełnia muszlę wodą, staje się ciężki i łatwo tonie. Aby wypłynąć na powierzchnię, łódź pompuje gaz do przedziałów skorupy; gaz wypiera wodę, a zlew chlupocze.
Ciecz i gaz znajdują się w powłoce pod ciśnieniem, dlatego dom z masy perłowej nie pęka nawet na głębokości 4 cm na sto metrów.
Ciekawy sposób poruszania gwiazd morskich, jeżowców, holoturian, które poruszają się ze względu na różnicę ciśnień hydrotycznych. Cienkie, puste i elastyczne nogi rozgwiazdy puchną podczas ruchu. Korpusy-pompy pod dpnlsipem pompują do nich wodę. Woda je rozciąga, ciągną do przodu, przyklejają się do kamieni. Zassane nogi są ściskane i ciągną rozgwiazdę do przodu, następnie woda jest pompowana do innych nóg i pojazdy poruszają się dalej. Średnia prędkość gwiazd morskich wynosi około 10 m/h. Ale z drugiej strony osiągnięto tutaj pełne tłumienie ruchu!

Siła Archimedesa
Ryba. Gęstość organizmów żywych zamieszkujących środowisko wodne bardzo niewiele różni się od gęstości wody, więc ich ciężar prawie całkowicie równoważy siła Archimedesa. Dzięki temu zwierzęta wodne nie potrzebują tak masywnych szkieletów jak te naziemne (ryc. 7).
Ciekawa jest rola pęcherza pławnego u ryb. Jest to jedyna część ciała ryby, która ma zauważalną ściśliwość; Ściskając bańkę wysiłkiem mięśni piersiowych i brzucha, ryba zmienia objętość swojego ciała, a tym samym średnią gęstość, dzięki czemu może w pewnych granicach regulować głębokość swojego nurkowania.
Ptaki wodne. Ważnym czynnikiem w życiu ptactwa wodnego jest obecność grubej, nieprzepuszczającej wody warstwy pierza i puchu, która zawiera znaczną ilość powietrza; ze względu na ten szczególny pęcherzyk powietrza otaczający całe ciało ptaka, jego średnia gęstość jest bardzo niska. To wyjaśnia fakt, że kaczki i inne ptactwo wodne nie zanurzają się zbytnio podczas pływania.
Srebrny pająk. Z punktu widzenia praw fizyki istnienie srebrnego pająka jest bardzo interesujące. Srebrny pająk organizuje swoje mieszkanie - podwodny dzwon - z mocnej sieci. Tutaj pająk wydobywa bąbelki powietrza z powierzchni, zatrzymując się między cienkimi włoskami na brzuchu. W dzwonie zbiera zapas powietrza, które od czasu do czasu uzupełnia; dzięki temu pająk może długo przebywać pod wodą.
Rośliny wodne. Wiele roślin wodnych utrzymuje pozycję wyprostowaną, pomimo ekstremalnej elastyczności ich łodyg, ponieważ na końcach ich gałęzi zamknięte są duże pęcherzyki powietrza, pełniące rolę pływaków.
Kasztan wodny. Ciekawą rośliną wodną jest chilim (prex wody). Rośnie w rozlewiskach Wołgi, w jeziorach i ujściach rzek. Jej owoce (orzechy wodne) osiągają 3 cm średnicy i kształtem przypominają kotwicę morską z kilkoma ostrymi rogami lub bez nich. Ta „kotwica” służy do utrzymania młodej kiełkującej rośliny w odpowiednim miejscu. Kiedy chilim zanika, pod wodą zaczynają tworzyć się ciężkie owoce. Mogli utopić roślinę, ale właśnie wtedy na ogonkach liści tworzą się zgrubienia - rodzaj "pasa ratunkowego". Zwiększa to objętość podwodnej części roślin; stąd wzrasta siła wyporu. W ten sposób uzyskuje się równowagę między wagą owocu a siłą wyporu generowaną przez pęcznienie.
Syfon do pływania. Zoolodzy nazywają syfonofory specjalną grupą zwierząt jelitowych. Podobnie jak meduzy, są swobodnie pływającymi zwierzętami morskimi. Jednak w przeciwieństwie do tych pierwszych tworzą złożone kolonie o bardzo wyraźnym polimorfizmie*. Na samym szczycie kolonii zwykle znajduje się osobnik, za pomocą którego cała kolonia jest utrzymywana w słupie wody i porusza się - jest to bańka zawierająca gaz. Gaz jest wytwarzany przez specjalne gruczoły. Ta bańka czasami osiąga 30 cm długości.
Bogaty materiał biofizyczny tego działu umożliwia prowadzenie zajęć z szóstoklasistami w różnorodny i ciekawy sposób.
Opiszmy na przykład rozmowę w trakcie studiowania tematu „Siła Archimedesa”. Studenci zapoznają się z życiem ryb, cechami roślin wodnych. Zapoznali się już z działaniem siły wyporu. Stopniowo doprowadzamy ich do zrozumienia roli prawa Archimedesa dla wszystkich stworzeń w środowisku wodnym. Rozmowę rozpoczynamy od zadawania pytań: dlaczego ryba ma słabszy szkielet niż stworzenia żyjące na lądzie? Dlaczego glony nie potrzebują twardych łodyg? Dlaczego wyrzucony na brzeg wieloryb ginie pod własnym ciężarem? Takie nietypowe pytania na lekcji fizyki zaskakują uczniów. Oni są zainteresowani. Kontynuujemy rozmowę i przypominamy chłopakom, że w wodzie do podparcia towarzysza trzeba użyć znacznie mniej siły niż na brzegu (w powietrzu). Podsumowując wszystkie te fakty, kierując uczniów do ich prawidłowej interpretacji, doprowadzamy dzieci do daleko idącego uogólnienia o wpływie czynnika fizycznego (siła wyporu, która okazuje się znacznie większa w środowisku wodnym niż w powietrzu). na rozwój i cechy strukturalne stworzeń i roślin wodnych.

Prawa Newtona
Niektóre przejawy bezwładności. Dojrzałe strąki roślin strączkowych, otwierające się szybko, tworzą łuki. W tym czasie nasiona, odrywając się od miejsc przyczepu, przez bezwładność poruszają się stycznie na boki. Ta metoda rozsiewania nasion jest dość powszechna w królestwie roślin.
W strefach tropikalnych Oceanu Atlantyckiego i Oceanu Indyjskiego często obserwuje się lot tzw. ryb latających, które uciekając przed drapieżnikami morskimi wyskakują z wody i przy sprzyjającym wietrze wykonują lot szybowcowy, pokonując odległości do 200 - 300 m na wysokości 5 - 7 m. powietrze ze względu na szybkie i silne wibracje płetwy ogonowej. Ryba początkowo pędzi po powierzchni wody, potem mocne uderzenie ogonem unosi ją w powietrze. Rozłożone długie płetwy piersiowe wspierają ciało ryby jak szybowiec. Lot ryb stabilizują płetwy ogonowe; ryby poruszają się tylko przez bezwładność.
Pływanie i trzecie prawo Newtona. Łatwo zauważyć, że w trakcie ruchu ryby i pijawki odpychają wodę, podczas gdy same poruszają się do przodu. Pływająca pijawka cofa wodę falowymi ruchami ciała, a pływająca ryba machaniem ogona. Tak więc ruch ryb i pijawek może służyć za ilustrację trzeciego prawa Newtona.
Lot i trzecie prawo Newtona. Lot owadów opiera się na trzepotaniu skrzydłami (lot trzepoczący). Sterowanie lotem odbywa się prawie wyłącznie za pomocą skrzydeł. Zmieniając kierunek płaszczyzny trzepoczących skrzydeł owady zmieniają kierunek ruchu: do przodu, do tyłu, latanie w jednym miejscu, skręcanie itp. Jednymi z najbardziej zwinnych owadów w locie są muchy. Omi często robi ostre zakręty w bok. Osiąga się to poprzez gwałtowne wyłączenie skrzydeł jednej strony ciała – ich ruch zatrzymuje się na chwilę, podczas gdy skrzydła drugiej strony ciała nadal oscylują, co powoduje obrót w bok od pierwotnego kierunku lotu .
Motyle-brazh-nnkp i gzy mają najwyższą prędkość lotu - 14 - 15 m / s. Ważki latają z prędkością 10 m/s, żuki gnojowe – do 7 m/s, pszczoły – do 6 – 7 m/s. Prędkość lotu owadów jest niska w porównaniu z ptakami. Jeśli jednak obliczymy prędkość względną (szybkość, z jaką trzmiel, jerzyk, szpak i samolot pokonują odległość równą długości własnego ciała), to okaże się, że będzie ona najmniejsza dla samolot i najwięcej dla owadów.
Hans Leonardo da Vinci badał lot ptaków w poszukiwaniu sposobów na obracanie samolotów. Interesował się lotem ptaków. V. Zhukovsky, który opracował podstawy aerodynamiki. Teraz zasada trzepotania lotu ponownie przyciąga uwagę samobudujących
Napęd odrzutowy w dzikiej przyrodzie. Niektóre zwierzęta poruszają się zgodnie z zasadą napędu odrzutowego, na przykład kalmary, ośmiornice (ryc. 8), mątwy. Morski mięczak-I rsbshok, ostro ściskając zawory muszli, może szarpnąć do przodu z powodu reaktywnej siły strumienia wody wrzuconego do muszli. W przybliżeniu ten sam ruch i kilka innych mięczaków. Larwy ważek wciągają wodę do jelita grubego, a następnie wyrzucają ją i skaczą do przodu dzięki sile pędu III.
Ponieważ w tych przypadkach wstrząsy są oddzielone od siebie znacznymi odstępami czasu, nie osiąga się dużej prędkości ruchu. Aby zwiększyć prędkość ruchu, czyli liczbę impulsów reaktywnych w jednostce czasu, konieczne jest zwiększenie przewodnictwa nerwów, które pobudzają skurcz mięśni obsługujących silnik odrzutowy. Tak duża przewodność jest możliwa przy dużej średnicy nerwu. Wiadomo, że kałamarnice mają największe włókna nerwowe w królestwie zwierząt. Osiągają średnicę 1 mm - 50 razy większą niż większość ssaków - i wykonują wzbudzenie z prędkością 25 m/s. To tłumaczy dużą prędkość ruchu kałamarnicy (do 70 km/h).
Przyspieszenia i przeciążenia, które żywe istoty są w stanie wytrzymać. Studiując prawa Newtona, uczniowie mogą zapoznać się z przyspieszeniami, z jakimi mierzy się człowiek w różnych sytuacjach życiowych.
Przyspieszenia w windzie Maksymalne przyspieszenie (lub opóźnienie) podczas ruchu kabiny windy podczas normalnej pracy nie powinno przekraczać 2 m/s2 dla wszystkich wind. Podczas zatrzymywania „stop” maksymalna wartość przyspieszenia nie powinna przekraczać 3 m/s2.
Przyspieszenie w lotnictwie. Kiedy ciało doświadcza przyspieszenia, mówi się, że podlega przeciążeniu. Wielkość przeciążeń charakteryzuje stosunek przyspieszenia ruchu a do przyspieszenia swobodnego spadania g:
k = - . g
Podczas skoków spadochronowych dochodzi do dużych przyspieszeń, aw konsekwencji do przeciążeń.
Jeśli otworzysz spadochron na wysokości 1000 m 15 sekund po upadku, przeciążenie wyniesie około 6; otwarcie spadochronu po takim samym opóźnieniu na 7000 m powoduje przeciążenie równe 12; na wysokości 11 000 m w tych samych warunkach przeciążenie będzie prawie trzykrotnie większe niż na wysokości 1000 m.
Podczas lądowania ze spadochronem występują również przeciążenia, które są tym mniejsze, im dłuższa droga hamowania. Dlatego siła g będzie mniejsza podczas lądowania na miękkim podłożu. Przy prędkości opadania 5 m/s i spłacie na drodze ok. 0,5 m w wyniku zgięcia kolan i tułowia przeciążenie wynosi ok. 3,5.
Maksymalne, choć bardzo krótkotrwałe przyspieszenia są odczuwane przez osobę wylatującą z samolotu. Jednocześnie prędkość wysiadania fotela z kabiny wynosi około 20 m/s, ścieżka rozpędzania -1 – 1,8 m. Maksymalna wartość przyspieszenia sięga 180 – 190 m/s2, przeciążenie – 18 – 20.
Jednak mimo dużej wartości takie przeciążenie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia, gdyż działa krótkotrwale, ok. 0,1 sek.
Wpływ przyspieszeń na organizmy żywe. Zastanów się, jak przyspieszenia wpływają na ludzkie ciało. Impulsy nerwowe sygnalizujące ruch przestrzenny kości iivii, w tym głowy, wchodzą do specjalnego narządu - aparatu przedsionkowego. Aparat przedsionkowy informuje również szew mózgu o zmianie prędkości ruchu, dlatego nazywany jest również narządem zmysłu przyspieszenia. Ten pijarat jest umieszczany w uchu wewnętrznym.
Charakterystykę progowych wartości podrażnień aparatu przedsionkowego, docierających do świadomości osoby, a także przyśpieszenia siatkówki podczas różnych ruchów przedstawia tabela 3.

Przyspieszenia skierowane z tyłu na klatkę piersiową, z klatki piersiowej na plecy iz jednej strony na drugą są łatwiej tolerowane. Dlatego bardzo ważna jest odpowiednia postawa osoby. Warunkiem jest ogólny trening fizyczny, prowadzący do dobrego rozwoju mięśni całego ciała.
Ponadto konieczne jest specjalne szkolenie organizmu w celu zwiększenia wytrzymałości na przyspieszenia. Szkolenie takie odbywa się na specjalnych akceleratorach liniowych, w wirówkach i innych instalacjach.
Stosowane są również specjalne kombinezony anty-gramowe, których konstrukcja zapewnia mocowanie narządów wewnętrznych.
Warto tutaj przypomnieć, że K. E. Tsiołkowski, aby zwiększyć wytrzymałość człowieka na działanie przyspieszeń, zaproponował umieszczenie swojego ciała w cieczy o tej samej gęstości. Należy zauważyć, że taka ochrona ciała przed przyspieszeniami ma dość powszechny charakter. W ten sposób embrion jest chroniony w jaju, tak płód jest chroniony w łonie matki. K. E. Tsiolkovsky umieścił jajko kurze w słoiku z roztworem soli i upuścił je z wysokości. Jajko nie pękło.
Obecnie istnieją dane o podobnych eksperymentach z rybami i żabami. Ryby i żaby umieszczone w wodzie wytrzymywały przyspieszenia uderzeniowe rzędu 1000 g i więcej.
Amortyzator miecznika. W naturze istnieją różne adaptacje, które pozwalają żywym organizmom bezboleśnie znosić przeciążenia występujące podczas przyspieszania i zwalniania. Wiadomo, że pchnięcie podczas skoku mięknie, jeśli wylądujesz na pół zgiętych nogach; rolę amortyzatora pełni kręgosłup, w którym nakładki chrzęstne są rodzajem buforów.
Miecznik posiada ciekawy amortyzator. Miecznik jest znany jako rekordzista wśród pływaków morskich. Jego prędkość sięga 80 – 90 km/h. Jej miecz jest w stanie przebić dębowy kadłub statku. Nie doznaje takiego ciosu. Okazuje się, że w jej głowie u nasady miecza znajduje się amortyzator hydrauliczny - małe wgłębienia w kształcie plastra miodu wypełnione tłuszczem. Łagodzą cios. Poduszki chrzęstne między kręgami miecznika są bardzo grube; podobnie jak zderzaki w wagonach zmniejszają siłę pchania.
Proste mechanizmy w przyrodzie
W szkielecie zwierząt i ludzi wszystkie kości, które mają pewną swobodę ruchu, są dźwigniami, na przykład u ludzi - kości kończyn, żuchwy, czaszki (pierwszy kręg jest punktem podparcia), paliczki palce. U kotów ruchome pazury to dźwignie; wiele ryb ma kolce na płetwie grzbietowej; u stawonogów większość segmentów ich szkieletu zewnętrznego; małże dwuskorupowe mają zawory muszlowe.
Połączenia szkieletowe są zwykle zaprojektowane tak, aby nabierać prędkości przy utracie siły. Szczególnie duże przyrosty prędkości uzyskuje się u owadów.
Stosunek długości ramion elementu dźwigni szkieletu jest ściśle zależny od funkcji życiowych wykonywanych przez ten narząd. Na przykład długie nogi charta i jelenia determinują ich zdolność do szybkiego biegania; krótkie łapy kreta są przeznaczone do rozwijania dużych sił przy niskiej prędkości; długie szczęki charta pozwalają szybko złapać zdobycz w biegu, a krótkie szczęki buldoga zamykają się powoli, ale mocno trzymają (mięsień żucia jest przyczepiony bardzo blisko kłów, a siła mięśni jest przekazywana na kły prawie bez osłabienia).
Elementy dźwigni znajdują się w różnych częściach ciała zwierzęcia i człowieka - są to na przykład kończyny, szczęki.
Rozważmy warunki równowagi dźwigni na przykładzie czaszki (ryc. 9, a). Tutaj oś obrotu dźwigni O przechodzi przez przegub czaszki z pierwszym kręgiem. Przed punktem podparcia na stosunkowo krótkim ramieniu działa siła grawitacji głowy, za nią siła F naciągu mięśni i więzadeł przyczepionych do kości potylicznej.
Innym przykładem działania dźwigni jest działanie łuku stopy podczas podnoszenia na palcach (ryc. 9, b). Podporą O dźwigni, przez którą przechodzi oś obrotu, są głowy kości śródstopia. Pokonana siła R - ciężar całego ciała - jest przyłożona do kości skokowej. Działająca siła mięśniowa F, która unosi ciało, jest przekazywana przez ścięgno Achillesa i przykładana do występu kości piętowej.
W roślinach elementy dźwigni są mniej powszechne, co tłumaczy się niską ruchliwością organizmu roślinnego. Typowa dźwignia to pień drzewa i główny korzeń stanowiący jego kontynuację. Korzeń sosny lub dębu wchodzący głęboko w ziemię ma dużą odporność na przewrócenie (ramię oporu jest duże), więc sosny i dęby prawie nigdy nie przewracają się do góry nogami. Wręcz przeciwnie, świerki, które mają czysto powierzchowny system korzeniowy, bardzo łatwo się przewracają.
Ciekawe mechanizmy łączenia można znaleźć w niektórych kwiatach (takich jak pręciki szałwii), a także w niektórych opadających owocach.
Rozważ strukturę szałwii łąkowej (ryc. 10). Wydłużony pręcik służy jako długie ramię A dźwigni. Na jego końcu znajduje się pylnik. Niejako krótkie ramię B dźwigni strzeże wejścia do kwiatka. Kiedy owad (najczęściej trzmiel) wpełza do kwiatu, naciska na krótkie ramię dźwigni. W tym samym czasie długie ramię uderza pylnikiem w grzbiet trzmiela i pozostawia na nim pyłek. Lecąc do innego kwiatu, owad zapyla go tym pyłkiem.
W naturze powszechne są elastyczne narządy, które mogą zmieniać swoją krzywiznę w szerokim zakresie (kręgosłup, ogon, palce, tułowia węży i ​​wiele ryb). Ich elastyczność wynika z połączenia dużej liczby krótkich dźwigni z systemem dźwigni,
lub połączenie elementów stosunkowo nieelastycznych z elementami pośrednimi, które łatwo ulegają odkształceniom (pień słonia, korpus gąsienicy itp.). W drugim przypadku kontrolę zginania uzyskuje się za pomocą systemu prętów umieszczonych wzdłużnie lub ukośnie.
„Narzędzia do przekłuwania” wielu zwierząt - pazury, rogi itp. mają kształt klina (zmodyfikowana pochyła płaszczyzna); spiczasty kształt głowy szybko poruszającej się ryby jest podobny do klina. Wiele z tych klinów to zęby, kolce (ryc. 11) mają bardzo gładkie twarde powierzchnie (minimalne tarcie), dlatego są bardzo ostre.

Deformacje
Ciało ludzkie doświadcza dość dużego obciążenia mechanicznego związanego z własną wagą i wysiłkiem mięśni, które występują podczas aktywności zawodowej. Pochować-
Resno, że na przykładzie osoby można prześledzić wszystkie rodzaje deformacji. Naprężenia kompresyjne są odczuwane przez kręgosłup, kończyny dolne i powłokę stopy. Nadwyrężenia - kończyny górne, więzadła, ścięgna, mięśnie; zginanie - kręgosłup, kości miednicy, kończyny; skręcanie - szyja podczas obracania głowy, tułów w dolnej części pleców podczas obracania, ręce podczas obracania itp.
Do zestawienia problemów dla odkształceń wykorzystaliśmy dane podane w tabeli 4.
Tabela pokazuje, że moduł sprężystości dla kości lub ścięgna w napięciu jest bardzo duży, a dla mięśni, żył, tętnic bardzo mały.
Ostateczne naprężenie niszczące kość barkową wynosi około 8-107 N/m2, ostateczne naprężenie niszczące kość udową wynosi około 13-107 N/m2. Tkanka łączna w więzadłach, płucach itp. jest bardzo elastyczna, na przykład więzadło potyliczne można rozciągać więcej niż dwukrotnie.
Konstrukcje złożone z pojedynczych prętów (kratownic) lub płyt zbiegających się pod kątem 120° mają maksymalną wytrzymałość przy minimalnym zużyciu materiału. Przykładem takich struktur są sześciokątne komórki plastra miodu.
Opór skrętny wzrasta bardzo szybko wraz ze wzrostem grubości, dlatego narządy przeznaczone do wykonywania ruchów skrętnych są zwykle długie i cienkie (szyja ptaka, ciało węża).
Podczas ugięcia materiał jest rozciągany po stronie wypukłej i ściskany po stronie wklęsłej; średnie szczęki o wyraźnym de-
formacje nie są testowane. Dlatego w technologii solidne pręty są zastępowane rurami, belki są wykonane z belek teowych lub dwuteowych; to oszczędza materiał i zmniejsza wagę jednostek. Jak wiadomo, kości kończyn i łodyg szybko rosnących roślin - zbóż (ryc. 12), rośliny parasolowe itp. mają strukturę rurową, w słoneczniku i innych roślinach łodyga ma luźny rdzeń. Młode, niedojrzałe liście zbóż są zawsze składane w tubę.
Struktury podobne do belki T znajdują się w mostku ptaków, w muszlach wielu mięczaków żyjących w strefie surfingu itp. Belka wygięta w górę i mająca niezawodne podpory, które nie pozwalają na rozsuwanie się jej końców (łuk) , ma dużą siłę w stosunku do wysiłków działających po jego wypukłej stronie (łuki architektoniczne, beczki, aw organizmach - czaszka, klatka piersiowa, skorupki jaj, orzechy, skorupy chrząszczy, raków, żółwi itp.).
Upadek żywych istot. Galileo Galilei napisał: „Kto nie wie, że koń, spadając z wysokości trzech lub czterech łokci, łamie sobie nogi, podczas gdy pies nie cierpi, a kot pozostaje nienaruszony, rzucany z ośmiu do dziesięciu łokci, tak jak świerszcz, który spadł ze szczytu wieży, lub mrówka, która spadła na ziemię przynajmniej ze sfery księżycowej.
Dlaczego małe owady, spadające na ziemię z dużej wysokości, pozostają nienaruszone, podczas gdy duże zwierzęta giną?
Siła kości i tkanek zwierzęcia jest proporcjonalna do ich pola przekroju. Siła tarcia o powietrze podczas upadku ciała jest również proporcjonalna do tego obszaru. Masa zwierzęcia (i jego waga) jest proporcjonalna do jego objętości. Wraz ze zmniejszaniem się wielkości ciała jego objętość zmniejsza się znacznie szybciej niż powierzchnia. Zatem wraz ze spadkiem wielkości spadającego zwierzęcia jego siła hamowania względem powietrza (na jednostkę masy) wzrasta w porównaniu z siłą hamowania na jednostkę masy większego zwierzęcia. Z drugiej strony u mniejszych zwierząt wzrasta siła kości i siła mięśni (również na jednostkę masy).
Nie jest całkowicie poprawne porównywanie siły konia i kota podczas upadku, ponieważ mają one inną budowę ciała, w szczególności urządzenia „amortyzujące”, które łagodzą wstrząsy podczas uderzeń, są różne. Lepiej byłoby porównać tygrysa, rysia i kota. Najsilniejszym z tych kotów byłby kot!
„Sprzęt budowlany” w świecie dzikiej przyrody. Po przestudiowaniu tematu „Ciało stałe” warto porozmawiać o analogiach w „technice konstrukcyjnej natury” i technice stworzonej przez człowieka.
Sztuka budowania natury i ludzi rozwija się według tej samej zasady - oszczędzania materiałów i energii.
Od czasów starożytnych różne projekty dzikich zwierząt zaskakują i zachwycają. Siła i elegancja pajęczej sieci jest niesamowita, zachwyca sztuka budowy mieszkania pszczół - surowa geometria ich plastrów miodu, składających się z regularnych sześciokątnych komórek. Struktury mrówek i termitów są niesamowite. Wyspy koralowe i rafy utworzone przez szkielety wapiennych koralowców są niesamowite. Niektóre wodorosty pokryte są delikatnymi, twardymi muszlami. Na przykład perydynie są ubrane w dziwaczne muszle utworzone z oddzielnych twardych muszli. Pokazano je w dużym powiększeniu na rysunku 13.
Jeszcze bardziej zróżnicowane są radiolariany morskie (najprostsze zwierzęta), których drobne szkielety pokazano na rycinie 14 (dla porównania płatki śniegu oznaczono cyframi - 3).
Ostatnio uwagę budowniczych zajmują próbki świata roślin. K. A. Timiryazev napisał: „Rola łodygi, jak wiadomo, jest głównie architektoniczna: jest to solidny szkielet całego budynku, niosący namiot z liści, a w grubości którego, podobnie jak rury wodociągowe, znajdują się naczynia z sokami ułożone... To właśnie na łodygach poznaliśmy całą serię niesamowitych faktów dowodzących, że zostały zbudowane zgodnie ze wszystkimi zasadami sztuki budowlanej.
Jeśli weźmiemy pod uwagę przekroje pnia i nowoczesny komin fabryczny, uderzające jest podobieństwo ich projektów. Zadaniem rury jest tworzenie przeciągu i usuwanie szkodliwych gazów z ziemi. Składniki odżywcze wyrastają z łodygi rośliny od korzeni. Zarówno rura, jak i trzpień podlegają stałemu działaniu tego samego rodzaju obciążeń statycznych i dynamicznych – własnego ciężaru, wiatru itp. To są przyczyny ich podobieństwa konstrukcyjnego. Oba projekty są puste. Pasma trzpieniowe, jak również podłużne wzmocnienie rury, znajdują się na obwodzie całego obwodu. Wzdłuż ścian obu struktur znajdują się owalne puste przestrzenie. Rolę wzmocnienia spiralnego w łodydze pełni skóra.
Wiadomo, że stały materiał w kościach znajduje się zgodnie z trajektoriami głównych naprężeń. Można to znaleźć, jeśli weźmiemy pod uwagę podłużny przekrój górnej części kości udowej człowieka i zakrzywioną belkę żurawia pracującą w zginaniu pod działaniem pionowego obciążenia rozłożonego na pewnym obszarze górnej powierzchni. Co ciekawe, stalowa Wieża Eiffla przypomina swoją budową rurkowate kości człowieka (kość udową lub piszczelową). Istnieje podobieństwo w zewnętrznych formach konstrukcji oraz w narożach między „belkami” i „belkami” kości a zastrzałami wieży.
Nowoczesna architektura i technika budowlana charakteryzuje się dbałością o najlepsze „przykłady” dzikiej przyrody. Wszak współczesne wymagania to wytrzymałość i lekkość, które bez trudu można spełnić stosując w budownictwie stal, żelbet, aluminium, cement zbrojony i tworzywa sztuczne. Powszechnie stosowane są przestrzenne systemy kratowe. Ich prototypami są „szkielety” pnia lub pnia drzewa, uformowane z bardziej wytrzymałej tkanki niż reszta materiału roślinnego, pełniącego funkcje biologiczne i izolacyjne. Jest to system żył liścia drzewa i siatka włośników. Takie konstrukcje przypominają kosze, drucianą ramę klosza, zakrzywioną kratę balkonu itp. Włoski inżynier P. Nervi zastosował zasadę budowy liścia drzewa w pokryciu turyńskiej hali wystawienniczej, dzięki którego lekka i cienka konstrukcja obejmuje 98-metrową rozpiętość bez podpór. Okładka naszej książki przedstawia tego typu budowlę, która wygląda jak muszla lub przewrócona filiżanka z kwiatem.
Charakterystyczne jest zastosowanie konstrukcji pneumatycznych, które są dość zgodne z naturalnymi formami: kształtem owoców, pęcherzyków powietrza, naczyń krwionośnych, liści roślin itp.
Aby wzmocnić materiały budowlane, fizykochemicy zajęli się badaniem najmniejszych konstrukcji i obecnie opracowują technologię produkcji ultra wytrzymałych materiałów składających się z wielu drobnych włókien, folii i ziaren zgodnie z zasadami sugerowanymi przez naturę. Aby uzyskać wytrzymałe konstrukcje, nie wystarczy jednak wzmocnić materiały budowlane. Wiadomo, że struktury kostne czasami przewyższają stalowe pod wieloma wskaźnikami, ale dzieje się tak z powodu „rozmieszczenia” materiału kostnego, który ma gorszą wytrzymałość niż stal.
Tworząc taką lub inną strukturę, natura rozwiązuje wiele problemów - uwzględnia niezbędną odporność na zewnętrzne wpływy mechaniczne oraz fizyczne i chemiczne wpływy środowiska, zapewnia roślinom wodę, powietrze, słońce. Wszystkie te
zadania są rozwiązywane kompleksowo, wszystko podlega wspólnemu zadaniu, ogólnemu rytmowi życia organizmu. W roślinach nie zobaczysz swobodnie zawieszonych kapilar wodnych, jak w strukturach ludzkich. Oprócz zadania równomiernego i stałego ruchu wody, pełnią również funkcję mechaniczną, przeciwstawiając się zewnętrznym wpływom mechanicznym środowiska.
A jeśli wyobrażasz sobie możliwość samoodnawiania się konstruktywnego materiału podczas jego działania, co jest nieodłączne w żywej naturze! Najwyraźniej ochronę przed szkodliwymi wpływami chemicznymi, przed niskimi i wysokimi temperaturami można znaleźć w badaniu tkanek powłokowych roślin i zwierząt.
Sztuka budowania, uzbrojona w bionikę, stworzy świat struktur i budynków bardziej naturalnych i doskonałych niż ten, do którego jesteśmy przyzwyczajeni.

Moc rozwinięta przez człowieka
Przechodząc przez temat „Praca i moc”, warto podać kilka informacji na temat siły, którą dana osoba jest w stanie rozwinąć.
Uważa się, że osoba w normalnych warunkach pracy może rozwinąć moc około 70 - 80 watów (lub około 0,1 KM). Możliwy jest jednak kilkukrotny krótkotrwały wzrost mocy.
Tak więc osoba ważąca 750 k może wskoczyć na wysokość 1 m w ciągu 1 sekundy, co odpowiada mocy 750 watów. Przy szybkim podejściu, na przykład 7 stopni, z których każdy ma około 0,15 m wysokości, moc około 1 litra rozwija się w ciągu 1 sekundy. Z. lub 735 watów.
Niedawno kolarz olimpijski Brian Jolly testował 480 watów przez 5 minut, co daje prawie 2/3 KM. Z.
U człowieka możliwe jest natychmiastowe lub wybuchowe uwolnienie energii, zwłaszcza w sportach takich jak pchnięcie kulą lub skok wzwyż. Obserwacje wykazały, że podczas wysokich skoków z jednoczesnym odpychaniem obiema nogami, niektórzy mężczyźni rozwijają średnią moc około 5,2 litra w ciągu 0,1 sekundy. s., a kobiet - 3,5 roku. Z.

Urządzenia do zmiany siły podnoszenia
Ciekawe informacje o budowie ciała rekinów i jesiotrów można znaleźć w związku z badaniem problemu siły nośnej skrzydła samolotu. Wiadomo, że przy lądowaniu samolotu, gdy jego prędkość, a co za tym idzie siła nośna jest niewielka, potrzebne są dodatkowe urządzenia zwiększające siłę nośną. W tym celu stosuje się specjalne tarcze -
klapy umieszczone na dolnej powierzchni skrzydła, służące do zwiększenia krzywizny jego profilu. Podczas lądowania pochylają się.
Ryby kostne (do których należy zdecydowana większość współczesnych ryb) regulują swoją średnią gęstość, a tym samym głębokość zanurzenia za pomocą pęcherza pławnego. Ryby chrzęstne nie mają takiej adaptacji. Ich siła nośna zmienia się ze względu na zmianę profilu, podobnie jak samoloty, na przykład rekiny (ryby chrzęstne) zmieniają siłę nośną za pomocą płetw piersiowych i brzusznych.

Maszyna płucno-serce (APC)
Kończąc naukę mechaniki, warto opowiedzieć uczniom o urządzeniu maszyny płuco-serce.
Podczas operacji na sercu często zachodzi konieczność czasowego wyłączenia go z krążenia i operacji na suchym sercu.
Ryż. piętnaście.
Płuco-serce składa się z dwóch głównych części: układu pompowego i oksygenatora. Pompy pełnią funkcje serca - utrzymują ciśnienie i krążenie krwi w naczyniach organizmu podczas zabiegu. Natleniacz pełni funkcje płuc i zapewnia nasycenie krwi tlenem.
Uproszczony schemat urządzenia pokazano na rysunku 15. Pompy tłokowe 18 są napędzane silnikiem elektrycznym 20 przez regulator 19 \, który ustawia rytm i skok tłoków pompy. Ciśnienie przez rurki wypełnione olejem przekazywane jest do pomp 4 i 9, które za pomocą gumowych membran i zaworów wytwarzają niezbędne podciśnienie w części żylnej (pompa 4) i kompresję w części tętniczej (pompa 9) jednostki fizjologicznej urządzenia. Blok fizjologiczny składa się z układu krążenia, który za pomocą cewników polietylenowych komunikuje się z dużymi naczyniami w miejscu ich wyjścia z serca oraz oksygenatorem.
Krew jest zasysana przez pułapkę powietrzną 1, zacisk elektromagnetyczny 2, komorę wyrównawczą 3, która spełnia funkcje przedsionka, i jest wstrzykiwana do górnej komory 5 oksygenatora za pomocą pompy 4. Tutaj krew jest równomiernie rozprowadzana po kolumnie piany krwi wypełniającej jej środkową komorę 6. Jest to cylinder wykonany z nylonowej siatki, na dnie której znajduje się dystrybutor tlenu 7. Tlen równomiernie przez 30 otworów dostaje się do komory przez warstwa powietrza utworzona na dnie komory. Całkowita powierzchnia pęcherzyków w kolumnie piankowej wynosi około 5000 cm2 (przy objętości krwi 150 - 250 cm3). W oksygenatorze krew jest nasycana tlenem, uwalnia dwutlenek węgla do otaczającej atmosfery i przepływa do dolnej komory 8, skąd dostaje się do układu tętniczego organizmu przez pompę 9, zacisk 10 i pułapkę powietrzną 11. Tlen wchodzi do oksygenatora przez gazomierz 17 i nawilżacz 16. W górnej części oksygenatora znajduje się odpieniacz 12 oraz wylot gazu. Naczynie 15 z zapasową krwią lub płynem zastępczym krwi łączy się z oksygenatorem przez zacisk 14. Wypływ krwi z oksygenatora jest regulowany przez pływak 13 połączony indukcyjnie z umieszczoną na zewnątrz cewką, która steruje aktywacją zacisków elektromagnetycznych urządzenia.

Pytania i zadania

Rozwiązując problemy związane z żywymi obiektami, należy bardzo uważać, aby nie dopuścić do błędnej interpretacji procesów biologicznych.
Rozważ rozwiązanie kilku problemów, które zaproponowaliśmy studentom.

Zadanie 1. Jak wytłumaczyć za pomocą przedstawień fizycznych, że podczas burzy świerk łatwo pęka wraz z korzeniem, a pień szybciej pęka u sosny?
Przed podjęciem decyzji zapoznajmy się z charakterystyką tych drzew.
„Swoimi korzeniami, rozłożystymi powierzchniowo, może (świerk. - Ts.K.) ciasno splatać kamienie, dzięki czemu ma niezbędną stabilność w górach, nawet przy bardzo cienkiej warstwie gleby, ale ponieważ tak nie jest, jak sosna, pionowo opuszczając korzeń, to na równinach osobny świerk jest łatwo wyrywany przez burzę wraz z korzeniem. Korona drzewa tworzy ogromną piramidę.”
„Rosnąca w lesie sosna tworzy wysoki, kolumnowy pień i małą piramidalną koronę. Wręcz przeciwnie, rosnąc w miejscu czysto otwartym, osiąga tylko niewielki przyrost, ale jego korona rośnie szeroko.
Następnie omówili z uczniami możliwość zastosowania zasady chwil do rozwiązania problemu.
Interesuje nas analiza tylko jakościowej strony zagadnienia. Ponadto interesuje nas kwestia porównawczego zachowania obu drzew. Rolę obciążenia w naszym problemie odgrywa siła wiatru FB. Można dodać siłę wiatru działającego na pień do siły wiatru działającego na koronę, a nawet założyć, że siły wiatru działające na oba drzewa są takie same. Wtedy najwyraźniej dalsze rozumowanie powinno „być następujące. System korzeniowy sosny wchodzi głębiej w ziemię niż świerka. Z tego powodu ramię siły trzymającej sosnę w ziemi jest większe niż świerka ( Rys. 16) Dlatego też, aby wywrócić świerk o korzeń do góry niż do sosny, potrzeba mniejszego momentu obrotowego wiatru, a wyrwanie sosny z korzeniami wymaga większego momentu obrotowego niż do złamania. jest wyrywana częściej niż sosna, a sosna łamie się częściej niż świerk.

KOHETS FRAGMEHTA KSIĄŻKI

Znajomość funkcji człowieka to jedno z najtrudniejszych zadań. Następuje rozwój nauki na pierwszych etapach - zróżnicowanie dyscyplin mających na celu dogłębne zbadanie pewnych problemów. Na pierwszym etapie staramy się poznać pewną część, a gdy nam się to udaje, pojawia się kolejne zadanie – jak zrobić ogólny pomysł. Na styku oryginalnych specjalności znajdują się dyscypliny naukowe. Dotyczy to również biofizyki, która pojawiła się na skrzyżowaniu fizjologii, fizyki, chemii fizycznej i otworzyła nowe możliwości w zrozumieniu procesów biologicznych.

Biofizyka- nauka zajmująca się badaniem procesów fizycznych i fizykochemicznych zachodzących na różnych poziomach materii żywej (molekularnej, komórkowej, narządowej, całego organizmu), a także wzorców i mechanizmów oddziaływania fizycznych czynników środowiskowych na materię żywą.

Przeznaczyć-

• biofizyka molekularna - kinetyka i termodynamika procesów
• biofizyka komórki - badanie struktury komórki i przejawów fizykochemicznych - przepuszczalność, tworzenie biopotencjałów
• biofizyka narządów zmysłów - fizyczne i chemiczne mechanizmy odbioru, przemiany energii, kodowanie informacji w receptorach.
• Biofizyka układów złożonych – procesy regulacji i samoregulacji oraz termodynamiczne cechy tych procesów
• Biofizyka oddziaływania czynników zewnętrznych – bada wpływ na organizm promieniowania jonizującego, ultradźwięków, wibracji, ekspozycji na światło

Zadania biofizyczne

1. Ustal wzorce dzikiej przyrody, badając fizyczne i chemiczne zjawiska w ciele
2. Badanie mechanizmów wpływu czynników fizycznych na organizm

Euler (1707-1783) - prawa teorii hydrodynamiki, aby wyjaśnić ruch krwi przez naczynia

Lavoisier (1780) - badał wymianę energii w ciele

Galvani (1786) - twórca doktryny biopotencjałów, elektryczności zwierzęcej

Helmholtza(1821)

RTG - próbował wyjaśnić mechanizmy skurczu mięśni z pozycji efektów piezoelektrycznych

Arrhenius - prawa kinetyki klasycznej do wyjaśnienia procesów biologicznych

Łomonosow - prawo zachowania i transformacji energii

Sechenov - badał transport gazu we krwi

Lazarev - założyciel krajowej szkoły biofizycznej

Pauling – odkrycie przestrzennej struktury białka

Watson i Crick – odkrycie podwójnej struktury DNA

Hodgkin, Huxley, Katz - odkrycie jonowej natury zjawisk bioelektrycznych

Prigogine - teoria termodynamiki procesów nieodwracalnych

Eigen - teoria hipercykli jako podstawa ewolucji

Sakman, Neher - ustalił strukturę molekularną kanałów jonowych

Biofizyka stała się połączona z rozwojem medycyny, ponieważ. stosowano tam metody fizycznego oddziaływania na organizm.

Biologia rozwijała się i trzeba było zgłębiać tajniki procesów biologicznych zachodzących na poziomie molekularnym

Potrzeba przemysłu, którego rozwój doprowadził do działania na organizm różnych czynników fizycznych - promieniowania radioaktywnego, wibracji, nieważkości, przeciążeń

Metody badań biofizycznych

• Analiza dyfrakcji rentgenowskiej- badanie struktury atomowej materii z wykorzystaniem dyfrakcji rentgenowskiej. Rozkład gęstości elektronowej substancji jest ustalany na podstawie wzoru dyfrakcyjnego i już na jego podstawie można określić, które atomy są zawarte w substancji i jak się znajdują. Badanie struktur krystalicznych, cieczy i cząsteczek białek.
• Chromatografia kolumnowa- różna dystrybucja i analiza mieszanin między 2 fazami - mobilną i stacjonarną. Może to być związane z różnym stopniem wchłaniania substancji lub różnym stopniem wymiany jonowej. Może być gazem lub cieczą. Dystrybucję substancji stosuje się w kapilarach – kapilarnych lub w rurkach wypełnionych sorbentem – kolumnowym. Można zrobić na papierze, talerzach
• Analiza spektralna- jakościowe i ilościowe oznaczanie substancji za pomocą widm optycznych. Substancja jest określana albo przez widmo emisyjne – analiza spektralna emisji, albo przez widmo absorpcyjne – absorpcja. Zawartość substancji jest określona przez względną lub bezwzględną grubość linii w widmie. Obejmują również radiospektroskopię - elektronowy rezonans paramagnetyczny i magnetyczny rezonans jądrowy.
• Wskazanie izotopu
• mikroskopia elektronowa
• mikroskopia ultrafioletowa- badanie obiektów biologicznych w promieniach UV zwiększa kontrast obrazu, zwłaszcza struktur wewnątrzkomórkowych, a także pozwala na badanie innych komórek bez wstępnego barwienia i utrwalania preparatu

Jednym z najważniejszych warunków egzystencji jest odpowiednie przystosowanie funkcji, narządów i tkanek, układów do środowiska. Istnieje ciągła równowaga organizmu i środowiska. W tych procesach głównym procesem jest regulacja i kontrola funkcji fizjologicznych.

Ogólne prawa wdrażania, zarządzania i przetwarzania informacji w różnych systemach są przedmiotem nauki o cybernetyce (cybernetyka jest sztuką zarządzania).Prawa zarządzania są wspólne zarówno dla ludzi, jak i urządzeń technicznych. Pojawienie się cybernetyki zostało przygotowane przez rozwój teorii automatycznego sterowania, rozwój elektroniki radiowej i stworzenie teorii informacji.

Praca ta została zaprezentowana przez Shannona (1948) w „The Mathematical Theory of Communication”

Cybernetyka zajmuje się badaniem systemów dowolnego rodzaju zdolnych do odbierania, przechowywania i przetwarzania informacji oraz wykorzystywania ich do zarządzania i regulacji. Cybernetyka bada te sygnały i czynniki, które prowadzą do określonych procesów kontrolnych.

Ma to ogromne znaczenie dla medycyny. Analiza procesów biologicznych umożliwia jakościowe i ilościowe badanie mechanizmów regulacji. W organie decydują procesy informacyjne zarządzania i regulacji, tj. są pierwotne, na podstawie których zachodzą wszystkie procesy.

Systemy- zorganizowany zespół elementów połączonych ze sobą i realizujących określone funkcje zgodnie z programem całego systemu. Elementami mózgu będą neurony. Elementami zespołu są ludzie, którzy go tworzą. Tylko tłum nie jest systemem cybernetycznym.

Program- kolejność zmian w systemie w przestrzeni i czasie, które można włączyć w strukturę systemu lub wprowadzić do niego z zewnątrz.

Połączenie- proces wzajemnego oddziaływania elementów, w którym następuje wymiana materii, energii, informacji.

Komunikaty są ciągłe i dyskretne.

Ciągły mają charakter wartości ciągle zmieniającej się (ciśnienie krwi, temperatura, napięcie mięśniowe, melodie muzyczne).

Oddzielny- składają się z oddzielnych etapów lub gradacji, które różnią się od siebie (porcje mediatorów, zasada azotowa DNA, kropki i kreski alfabetem Morse'a)

Ważny jest również proces kodowania informacji. Jest kodowany przez impulsy nerwowe w celu odbierania informacji przez ośrodki nerwowe. Elementy kodu - symbole i pozycje. Symbole to bezwymiarowe wielkości, które coś odróżniają (litery alfabetu, znaki matematyczne, impulsy nerwowe, molekuły substancji zapachowych oraz pozycje określają przestrzenny i czasowy układ symboli).

Kod informacyjny zawiera te same informacje, co oryginalna wiadomość. To jest zjawisko izomorfizmu. Sygnał kodu ma bardzo niską wartość energetyczną. Nadejście informacji ocenia się na podstawie obecności lub braku sygnału.

Wiadomość i informacja to nie to samo, ponieważ zgodnie z teorią informacji

Informacja- miara wielkości niepewności, która jest eliminowana po otrzymaniu komunikatu.

Możliwość imprezy informacje a priori.

Prawdopodobieństwo zdarzenia po otrzymaniu informacji wynosi informacja a posteriori.

Informacyjność przekazu będzie tym większa, jeśli otrzymana informacja zwiększa prawdopodobieństwo a posteriori.

Właściwości informacyjne.

1. Informacja ma sens tylko wtedy, gdy są jej odbiorcy (odbiorca) – „jeśli w pokoju jest telewizor, a nikogo w nim nie ma”
2. Obecność sygnału niekoniecznie oznacza, że ​​informacja jest przekazywana, ponieważ: są wiadomości, które nie wnoszą dla konsumenta niczego nowego.
3. Informacje mogą być przekazywane zarówno na poziomie świadomym, jak i podświadomym.
4. Jeśli zdarzenie jest wiarygodne (tj. jego prawdopodobieństwo wynosi P=1), wiadomość o jego zaistnieniu nie zawiera żadnej informacji dla konsumenta
5. Komunikat o zdarzeniu, którego prawdopodobieństwo wynosi P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Dezinformacja- ujemna wartość informacji.

Miara niepewności zdarzeń - entropia(H)

Jeżeli log2 N=1 to N=2

Jednostka informacji - fragment(podwójna jednostka informacji)

H=lg N (Hartley)

1 hartley to ilość informacji potrzebnych do wybrania jednej z dziesięciu równoważnie prawdopodobnych możliwości. 1 hartley = 3,3 bita

Regulator może działać na kompensację, gdy działaniem na organizm jest kompensacyjne działanie regulatora, co prowadzi do normalizacji funkcji

Zarządzanie ma na celu uruchomienie funkcji fizjologicznych, ich korektę i koordynację procesów.

Najstarszym jest humoralny mechanizm regulacji.

mechanizm nerwowy.

mechanizm neurohumoralny.

Rozwój mechanizmów regulacyjnych prowadzi do tego, że zwierzęta są w stanie się poruszać i opuszczać niekorzystne środowisko, w przeciwieństwie do roślin.

Mechanizm placówki (u ludzi) - w postaci odruchów warunkowych. Na bodźce sygnalizacyjne możemy wdrożyć środki wpływające na środowisko.

Biofizyka (fizyka biologiczna) - nauka o najprostszych i podstawowych oddziaływaniach leżących u podstaw procesów biologicznych zachodzących na różnych poziomach organizacji materii żywej - molekularnej, komórkowej, organizmowej i populacyjnej.

Wstęp

Konstrukcje teoretyczne i modele biofizyki opierają się na pojęciach energii, siły, rodzajów oddziaływań, ogólnych pojęciach kinetyki fizycznej i formalnej, termodynamiki i teorii informacji. Pojęcia te odzwierciedlają naturę podstawowych oddziaływań i praw ruchu materii, która, jak wiadomo, jest przedmiotem fizyki - fundamentalnej nauki przyrodniczej. Biofizyka jako nauka biologiczna koncentruje się na procesach i zjawiskach biologicznych. Głównym nurtem współczesnej biofizyki jest wnikanie w najgłębsze, elementarne poziomy, które stanowią podstawę strukturalnej organizacji żywych.

Powstawanie i rozwój biofizyki jest ściśle związane z intensywnym przenikaniem się idei, podejść teoretycznych i metod współczesnej biologii, fizyki, chemii i matematyki.

Nowoczesna klasyfikacja biofizyki przyjęta przez IUPAB

Klasyfikacja przyjęta przez Międzynarodową Unię Biofizyki Czystej i Stosowanej (1961), która odzwierciedla główne obiekty biologiczne w dziedzinie badań biofizycznych, obejmuje następujące działy: biofizyka molekularna, której zadaniem jest badanie właściwości fizycznych i fizykochemicznych makrocząsteczki i kompleksy molekularne; biofizyka komórki, która zajmuje się fizykochemicznymi podstawami życia komórki, zależnościami między strukturą molekularną błon i organelli komórkowych a ich funkcjami, wzorcami koordynacji procesów komórkowych, ich właściwościami mechanicznymi i elektrycznymi, energią i termodynamiką procesów komórkowych; biofizyka układów złożonych, które obejmują pojedyncze organelle, całe organizmy i populacje; biofizyka procesów sterowania i regulacji, która zajmuje się badaniem i modelowaniem zasad sterowania w układach biologicznych. Są też działy biofizyki: budowa biopolimerów (białka, DNA, lipidy), biomechanika, optyka biologiczna, biomagnetyzm, termodynamika biologiczna. Biofizyka obejmuje również dziedziny nauki, które badają mechanizmy oddziaływania na układy biologiczne różnych czynników fizycznych (światło, promieniowanie jonizujące, pola elektromagnetyczne itp.).

Historia przenikania zasad fizyki i matematyki do biologii

Początek badań właściwości fizycznych obiektów biologicznych wiąże się z pracami G. Galileusza i R. Descartesa (XVII w.), którzy położyli podwaliny pod mechanikę, na której zasadach podjęto pierwsze próby wyjaśnienia niektórych Procesy życiowe. Kartezjusz na przykład uważał, że ludzkie ciało jest jak złożona maszyna, składająca się z tych samych elementów, co ciała nieorganiczne. Włoski fizyk G. Borelli zastosował zasady mechaniki w opisie mechanizmów ruchu zwierząt. W 1628 r. W. Harvey opisał mechanizm krążenia krwi na podstawie praw hydrauliki. W XVIII wieku odkrycia w dziedzinie fizyki i doskonalenie jej aparatu matematycznego miały ogromne znaczenie dla zrozumienia procesów fizykochemicznych zachodzących w organizmach żywych. Zastosowanie podejść fizycznych dało impuls do wprowadzenia do biologii metod eksperymentalnych i idei nauk ścisłych. L. Euler matematycznie opisał ruch krwi w naczyniach. Śr. Łomonosow dokonał szeregu ogólnych osądów na temat natury smaku i wrażeń wizualnych, przedstawił jedną z pierwszych teorii widzenia barw. A. Lavoisier i P. Laplace wykazali jedność praw chemii dla ciał nieorganicznych i organicznych, ustalając, że proces oddychania jest podobny do powolnego spalania i jest źródłem ciepła dla organizmów żywych. Twórcza dyskusja między A. Voltaiem i L. Galvanim na temat problemu odkrycia przez tego ostatniego „żywej elektryczności” stanowiła podstawę elektrofizjologii i odegrała ważną rolę w ogólnych badaniach elektryczności.

Rozwój biofizyki w XIX - początku XX wieku

W 19-stym wieku Rozwojowi biologii towarzyszyło wzbogacenie wiedzy o właściwościach fizykochemicznych struktur i procesów biologicznych. Duże znaczenie miało stworzenie elektrolitycznej teorii roztworów S. Arrheniusa, jonowej teorii zjawisk bioelektrycznych V. Nernsta. Uzyskano podstawowe wyobrażenia o naturze i roli potencjałów czynnościowych w mechanizmie powstawania i propagacji wzbudzenia wzdłuż nerwu ( G. Helmholtza E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Niemcy); Znaczenie zjawisk osmotycznych i elektrycznych w życiu komórek i tkanek zostało wyjaśnione dzięki pracy J. Loeba (USA), W. Nernsta i R. Gerbera (Niemcy). Wszystko to pozwoliło Dubois-Reymondowi dojść do wniosku, że w materialnych cząstkach organizmów nie znaleziono nowych sił, które nie mogłyby działać poza nimi. Takie pryncypialne stanowisko położyło kres wyjaśnianiu procesów życiowych przez działanie pewnych specjalnych „czynników życiowych, które nie podlegają pomiarom fizycznym”.

Krajowi naukowcy wnieśli znaczący wkład w rozwój biofizyki. ICH. Sieczenow badał wzorce rozpuszczania gazów we krwi, biomechanikę ruchów. Kondensacyjną teorię wzbudzenia tkanek nerwowych, opartą na nierównej ruchliwości jonów, zaproponował V.Yu. Czagowiec. K.A. Timiryazev określił aktywność fotosyntetyczną poszczególnych odcinków widma słonecznego, ustalając wzory ilościowe, które odnoszą się do szybkości procesu fotosyntezy i absorpcji światła przez chlorofil w liściach o różnym składzie spektralnym. Idee i metody fizyki i chemii fizycznej zostały wykorzystane w badaniu ruchu, narządów słuchu i wzroku, fotosyntezy, mechanizmu wytwarzania siły elektromotorycznej w nerwie i mięśniu, znaczenia środowiska jonowego dla życiowej aktywności komórek i tkanki. W latach 1905-15. N.K. Koltsov badał rolę czynników fizykochemicznych (napięcie powierzchniowe, stężenie jonów wodorowych, kationów) w życiu komórki. P.P. Lazarevowi przypisuje się rozwój jonowej teorii wzbudzenia (1916) oraz badanie kinetyki reakcji fotochemicznych. Stworzył pierwszą radziecką szkołę biofizyków, zjednoczył wokół siebie dużą grupę wybitnych naukowców (byli wśród nich S.I. Wawiłow, S.V. Kravkov, V.V. Shuleikin, S.V. Deryagin i inni). W 1919 założył Instytut Fizyki Biologicznej Ludowego Komisariatu Zdrowia w Moskwie, gdzie prowadzono prace nad teorią wzbudzenia jonów, badaniem kinetyki reakcji zachodzących pod działaniem światła, widm absorpcji i fluorescencji obiektów biologicznych, a także procesy pierwotnego oddziaływania na organizm różnych czynników środowiskowych. Księgi V.I. Vernadsky („Biosfera”, 1926), E.S. Bauer („Biologia teoretyczna”, 1935), D.L. Rubinshtein („Fizykochemiczne podstawy biologii”, 1932), N.K. Koltsov („Organizacja komórki”, 1936), D.N. Nasonov i V.Ya. Alexandrova („Reakcja żywej materii na wpływy zewnętrzne”, 1940) itp.

W drugiej połowie XX wieku postęp biofizyki był bezpośrednio związany z postępem fizyki i chemii, rozwojem i doskonaleniem metod badawczych i podejść teoretycznych oraz wykorzystaniem komputerów elektronicznych. Wraz z rozwojem biofizyki do biologii przeniknęły tak precyzyjne eksperymentalne metody badawcze, jak badania spektralne, izotopowe, dyfrakcyjne i radiospektroskopowe. Szeroki rozwój energii atomowej wywołał zainteresowanie badaniami w dziedzinie radiobiologii i biofizyki radiacyjnej.

Głównym rezultatem początkowego okresu rozwoju biofizyki jest wniosek o fundamentalnej stosowalności w dziedzinie biologii podstawowych praw fizyki jako fundamentalnej nauki przyrodniczej o prawach ruchu materii. Duże ogólne znaczenie metodologiczne dla rozwoju różnych dziedzin biologii mają uzyskane w tym okresie dowody prawa zachowania energii (pierwsza zasada termodynamiki), aprobata zasad kinetyki chemicznej jako podstawy zachowania dynamicznego systemów biologicznych, koncepcja systemów otwartych i druga zasada termodynamiki w systemach biologicznych, wreszcie wniosek o braku specjalnych „żywych” form energii. Wszystko to w dużej mierze wpłynęło na rozwój biologii, wraz z sukcesami biochemii i postępami w badaniach struktury biopolimerów, przyczyniło się do ukształtowania wiodącego nowoczesnego kierunku w naukach biologicznych – biologii fizycznej i chemicznej, w której biofizyka zajmuje ważne miejsce. miejsce.

Główne kierunki badań i osiągnięcia współczesnej biofizyki

We współczesnej biofizyce istnieją 2 główne obszary składające się na przedmiot biofizyki - biofizyka teoretyczna rozwiązuje ogólne problemy termodynamiki układów biologicznych, organizacji dynamicznej i regulacji procesów biologicznych, rozważa fizyczny charakter oddziaływań determinujących strukturę, stabilność i ruchliwość dynamiczną wewnątrzcząsteczek makrocząsteczek i ich kompleksów, mechanizmy przemian energetycznych w nich; i biofizyka określonych procesów biologicznych ( biofizyka komórkowa), którego analizę przeprowadza się na podstawie ogólnych pojęć teoretycznych. Główny nurt rozwoju biofizyki wiąże się z wnikaniem w mechanizmy molekularne leżące u podstaw zjawisk biologicznych na różnych poziomach organizacji życia.

Na obecnym etapie rozwoju biofizyki nastąpiły zasadnicze przesunięcia związane przede wszystkim z szybkim rozwojem działów teoretycznych biofizyki układów złożonych oraz biofizyki molekularnej. To właśnie w tych dziedzinach, zajmujących się prawidłowościami dynamicznych zachowań układów biologicznych i mechanizmami oddziaływań molekularnych w biostrukturach, uzyskano ogólne wyniki, na podstawie których biofizyka stworzyła własną bazę teoretyczną. Modele teoretyczne opracowane w takich działach jak kinetyka, termodynamika, teoria regulacji układów biologicznych, budowa biopolimerów i ich elektronowe właściwości konformacyjne stanowią podstawę w biofizyce do analizy określonych procesów biologicznych. Stworzenie takich modeli jest konieczne do zidentyfikowania ogólnych zasad podstawowych, istotnych biologicznie oddziaływań na poziomie molekularnym i komórkowym, ujawnienia ich natury zgodnie z prawami współczesnej fizyki i chemii z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć matematyki oraz opracowania na ich podstawie tych początkowych uogólnionych pojęć adekwatnych do opisywanych zjawisk biologicznych.

Najważniejszą cechą jest to, że konstruowanie modeli w biofizyce wymaga takiej modyfikacji idei pokrewnych nauk ścisłych, co jest równoznaczne z rozwojem nowych koncepcji w tych naukach stosowanych do analizy procesów biologicznych. Same systemy biologiczne są źródłem informacji stymulującym rozwój pewnych dziedzin fizyki, chemii i matematyki.

W dziedzinie biofizyki układów złożonych wykorzystanie zasad kinetyki chemicznej do analizy procesów metabolicznych otworzyło szerokie możliwości ich matematycznego modelowania za pomocą równań różniczkowych zwyczajnych. Na tym etapie uzyskano wiele ważnych wyników, głównie w zakresie modelowania procesów fizjologicznych i biochemicznych, dynamiki wzrostu komórek oraz wielkości populacji w systemach ekologicznych. Fundamentalne znaczenie w rozwoju matematycznego modelowania złożonych procesów biologicznych miało odrzucenie idei obligatoryjnego znajdowania dokładnych rozwiązań analitycznych odpowiednich równań oraz wykorzystania metod jakościowych do analizy równań różniczkowych, które umożliwiają ujawniają ogólne cechy dynamiczne systemów biologicznych. Cechy te obejmują właściwości stanów stacjonarnych, ich liczbę, stabilność, możliwość przełączania z jednego modu na inny, obecność modów samooscylujących oraz chaotyzację modów dynamicznych.

Na tej podstawie powstały pomysły dotyczące hierarchii czasów oraz „minimalnych” i adekwatnych modeli, które w pełni oddają główne właściwości obiektu. Opracowano również parametryczną analizę dynamicznego zachowania systemów, w tym analizę podstawowych modeli, które odzwierciedlają pewne aspekty samoorganizacji systemów biologicznych w czasie i przestrzeni. Ponadto coraz większego znaczenia nabiera wykorzystanie modeli probabilistycznych, które odzwierciedlają wpływ czynników stochastycznych na procesy deterministyczne w układach biologicznych. Zależność bifurkacji dynamicznego zachowania systemu od krytycznych wartości parametrów odzwierciedla pojawienie się dynamicznej informacji w systemie, co jest realizowane przy zmianie trybu pracy.

Do osiągnięć biofizyki o znaczeniu ogólnobiologicznym zalicza się rozumienie właściwości termodynamicznych organizmów i komórek jako układów otwartych, sformułowanie na podstawie II zasady termodynamiki kryteriów ewolucji układu otwartego do stanu stabilnego ( I. Prigogine); ujawnienie mechanizmów procesów oscylacyjnych na poziomie populacji, reakcje enzymatyczne. W oparciu o teorię procesów autofalowych w ośrodkach aktywnych ustalono warunki spontanicznego pojawiania się struktur dyssypatywnych w jednorodnych układach otwartych. Na tej podstawie budowane są modele procesów morfogenezy, formowania się regularnych struktur podczas wzrostu kultur bakteryjnych, propagacji impulsu nerwowego i pobudzenia nerwowego w sieciach neuronowych. Rozwijająca się dziedzina biofizyki teoretycznej to badanie pochodzenia i natury informacji biologicznej oraz jej związku z entropią, warunkami chaosu i powstawaniem fraktalnych struktur samopodobnych w złożonych układach biologicznych.

Ogólnie rzecz biorąc, opracowanie zunifikowanego opisu kinetyki molekularnej jest pilnym problemem w biofizyce, który wymaga opracowania wstępnych pojęć podstawowych. Tak więc w dziedzinie termodynamiki procesów nieodwracalnych pojęcie potencjału chemicznego zależnego od całkowitego stężenia dowolnego składnika, a ściślej pojęcie entropii, przestaje obowiązywać dla układów heterogenicznych, które są dalekie od równowagi. W aktywnych kompleksach wielkocząsteczkowych przemiany wewnątrzcząsteczkowe zależą przede wszystkim od charakteru ich organizacji, a nie od całkowitego stężenia poszczególnych składników składowych. Wymaga to opracowania nowych kryteriów stabilności i kierunku nieodwracalnych procesów w heterogenicznych układach nierównowagowych.

W biofizyce molekularnej badanie określonych procesów biologicznych opiera się na danych z badań właściwości fizykochemicznych biopolimerów (białek i kwasów nukleinowych), ich struktury, mechanizmów samoorganizacji, ruchliwości wewnątrzcząsteczkowej itp. Duże znaczenie w biofizyce ma zastosowanie nowoczesnych metod eksperymentalnych, przede wszystkim spektroskopii radiowej (NMR, EPR), spektrofotometrii, analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego, mikroskopii tunelowej elektronów, mikroskopii sił atomowych, spektroskopii laserowej, różnych metod elektrometrycznych, w tym z wykorzystaniem technologii mikroelektrodowej. Umożliwiają uzyskanie informacji o mechanizmach przemian molekularnych bez naruszania integralności obiektów biologicznych. Obecnie ustalono strukturę około 1000 białek. Rozszyfrowanie struktury przestrzennej enzymów i ich centrum aktywnego pozwala zrozumieć naturę molekularnych mechanizmów katalizy enzymatycznej i na tej podstawie zaplanować tworzenie nowych leków. Możliwości celowanej syntezy substancji biologicznie czynnych, w tym leków, opierają się również na fundamentalnych badaniach związku między ruchliwością molekularną a biologiczną aktywnością takich cząsteczek.

W dziedzinie teoretycznej biofizyki molekularnej idee dotyczące oddziaływania elektroniczno-konformacyjne - EKV(Śr. Wolkenstein), stochastyczne właściwości białka ( O. Ptycyn) stanowią podstawę zrozumienia zasad funkcjonowania biomakromolekuł. Specyfika wzorców biologicznych, które w pełni ujawniają się na najwyższych poziomach organizacji rozwiniętego systemu biologicznego, przejawia się jednak już na niższych poziomach molekularnych żywych. Przemianę energii i pojawienie się produktów reakcji w kompleksach uzyskuje się w wyniku oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych poszczególnych części makrocząsteczki. Stąd logicznie wynikają koncepcje o wyjątkowości makrocząsteczki jako obiektu fizycznego, który łączy interakcje w statystycznie i mechanicznie stopniach swobody. To idee o makrocząsteczkach, głównie białkowych, jako rodzaju maszyn molekularnych ( LA. Blumenfeld, D.S. Czernawski) pozwalają wyjaśnić przemiany różnych rodzajów energii w wyniku oddziaływania w obrębie pojedynczej makrocząsteczki. O owocności biofizycznej metody analizy i konstrukcji uogólnionych modeli oddziaływań fizycznych świadczy fakt, że zasada EQI pozwala na rozważenie funkcjonowania maszyn molekularnych, pozornie odległych od siebie w swojej biologicznej roli, od zunifikowanej ogólnonaukowej pozycja – np. kompleksy molekularne biorące udział w pierwotnych procesach fotosyntezy i widzenia, kompleksy enzym-substrat reakcji enzymatycznych, mechanizmy molekularne syntetazy ATP, a także przenoszenie jonów przez błony biologiczne.

Biofizyka bada właściwości błony biologiczne, ich organizacja molekularna, ruchliwość konformacyjna składników białkowych i lipidowych, ich odporność na temperaturę, peroksydacja lipidów, ich przepuszczalność dla nieelektrolitów i różnych jonów, budowa molekularna i mechanizmy funkcjonowania kanałów jonowych, oddziaływania międzykomórkowe. Dużo uwagi poświęca się mechanizmom konwersji energii w biostrukturach (patrz art. Bioenergetyka), gdzie są one związane z przenoszeniem elektronów i transformacją energii wzbudzenia elektronowego. Rola wolnych rodników w organizmach żywych i ich znaczenie w niszczącym działaniu promieniowania jonizującego, a także w rozwoju szeregu innych procesów patologicznych ( N.M. Emanuel, B.N. Tarusow). Jedną z gałęzi biofizyki z pogranicza biochemii jest mechanochemia, która bada mechanizmy wzajemnego przekształcania energii chemicznej i mechanicznej związanej z skurczem mięśni, ruchem rzęsek i wici, ruchem organelli i protoplazmy w komórkach. Ważne miejsce zajmuje biofizyka „kwantowa”, która bada podstawowe procesy interakcji struktur biologicznych z kwantami światła (fotosynteza, widzenie, wpływ na skórę itp.), mechanizmy reakcji bioluminescencji i fototropów, działanie ultrafioletu i światło widzialne ( efekty fotodynamiczne) na obiektach biologicznych. W latach 40. 20 cali . JAKIŚ. Terenin ujawnili rolę stanów tripletowych w fotochemicznych i wielu procesach fotobiologicznych. AA Krasnowski wykazali zdolność chlorofilu wzbudzonego światłem do ulegania przemianom redoks, które leżą u podstaw pierwotnych procesów fotosyntezy. Nowoczesne metody spektroskopii laserowej dostarczają bezpośredniej informacji o kinetyce odpowiednich fotoindukowanych przejść elektronowych, drganiach grup atomowych w zakresie od 50-100 femtosekund do 10 -12 -10 -6 s i więcej.

Idee i metody biofizyki są nie tylko szeroko stosowane w badaniu procesów biologicznych na poziomie makromolekularnym i komórkowym, ale także rozprzestrzeniają się, zwłaszcza w ostatnich latach, na populacyjne i ekosystemowe poziomy organizacji przyrody ożywionej.

Postępy w biofizyce są w dużej mierze wykorzystywane w medycynie i ekologii. Biofizyka medyczna zajmuje się identyfikacją w organizmie (komórce) początkowych stadiów zmian patologicznych na poziomie molekularnym. Wczesna diagnoza chorób opiera się na rejestracji towarzyszących chorobie zmian widmowych, luminescencji, przewodnictwa elektrycznego próbek krwi i tkanek (np. poziom chemiluminescencji można wykorzystać do oceny charakteru peroksydacji lipidów). analizuje molekularne mechanizmy działania czynników abiotycznych (temperatura, światło, pola elektromagnetyczne, zanieczyszczenia antropogeniczne itp.) na struktury biologiczne, żywotność i stabilność organizmów. Najważniejszym zadaniem biofizyki ekologicznej jest opracowanie ekspresowych metod oceny stanu ekosystemów. W tym obszarze jednym z najważniejszych zadań jest ocena toksyczności zasadniczo nowych materiałów – nanomateriałów, a także mechanizmów ich interakcji z układami biologicznymi.

W Rosji badania w dziedzinie biofizyki prowadzone są w wielu instytutach badawczych i uniwersytetach. Jedno z czołowych miejsc należy do ośrodka naukowego w Puszczynie, gdzie w 1962 roku zorganizowano Instytut Fizyki Biologicznej Akademii Nauk ZSRR, który później został podzielony na Instytut Biofizyki Komórki RAS(Dyrektor - Członek Korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk E.E. Fesenko) i Instytut Biofizyki Teoretycznej i Doświadczalnej RAS(Dyrektor - Członek Korespondent RAS G.R. Iwanicki. Biofizyka aktywnie rozwija się w Instytut Biofizyki Ministerstwa Zdrowia Federacji Rosyjskiej, Instytut Biologii Molekularnej RAS oraz Instytut Białka RAS, Instytut Biofizyki SB RAS(Dyrektor - Członek Korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk Degermedzhi A.G.), na uniwersytetach w Moskwie. Petersburg i Woroneż, w, itp.

Rozwój edukacji biofizycznej w Rosji

Równolegle z rozwojem badań następowało tworzenie bazy do szkolenia specjalistów w dziedzinie biofizyki. Pierwszy w ZSRR Katedra Biofizyki na Wydziale Biologii i Gleboznawstwa Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego została zorganizowana w 1953 (B.N. Tarusov), a w 1959 otwarto Zakład Biofizyki na Wydziale Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego (LA Blumenfeld). Oba te wydziały to nie tylko ośrodki edukacyjne kształcące wykwalifikowanych biofizyków, ale także duże ośrodki badawcze. W wielu innych uczelniach w kraju zorganizowano wówczas katedry biofizyki, m.in Państwowy Uniwersytet „Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii”, w Narodowy Uniwersytet Jądrowy „MEPhI” a także na wiodących uczelniach medycznych. Kurs biofizyki prowadzony jest na wszystkich uczelniach w kraju. Badania biofizyczne prowadzone są w instytutach i uczelniach w wielu krajach świata. Międzynarodowe kongresy biofizyki odbywają się regularnie co 3 lata. Stowarzyszenia biofizyków istnieją w USA, Wielkiej Brytanii i wielu innych krajach. W Rosji Rada Naukowa Biofizyki Rosyjskiej Akademii Nauk koordynuje prace naukowe i prowadzi stosunki międzynarodowe. Sekcja biofizyka jest dostępna pod adresem Moskiewskie Towarzystwo Przyrodników.

Wśród czasopism, w których publikowane są artykuły o biofizyce, znajdują się: „Biofizyka” (M., 1956 -); „Biologia molekularna” (M., 1967 -); „Radiobiologia” (M., 1961 – obecnie „Biologia radiacyjna. Radioekologia”); „Błony biologiczne” (M., 19 -). „Postępy w fizyce biologicznej i medycznej” (N.Y., 1948 -); „Biochimica et Biophysica Acta” (N.Y. – Amst., 1947 –); „Dziennik biofizyczny” (N.Y., 1960 -); „Biuletyn Biofizyki Matematycznej” (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. W latach 1955 - 1961 "Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); „Journal of Molecular Biology” (NY – L., 1959 –); "Journal of Ultrastructure Research" (N.Y. - L., 1957 -) "Postępy w Biofizyce i Chemii Biofizycznej" (L., 1950 -) ; Europejski Dziennik Biofizyki (); Czasopismo Biologii Teoretycznej (1961).

Rekomendowane lektury

Blumenfeld LA Problemy fizyki biologicznej. M., 1977

Volkenstein M.V. Biofizyka. M., 1981

M. Jacksona. Biofizyka molekularna i komórkowa. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Samoorganizacja w strukturach nierównowagowych. za. z angielskiego. M., 1979;

Rubin A.B. Biofizyka. T.I.M., 2004. T.2.M., 2004 (wydanie trzecie)

A.V., Ptitsyn O.B. Fizyka białek. M., 2002.

FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI

PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA

WYŻSZE SZKOLNICTWO ZAWODOWE

"PAŃSTWOWY WYŻSZA SZKOŁA PEDAGOGICZNA W IRKUTKU"

Wydział Fizyki

Wydział Matematyki, Fizyki i

Informatyka

specjalność „540200 - fizyczna

edukacja matematyczna"

profil fizyki

Kwalifikacje Licencjat Wychowania Fizycznego i Matematycznego

Korespondencyjna forma kształcenia

KURS PRACA

Biofizyka na lekcjach fizyki w klasach 7-9

Wypełnił: Rudykh Tatyana Valerievna

Doradca naukowy: kandydat

w fizyce i matematyce Lubuszkina Ludmiła Michajłowna

Data ochrony ______________________

Ocena _________________________

Irkuck 2009

Wprowadzenie 3

ROZDZIAŁI . FORMACJA BIOFIZYKI

1.1. Wkład naukowców w rozwój biofizyki 5

1.2. Założyciel Biofizyki 10

1.3. Stworzenie teorii kwantowej 11

1.4. Biofizyka stosowana 14

1.5. Zmiany w biofizyce 16

1.6. Biofizyka jako biologia teoretyczna 18

1.7. Badania biofizyczne w fizyce 21

1.8. Badania biofizyczne w biologii 23

ROZDZIAŁII. BIOFIZYKA NA LEKCJACH FIZYKI

2.1. Elementy biofizyki na lekcjach fizyki w klasach 7-9 24

2.2. Zastosowanie biofizyki na lekcjach w szkole podstawowej 25

2.3. Turniej Blitz „Fizyka w dzikiej przyrodzie” 33

Wniosek 35

Referencje 36

Wstęp

Znaczenie badań:

Światopogląd jest najważniejszym elementem struktury osobowości. Obejmuje system uogólnionych poglądów na świat, miejsce w nim człowieka, a także system poglądów, przekonań, ideałów, zasad, które odpowiadają określonemu światopoglądowi. Proces kształtowania się światopoglądu przebiega intensywnie w wieku szkolnym. Już w szkole podstawowej (klasy 7-9) uczniowie powinni uświadomić sobie, że studiowanie zjawisk fizycznych i praw pomoże im w zrozumieniu otaczającego ich świata.

Jednak większość nowych podręczników do fizyki, zwłaszcza dla starszych szkół podstawowych i specjalistycznych, nie przyczynia się do całościowego postrzegania badanego materiału. Zainteresowanie dzieci tym tematem stopniowo zanika. Dlatego ważnym zadaniem gimnazjum jest stworzenie w umysłach uczniów ogólnego obrazu świata z jego jednością i różnorodnością właściwości przyrody nieożywionej i żywej. Integralność obrazu świata osiąga się wraz z innymi technikami i interdyscyplinarnymi powiązaniami.

Każdy temat szkolnego kursu fizyki zawiera elementy wiedzy naukowej niezbędne do kształtowania światopoglądu i przyswajania przez uczniów podstawowych pojęć badanej dyscypliny. Ponieważ treść dyscyplin przyrodniczych w standardach i programach edukacyjnych nie jest sztywno ustrukturyzowana, często wiedza uczniów nie jest usystematyzowana, formalna.

Problem badawczy polega na potrzebie ukształtowania całościowego postrzegania fizycznego obrazu świata oraz braku odpowiedniej systematyzacji i uogólnienia materiału edukacyjnego nauczanej dyscypliny, fizyki.

Cel badania: Prześledzić integrację dwóch przedmiotów cyklu nauk przyrodniczych - fizyki i biologii.

Przedmiot studiów: Biofizyka i jej związki z innymi przedmiotami.

Przedmiot badań: Biofizyka na lekcjach fizyki w klasach 7-9szkoła główna.

Realizacja postawionego celu wymagała rozwiązania kilku specyficzne zadania:

Studiować i analizować literaturę edukacyjną i metodyczną na temat badań.

Analizuj różne zjawiska biofizyczne.

Wybierz zadania eksperymentalne, różnego rodzaju zadania, których rozwiązanie wymaga znajomości zarówno fizyki, jak i biologii.

Praktyczne znaczenie badania: wyniki prac można polecić do praktycznego wykorzystania nauczyciele w nauczaniu fizyki we wszystkich placówkach oświatowych.

Logika opracowania wyznaczała strukturę pracy, składającej się ze wstępu, dwóch rozdziałów, zakończenia, spisu odniesień. Pierwszy rozdział poświęcony jest analizie literatury edukacyjnej na temat „Biofizyka i jej związki z innymi przedmiotami”, drugi bada relacje między fizyką a biologią na przykładzie konkretnych zadań.

Podsumowując, podsumowano wyniki badań i podano zalecenia dotyczące poprawy zastosowania zjawisk biofizycznych w badaniu szkolnego kursu fizyki.

Rozdział I. FORMACJA BIOFIZYKI

1.1. Wkład naukowców w rozwój biofizyki.

Biofizyka- dział nauk przyrodniczych zajmujący się fizycznymi i fizykochemicznymi zasadami organizacji i funkcjonowania systemów biologicznych na wszystkich poziomach (od submolekularnego do biosferycznego), w tym ich matematycznym opisem. Biofizyka zasadniczo zajmuje się mechanizmami i właściwościami systemów żywych. Życie jest systemem otwartym, zdolnym do samopodtrzymywania się i samoreprodukowania.

Jako nauka multidyscyplinarna, biofizyka powstała w XX wieku, ale jej prehistoria sięga ponad stulecia. Podobnie jak nauki, które doprowadziły do ​​jej powstania (fizyka, biologia, medycyna, chemia, matematyka), biofizyka przeszła w połowie ubiegłego wieku szereg rewolucyjnych przemian. Wiadomo, że fizyka, biologia, chemia i medycyna są naukami ściśle powiązanymi, ale jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że są studiowane osobno i niezależnie. Zasadniczo niezależne oddzielne badanie tych nauk jest błędne. Przyrodnik może zadać przyrodzie nieożywionej tylko dwa pytania: „Co?” I jak?". „Co” jest przedmiotem badań, „jak” – jak ten temat jest zorganizowany. Ewolucja biologiczna przyniosła dziką przyrodę wyjątkową celowość. Dlatego biolog, lekarz, humanista może zadać też trzecie pytanie: „Dlaczego?” lub „Po co?”. Zapytaj „Dlaczego Księżyc?” może poeta, ale nie naukowiec.

Naukowcy wiedzieli, jak zadawać Naturze właściwe pytania. Wnieśli nieoceniony wkład w rozwój fizyki, biologii, chemii i medycyny - nauk, które wraz z matematyką stworzyły biofizykę.

Od czasu Arystoteles (384 - 322 pne) fizyka obejmowała całość informacji o przyrodzie nieożywionej i żywej (z greckiego „Physis” – „Nature”). Kroki natury w jego ujęciu: świat nieorganiczny, rośliny, zwierzęta, człowiek. Podstawowymi cechami materii są dwie pary przeciwieństw „ciepło – zimno”, „sucho – mokro”. Podstawowymi elementami żywiołów są ziemia, powietrze, woda, ogień. Najwyższym, najdoskonalszym elementem jest eter. Same elementy to różne kombinacje podstawowych cech: kombinacja zimna i suchości odpowiada ziemi, zimnej do mokrej wody, ciepłej do mokrej powietrza, ciepłej do suchej ognia. Pojęcie eteru służyło następnie jako podstawa wielu teorii fizycznych i biologicznych. We współczesnym ujęciu idee Arystotelesa opierają się na nieaddytywności dodawania czynników naturalnych (synergizm) i hierarchii systemów naturalnych.

Fizyka jako ścisła nauka przyrodnicza, jako nauka we współczesnym pojęciu, wywodzi się z Galileo Galilei (1564 - 1642), który początkowo studiował medycynę na uniwersytecie w Pizie, a dopiero potem zainteresował się geometrią, mechaniką i astronomią, pismem Archimedes (ok. 287 - 212 pne) i Euklides (III wiek pne).

Uczelnie dają niepowtarzalną okazję do doświadczenia czasowego powiązania nauk, w szczególności fizyki, medycyny i biologii. Tak więc w XVI-XVIII wieku kierunek medycyny, który nazywano „jatrofizyką” lub „jatromechaniką” (z greckiego „iatros” - „lekarz”). Lekarze starali się wyjaśnić wszystkie zjawiska zachodzące w zdrowym i chorym ciele człowieka i zwierzęcia na podstawie praw fizyki lub chemii. I wtedy iw kolejnych czasach związek fizyki z medycyną, fizykami z biologami był najbliższy po jatrofizyce, pojawił się jatrochemia. Podział nauki na „żywe i nieożywione” nastąpił stosunkowo niedawno. Udział fizyki z jej potężnymi i głęboko rozwiniętymi podejściami teoretycznymi, eksperymentalnymi i metodologicznymi w rozwiązywaniu podstawowych problemów biologii i medycyny jest niezaprzeczalny, należy jednak uznać, że w historycznym aspekcie fizyki jest ona bardzo dłużna wobec lekarzy, którzy byli najbardziej wykształconymi ludźmi swoich czasów, a ich wkład w tworzenie fundamentalnych podstaw fizyki klasycznej jest nieoceniony. Oczywiście mówimy o fizyce klasycznej.

Wśród najstarszych przedmiotów badań biofizycznych, jakkolwiek może się to wydawać dziwne na pierwszy rzut oka, należy wymienić bioluminescencję, ponieważ emisja światła przez organizmy żywe od dawna interesuje filozofów przyrody. Po raz pierwszy Arystoteles zwrócił uwagę na ten efekt swoim uczniem Aleksandrem Wielkim, któremu pokazał blask przybrzeżny i upatrywał przyczyny tego w luminescencji organizmów morskich. Pierwsze naukowe badanie „zwierzęcego” blasku zostało wykonane przez Athanasis Kircher (1601 - 1680), niemiecki ksiądz, encyklopedysta, znany jako geograf, astronom, matematyk, językoznawca, muzyk i lekarz, twórca pierwszych zbiorów przyrodniczych i muzeów, dwa rozdziały swojej książki "Sztuka Wielkiego Światła i Cienia" ("Ars magna Lucis eti Umbrae ») poświęcił się bioluminescencji.

Z natury jego zainteresowań naukowych, największego fizyka można przypisać biofizykom Izaak Newton (1643 - 1727), który interesował się problematyką związku procesów fizycznych i fizjologicznych w organizmach, a w szczególności zajmował się problematyką widzenia barw. Uzupełniając Principia, w 1687 Newton napisał: „Teraz należy dodać coś o jakimś bardzo cienkim eterze, który przenika wszystkie ciała stałe i jest w nich zawarty, którego siłą i działaniem cząstki ciał w bardzo małych odległościach są wzajemnie przyciągane i kiedy stykają się zwarte, naelektryzowane ciała działają na duże odległości, zarówno odpychając, jak i przyciągając bliskie ciała, światło jest emitowane, odbijane, załamywane, odchylane i ogrzewane, każde uczucie jest podekscytowane, zmuszając kończyny zwierząt do dowolnego ruchu, bycia przekazywane przez wibracje tego eteru z zewnętrznych narządów zmysłów do mózgu iz mózgu do mięśni.

Jeden z założycieli nowoczesnej chemii francuskiej Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) wraz ze swoim rodakiem astronomem, matematykiem i fizykiem Pierre Simon Laplace (1749 - 1827) zajmuje się kalorymetrią, gałęzią biofizyki, którą teraz nazwano by termodynamiką biofizyczną. Lavoisier zastosował metody ilościowe, zajmując się termochemią, procesami utleniania. Lavoisier i Laplace uzasadnili swoje poglądy, że nie ma dwóch chemii – „żywej” i „nieożywionej” dla ciał nieorganicznych i organicznych.

Wśród naszych wielkich poprzedników, którzy położyli podwaliny pod biofizykę, należy zaliczyć włoskiego anatom Luigi Galvani(1737 - 1798) i fizyka Alessandro Volta(1745 - 1827), twórcy doktryny elektryczności. Galvani eksperymentował z maszyną elektryczną i jeden z jego przyjaciół przypadkowo dotknął uda żaby nożem, który miał być użyty do zupy. Kiedy mięśnie żabiej nogi nagle się skurczyły, żona Galvaniego zauważyła, że ​​maszyna elektryczna błysnęła i zastanawiała się „czy istnieje jakiś związek między tymi wydarzeniami”. Chociaż własna opinia Galvaniego na temat tego zjawiska różniła się w szczegółach od poniższych, pewne jest, że eksperyment został powtórzony i zweryfikowany. , który stwierdził, że noga służyła jedynie jako detektor różnic w potencjale elektrycznym na zewnątrz. Zwolennicy Galvaniego przeprowadzili eksperyment, w którym nie były zaangażowane żadne zewnętrzne siły elektryczne, udowadniając tym samym, że prąd generowany przez zwierzę może powodować skurcze mięśni. Ale było też możliwe, że skurcz był spowodowany kontaktem z metalami; Volta przeprowadził odpowiednie badania, które doprowadziły do ​​odkrycia akumulatora elektrycznego, co było tak ważne, że badania Galvaniego odsunęły się na bok. W rezultacie badania potencjału elektrycznego u zwierząt zniknęły z zainteresowania naukowców aż do 1827 roku. Ponieważ przez wiele lat żabie udko była najczulszym detektorem różnic potencjałów, ostateczne zrozumienie, że prądy mogą być generowane przez żywe tkanki, przyszło dopiero galwanometry wystarczająco czułe do pomiaru prądów generowanych w mięśniach i niewielkich różnic w potencjale w błonie nerwowej.

W związku z pracami Galvaniego nad „elektrycznością zwierząt” nie można nie przypomnieć nazwiska austriackiego lekarza - fizjologa Friedricha Antona Mesmera(1733-1815), który rozwinął pomysły na uzdrawiający „magnetyzm zwierzęcy”, dzięki któremu, zgodnie z jego założeniem, można było zmieniać stan organizmu, leczyć choroby. Należy zauważyć, że nawet teraz skutki działania elektrycznych pól magnetycznych i elektromagnetycznych na żywe systemy pozostają w dużej mierze zagadką dla nauki fundamentalnej. Problemy pozostają i rzeczywiście zainteresowanie współczesnych fizyków badaniem wpływu zewnętrznych czynników fizycznych na układy biologiczne nie zanika.

Zanim jednak biologia i fizyka zdążyły się rozdzielić, opublikowano znaną książkę „Grammar of Science”, napisaną przez angielskiego matematyka Karl Pearson (1857 - 1935) w którym dał jedna z pierwszych definicji biofizyki (w 1892 r.): „Nie możemy powiedzieć z całą pewnością, że życie jest mechanizmem, dopóki nie będziemy w stanie dokładniej sprecyzować, co dokładnie rozumiemy przez określenie „mechanizm” w odniesieniu do ciał organicznych. Już teraz wydaje się pewne, że pewne uogólnienia fizyki... opisują... część naszego doświadczenia zmysłowego dotyczącego form życia. Potrzebujemy... gałęzi nauki, która ma za zadanie zastosowanie praw zjawisk nieorganicznych, fizyki do rozwoju form organicznych. ... Fakty biologiczne - morfologia, embriologia i fizjologia - stanowią szczególne przypadki zastosowania ogólnych praw fizycznych. ... Lepiej byłoby nazwać to biofizyką.”

1.2. Założyciel Biofizyki

Należy wziąć pod uwagę twórcę współczesnej biofizykiHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), który stał się wybitnym fizykiem, jednym z autorów I prawo termodynamiki. Będąc jeszcze młodym chirurgiem wojskowym wykazał, że przemiany metaboliczne w mięśniach są ściśle związane z wykonywaną przez nie pracą mechaniczną i wytwarzaniem ciepła. W dojrzałych latach dużo zajmował się problemami elektrodynamiki. W 1858 położył podwaliny pod teorię ruchu wirowego cieczy. Przeprowadził również genialne eksperymenty z zakresu biofizyki impulsu nerwowego, biofizyki widzenia, bioakustyki, rozwinął ideę Junga o trzech typach receptorów wzrokowych, wyładowania elektryczne powstające w obwodzie elektrycznym mają charakter oscylacyjny. Zainteresowanie procesami oscylacyjnymi w akustyce, cieczach, układach elektromagnetycznych skłoniło naukowca do zbadania falowego procesu propagacji impulsów nerwowych. To Helmholtz jako pierwszy zaczął badać problemy mediów aktywnych, mierząc z dużą dokładnością prędkość propagacji impulsu nerwowego w aksonach, które z dzisiejszego punktu widzenia są aktywnym medium jednowymiarowym. W 1868 Helmholtz został wybrany członkiem honorowym Petersburskiej Akademii Nauk.

Losy rosyjskiego naukowca, fizjologa i biofizyka łączą się w niesamowity sposób, Iwan Michajłowicz Sieczenow(1829 - 1905) i Helmholtza. Po ukończeniu Uniwersytetu Moskiewskiego w 1856 do 1860 studiował i pracował u Helmholtza. W latach 1871-1876 Sechenov pracował na Uniwersytecie Noworosyjskim w Odessie, a następnie na uniwersytetach w Petersburgu i Moskwie, badając zjawiska elektryczne w tkankach nerwowych i mechanizmy transportu gazu we krwi.

1.3. Stworzenie teorii kwantowej

Jednak okres fizyki klasycznej XVII-XIX w. zakończył się na początku XX wieku największą rewolucją w fizyce - powstaniem teorii kwantowej. Ta i szereg innych nowych dziedzin fizyki wyróżniła ją z kręgu nauk przyrodniczych. Na tym etapie interakcja między fizyką a medycyną zmieniła znacząco swój charakter: praktycznie wszystkie współczesne metody diagnostyki medycznej, terapii, farmakologii itp. zaczęły opierać się na podejściach i metodach fizycznych. Nie umniejsza to wybitnej roli biochemii w rozwoju medycyny. . Dlatego powinniśmy mówić o tych wybitnych naukowcach, których nazwiska kojarzą się z unifikacją nauk i powstawaniem biofizyki. Mówimy o fizykach, którzy weszli do historii biologii i medycyny, o lekarzach, którzy wnieśli znaczący wkład do fizyki, choć fizykom wydawałoby się trudno wejść w specyficzne problemy medycyny, głęboko przesiąknięte ideami, wiedzą i podejściami chemii , biochemia, biologia molekularna itp. Jednocześnie lekarze napotykają również zasadnicze trudności w próbie sformułowania swoich potrzeb i zadań, które można by rozwiązać odpowiednimi metodami fizykochemicznymi. Jest tylko jedno skuteczne wyjście z sytuacji i zostało znalezione. Jest to uniwersalna edukacja uniwersytecka, w której studenci, przyszli naukowcy, mogą i powinni otrzymać dwa, trzy, a nawet cztery podstawowe wykształcenie – z fizyki, chemii, medycyny, matematyki i biologii.

Niels Bohr przekonywał, że „żadnego wyniku badań biologicznych nie da się jednoznacznie opisać inaczej niż na podstawie pojęć fizyki i chemii”. Oznaczało to, że biologia, medycyna, matematyka, chemia i fizyka, po prawie półtora wieku rozdziału, znów zaczęły się zbiegać, co zaowocowało pojawieniem się takich nowych nauk integralnych, jak biochemia, chemia fizyczna i biofizyka.

Brytyjski fizjolog i biofizyk Archibald Vivienne Wzgórze (ur. 1886) Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii (1922) jest twórcą fundamentalnych podstaw, na których teoria skurczów mięśni rozwija się jeszcze dzisiaj, ale już na poziomie molekularnym. Hill opisał biofizykę w ten sposób: „Są ludzie, którzy potrafią sformułować problem w kategoriach fizycznych… którzy potrafią wyrazić wynik w kategoriach fizycznych. Te cechy intelektualne bardziej niż jakiekolwiek specjalne warunki, aparatura fizyczna i metody są konieczne, zostać biofizykiem… Jednak… fizyk, który nie potrafi wypracować podejścia biologicznego, który nie jest zainteresowany żywymi procesami i funkcjami… który uważa biologię za dziedzinę fizyki, nie ma przyszłości w biofizyce.

Nie tylko w średniowieczu, ale także w czasach współczesnych lekarze, biolodzy i fizycy uczestniczyli na równych prawach w rozwoju kompleksu tych nauk. Aleksander Leonidowicz Czyżewski (1897-1964), który uzyskał m.in. wykształcenie medyczne na Uniwersytecie Moskiewskim, przez wiele lat zajmował się badaniami nad heliochronobiologią, wpływem jonów powietrza na organizmy żywe, biofizyką erytrocytów. Jego książka „Czynniki fizyczne procesu historycznego” nigdy nie została opublikowana pomimo wysiłków PP Lazareva, N.K. Koltsova, Ludowego Komisarza Edukacji Łunaczarskiego i innych.

Na uwagę zasługuje również wybitny naukowiec Gleb Michajłowicz Frank(1904-1976), który stworzył Instytut Biofizyki Akademii Nauk ZSRR (1957), otrzymał wraz z I.E. Tammem i P.A. Czerenkowem Nagrodę Nobla za stworzenie teorii „promieniowania Czerenkowa”. Oscylacyjne zachowanie systemów biologicznych wszystkich poziomów, znane od niepamiętnych czasów, zajmowało nie tylko biologów, ale także fizyków i fizyków. Odkrycie w XIX wieku fluktuacji przebiegu reakcji chemicznych doprowadziło następnie do powstania pierwszych modeli analogowych, takich jak „żelazny nerw”, „serce rtęciowe”.

Linia termodynamiczna rozwój biofizyki był naturalnie związany z ewolucją samej termodynamiki. Ponadto nierównowagowy charakter otwartych układów biologicznych, intuicyjnie akceptowany przez przyrodników, przyczynił się do powstania termodynamiki układów nierównowagowych. Termodynamika układów równowagi, pierwotnie związana głównie z kalorymetrią, wniosła następnie istotny wkład w opis zmian strukturalnych w komórkach, metabolizmie i katalizie enzymatycznej.

Listę wybitnych fizyków medycznych można by znacznie poszerzyć, ale celem jest ujawnienie głębokich związków biologii, chemii, medycyny i fizyki, niemożliwości zróżnicowanego istnienia tych nauk. Wiele badań biofizycznych zostało wykonanych przez fizyków zainteresowanych biologią; dlatego musi istnieć sposób, aby naukowcy wyszkoleni w fizyce i chemii fizycznej znaleźli drogę do biologii i zaznajomili się z problemami, które można interpretować w sposób fizyczny. Chociaż klasycznie zorientowane wydziały biologii często oferują stanowiska biofizykom, nie zastępują one ośrodków, w których badania biofizyczne mają kluczowe znaczenie.

Biofizycy potrafią dzielić problemy biologiczne na segmenty, które nadają się do bezpośredniej interpretacji fizycznej, oraz formułować hipotezy, które można przetestować eksperymentalnie. Głównym narzędziem biofizyki jest relacja. Do tego dochodzi umiejętność wykorzystania złożonej teorii fizycznej do badania żywych organizmów, na przykład: technologia dyfrakcji rentgenowskiej była potrzebna do ustalenia struktury dużych cząsteczek, takich jak białka. Biofizycy generalnie uznają zastosowanie nowych narzędzi fizycznych, takich jak atomowy rezonans magnetyczny i elektronowy rezonans spinowy, w badaniu pewnych problemów biologii.

1.4. Biofizyka stosowana

Rozwój narzędzi do celów biologicznych jest ważnym aspektem nowej dziedziny biofizyki stosowanej. Instrumenty biomedyczne są prawdopodobnie najczęściej używane w środowisku medycznym. Biofizyka stosowana jest ważna w dziedzinie radiologii leczniczej, w której pomiar dawki jest bardzo ważny w leczeniu, oraz radiologii diagnostycznej, zwłaszcza w przypadku technologii obejmujących lokalizację izotopów i skanowanie całego ciała, aby pomóc w diagnostyce nowotworów. Rośnie znaczenie komputerów w ustalaniu diagnozy i leczenia pacjenta. Możliwości zastosowań biofizyki stosowanej wydają się nieskończone, ponieważ duże opóźnienie między opracowaniem narzędzi badawczych a ich zastosowaniem oznacza, że ​​wiele narzędzi naukowych opartych na znanych już zasadach fizycznych wkrótce stanie się nieodzowne w medycynie.

Rosyjska biofizyka jako gałąź nauki powstała w dużej mierze wśród wybitnych rosyjskich naukowców końca przeszłości, początku tego stulecia - fizyków, biologów, lekarzy, ściśle związanych z Uniwersytetem Moskiewskim. Wśród nich były NK Koltsov, V.I.Vernadsky, PN Lebiediew, P.P. Lazarev, później - SI Wawiłow, A.L. Czyżewski i wiele innych.

James D. Watson(1928) wraz z angielskim biofizykiem i genetykiem Franciszek H.K. płakać(1916) i biofizyk Maurice Wilkins(1916) (który jako pierwszy uzyskał wysokiej jakości zdjęcia rentgenowskie DNA wraz z Rosalind Franklin) stworzył trójwymiarowy model DNA w 1953 roku, co umożliwiło wyjaśnienie jego funkcji biologicznych i właściwości fizykochemicznych. W 1962 roku Watson, Crick i Wilkins otrzymali za tę pracę Nagrodę Nobla.

Pierwszy kurs wykładowy w Rosji o nazwie „Biofizyka” został przeczytany dla lekarzy w klinice Uniwersytetu Moskiewskiego w 1922 r. Piotr Pietrowicz Łazariew(1878 - 1942), wybrany w 1917 r. z nominacji Iwan Pietrowicz Pawłow(1849 - 1936) akademik. P.P. Lazarev ukończył wydział medyczny Uniwersytetu Moskiewskiego w 1901 roku. Następnie ukończył pełny kurs z fizyki i matematyki i pracował w laboratorium fizycznym prowadzonym przez Piotr Nikołajewicz Lebiediew(1866-1912), jeden z twórców fizyki eksperymentalnej w Rosji, twórca pierwszej rosyjskiej naukowej szkoły fizycznej, który w 1985 roku otrzymał i zbadał milimetrowe fale elektromagnetyczne, odkrył i zmierzył ciśnienie światła na ciałach stałych i gazach (1999-1907) , który potwierdził elektromagnetyczną teorię światła. W 1912 r. Łazariew kierował laboratorium swojego nauczyciela. Pierwszy biofizyk, akademik Łazariew, kierował unikalnym Instytutem Fizyki i Biofizyki, utworzonym za życia Lebiediewa. W latach 1920-1931 P.P. Lazarev kierował tym Państwowym Instytutem Biofizyki, utworzonym z jego inicjatywy, Lazarev jest założycielem radiologii medycznej, jego instytut miał pierwszą i jedyną jednostkę rentgenowską, na której sfotografowano Lenina po zamachu w 1918 roku, po czym Lazarev został inicjatorem i pierwszym dyrektorem Instytutu Radiologii Medycznej. Łazariew zorganizował również prace nad mapowaniem magnetycznym kurskiej anomalii magnetycznej, dzięki czemu utworzono kadrę Instytutu Fizyki Ziemi. Jednak Instytut Biofizyki i Fizyki został zniszczony po aresztowaniu Łazariewa w 1931 r., A w 1934 r. W tym budynku założono Lebiediew FIAN.

1.5. Zmiany w biofizyce

Od lat czterdziestych w biofizyce zaczęły się dramatyczne zmiany. I to było wezwanie czasów - w połowie naszego stulecia fizyka, która dokonała fenomenalnego skoku, aktywnie wkraczała do biologii. Jednak pod koniec lat pięćdziesiątych euforia z powodu oczekiwania na szybkie rozwiązanie złożonych problemów życia szybko minęła: fizykom bez podstawowego wykształcenia biologicznego i chemicznego trudno było wyróżnić dostępne dla fizyki, ale „biologicznie znaczące” aspekty funkcjonowania systemów żywych, a prawdziwi biolodzy i biochemicy o istnieniu określonych problemów fizycznych i podejść z reguły nie podejrzewano. Pilną potrzebą nauki tamtych i następnych dni było wyszkolenie specjalistów w trzech podstawowych formacjach: fizycznej, biologicznej i chemicznej.

W naszym kraju był jeszcze jeden ważny powód powstania w latach czterdziestych ścisłego sojuszu biologii i fizyki. Po nieprofesjonalnej, destrukcyjnej ingerencji ówczesnych polityków w fundamentalne dziedziny genetyki, biologii molekularnej, teorii i praktyki zarządzania przyrodą, część biologów mogła kontynuować swoje badania jedynie w instytucjach naukowych o profilu fizycznym.

Jak każdy pograniczny obszar wiedzy, oparty na podstawowych naukach fizyki, biologii, chemii, matematyce, na osiągnięciach medycyny, geofizyki i geochemii, astronomii i fizyki kosmicznej itp. Biofizyka początkowo wymaga od swoich nośników zintegrowanego, encyklopedycznego podejścia do samej siebie, ponieważ jej celem jest wyjaśnienie mechanizmów funkcjonowania układów żywych na wszystkich poziomach organizacji materii żywej. Co więcej, determinuje to także częste nieporozumienia w stosunku do biofizyków i biofizyków ze strony kolegów, przedstawicieli pokrewnych dyscyplin. Rozróżnienie między biofizyką a fizjologią, biofizyką a biologią komórki, biofizyką a biochemią, biofizyką a ekologią, biofizyką a chronobiologią, biofizyką a matematycznym modelowaniem procesów biologicznych itp. jest trudne, a czasem wręcz niemożliwe. Biofizyka ma więc na celu wyjaśnienie mechanizmów funkcjonowania układów biologicznych na wszystkich poziomach iw oparciu o wszystkie podejścia przyrodnicze.

1.6. Biofizyka - jako biologia teoretyczna

Wiadomo, że biofizyką zajmują się również biolodzy, chemicy, lekarze, inżynierowie i wojskowi, ale system szkolenia biofizyków okazał się optymalny na podstawie ogólnego wykształcenia uniwersyteckiego w zakresie fizyki. Jednocześnie biofizyka była i jest traktowana jako biologia teoretyczna, tj. nauka o podstawowych fizycznych i fizykochemicznych podstawach budowy i funkcjonowania systemów żywych na wszystkich poziomach organizacji - od poziomu submolekularnego do poziomu biosfery. Przedmiotem biofizyki są układy żywe, metodą fizyka, chemia fizyczna, biochemia i matematyka.

W latach 50. XX wieku studenci Wydziału Fizyki, podążając za nauczycielami, wykazywali również zainteresowanie problematyką medycyny i biologii. Co więcej, wydawało się możliwe przeprowadzenie rygorystycznej analizy fizycznej najbardziej niezwykłego zjawiska we Wszechświecie – fenomenu Życia. Książka przetłumaczona w 1947 r. E. Schrödingera"Czym jest życie? Z fizycznego punktu widzenia. Cytologiczny aspekt życia”, wykłady IE Tamma, N.V. Timofiejew-Resowski najnowsze odkrycia w dziedzinie biochemii i biofizyki skłoniły grupę studentów do złożenia podania do rektora Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego IG Pietrowski z prośbą o wprowadzenie nauczania biofizyki na Wydziale Fizyki. Rektor przywiązywał dużą wagę do inicjatywy studentów. Organizowano wykłady i seminaria, na które entuzjastycznie przybyli nie tylko inicjatorzy, ale także dołączający do nich koledzy z klasy, którzy później utworzyli pierwszą grupę specjalizacyjną „Biofizyka” Wydziału Fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego i są obecnie dumą rosyjskiego biofizyka.

Katedra Biofizyki Wydziału Biologicznego powstała w 1953 roku. Jego pierwsza głowa była B.N. Tarusow. Obecnie kieruje Katedrą Biofizyki Wydziału Biologicznego A.B. Rubin. A jesienią 1959 pierwszy na świecie Zakład Biofizyki, który zaczął szkolić biofizyków od fizyków (wcześniej biofizycy byli szkoleni od biologów lub lekarzy). Akademicy IG Pietrowski, IE Tamm, NN - chemik). Ze strony administracji tworzenie specjalizacji” biofizyka» Dziekan Profesor został wcielony na Wydział Fizyki W.S. Fursow, który przez lata wspierał jej rozwój, oraz jego zastępca VG Zubow. Pierwszymi pracownikami działu byli fizykochemik LA Blumenfeld, który kierował katedrą przez prawie 30 lat, a obecnie jest jej profesorem, biochemikiem SE Shnol, profesor katedry i fizjolog I.A.Kornienko.

Jesienią 1959 roku na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Moskiewskiego powstał pierwszy na świecie wydział biofizyki, który zaczął szkolić specjalistów biofizyki od fizyków. W okresie istnienia Zakładu przeszkolono około 700 biofizyków.

Pierwszymi pracownikami katedry byli fizjochemik L.A. Blumenfeld (1921 - 2002), który kierował katedrą przez 30 lat, biochemik S.E. Shnol, profesor katedry i fizjolog I.A. Kornienko. Sformułowali zasady budowy systemu edukacji biofizycznej dla fizyków, wyznaczyli główne kierunki badań naukowych na wydziale.

W Katedrze Biofizyki L.A. Blumenfeld przez wiele lat prowadził wykłady „Chemia fizyczna”, „Chemia kwantowa i budowa cząsteczek”, „Wybrane działy biofizyki”. Autor ponad 200 prac, 6 monografii.

Zainteresowania naukowe V.A. Tverdislov związany jest z biofizyką błon, z badaniem roli jonów nieorganicznych w układach biologicznych, mechanizmami przenoszenia jonów przez błony komórkowe i modelowe za pomocą pomp jonowych. Zaproponował i eksperymentalnie opracował model parametrycznego rozdziału mieszanin ciekłych w polach okresowych w układach heterogenicznych.

Jak na skalę Wydziału Fizyki, Katedra Biofizyki jest niewielka, ale historycznie okazało się, że badania jej pracowników pokrywają się ze znaczącym obszarem biofizyki podstawowej i stosowanej. Istnieją znaczące osiągnięcia w dziedzinie badań fizycznych mechanizmów konwersji energii w układach biologicznych, spektroskopii radiowej obiektów biologicznych, fizyki katalizy enzymatycznej, biofizyki membran, badania wodnych roztworów biomakromolekuł, badania procesów samoorganizacji w układach biologicznych i modelowych regulacja podstawowych procesów biologicznych, z zakresu biofizyki medycznej, nano - i bioelektroniki itp. Zakład Biofizyki od wielu lat współpracuje z uczelniami i wiodącymi laboratoriami naukowymi w Niemczech, Francji, Anglii, USA, Polsce, Czechach i Słowacji, Szwecji, Danii, Chinach i Egipcie.

1.7. Badania biofizyczne w fizyce

Zainteresowanie fizyków biologią w XIX wieku. stale wzrasta. Jednocześnie w dyscyplinach biologicznych wzrosło zainteresowanie fizycznymi metodami badawczymi, coraz bardziej przenikały one do najróżniejszych dziedzin biologii. Za pomocą fizyki rozszerzane są możliwości informacyjne mikroskopu. Na początku lat 30. XX wieku. pojawia się mikroskop elektronowy. Izotopy promieniotwórcze, stale ulepszana technika spektralna i analiza dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego stają się elektywnym narzędziem w badaniach biologicznych. Rozszerza się zakres promieni rentgenowskich i ultrafioletowych; Oscylacje elektromagnetyczne są wykorzystywane nie tylko jako środek badawczy, ale także jako czynniki wpływające na organizm. Szeroko wnika w biologię, a zwłaszcza fizjologię, technologię elektroniczną.

Wraz z wprowadzaniem nowych metod fizycznych rozwija się także biofizyka molekularna. Po osiągnięciu ogromnego sukcesu w zrozumieniu istoty materii nieożywionej, fizyka zaczyna twierdzić, przy użyciu tradycyjnych metod, aby rozszyfrować naturę materii żywej. W biofizyce molekularnej powstają bardzo szerokie uogólnienia teoretyczne przy zaangażowaniu złożonego aparatu matematycznego. Zgodnie z tradycją biofizyk stara się uciec od bardzo złożonego („brudnego”) obiektu biologicznego w eksperymencie i woli badać zachowanie substancji izolowanych z organizmów w najczystszej możliwej postaci. Rozwój różnych modeli struktur i procesów biologicznych - elektrycznych, elektronicznych, matematycznych itp. - rozwija się bardzo. Tworzone i badane są modele ruchu komórek (na przykład kropla rtęci w roztworze kwasu powoduje rytmiczne ruchy, jak ameba), przepuszczalność i przewodnictwo nerwowe. Dużą uwagę przykuwa w szczególności model przewodnictwa nerwowego stworzony przez F. Lilly. Jest to pierścień z drutu żelaznego umieszczony w roztworze kwasu solnego. Po przyłożeniu do niego zadrapania, niszczącego wierzchnią warstwę tlenku, powstaje fala potencjału elektrycznego, która jest bardzo podobna do fal biegnących wzdłuż nerwów pod wpływem wzbudzenia. Wiele badań (począwszy od lat 30. XX wieku) poświęcono badaniu tego modelu przy użyciu matematycznych metod analizy. W przyszłości powstanie bardziej zaawansowany model oparty na teorii kabli. Podstawą jego budowy była pewna fizyczna analogia między rozkładem potencjałów w kablu elektrycznym a włóknie nerwowym.

Inne dziedziny biofizyki molekularnej są mniej popularne. Wśród nich należy zwrócić uwagę na biofizykę matematyczną, której liderem jest N. Rashevsky. W USA szkoła Rashevsky wydaje czasopismo Mathematical Biophysics. Biofizyka matematyczna jest związana z wieloma dziedzinami biologii. Opisuje w formie matematycznej nie tylko ilościowe wzorce takich zjawisk, jak wzrost, podział komórek, pobudzenie, ale także próbuje analizować złożone procesy fizjologiczne organizmów wyższych.

1.8. Badania biofizyczne w biologii

Silnym impulsem do powstania biofizyki było pojawienie się na przełomie XIX i XX wieku. chemia fizyczna, podyktowana potrzebą zidentyfikowania mechanizmów leżących u podstaw interakcji chemicznej. Ta nowa dyscyplina od razu zwróciła uwagę biologów tym, że otworzyła możliwość zrozumienia procesów fizykochemicznych zachodzących w tych „brudnych” żywych układach z punktu widzenia fizyka, z którym trudno było im pracować. Szereg trendów, które pojawiły się w chemii fizycznej, dało początek podobnym trendom w biofizyce.

Jednym z największych osiągnięć w historii chemii fizycznej był rozwój S. Arrhenius (Nagroda Nobla, 1903) teoria dysocjacji elektrolitycznej soli w roztworach wodnych (1887), która ujawniła przyczyny ich aktywności. Teoria ta wzbudziła zainteresowanie fizjologów, którzy doskonale zdawali sobie sprawę z roli soli w zjawiskach wzbudzania, przewodzeniu impulsów nerwowych, w krążeniu krwi i tak dalej. Już w 1890 roku młody fizjolog V.Yu. Chagovets przedstawia pracę „O zastosowaniu teorii dysocjacji Arrheniusa do zjawisk elektromotorycznych w żywych tkankach”, w której próbował powiązać występowanie potencjałów bioelektrycznych z nierównomiernym rozkładem jonów.

Wielu twórców chemii fizycznej bierze udział w przenoszeniu idei fizykochemicznych na zjawiska biologiczne. Oparte na zjawisku ruchu jonów soli, W. Nernsta (1908) sformułował swoje znane ilościowe prawo wzbudzenia: próg wzbudzenia fizjologicznego jest określony przez liczbę przenoszonych jonów. Fizyk i chemik W. Ostwald opracował teorię powstawania potencjałów bioelektrycznych opartą na założeniu, że na powierzchni komórki znajduje się błona półprzepuszczalna dla jonów i zdolna do oddzielania jonów o przeciwnych ładunkach. W ten sposób położono podwaliny pod kierunek biofizyczny w interpretacji szeroko rozumianej przepuszczalności i budowy błon biologicznych.

Rozdział II. BIOFIZYKA NA LEKCJACH FIZYKI

2.1. Elementy biofizyki na lekcjach fizyki w klasach 7-9

Cechą charakterystyczną współczesnej nauki jest intensywne przenikanie się idei, podejść teoretycznych i metod tkwiących w różnych dyscyplinach. Dotyczy to zwłaszcza fizyki, chemii, biologii i matematyki. Tak więc metody badań fizycznych znajdują szerokie zastosowanie w badaniu przyrody ożywionej, a wyjątkowość tego obiektu powołuje do życia nowe, bardziej zaawansowane metody badań fizycznych.

Biorąc pod uwagę związki fizyki i biologii, konieczne jest ukazanie studentom wspólności szeregu praw przyrody ożywionej i nieożywionej, pogłębienie ich rozumienia jedności świata materialnego, relacji i uwarunkowań zjawisk, ich poznawalności, zapoznać ich z wykorzystaniem metod fizycznych w badaniu procesów biologicznych.

Na lekcjach fizyki należy podkreślić, że charakterystycznym znakiem naszych czasów jest pojawienie się szeregu złożonych nauk. Rozwinęła się biofizyka - nauka badająca wpływ czynników fizycznych na organizmy żywe.

Przyciąganie przykładów biofizycznych służy lepszemu przyswojeniu przebiegu fizyki. Materiał biofizyczny powinien być bezpośrednio powiązany z programem zajęć z fizyki i biologii oraz odzwierciedlać najbardziej obiecujące kierunki rozwoju nauki i techniki. Na prawie wszystkie sekcje kursu fizyki można wybrać dużą liczbę przykładów biofizycznych, wskazane jest ich wykorzystanie wraz z przykładami z przyrody nieożywionej i techniki.

2.2. Wykorzystanie biofizyki w klasie w szkole podstawowej

Mechanika

Ruch i siły.

Studiując temat „Ruch i siły” w klasie 7, możesz przedstawić uczniom prędkości poruszania się różnych zwierząt. Ślimak czołga się około 5,5 m w ciągu 1 godziny.Żółw porusza się z prędkością około 70 m/h. Mucha leci z prędkością 5 m/s. Średnia prędkość marszu wynosi około 1,5 m/s, czyli około 5 km/h. Koń jest w stanie poruszać się z prędkością 30 km/h i większą.

Maksymalna prędkość niektórych zwierząt: pies gończy – 90 km/h, struś – 120 km/h, gepard – 110 km/h, antylopa – 95 km/h.

Wykorzystując dane dotyczące prędkości różnych przedstawicieli świata zwierząt, można rozwiązywać różnego rodzaju problemy. Na przykład:

Prędkość ślimaka wynosi 0,9 mm/s. Wyraź tę prędkość w cm/min, m/h.

Sokół wędrowny, goniąc zdobycz, nurkuje z prędkością 300 km/h. Jaką odległość pokonuje w 5 sekund?

Wiadomo, że średnie tempo wzrostu dębu wynosi około 0,3 m rocznie. Ile lat ma dąb o wysokości 6,3 m?

Waga telefonu Gęstość.

Masa i objętość ciała są bezpośrednio związane z przedstawicielami flory, na przykład podano następujące zadania:

Określ masę drewna brzozowego, jeśli jego objętość wynosi 5 m 3.

Określ objętość suchego bambusa, jeśli jego masa wynosi 4800 kg.

Określ gęstość balsy, jeśli jej masa wynosi 50 ton, a objętość 500 m 3.

Powaga.

Studiując ten temat, możesz przeprowadzić następujące prace szkoleniowe. Podano masy różnych ssaków: wieloryb - 70000 kg, słoń - 4000 kg, nosorożec - 2000 kg, byk - 1200 kg, niedźwiedź - 400 kg, świnia 200 kg, człowiek - 70 kg, wilk - 40 kg, zając - 6 kg. Znajdź ich wagę w niutonach.

Te same dane można wykorzystać do graficznego przedstawienia sił.

Ciśnienie cieczy i gazów.

Ciało ludzkie, którego powierzchnia o masie 60 kg i wysokości 160 cm jest w przybliżeniu równa 1,6 m 2 , jest poddawane działaniu siły 160 000 N, wywołanej ciśnieniem atmosferycznym. Jak ciało wytrzymuje tak ogromne obciążenie?

Osiąga się to dzięki temu, że ciśnienie płynów wypełniających naczynia ciała równoważy ciśnienie zewnętrzne.

Ściśle związana z tą kwestią jest możliwość przebywania pod wodą na dużych głębokościach. Faktem jest, że przeniesienie ciała na inny poziom powoduje załamanie jego funkcji. Wynika to z deformacji ścian naczyń, zaprojektowanych do pewnego nacisku od wewnątrz i na zewnątrz. Ponadto wraz ze zmianą ciśnienia zmienia się również tempo wielu reakcji chemicznych, w wyniku czego zmienia się również równowaga chemiczna organizmu. Wraz ze wzrostem ciśnienia następuje zwiększona absorpcja gazów przez płyny ustrojowe, a gdy spada, następuje uwalnianie rozpuszczonych gazów. Przy szybkim spadku ciśnienia z powodu intensywnego uwalniania gazów krew niejako się gotuje, co prowadzi do zablokowania naczyń krwionośnych, często śmiertelnego. Określa to maksymalną głębokość, na której można prowadzić operacje nurkowe (z reguły nie mniej niż 50 metrów). Schodzenie i wynurzanie musi odbywać się bardzo powoli, aby gazy uwalniały się tylko w płucach, a nie od razu w całym układzie krążenia.

Przykłady niektórych mocy w dzikiej przyrodzie.

Moc muchy w locie wynosi 10 -5 watów.

Uderzenie miecznika 10 5 -10 6 W.

Uważa się, że osoba w normalnych warunkach pracy może rozwinąć moc około 70-80 W, ale możliwe jest krótkotrwałe kilkukrotne zwiększenie mocy. Tak więc osoba o sile 750 N może skoczyć na wysokość 1 m w ciągu 1 s, co odpowiada mocy 750 W; biegacz rozwija moc około 1000 watów.

Natychmiastowe lub wybuchowe uwolnienie energii jest możliwe w sportach takich jak pchnięcie kulą lub skok wzwyż. Obserwacje wykazały, że podczas wysokich skoków z jednoczesnym odpychaniem obiema nogami, niektórzy mężczyźni rozwijają średnio moc około 3700 W przez 0,1 s, a kobiety - 2600 W.

Maszyna płucno-sercowa (AIC)

Kończąc naukę mechaniki, warto opowiedzieć uczniom o urządzeniu maszyny płuco-serce.

Podczas operacji na sercu często zachodzi konieczność chwilowego wyłączenia go z krążenia w organizmie (ok. 4-5 litrów dla dorosłego pacjenta), ustawionej temperatury krążącej krwi.

Płuco-serce składa się z dwóch głównych części: części pompy i generatora tlenu. Pompy pełnią funkcje serca - utrzymują ciśnienie i krążenie krwi w naczyniach organizmu podczas zabiegu. Generator tlenu pełni funkcję płuc i zapewnia wysycenie krwi na poziomie co najmniej 95% oraz utrzymuje ciśnienie parcjalne CO 2 na poziomie 35-45 mm Hg. Sztuka. krew żylna z naczyń pacjenta przepływa grawitacyjnie do generatora tlenu, znajdującego się poniżej poziomu stołu operacyjnego, gdzie jest nasycana tlenem, uwalniana z nadmiaru dwutlenku węgla, a następnie pompowana do krwiobiegu pacjenta przez pompę tętniczą. AIK od dawna jest w stanie zastąpić funkcje serca i płuc.

Rozwiązując problemy związane z żywymi obiektami, należy bardzo uważać, aby nie dopuścić do błędnej interpretacji procesów biologicznych.

Zadanie. Jak wytłumaczyć za pomocą fizycznych przedstawień, że w czasie burzy świerk jest łatwiej wyrwany z korzeniami, a pień sosny bardziej podatny na złamanie?

Interesuje nas analiza tylko jakościowej strony zagadnienia. Ponadto interesuje nas kwestia porównawczego zachowania obu drzew. Rolę obciążenia w naszym zagadnieniu odgrywa siła wiatru F B. Można dodać siłę wiatru działającą na pień do siły wiatru działającej na koronę, a nawet założyć, że siły wiatru działające na oba drzewa są takie same . Najwyraźniej dalsze rozumowanie powinno wyglądać następująco. System korzeniowy sosny wchodzi głębiej w ziemię niż świerka. Z tego powodu ramię siły trzymającej sosnę w ziemi jest większe niż świerka. Dlatego, aby obrócić świerk z korzeniem, potrzeba mniej momentu siły i wiatru niż go złamać. Dlatego świerk częściej niż sosna okazuje się z korzeniem, a sosna łamie się częściej niż świerk.

Badanie zjawisk cieplnych i molekularnych

Urządzenie „sztuczna nerka”

To urządzenie jest używane do ratownictwa medycznego w przypadku ostrego zatrucia; przygotowanie pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek do przeszczepienia nerki; do leczenia niektórych zaburzeń układu nerwowego (schizofrenia, depresja).

AIP to hemodializer, w którym krew wchodzi w kontakt z roztworem soli przez półprzepuszczalną błonę. Ze względu na różnicę ciśnień osmotycznych jony i cząsteczki produktów przemiany materii (mocznik i kwas moczowy), a także różne substancje toksyczne, które mają zostać usunięte z organizmu, przechodzą przez błonę z krwi do roztworu soli.

zjawiska kapilarne.

Rozważając zjawiska kapilarne, należy podkreślić ich rolę w biologii, ponieważ większość tkanek roślinnych i zwierzęcych jest przesiąknięta ogromną liczbą naczyń włosowatych. To w naczyniach włosowatych zachodzą główne procesy związane z oddychaniem i odżywianiem organizmu, cała najbardziej złożona chemia życia, ściśle związana ze zjawiskami rozproszonymi.

Fizycznym modelem układu sercowo-naczyniowego może być układ wielu rozgałęzionych rurek o elastycznych ściankach. Wraz ze wzrostem rozgałęzienia zwiększa się całkowity przekrój rur i odpowiednio zmniejsza się prędkość płynu. Jednak ze względu na fakt, że rozwidlenie składa się z wielu wąskich kanałów, znacznie wzrastają straty tarcia wewnętrznego, a całkowity opór ruchu płynów (pomimo spadku prędkości) znacznie wzrasta.

Rola zjawisk powierzchniowych w życiu przyrody ożywionej jest bardzo zróżnicowana. Na przykład warstwa powierzchniowa wody stanowi podporę dla wielu organizmów podczas ruchu. Ta forma ruchu występuje u małych owadów i pajęczaków. Niektóre zwierzęta, które żyją w wodzie, ale nie mają skrzeli, są zawieszone od spodu w pobliżu powierzchniowej warstwy wody za pomocą specjalnego niezwilżalnego włosia otaczającego ich narządy oddechowe. Technika ta jest stosowana przez larwy komarów (w tym malarię).

Do samodzielnej pracy możesz zaoferować takie zadania, jak:

W jaki sposób można zastosować wiedzę z zakresu teorii kinetyki molekularnej do wyjaśnienia mechanizmu wchłaniania przez włośniki korzeni roślin składników odżywczych z gleby?

Jak wytłumaczyć wodoodporność dachu krytego strzechą, siano w stogach?

Określ wysokość, do której pod działaniem sił napięcia powierzchniowego woda unosi się w łodygach roślin posiadających naczynia włosowate o średnicy 0,4 mm. Czy kapilarność można uznać za jedyną przyczynę podnoszenia się wody wzdłuż łodygi rośliny?

Czy to prawda, że ​​jaskółki latające nisko nad ziemią zwiastują nadejście deszczu?

Badanie wibracji i dźwięku

Przykłady procesów okresowych w biologii: wiele kwiatów zamyka korony o zmroku; u większości zwierząt pojawia się okresowość potomstwa; znane są okresowe zmiany intensywności fotosyntezy w roślinach; fluktuacje doświadczają wielkości jąder w komórkach itp.

Odgłosy lasu.

Odgłosy lasu (szelest) powstają w wyniku wibracji liści pod wpływem wiatru i ich tarcia o siebie. Jest to szczególnie widoczne na liściach osiki, ponieważ są one przymocowane do długich i cienkich ogonków, dzięki czemu są bardzo ruchliwe i kołyszą się nawet przy najsłabszych prądach powietrza.

Żaby mają bardzo głośne i dość zróżnicowane głosy. Niektóre gatunki żab mają ciekawe urządzenia wzmacniające dźwięk w postaci dużych, kulistych bąbelków po bokach głowy, które pęcznieją podczas płaczu i służą jako silne rezonanse.

Dźwięk owadów jest najczęściej spowodowany gwałtownymi wibracjami skrzydeł podczas lotu (komary, muchy, pszczoły). Lot owada, który częściej trzepocze skrzydłami, odbierany jest przez nas jako dźwięk o wyższej częstotliwości, a więc i wyższej. Niektóre owady, takie jak koniki polne, mają specjalne organy dźwiękowe - rząd goździków na tylnych łapach, które dotykają krawędzi skrzydeł i powodują wibracje.

Pszczoła robotnica wylatująca z ula po łapówkę wykonuje średnio 180 uderzeń skrzydłami na sekundę. Kiedy wraca z ładunkiem, liczba uderzeń wzrasta do 280. Jak to wpływa na dźwięk, który słyszymy?

Dlaczego lot motyla jest cichy?

Wiadomo, że wiele żab ma duże, kuliste pęcherze po bokach głowy, które puchną, gdy nawołują. Jaki jest ich cel?

Od czego zależy częstotliwość dźwięku emitowanego przez owady podczas lotu?

Badanie optyki i budowy atomu.

Światło.

Światło jest absolutnie niezbędne dla żywej przyrody, ponieważ służy jej jako źródło energii. Rośliny chlorofilowe, z wyjątkiem niektórych bakterii, są jedynymi organizmami zdolnymi do syntezy własnej substancji z wody, soli mineralnych i dwutlenku węgla za pomocą energii promienistej, którą w procesie asymilacji przekształcają w energię chemiczną. Wszystkie inne organizmy zamieszkujące naszą planetę – rośliny i zwierzęta – bezpośrednio lub pośrednio zależą od roślin zawierających chlorofil. Najsilniej pochłaniają promienie odpowiadające pasmom absorpcji w widmie chlorofilu. Są dwa z nich: jeden leży w czerwonej części widma, drugi w niebiesko-fioletowym. Pozostałe promienie rośliny odbijają się. To oni nadają roślinom chlorofilowym ich zielony kolor. Rośliny chlorofilowe reprezentowane są przez rośliny wyższe, mchy i glony.

Oczy różnych przedstawicieli świata zwierząt.

U płazów rogówka oka jest bardzo wypukła. Akomodacja oczu odbywa się, podobnie jak u ryb, przez ruch soczewki.

Ptaki mają bardzo bystry wzrok, lepszy od innych zwierząt. Ich gałka oczna jest bardzo duża i ma osobliwą strukturę, dzięki czemu zwiększa się pole widzenia. Ptaki o szczególnie bystrym wzroku (sępy, orły) mają wydłużoną „teleskopową” gałkę oczną. Oczy ssaków żyjących w wodzie (np. wielorybów) przypominają oczy ryb głębinowych pod względem wybrzuszenia rogówki i dużego współczynnika załamania światła.

Jak pszczoły widzą kolory.

Wizja pszczół różni się od wizji ludzi. Osoba rozróżnia około 60 poszczególnych kolorów widma widzialnego. Pszczoły rozróżniają tylko 6 kolorów: żółty, niebiesko-zielony, niebieski, „fioletowy”, fioletowy i niewidoczny dla człowieka ultrafiolet. Barwa pszczół „magenta” to mieszanina promieni żółtych i ultrafioletowych o widmie, widocznych dla pszczół.

Do samodzielnej pracy w tej sekcji możesz zaoferować następujące zadania:

Do czego służy dwoje oczu?

Siatkówka człowieka i orlego oka jest w przybliżeniu taka sama, ale średnica komórek nerwowych (stożków) w jego środkowej części jest mniejsza - tylko 0,3 - 0,4 mikrona (mikronów = 10 -3 mm). Jakie znaczenie ma taka struktura siatkówki orlego oka?

Gdy zapada ciemność, źrenica oka rozszerza się. Jak wpływa to na ostrość obrazu otaczających obiektów? Czemu?

Soczewka rybiego oka jest sferyczna. Jakie cechy siedliska ryb sprawiają, że taka forma soczewki jest odpowiednia? Pomyśl o mechanizmie akomodacji oczu u ryb, jeśli krzywizna soczewki się nie zmienia.

2.3. Turniej Blitz „Fizyka w dzikiej przyrodzie”

W celu zorganizowania samodzielnych zajęć praktycznych dla uczniów klasy 7 można zaproponować turniej błyskawiczny „Fizyka w przyrodzie”.

Cel lekcji: powtórzenie materiału na temat „Uogólnianie lekcji na cały kurs”; sprawdzian wiedzy, pomysłowości, umiejętności logicznego myślenia.

Zasady gry

Pytania są wybierane przez cały kurs 7 klasy.

Lekcja przebiega w szybkim tempie.

Podczas lekcji możesz korzystać z dowolnej literatury referencyjnej, w tym podręcznika.

Podczas zajęć

Nauczyciel czyta pytanie. Gotowy do odpowiedzi gracz podnosi rękę; Pierwsza osoba, która podniesie rękę, otrzymuje głos. Poprawna odpowiedź jest warta 1 punkt. Uczestnicy z najmniejszą liczbą punktów są eliminowani z gry.

Pytania:

Wychodząc z wody zwierzęta są wstrząśnięte. Jakie prawo fizyczne stosuje się w tym przypadku? (Prawo bezwładności).

Jakie znaczenie ma elastyczna sierść na podeszwach łap zająca? (Elastyczny włos na podeszwach łap zająca wydłuża czas hamowania podczas skoku, a tym samym osłabia siłę uderzenia).

Dlaczego niektóre ryby trzymają płetwy blisko siebie, gdy poruszają się szybko? (Aby zmniejszyć opór ruchu).

Jesienią czasem w pobliżu torów tramwajowych przejeżdżających w pobliżu ogrodów i parków wisi plakat: „Uwaga! Opadanie liści. Jakie jest znaczenie tego ostrzeżenia? (Liście spadające na szyny zmniejszają tarcie, dzięki czemu samochód może jechać długą drogę podczas hamowania.)

Jaka jest wytrzymałość kości ludzkiej na ściskanie? (Kość udowa, na przykład umieszczona pionowo, może wytrzymać nacisk obciążenia półtora tony).

Dlaczego buty do nurkowania są wykonane z ciężkich ołowianych podeszw? (Ciężkie ołowiane podeszwy butów pomagają nurkowi pokonać wyporność wody.)

Dlaczego człowiek może się poślizgnąć, gdy nadepnie na twardy, suchy groszek? (Tarcie przyczynia się do ruchu osoby. Suchy groszek, będąc jak łożysko, zmniejsza tarcie między nogami osoby a podporą).

Dlaczego w rzece o mulistym dnie utkniemy bardziej w płytkim miejscu niż w głębokim? (Zanurzając się na większą głębokość, wypieramy większą objętość wody. Zgodnie z prawem Archimedesa w tym przypadku zadziała na nas duża siła wyporu).

Zreasumowanie.

Nauczyciel wystawia oceny.

Wniosek

K. D. Ushinsky napisał, że niektórzy nauczyciele wydają się robić tylko to, co powtarzają, ale w rzeczywistości szybko posuwają się naprzód w uczeniu się nowych rzeczy. Powtarzanie z zaangażowaniem nowych prowadzi do lepszego zrozumienia i zapamiętania przerabianego materiału. Wiadomo też, że najlepszym sposobem na wzbudzenie zainteresowania tematem jest zastosowanie zdobytej wiedzy w innych obszarach niż te, w których je uzyskano. Organizacja powtórek z udziałem materiału biofizycznego jest właśnie takim rodzajem powtórki, gdy następuje z udziałem nowego, cieszy się dużym zainteresowaniem studentów i pozwala na zastosowanie praw fizyki w dziedzinie przyrody.

Przyciąganie przykładów biofizycznych służy lepszemu przyswojeniu przebiegu fizyki. Materiał biofizyczny powinien być bezpośrednio powiązany z programem zajęć z fizyki i biologii oraz odzwierciedlać najbardziej obiecujące kierunki rozwoju nauki i techniki.

Ustanowienie interdyscyplinarnych powiązań między fizyką a biologią daje ogromne możliwości formowania przekonań materialistycznych. Uczniowie uczą się ilustrować prawa fizyki nie tylko przykładami z technologii, ale także z przykładami z dzikiej przyrody. Z drugiej strony, biorąc pod uwagę żywotną aktywność organizmów roślinnych i zwierzęcych, posługują się prawami fizycznymi, fizycznymi analogiami.

Powtórzenie i utrwalenie materiału objętego udziałem materiału biofizycznego umożliwia nauczycielowi zapoznanie studentów z najnowszymi osiągnięciami w dziedzinie biofizyki i bioniki, zachęcenie ich do zapoznania się z dodatkową literaturą.

Organizacyjnie lekcję można budować na różne sposoby: w formie wykładów przez nauczycieli, w formie sprawozdań przygotowywanych przez uczniów pod kierunkiem nauczycieli fizyki i biologii.

BIBLIOGRAFIA

Trofimova T.I. Zbiór zadań z przedmiotu fizyki dla uczelni technicznych – wyd. - M .: Wydawnictwo LLC Onyx XXI wiek: Wydawnictwo LLC Mir i Edukacja, 2003 - 384 s.: il.

Zorin N.I. Przedmiot do wyboru „Elementy biofizyki”: klasa 9. - M.: VAKO, 2007. - 160 s. - (Warsztat nauczyciela).

Do wyboru 9: Fizyka. Chemia. Biologia: Konstruktor zajęć fakultatywnych (międzyprzedmiotowych i przedmiotowych): Do organizacji szkolenia przedprofilowego dla uczniów klasy 9: W 2 książkach. Książka. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. i inne - M.: 5 za wiedzę, 2006. - 304 s. - (do wyboru).

Do wyboru 9: Fizyka. Chemia. Biologia: Konstruktor zajęć fakultatywnych (międzyprzedmiotowych i przedmiotowych): Do organizacji szkolenia przedprofilowego dla uczniów klasy 9: W 2 książkach. Książka. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. i inne - M.: 5 za wiedzę, 2006. - 176 s. - (do wyboru).

Maron A.E. Zbiór zagadnień jakościowych w fizyce: dla 7-9 komórek kształcenia ogólnego. instytucje / A.E. Maron, E.A. Kasztanowaty. - M.: Edukacja, 2006. - 239 s.: chor.

Łukaszyk W.I. Zbiór problemów z fizyki dla klas 7-9 instytucji edukacyjnych / V.I. Łukaszik, E.V. Iwanowa. – 22. ed. – M.: Oświecenie, 2008. – 240 s.: chor.

Katz Ts.B. Biofizyka na lekcjach fizyki / Książka. dla nauczyciela: z doświadczenia zawodowego. - wyd. 2, poprawione. – M.: Oświecenie, 1988. – 159 s.: il.

Volkov V.A., Polyansky S.E. Rozwój Pouroczny w fizyce. Klasa 7 - wyd. - M.: VAKO, 2007. - 304 s. - (Aby pomóc nauczycielowi w szkole: do zestawów szkoleniowych A.V. Peryshkin, S.V. Gromov, N.A. Rodina).

Jedną z najstarszych nauk jest oczywiście biologia. Zainteresowanie ludzi procesami zachodzącymi w nim samym iw otaczających go istotach powstało kilka tysięcy lat przed naszą erą.

Obserwacja zwierząt, roślin, procesów naturalnych była ważną częścią życia ludzi. Z biegiem czasu zgromadzono wiele wiedzy, udoskonalono i rozwinięto metody badania dzikiej przyrody i mechanizmów w niej zachodzących. Doprowadziło to do powstania wielu sekcji, które w sumie składają się na złożoną naukę.

Badania biologiczne w różnych dziedzinach życia umożliwiają pozyskanie nowych cennych danych, które są ważne dla zrozumienia budowy biomasy planety. Wykorzystaj tę wiedzę do praktycznych celów ludzkich (eksploracja kosmosu, medycyna, rolnictwo, przemysł chemiczny itd.).

Wiele odkryć umożliwiło prowadzenie badań biologicznych w zakresie budowy wewnętrznej i funkcjonowania wszystkich żywych systemów. Zbadano skład molekularny organizmów, ich mikrostrukturę, wyizolowano i zbadano wiele genów z genomu ludzi i zwierząt, roślin. Zalety biotechnologii komórkowej i pozwalają uzyskać kilka zbiorów roślin w sezonie, a także hodować rasy zwierząt, które dają więcej mięsa, mleka i jaj.

Badanie drobnoustrojów umożliwiło uzyskanie antybiotyków i stworzenie dziesiątek i setek szczepionek, które pozwalają pokonać wiele chorób, nawet tych, które w epidemiach ludzi i zwierząt zabierały tysiące istnień.

Dlatego współczesna nauka biologiczna to nieograniczone możliwości ludzkości w wielu dziedzinach nauki, przemysłu i ochrony zdrowia.

Klasyfikacja nauk biologicznych

Jedna z pierwszych prywatnych sekcji nauk biologicznych pojawiła się jako pierwsza. Takich jak botanika, zoologia, anatomia i taksonomia. Później zaczęły powstawać dyscypliny bardziej zależne od wyposażenia technicznego - mikrobiologia, wirusologia, fizjologia i tak dalej.

Istnieje wiele młodych i postępowych nauk, które pojawiły się dopiero w XX-XXI wieku i odgrywają ważną rolę we współczesnym rozwoju biologii.

Nie istnieje jedna, ale kilka klasyfikacji, według których można uszeregować nauki biologiczne. Ich lista jest imponująca we wszystkich przypadkach, rozważ jedną z nich.

Biologia	Nauki prywatne	Botanika	zajmuje się badaniem budowy zewnętrznej i wewnętrznej, procesów fizjologicznych, filogenezy i rozmieszczenia w przyrodzie wszystkich roślin występujących na planecie (flory)	Obejmuje następujące sekcje: algologia; dendrologia; taksonomia; anatomia; morfologia; fizjologia; briologia; paleobotanika; ekologia; geobotanika; etnobotanika; reprodukcja roślin.
		Zoologia	zajmuje się badaniem budowy zewnętrznej i wewnętrznej, procesów fizjologicznych, filogenezy i rozmieszczenia w przyrodzie wszystkich zwierząt występujących na planecie (fauny)	Dyscypliny zawarte w: Dyscypliny: anatomia topograficzna; porównawczy; systematyczny; wiek; Plastikowy; funkcjonalny; eksperymentalny.
		Antropologia	szereg dyscyplin, które badają rozwój i kształtowanie się osoby w środowisku biologicznym i społecznym w kompleksie	Działy: filozoficzny, sądowy, religijny, fizyczny, społeczny, kulturowy, wizualny.
		Mikrobiologia	bada najmniejsze żywe organizmy, od bakterii po wirusy	Dyscypliny: wirusologia, bakteriologia, mikrobiologia medyczna, mikologia, mikrobiologia przemysłowa, techniczna, rolnicza, kosmiczna
		Nauki ogólne	Systematyka	do zadań należy opracowanie podstaw klasyfikacji całego życia na naszej planecie w celu ścisłego uporządkowania i identyfikacji dowolnego przedstawiciela biomasy
	Morfologia		opis znaków zewnętrznych, struktury wewnętrznej i topografii narządów wszystkich istot żywych	Sekcje: rośliny, zwierzęta, mikroorganizmy, grzyby
	Fizjologia		bada cechy funkcjonowania określonego układu, narządu lub części ciała, mechanizmy wszystkich procesów zapewniających jego żywotną aktywność	Rośliny, zwierzęta, człowiek, mikroorganizmy
	Ekologia		nauka o związkach istot żywych ze sobą, środowiskiem i człowiekiem	Geoekologia, ogólna, społeczna, przemysłowa
	Genetyka		bada genom istot żywych, mechanizmy dziedziczności i zmienności cech pod wpływem różnych warunków, a także historyczne zmiany genotypu podczas przemian ewolucyjnych
	biogeografia		rozważa przesiedlenie i rozmieszczenie niektórych gatunków żywych istot na planecie
	doktryna ewolucyjna		ujawnia mechanizmy historycznego rozwoju człowieka i innych żywych systemów na planecie. Ich pochodzenie i rozwój
	Złożone nauki, które powstały na styku ze sobą	Biochemia	bada procesy zachodzące w komórkach istot żywych z chemicznego punktu widzenia
		Biotechnologia	rozważa wykorzystanie organizmów, ich produktów i/lub części na potrzeby człowieka
		Biologia molekularna	zajmuje się badaniem mechanizmów przekazywania, przechowywania i wykorzystywania informacji dziedzicznych przez istoty żywe, a także funkcji i drobnej struktury białek, DNA i RNA.	Nauki pokrewne: inżynieria genetyczna i komórkowa, genetyka molekularna, bioinformatyka, proteomika, genomika
		Biofizyka	jest to nauka badająca wszystkie możliwe procesy fizyczne zachodzące we wszystkich organizmach żywych, od wirusów po człowieka	Sekcje tej dyscypliny zostaną omówione poniżej.

W ten sposób staraliśmy się uchwycić główną różnorodność, jaką są nauki biologiczne. Ta lista wraz z rozwojem technologii i metod studiów rozszerza się i uzupełnia. Dlatego dziś nie istnieje ujednolicona klasyfikacja biologii.

Bionauki postępowe i ich znaczenie

Do najmłodszych, nowoczesnych i postępowych nauk biologicznych należą m.in.:

• biotechnologia;
• Biologia molekularna;
• biologia kosmiczna;
• biofizyka;
• biochemia.

Każda z tych nauk powstała nie wcześniej niż w XX wieku i dlatego słusznie uważana jest za młodą, intensywnie rozwijającą się i najważniejszą dla praktycznej działalności człowieka.

Zastanówmy się nad takimi z nich jak biofizyka. Jest to nauka, która pojawiła się około 1945 roku i stała się ważną częścią całego systemu biologicznego.

Czym jest biofizyka?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy przede wszystkim wskazać na jej bliski kontakt z chemią i biologią. W niektórych kwestiach granice między tymi naukami są tak bliskie, że trudno jest określić, która z nich jest konkretnie zaangażowana i która ma priorytet. Dlatego warto rozważyć biofizykę jako złożoną naukę, która bada głębokie procesy fizyczne i chemiczne zachodzące w żywych układach zarówno na poziomie molekuł, komórek, organów, jak i na poziomie Biosfery jako całości.

Jak każda inna, biofizyka jest nauką, która ma własny przedmiot badań, cele i zadania, a także wartościowe i znaczące wyniki. Ponadto dyscyplina ta jest ściśle skorelowana z kilkoma nowymi kierunkami.

Przedmioty badań

Dla biofizyki są to biosystemy na różnych poziomach organizacyjnych.

1. wirusy, jednokomórkowe grzyby i glony).
2. Najprostsze zwierzęta.
3. Poszczególne komórki i ich części strukturalne (organelle).
4. Rośliny.
5. Zwierzęta (w tym ludzie).
6. społeczności ekologiczne.

Oznacza to, że biofizyka to nauka o życiu z punktu widzenia zachodzących w nim procesów fizycznych.

Zadania nauki

Początkowo zadaniem biofizyków było udowadnianie istnienia procesów i zjawisk fizycznych w życiu istot żywych oraz badanie ich, poznawanie ich natury i znaczenia.

Współczesne zadania tej nauki można sformułować w następujący sposób:

1. Badanie struktury genów i mechanizmów towarzyszących ich przekazywaniu i przechowywaniu, modyfikacje (mutacje).
2. Rozważ wiele aspektów biologii komórki (interakcje między komórkami, interakcje chromosomalne i genetyczne oraz inne procesy).
3. Badanie cząsteczek polimerów (białek, kwasów nukleinowych, polisacharydów) w połączeniu z biologią molekularną.
4. Ujawnienie wpływu czynników kosmogenofizycznych na przebieg wszystkich procesów fizycznych i chemicznych w organizmach żywych.
5. Głębiej ujawnij mechanizmy fotobiologii (fotosynteza, fotoperiodyzm itd.).
6. Wdrażać i rozwijać metody modelowania matematycznego.
7. Zastosuj wyniki nanotechnologii do badania żywych systemów.

Z tej listy widać, że biofizyka bada wiele istotnych i poważnych problemów współczesnego społeczeństwa, a wyniki tej nauki mają ogromne znaczenie dla człowieka i jego życia.

Historia formacji

Jako nauka biofizyka narodziła się stosunkowo niedawno - w 1945 roku, kiedy opublikował swoją pracę „Czym jest życie z punktu widzenia fizyki”. To on jako pierwszy zauważył i wskazał, że wiele praw fizyki (termodynamika, prawa mechaniki kwantowej) ma miejsce właśnie w życiu i pracy organizmów istot żywych.

Dzięki pracy tego człowieka nauka biofizyka rozpoczęła swój intensywny rozwój. Jednak jeszcze wcześniej, w 1922 r., Utworzono w Rosji instytut biofizyki, kierowany przez P.P. Lazareva. Tam główną rolę przypisuje się badaniu natury wzbudzenia w tkankach i narządach. Rezultatem była identyfikacja znaczenia jonów w tym procesie.

1. Galvani odkrywa elektryczność i jej znaczenie dla żywych tkanek (bioelektryczność).
2. A. L. Chizhevsky jest ojcem kilku dyscyplin zajmujących się badaniem wpływu przestrzeni na biosferę, a także promieniowania jonizującego i elektrohemodynamiki.
3. Szczegółową strukturę cząsteczek białek zbadano dopiero po odkryciu analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego (analiza dyfrakcji rentgenowskiej). Dokonali tego Perutz i Kendrew (1962).
4. W tym samym roku odkryto trójwymiarową strukturę DNA (Maurice Wilkins).
5. Neher i Zakman w 1991 roku zdołali opracować metodę lokalnego utrwalania potencjału elektrycznego.

Również szereg innych odkryć pozwoliło nauce biofizyki wejść na ścieżkę intensywnej i postępującej modernizacji w rozwoju i formacji.

Działy biofizyki

Istnieje wiele dyscyplin składających się na tę naukę. Rozważmy najbardziej podstawowe z nich.

1. Biofizyka układów złożonych - uwzględnia wszystkie złożone mechanizmy samoregulacji organizmów wielokomórkowych (systemogeneza, morfogeneza, synergogeneza). Dyscyplina ta bada również cechy fizycznego komponentu procesów ontogenezy i rozwoju ewolucyjnego, poziomy organizacji organizmów.
2. Bioakustyka i biofizyka systemów sensorycznych - zajmuje się badaniem systemów sensorycznych organizmów żywych (wzrok, słuch, odbiór, mowa i inne), sposobów przekazywania różnych sygnałów. Ujawnia mechanizmy konwersji energii, gdy organizmy dostrzegają wpływy zewnętrzne (podrażnienia).
3. Biofizyka teoretyczna – obejmuje szereg dyscyplin zajmujących się badaniem termodynamiki procesów biologicznych, konstruowaniem modeli matematycznych części strukturalnych organizmów. Uwzględnia również procesy kinetyczne.
4. Biofizyka molekularna - zajmuje się głębokimi mechanizmami organizacji strukturalnej i funkcjonowania takich biopolimerów jak DNA, RNA, białka, polisacharydy. Zajmuje się konstruowaniem modeli i obrazów graficznych tych cząsteczek, przewiduje ich zachowanie i powstawanie w żywych układach. Ponadto dyscyplina ta buduje układy supramolekularne i submolekularne w celu określenia mechanizmu budowy i działania biopolimerów w układach żywych.
5. Biofizyka komórki. Zajmuje się badaniem najważniejszych procesów komórkowych: różnicowania, podziału, wzbudzania i biopotencjału struktury błony. Szczególną uwagę zwrócono na mechanizmy transportu błonowego substancji, różnicę potencjałów, właściwości i strukturę błony i jej części otaczających.
6. Biofizyka metabolizmu. Najważniejsze z nich to solaryzacja i adaptacja do niej organizmów, hemodynamika, termoregulacja, metabolizm i wpływ promieni jonizacyjnych.
7. Biofizyka stosowana. Składa się z kilku dyscyplin: bioinformatyka, biometria, biomechanika, badanie procesów ewolucyjnych i ontogenezy, biofizyka patologiczna (medyczna). Przedmiotem badań biofizyki stosowanej są układ mięśniowo-szkieletowy, metody ruchu, metody rozpoznawania ludzi po cechach fizycznych. Na szczególną uwagę zasługuje biofizyka medyczna. Uwzględnia procesy patologiczne w organizmach, metody odbudowy uszkodzonych odcinków cząsteczek lub struktur lub ich kompensacji. Daje materiał do biotechnologii. Ma to ogromne znaczenie w zapobieganiu rozwojowi chorób, zwłaszcza o charakterze genetycznym, ich eliminacji oraz wyjaśnianiu mechanizmów działania.
8. Biofizyka siedlisk – zajmuje się badaniem efektów fizycznych zarówno lokalnych siedlisk istot, jak i oddziaływań jednostek kosmicznych bliskich i dalekich. Uwzględnia również biorytmy, wpływ warunków pogodowych i biopola na stworzenia. Opracowuje środki zapobiegające negatywnym skutkom

Wszystkie te dyscypliny wnoszą ogromny wkład w rozwój zrozumienia mechanizmów życia systemów żywych, wpływu biosfery i różnych warunków na nie.

Współczesne osiągnięcia

Niektóre z najważniejszych wydarzeń związanych z osiągnięciami biofizyki można wymienić:

• ujawnił mechanizmy klonowania organizmów;
• zbadano cechy przemian i rolę tlenku azotu w organizmach żywych;
• ustalono związek między małymi a informacyjnymi RNA, co w przyszłości pozwoli znaleźć rozwiązanie wielu problemów medycznych (eliminacja chorób);
• odkrył fizyczną naturę autofal;
• dzięki pracy biofizyków molekularnych zbadano aspekty syntezy i replikacji DNA, co doprowadziło do możliwości stworzenia szeregu nowych leków na poważne i złożone choroby;
• stworzono komputerowe modele wszystkich reakcji towarzyszących procesowi fotosyntezy;
• opracowywane są metody ultradźwiękowego badania organizmu;
• ustalono związek między procesami kosmogeofizycznymi i biochemicznymi;
• przewidywane zmiany klimatyczne na planecie;
• odkrycie znaczenia enzymu urokenazy w zapobieganiu zakrzepicy i eliminowaniu następstw po udarach;
• dokonał również szeregu odkryć dotyczących budowy białka, układu krążenia i innych części ciała.

Instytut Biofizyki w Rosji

W naszym kraju istnieją. M. W. Łomonosow. W oparciu o tę instytucję edukacyjną działa Wydział Biofizyki. To on szkoli wykwalifikowanych specjalistów do pracy w tym obszarze.

Bardzo ważne jest, aby zapewnić dobry start przyszłym profesjonalistom. Przed nimi ciężka praca. Biofizyk ma obowiązek rozumieć wszystkie zawiłości procesów zachodzących w żywych istotach. Ponadto uczniowie muszą rozumieć fizykę. W końcu jest to złożona nauka - biofizyka. Wykłady są skonstruowane w taki sposób, aby obejmowały wszystkie dyscypliny związane z biofizyką i tworzące ją oraz uwzględniały zagadnienia zarówno biologiczne, jak i fizyczne.