De viktigaste utvecklingsriktningarna för modern biofysik. Nivåer av biofysisk forskning. Föreläsningar om biofysik Killar som vi fick frågan om mikrobiofysik

INTRODUKTION

"Naturlogiken är den mest tillgängliga och mest användbara logiken för barn."
K. D. Uminsky

I denna manual, som presenterar en beskrivning av arbetslivserfarenhet, försöker man överväga de huvudsakliga riktningarna och dragen i sambandet mellan skolkurser i fysik och biologi och att skissera möjliga sätt och former för att stärka detta samband.
De huvudsakliga inriktningarna för detta arbete är följande: att bekanta eleverna med de fysiska metoderna för forskning och påverkan, som används i stor utsträckning inom biologi och medicin, med vilda djurs fysik, med vissa delar av bionik.
Ett stort antal biofysiska exempel kan väljas för nästan alla delar av fysikkursen (vilket är vad vi gjorde, se bilagan), men det är lämpligt att använda dem endast delvis, tillsammans med tekniska exempel och exempel från livlös natur.
Huvudmålet med att attrahera biofysiska exempel är att uppnå en bättre assimilering av fysikkursen. Biofysikaliskt material bör vara direkt relaterat till kursplanerna för kurser i fysik och biologi och spegla de mest lovande riktningarna i utvecklingen av vetenskap och teknik.
Tre huvudinriktningar för valet av biofysikaliskt material kan anges.
Den första riktningen har målet - att visa eleverna enheten av naturlagarna, tillämpligheten av fysikens lagar på en levande organism.
Den andra riktningen motsvarar förtrogenhet med de fysiska metoderna för påverkan och forskning, som används i stor utsträckning inom biologi och medicin. På gymnasiets fysikkurs introduceras eleverna endast för optiska instrument (förstoringsglas, mikroskop), med hjälp av röntgenstrålar och "taggade atomer". Men redan på en vanlig stadsklinik står varje person inför ett stort antal fysiska metoder för att undersöka sin kropp - blodtryck mäts, hjärtats biopotential registreras etc., som inte beaktas i skolan.
Den tredje riktningen innebär att bekanta eleverna med idéerna och vissa resultat av bionik. Till exempel, när man studerar vibrationer, får eleverna veta att en natts hörselorgan uppfattar ljudvibrationer i frekvensområdet 10 till 100 kHz och gör det möjligt att upptäcka när en fladdermus närmar sig (för det är en nattfjäril en favoritmat ) på ett avstånd av 30 m. Dessa "prestationer" av vilda djur är högre än resultaten som erhålls inom området ekolod, ultraljudsradar, feldetektorer och till och med radar. Det finns många sådana exempel. Det bör dock betonas att bionik syftar till att inte blint imitera biologiska system, utan att avslöja principerna för deras konstruktion.

Kapitel I
ANVÄNDNING AV BIOFYSISKT MATERIAL PÅ FYSIKELektioner

Sätten att bekanta eleverna med biofysiskt material skiljer sig inte i grunden från sätten att bekanta dem med element av teknik. Fysiken är grunden för tekniken; å andra sidan används fysiken flitigt för forskning inom biologi och hjälper till att förstå egenskaperna hos biologiska objekts struktur och liv.
Redan vid de allra första lektionerna lär sig barnen att alla naturvetenskaper använder fysikens lagar. Denna idé måste förtydligas och utvidgas. Vid den första bekantskapen med ämnet - fysik, är det önskvärt att visa elevernas tillämplighet av dess lagar på livet för människor och växter, fåglar, fiskar etc. För att göra detta kan du jämföra flygningen av fåglar, insekter och flygplan , prata om platsen i djurvärlden inom området för ohörbara ljud. Du kan till exempel prata om det faktum att studien av strukturen på en mullvads kropp hjälpte ingenjörer att skapa en jordflyttningsmaskin, och observationer av delfiner och fiskar hjälper till att förbättra ubåtar. Leonardo da Vincis klassiska observationer av fåglarnas flygning och utformningen av deras vingar och användningen av dessa idéer av moderna ingenjörer i utformningen av flygplan, svänghjul och raketer är kända. Det är viktigt att tanken är inpräntad i elevernas medvetande från de första lektionerna att fysik är nyckeln till att förstå fenomenen både livlös och levande natur.
När man presenterar nytt material i fysik är det bäst att presentera illustrativ biofysisk information för läraren själv. Det kan vara både numeriska data som karaktäriserar levande organismer, och en beskrivning av forskningsmetoder som används inom biologin, och kortfattade data om medicinsk eller biologisk utrustning.
Presentationen av nytt material kan varvas med ett samtal, särskilt i de lägre årskurserna. Läraren hänvisar till elevernas livserfarenhet, till informationen som de fick när de studerade i grundskolan, i lektionerna i botanik, geografi och andra relaterade discipliner. Att lösa problem i den levande naturens fysik kan spela en viktig roll för att sätta sig in i biofysikens element. Till exempel, genom att använda en tabell över sportrekord för löpning, skridskoåkning, etc., kan du hitta medelhastigheter, träna på att konvertera hastighetsenheter från ett system till ett annat.
När man upprepar det förflutna är det också möjligt att involvera biofysikaliskt material. Vi använde denna arbetsform efter att ha studerat några ämnen, i slutet av läsåret och vid repetition inför slutproven. Låt oss nämna några ämnen för granskningsupprepning: mekanik i vilda djur, elektricitet och vilda djur, optik och liv, elektromagnetiska fälts inverkan på djur och växtorganismer.
Ett antal biofysiska frågor bör förklaras med hjälp av fragment från några filmer och filmremsor, ritningar, diagram och tabeller, samt visuella hjälpmedel som finns tillgängliga i biologiklassrummet.
Oftast kan fysiklärare bara få ett mycket begränsat utbud av utrustning i biologiklassrummet (mikroskop, ögonmodeller, öra, motsvarande tabeller). Samtidigt är detta långt ifrån all utrustning som finns tillgänglig i biologiklassrum som kan användas med fördel i fysikstudier. Redan under vår första biofysiska kväll ”Fysik och medicin” använde vi följande utrustning från biologirummet: en apparat för att mäta lungvitalvolym, en apparat för att mäta blodtryck, ögon- och öronmodeller, dynamometrar för att mäta muskelstyrka.
Senare, i praktiken av vårt arbete, genom att introducera eleverna till elementen i biofysik, försökte vi också använda utrustningen i biologiklassrummet för detta ändamål: "Tabell om mänsklig anatomi och fysiologi" av A. N. Kabanov, "Mnr animals" - en serie flerfärgade tabeller A. A. Yakhontov, herbarier och samlingar av fjärilar, trollsländor, skalbaggar, sköldpaddor, etc. Det är också användbart att visa några pedagogiska filmer och filmremsor om biologi.
I fortsättningen kommer vi att ange var och vilka visuella hjälpmedel och tekniska medel som kan användas, samt vilka visuella hjälpmedel eleverna själva kan göra.

§ 1. Inslag av biofysik i studiet av mekanik

Rörelse och krafter
När man studerar ämnet "Rörelse och krafter" i årskurs VI kan eleverna introduceras till olika levande varelsers rörelsehastigheter. En snigel kryper cirka 5,5 m på 1 timme En sköldpadda rör sig med en hastighet av cirka 70 m/h. En fluga flyger med en hastighet av 5 m/s. Den genomsnittliga gånghastigheten är cirka 1,5 m/s, eller cirka 5 km/h. En infanterimilitär enhet kan röra sig i hastigheter upp till 7 km/h. Hästen kan röra sig i hastigheter från 6 till 30 km/h och uppåt.
Av djuren i mittbanan springer haren snabbast, dess hastighet når 50 - 60 km / h. Något underlägsen honom är vargen, som kan springa i hastigheter upp till 45 km/h. ;
Många fiskar rör sig med en medelhastighet på cirka 4 km/h, men några av dem kan nå mycket högre hastigheter: till exempel kan svärdfisk nå hastigheter på upp till 90 km/h.
Det är också intressant att överväga siffrorna i tabellen över fiskens rörelsehastigheter.
Här är det mycket viktigt att vara uppmärksam på uppskattningen av fiskhastigheter i centimeter per sekund, såväl som i kroppslängder per sekund. Enligt dessa uppgifter visar sig öringen vara den snabbaste, även om det absoluta värdet av dess hastighet är relativt litet.
Med hjälp av hastighetsdata från olika representanter för djurvärlden är det möjligt att lösa olika typer av problem. Låt oss ta en titt på några av dem.
Snäckans rörelsehastighet är 0,9 mm/sek. Uttryck denna hastighet i cm/min, m/h.
Pilgrimsfalken, som jagar bytesdjur, dyker med en hastighet av 300 km/h. Hur långt sträcker den sig på 5 sekunder?
1 Hastigheten hos många levande varelser uttrycks av ett speciellt värde lika med antalet längder av deras kropp som de rör sig per sekund
Bärduvans flyghastighet 1800 m/min. Uttryck detta värde i km/h. Hur långt är det som en duva tillryggalägger under 3 timmars flygning? Är det möjligt att köra om en duva i en bil med en medelhastighet på 60 km/h?
Det är känt att ekens genomsnittliga tillväxthastighet är cirka 30 cm/år. Hur gammalt är ett träd 6,3 m högt?
Den sovjetiske idrottaren Vladimir Kuts sprang 5000 m på 815 sekunder. Bestäm dess hastighet i km/h.

Tel vikt Densitet
När vi bekantade oss med begreppet "kroppsmassa" och när vi sammanställde uppgifter för att bestämma densiteten av ett ämne och volymen som upptas av en kropp, använde vi några ytterligare tabelldata (tabell 2).
Exempel. Bestäm massan av björkträ om dess volym är 5 m3.
Exempel. Hur stor är massan av linolja som upptar en volym på 5 liter?
Exempel. Bestäm volymen av torr bambu om dess vikt är 4800 kg.

Allvar. Kroppsvikt
När du studerar detta ämne kan du utföra följande utbildningsarbete. Massorna av olika däggdjur anges: val - /0000 kg, elefant - 4000 kg, noshörning - 2000 kg, tjur - 1200 kg, björn - 400 kg, gris - 200 kg, människa - 70 kg, varg - 10 kg, hare -6 kg. Hitta deras vikt i newton.
Samma data kan användas för att grafiskt avbilda krafter.
Lite mer intressant information kan tillhandahållas längs vägen.
De största djuren tillhör klassen däggdjur, av vilka blåvalen är särskilt slående i storlek och vikt. Till exempel nådde en av de fångade valarna en längd av 33 m och vägde 1500 kn, vilket motsvarade vikten av 30 elefanter eller 150 tjurar. Den största moderna fågeln är den afrikanska strutsen, som når 2,75 m i höjd, 2 liter i längd (från näbbspetsen till slutet av svansen) och väger 75 kg. De minsta fåglarna är kolibrier. Kolibrier av en av arterna har en massa på cirka 2 g, ett vingspann på 3,5 cm.
Friktions- och motståndskrafter.

Friktion i levande organismer
En stor mängd biofysikaliskt material kan utnyttjas för att beskriva problemet med friktionskrafter. Det är känt att vätskor som används för att minska friktionen (olja, tjära, etc.) alltid har en betydande viskositet. Det är samma sak i en levande organism: vätskorna som tjänar till att minska friktionen är samtidigt väldigt trögflytande.
Blod är till exempel en vätska som är mer trögflytande än vatten. När den rör sig genom kärlsystemet upplever den motstånd på grund av intern friktion och friktion på kärlens yta. Ju tunnare kärlen är, desto större friktion och desto mer sjunker blodtrycket.
Låg friktion i lederna beror på deras släta yta, deras smörjning med ledvätska. Saliv spelar rollen som smörjning när man sväljer mat. Friktionen av muskler eller senor mot benet minskar på grund av frigörandet av en speciell vätska från påsarna där de är placerade. Antalet sådana exempel kan fortsätta.
Betydande friktion är avgörande för arbetsytorna på rörelseorganen. En nödvändig förutsättning för rörelse är en pålitlig "koppling" mellan den rörliga kroppen och "stödet". Grepp uppnås antingen genom spetsar på lemmarna (klor, vassa kanter på hovar, hästskopiggar) eller genom små ojämnheter, till exempel borst, fjäll, tuberkler etc. Betydande friktion är också nödvändig för att greppa organ. Deras form är intressant: dessa är antingen tång, spännande
ett föremål från två sidor, eller trådar som omsluter det (om möjligt flera gånger). Handen kombinerar verkan av pincett och full täckning från alla sidor; den mjuka huden på handflatan fäster väl vid grovheten hos föremål som behöver hållas.
Många växter och djur har olika organ som tjänar till att greppa (växternas antenner, elefantens snabel, klättrande djurs sega svansar, etc.). Alla har en form som är bekväm för lindning och en grov yta för att öka friktionskoefficienten (fig. 1).
Bland levande organismer är anpassningar vanliga (ull, borst, fjäll, spikar som ligger snett mot ytan), på grund av vilka friktionen är liten när man rör sig i en riktning och stor när man rör sig i motsatt riktning. Daggmaskens rörelse bygger på denna princip. Borsten, riktade bakåt, passerar fritt maskens kropp framåt, men hindrar den omvända rörelsen. När kroppen förlängs rör sig huvuddelen framåt, medan svansdelen förblir på plats, medan den drar ihop sig dröjer huvuddelen och stjärtdelen dras upp till den.
En förändring i motståndet när man rör sig i olika riktningar observeras också hos många sjöfåglar. Till exempel används simhinnorna på benen på ankor eller gäss som åror. När du flyttar foten bakåt, krattar ankan vatten med ett rätat membran, och när du rör sig framåt rör ankan sina fingrar - motståndet minskar, vilket gör att ankan rör sig framåt.
De bästa simmare är fiskar och delfiner. Hastigheten för många fiskar når tiotals kilometer i timmen, till exempel är hastigheten för en blåhaj cirka 36 km/h. Fisk kan utveckla sådan hastighet på grund av kroppens strömlinjeformade form, huvudets konfiguration, vilket orsakar lågt motstånd1.
1 Minskning av motståndet på grund av fiskkroppens strömlinjeformade form kan illustreras på uppstoppad abborre, gädda; du kan också visa "Shark"-bordet från A. A. Yakhontovs serie "The World of Animals".
Specialisters intresse lockades av delfinernas förmåga att röra sig i vattnet utan större ansträngning i hög hastighet (nära fartygets för 55 - 60 km / h, fritt simning - 30 - 40 km / h). Det noterades att runt en delfin i rörelse uppstår endast en lätt jet (laminär) rörelse, som inte förvandlas till en virvel (turbulent).
Forskning har visat att hemligheten bakom delfinens "anti-turbulens"
gömd i hans hud. Den består av två lager - ett yttre, extremt elastiskt, 1,5 mm tjockt, och ett inre, tätt, 4 mm tjockt.
Mellan dessa lager finns utväxter, eller spikar. Nedan finns tätvävda fibrer, vars utrymme är flera centimeter fyllt med fett.
Denna hud fungerar som en utmärkt dämpare. Dessutom har delfinens hud ständigt ett tunt lager av ett speciellt "smörjmedel" som produceras av speciella körtlar. Detta minskar friktionskraften.
Sedan 1960 har det tillverkats konstgjorda dämpande beläggningar som i sina egenskaper liknar "delfinskinn". Och redan de första experimenten med en torped och en båt klädd i sådant läder bekräftade möjligheten att minska vattenmotståndet med 40 - 60%.
Det är känt att fisk rör sig i skolor. Små havsfiskar går i en flock, liknar formen som en droppe, medan vattnets motstånd mot flockens rörelse är minst.
Många fåglar samlas i en kedja eller skola under långdistansflyg. I det senare fallet flyger den starkare fågeln framåt, dess kropp skär genom luften som kölen på ett fartyg skär genom vattnet. Resten av fåglarna flyger på ett sådant sätt att de håller skolans skarpa vinkel; de bibehåller den korrekta positionen i förhållande till ledfågeln instinktivt, eftersom det motsvarar ett minimum av motståndskrafter.
planera flygningen. Glidflygning observeras ganska ofta i både växt- och djurriket. Många frukter och frön är utrustade med antingen hårbuntar (maskros, bomull, etc.), som fungerar som en fallskärm, eller stödjande plan i form av processer och utsprång (barrträd, lönn, björk, lind och många paraply). Vissa frukter och frön utrustade med "glidare" visas i figur 2, a.
Plantglidare är på många sätt ännu mer avancerade än konstgjorda. De lyfter en mycket större belastning jämfört med sin vikt, dessutom är de mer stabila.
Strukturen på kroppen hos flygekorrar, coleopteraner och fladdermöss är intressant (Fig. 2b). De använder sina membran för att göra stora hopp. Så, flygande ekorrar kan hoppa avstånd upp till 20 - 30 m från toppen av ett träd till de nedre grenarna på ett annat.

Tryck av vätskor och gaser
Atmosfärstryckets roll i levande organismers liv.
En människokropp, vars yta, med en massa på 60 kg och en höjd av 160 cm, är ungefär lika med 1,6 m2, påverkas av en kraft på 160 tusen n, på grund av atmosfärstryck. Hur klarar kroppen en sådan enorm belastning?
Detta uppnås på grund av det faktum att trycket från vätskorna som fyller kroppens kärl balanserar det yttre trycket.
Nära relaterat till denna fråga är möjligheten att vara under vattnet på stora djup. Faktum är att överföringen av kroppen till en annan höghöjdsnivå orsakar en nedbrytning av dess funktioner. Detta beror å ena sidan på deformationen av kärlens väggar, utformade för ett visst tryck från insidan och utsidan. Dessutom, när trycket ändras, ändras också hastigheten för många kemiska reaktioner, vilket resulterar i att även kroppens kemiska balans förändras. Med en ökning av trycket sker en ökad absorption av gaser av kroppsvätskor, och med en minskning av trycket frigörs lösta gaser. Med en snabb minskning av trycket på grund av den intensiva frisättningen av gaser, kokar blodet så att säga, vilket leder till blockering av blodkärl, ofta dödlig. Detta bestämmer det maximala djupet vid vilket dykoperationer kan utföras (som regel inte lägre än 50 m). Sänkningen och höjningen av dykare måste vara mycket långsam så att utsläppet av gaser endast sker i lungorna och inte omedelbart i hela cirkulationssystemet.
Det är intressant att ytterligare analysera mer detaljerat principen om drift av organ som verkar på grund av atmosfärstryck.
Arbetet hos organ som verkar på grund av atmosfärstryck. sugmekanism. Muskelansträngning (sammandragning av musklerna i tungan, gommen, etc.) skapar ett undertryck (rarefaktion) i munhålan, och atmosfärstrycket trycker dit en del av vätskan.
Verkningsmekanismen för olika typer av sugkoppar. Sugar har formen av antingen en halvklotformad skål med klibbiga kanter och högt utvecklade muskler (kanterna pressas mot bytet, då ökar sugets volym; sugare av iglar och bläckfiskar kan tjäna som exempel), eller så består de av en rad av skinnkopplingar i form av smala fickor. Kanterna appliceras på ytan som ska hållas på; när du försöker dra i sugkoppen ökar djupet på fickorna, trycket i dem minskar och atmosfärstrycket (för vattenlevande djur, vattentryck) pressar sugkoppen mot ytan starkare. Till exempel har en klibbig fisk, eller remora, ett sug som upptar nästan hela längden av huvudet. Denna fisk fastnar på andra fiskar, stenar, såväl som båtar och fartyg. Den sticker så hårt att det är lättare att bryta den än att kroka av den, tack vare vilken den kan fungera som en slags fiskekrok.
Figur 3 visar en klubba - änden av en av de två längsta fångade bläckfisktentaklarna, den är tätt placerad med sugkoppar av olika storlekar.
På liknande sätt är fläskbandmaskens sugare ordnade, med hjälp av vilken denna bandmask fastnar vid väggen i den mänskliga tarmen.
Strukturen på dessa sugkoppar kan visas på ett vått bandmaskpreparat, som finns tillgängligt i biologirummet.
Går på klibbig jord. Inverkan av atmosfärstryck är mycket märkbar när man går på trögflytande jord (sugeffekten av ett träsk). När benet höjs, bildas ett förtunnat utrymme under det; överdrivet yttre tryck förhindrar att benet reser sig. Tryckkraften på en vuxens ben Fig. 3.
kan nå 1000 k. Detta är särskilt tydligt när man går en häst, vars hårda hov fungerar som en kolv.
Mekanism för inandning och utandning. Lungorna är belägna i bröstet och är åtskilda från det och från diafragman av en lufttät hålighet som kallas pleurahålan. Med en ökning av volymen på bröstet ökar volymen av pleurahålan, och lufttrycket i den minskar, och vice versa. Eftersom lungorna* är elastiska regleras trycket i dem endast av trycket i pleurahålan. Vid inandning ökar bröstets volym, på grund av vilket trycket i pleurahålan minskar (Fig. 4.6); detta orsakar en ökning av lungvolymen med nästan 1000 ml. Samtidigt blir trycket i dem mindre än atmosfäriskt, och luft rusar genom luftvägarna in i lungorna. Vid utandning minskar bröstets volym (fig. 4c), på grund av vilket trycket i pleurahålan ökar, vilket orsakar en minskning av lungvolymen. Lufttrycket i dem blir högre än atmosfärstrycket, och luft från lungorna rusar in i miljön.
Med ett normalt lugnt andetag andas ca 500 ml luft in, samma mängd andas ut vid en normal utandning och den totala luftvolymen i lungorna är ca 7 l.
1 För att förklara mekanismen för inandning - utandning, kan ett modelldiagram av brösthålan, tillgängligt på biologkontoret, användas. Här kan en vattenspirometer demonstreras, som tjänar till att mäta lungornas vitala kapacitet. Filmen "The Structure and Functions of the Respiratory Organs", släppt av Leningrad Educational Film Studio 1964, kan också visas när man studerar detta ämne.
Hjärtat är en pump.
Hjärtat är en fantastisk pump som arbetar oavbrutet under en människas liv.
Den pumpar 0,1 liter blod på 1 sekund, 6 liter på en minut, 360 liter på 1 timme, 8640 liter på en dag, mer än 3 miljoner liter på ett år och cirka 220 miljoner på 70 år av livet. , l.
Om hjärtat inte pumpade blod genom ett slutet system, utan pumpade in det i någon form av reservoar, så skulle det vara möjligt att fylla en pool 100 m lång (PC) m bred och 22 m djup.
Pufferfish i kampen för tillvaron. "Tillämpningen" av gaslagar i livet för en sorts fisk - en pufferfish är intressant. Den lever i Indiska oceanen och Medelhavet. Hennes kropp är tätt prickad med många spikar - modifierade fjäll; i vila är de mer eller mindre nära kroppen. När fara uppstår, rusar blåsfisken omedelbart till vattenytan och sväljer luft i tarmarna och förvandlas till en svullen boll; spikarna reser sig och sticker ut i alla riktningar (fig. 5). Fisken håller sig nära ytan, välter med buken, och en del av kroppen sticker ut över vattnet. I denna position är pufferfishen skyddad från rovdjur både underifrån och ovanifrån. När faran har passerat släpper blåsfisken ut luft och dess kropp antar en omniform form.
Hydrostatiska enheter i vilda djur. Konstiga prostataapparater finns i vilda djur. Till exempel lever bläckfiskar av släktet nautilus i skal åtskilda av skiljeväggar i separata kammare (Fig. 6). Djuret själv upptar den sista kammaren, medan resten är fyllda med gas. För att sjunka till botten fyller blötdjuret skalet med vatten, det blir tungt och sjunker lätt. För att flyta upp till ytan pumpar nautilus gas in i skalets fack; gasen tränger undan vattnet och diskhon skvalpar.
Vätskan och gasen står under tryck i skalet, varför pärlemorhuset inte spricker ens på 4 cm1.hundra meters djup.
Ett intressant sätt att flytta havsstjärnor, sjöborrar, holothurier, som rör sig på grund av skillnaden i hydro-t ytiskt tryck. De tunna, ihåliga och elastiska benen på en sjöstjärna sväller när den rör sig. Kroppspumpar under dpnlsipem pumpar in vatten i dem. Vatten sträcker dem, de drar fram, fastnar på stenarna. De sugna benen trycks ihop och drar sjöstjärnan framåt, sedan pumpas vattnet in i andra ben och fordonen går vidare. Medelhastigheten för sjöstjärnor är cirka 10 m/h. Men å andra sidan uppnås här full rörelsedämpning!

Arkimedisk styrka
Fisk. Tätheten av levande organismer som bor i vattenmiljön skiljer sig mycket lite från densiteten av vatten, så deras vikt är nästan helt balanserad av den arkimedeiska kraften. Tack vare detta behöver vattenlevande djur inte så massiva skelett som terrestra (Fig. 7).
Simblåsans roll i fisk är intressant. Detta är den enda kroppsdelen av fisken som har märkbar kompressibilitet; Genom att klämma ihop bubblan med bröst- och bukmusklernas ansträngningar ändrar fisken volymen på sin kropp och därmed den genomsnittliga tätheten, tack vare vilken den inom vissa gränser kan reglera djupet av sitt dyk.
Vattenfåglar. En viktig faktor i sjöfåglars liv är närvaron av ett tjockt lager av fjädrar och dun som inte släpper igenom vatten, vilket innehåller en betydande mängd luft; på grund av denna säregna luftbubbla som omger hela fågelkroppen är dess genomsnittliga täthet mycket låg. Detta förklarar det faktum att ankor och andra sjöfåglar inte sjunker mycket under vatten när de simmar.
Silverspindel. Ur fysikens lagars synvinkel är förekomsten av en silverspindel mycket intressant. Silverspindeln ordnar sin boning - en undervattensklocka - från ett starkt nät. Här tar spindeln med sig luftbubblor från ytan som hänger kvar mellan de tunna hårstråna på buken. I klockan samlar han en tillförsel av luft, som han fyller på då och då; tack vare detta kan spindeln hålla sig under vatten under lång tid.
Vattenväxter. Många vattenväxter håller en upprätt position, trots den extrema flexibiliteten hos deras stjälkar, eftersom stora luftbubblor är inneslutna i ändarna av deras grenar och spelar rollen som flyter.
Vattenkastanj. En nyfiken vattenväxt är chilim (vattenprex). Den växer i Volgas bakvatten, i sjöar och flodmynningar. Dess frukter (vattennötter) når 3 cm i diameter och har en form som liknar ett sjöankare med eller utan några vassa horn. Detta "ankare" tjänar till att hålla den unga groddande plantan på lämplig plats. När chilimen bleknar börjar tunga frukter bildas under vattnet. De kunde dränka växten, men just vid den tiden bildas svullnader på bladens bladskaft - ett slags "räddningsbälte". Detta ökar volymen av växternas undervattensdel; därför ökar flytkraften. Detta uppnår en balans mellan vikten av frukten och den flytkraft som genereras av svullnaden.
Simning sifonofor. Zoologer kallar sifonoforer för en speciell grupp av tarmdjur. Liksom maneter är de fritt simmande marina djur. Men till skillnad från de förra bildar de komplexa kolonier med mycket uttalad polymorfism*. Allra högst upp i kolonin finns vanligtvis en individ, med vars hjälp hela kolonin hålls i vattenpelaren och rör sig - det här är en bubbla som innehåller gas. Gas produceras av speciella körtlar. Denna bubbla når ibland 30 cm lång.
Det rika biofysiska materialet i detta avsnitt gör det möjligt att genomföra lektioner med sjätteklassare på ett varierat och intressant sätt.
Låt oss till exempel beskriva en konversation i färd med att studera ämnet "Archimedean force". Eleverna är bekanta med fiskens liv, med egenskaperna hos vattenväxter. De har redan bekantat sig med den flytande kraftens verkan. Gradvis för vi dem till en förståelse för vilken roll Arkimedes lag spelar för alla varelser i vattenmiljön. Vi börjar samtalet med att ställa frågor: varför har en fisk ett svagare skelett än varelser som lever på land? Varför behöver inte alger hårda stjälkar? Varför dör en strandad val under sin egen vikt? Sådana ovanliga frågor i en fysiklektion överraskar eleverna. De är intresserade. Vi fortsätter samtalet och påminner killarna om att mycket mindre kraft behöver appliceras i vattnet för att stötta en kamrat än på stranden (i luften). Genom att sammanfatta alla dessa fakta, som leder eleverna till deras korrekta tolkning, för vi barnen till en långtgående generalisering om påverkan av den fysiska faktorn (flytkraften, som visar sig vara mycket större i vattenmiljön än i luften) om utveckling och strukturella egenskaper hos vattenlevande varelser och växter.

Newtons lagar
Några manifestationer av tröghet. Mogna baljor av baljväxter, öppnar sig snabbt, beskriver bågar. Vid denna tidpunkt rör sig fröna, som bryts bort från fästplatserna, genom tröghet tangentiellt till sidorna. Denna metod för fröspridning är ganska vanlig i växtriket.
I de tropiska zonerna i Atlanten och Indiska oceanen observeras ofta flygningen av den så kallade flygfisken, som flyr från marina rovdjur hoppar upp ur vattnet och gör en glidflygning med en gynnsam vind, som täcker avstånd upp till 200 - 300 m på en höjd av 5 - 7 m. luft på grund av stjärtfenans snabba och starka vibrationer. Först rusar fisken längs vattenytan, sedan lyfter ett kraftigt svansslag den upp i luften. Utspridda långa bröstfenor stödjer fiskens kropp som ett glidflygplan. Fiskens flykt stabiliseras av stjärtfenorna; fisk rör sig endast genom tröghet.
Simning och Newtons tredje lag. Det är lätt att se att fiskar och blodiglar i rörelseprocessen trycker tillbaka vatten medan de själva rör sig framåt. En simmande igel driver tillbaka vatten med vågliknande rörelser av kroppen, och en simmande fisk med en svansvåg. Sålunda kan rörelsen av fiskar och iglar tjäna som en illustration av Newtons tredje lag.
Flyg och Newtons tredje lag. Insektsflygning bygger på flaxande vingar (flapping flight). Flygkontroll uppnås nästan uteslutande av vingarna. Genom att ändra riktningen på planet med flaxande vingar ändrar insekter rörelseriktningen: framåt, bakåt, flygande på ett ställe, vänder sig etc. Några av de kvickaste insekterna under flygning är flugor. Omi gör ofta skarpa svängar åt sidan. Detta uppnås genom att plötsligt stänga av vingarna på ena sidan av kroppen - deras rörelse stannar ett ögonblick, medan vingarna på den andra sidan av kroppen fortsätter att svänga, vilket orsakar en sväng åt sidan från den ursprungliga flygriktningen .
Fjärilar-brazh-nnkp och hästflugor har den högsta flyghastigheten - 14 - 15 m / s. Sländor flyger med en hastighet av 10 m / s, dyngbaggar - upp till 7 m / s, bin - upp till 6 - 7 m / s. Insekternas flyghastighet är långsam jämfört med fåglar. Men om vi beräknar den relativa hastigheten (hastigheten med vilken en humla, en swift, en stare och ett flygplan rör sig över en sträcka lika med längden på sin egen kropp), så visar det sig att den kommer att vara minst för en flygplan och mest för insekter.
Hans Leonardo da Vinci studerade fåglarnas flygning på jakt efter sätt att snurra flygplan. II var intresserad av fåglarnas flygning. V. Zhukovsky, som utvecklade grunderna för aerodynamik. Nu lockar principen med flaxande flyg igen uppmärksamheten hos självbyggare
Jetframdrivning i vilda djur. Vissa djur rör sig enligt principen om jetframdrivning, till exempel bläckfiskar, bläckfiskar (fig. 8), bläckfisk. Den marina mollusk-I rsbshok, som kraftigt klämmer skalventilerna, kan röra sig framåt i ryck på grund av den reaktiva kraften från vattenstrålen som kastas in i skalet. Ungefär samma drag och några andra mollusker. Trollsländelarver drar in vatten i baktarmen och kastar sedan ut det och hoppar framåt på grund av kraften från III "rush.
Eftersom stötarna i dessa fall är separerade från varandra med betydande tidsintervall uppnås ingen hög rörelsehastighet. För att öka rörelsehastigheten, med andra ord antalet reaktiva impulser per tidsenhet, krävs en ökad ledningsförmåga hos nerverna, vilket exciterar sammandragningen av de muskler som betjänar jetmotorn. En så stor ledningsförmåga är möjlig med en stor diameter på nerven. Det är känt att bläckfiskar har de största nervfibrerna i djurriket. De når en diameter på 1 mm - 50 gånger större än den hos de flesta däggdjur - och utför excitation med en hastighet av 25 m/sek. Detta förklarar bläckfiskens höga hastighet (upp till 70 km/h).
Accelerationer och överbelastningar som levande varelser klarar av. När man studerar Newtons lagar kan eleverna introduceras till de accelerationer som en person möter i olika livssituationer.
Accelerationer i hissen Den maximala accelerationen (eller retardationen) under hisskorgens rörelse under normal drift bör inte överstiga 2 m/s2 för alla hissar. Vid stopp ”stopp” bör det maximala accelerationsvärdet inte överstiga 3 m/s2.
Acceleration inom flyget. När en kropp upplever acceleration sägs det att den utsätts för en överbelastning. Storleken på överbelastningar kännetecknas av förhållandet mellan accelerationen av rörelse a och accelerationen av fritt fall g:
k = -. g
Vid fallskärmshoppning uppstår stora accelerationer och följaktligen överbelastningar.
Om du öppnar en fallskärm på en höjd av 1000 m 15 sekunder efter fallet, blir överbelastningen cirka 6; att öppna fallskärmen efter samma fördröjning vid 7000 m orsakar en överbelastning lika med 12; på en höjd av 11 000 m under samma förhållanden blir överbelastningen nästan tre gånger större än på en höjd av 1000 m.
Vid landning med fallskärm uppstår även överbelastningar som är ju mindre desto längre bromssträcka. Därför blir g-kraften mindre vid landning på mjuk mark. Med en nedstigningshastighet på 5 m/s och dess återbetalning på väg av cirka 0,5 m på grund av böjning av knäna och bålen är överbelastningen cirka 3,5.
De maximala, men mycket kortvariga, accelerationerna upplevs av en person när han kastar ut från ett flygplan. Samtidigt är sätesavgångshastigheten från hytten cirka 20 m/s, accelerationsvägen är -1 - 1,8 m. Det maximala accelerationsvärdet når 180 - 190 m/s2, överbelastning - 18 - 20.
Men trots det stora värdet är en sådan överbelastning inte hälsofarlig, eftersom den verkar under en kort tid, cirka 0,1 sek.
Påverkan av accelerationer på levande organismer. Tänk på hur accelerationer påverkar människokroppen. Nervimpulser som signalerar den rumsliga rörelsen av iivia, inklusive huvudet, kommer in i ett speciellt organ - den vestibulära apparaten. Den vestibulära apparaten informerar också suturhjärnan om förändringen i rörelsehastigheten, därför kallas den också för accelerationssinnets organ. Denna piyarat placeras i innerörat.
Egenskaper för tröskelvärdena för irritationer av den vestibulära apparaten, som når en persons medvetande, såväl som accelerationsnäthinnan under olika rörelser, visas i tabell 3.

Accelerationer riktade från ryggen till bröstet, från bröstet till ryggen och från ena sidan till den andra tolereras lättare. Därför är den lämpliga hållningen för en person mycket viktig. En förutsättning är allmän fysisk träning, vilket leder till en god utveckling av hela kroppens muskler.
Dessutom är det nödvändigt att specifikt träna kroppen för att öka uthålligheten till accelerationer. Sådan utbildning genomförs på speciella linjäracceleratorer, i centrifuger och på andra installationer.
Speciella anti-g-dräkter används också, vars design säkerställer fixeringen av inre organ.
Det är intressant att komma ihåg här att K. E. Tsiolkovsky, för att öka en persons uthållighet för accelerationsverkan, föreslog att placera sin kropp i en vätska med samma densitet som den. Det bör noteras att ett sådant skydd av kroppen från accelerationer är ganska utbrett i naturen. Det är så embryot skyddas i ägget, så skyddas fostret i livmodern. K. E. Tsiolkovsky placerade ett kycklingägg i en burk med saltlösning och tappade det från en höjd. Ägget gick inte sönder.
För närvarande finns uppgifter om liknande experiment med fiskar och grodor. Fiskarna och grodorna som placerades i vattnet klarade stötaccelerationer i storleksordningen 1000 g och mer.
Svärdfisk stötdämpare. I naturen finns det olika anpassningar som gör att levande organismer smärtfritt kan uthärda de överbelastningar som uppstår vid acceleration och retardation. Det är känt att trycket under hoppet mjuknar om du landar på halvböjda ben; rollen som en stötdämpare spelas av ryggraden, där broskkuddar är ett slags buffertar.
Svärdfisken har en intressant stötdämpare. Svärdfisken är känd som rekordhållare bland havssimmare. Dess hastighet når 80 - 90 km / h. Hennes svärd kan tränga igenom ekskrovet på ett skepp. Hon lider inte av ett sådant slag. Det visar sig att i hennes huvud vid basen av svärdet finns en hydraulisk stötdämpare - små bikakeformade håligheter fyllda med fett. De mjukar upp slaget. Broskdynorna mellan svärdfiskens kotor är mycket tjocka; som buffertar på vagnar minskar de kraften i trycket.
Enkla mekanismer i vilda djur
I skelettet hos djur och människor är alla ben som har viss rörelsefrihet spakar, till exempel hos människor - benen i extremiteterna, underkäken, skallen (stödpunkten är den första kotan), falangerna i fingrar. Hos katter är rörliga klor spakar; många fiskar har taggar på ryggfenan; hos leddjur, de flesta segmenten av deras yttre skelett; musslor har skalventiler.
Skelettkopplingar är vanligtvis utformade för att få fart med en förlust i styrka. Speciellt stora hastighetsvinster erhålls hos insekter.
Förhållandet mellan längden på armarna på skelettets spakelement är nära beroende av de vitala funktionerna som utförs av detta organ. Till exempel bestämmer de långa benen på en vinthund och ett rådjur deras förmåga att springa snabbt; mullvadens korta tassar är designade för utveckling av stora krafter vid låg hastighet; vinthundens långa käkar gör att du snabbt kan gripa byten på flykten, och bulldogens korta käkar stängs långsamt men håller fast (tuggmuskeln är fäst mycket nära huggtänderna, och musklernas styrka överförs till huggtänder nästan utan att försvagas).
Spakelement finns i olika delar av kroppen hos ett djur och en person - dessa är till exempel lemmar, käkar.
Låt oss betrakta jämviktsförhållandena för spaken på exemplet med skallen (fig. 9, a). Här går spakens O rotationsaxel genom kraniets artikulation med den första kotan. Framför stödjepunkten på en relativt kort axel verkar huvudets tyngdkraft, bakom den är kraften F för dragkraften av musklerna och ligamenten fästa vid nackbenet.
Ett annat exempel på spakens funktion är fotvalvets verkan vid lyft på tårna (fig. 9, b). Stödet O för spaken, genom vilket rotationsaxeln passerar, är huvuden på mellanfotsbenen. Övervinna kraften R - vikten av hela kroppen - appliceras på talus. Den verkande muskelkraften F, som lyfter kroppen, överförs genom akillessenan och appliceras på utsprånget av calcaneus.
Hos växter är spakelement mindre vanliga, vilket förklaras av växtorganismens låga rörlighet. En typisk spak är en trädstam och huvudroten som bildar dess fortsättning. Roten på en tall eller ek som går djupt ner i marken har stor motståndskraft mot att välta (motståndsskuldran är stor), så tallar och ekar vänder nästan aldrig upp och ner. Tvärtom tippar granar, som har ett rent ytligt rotsystem, väldigt lätt.
Intressanta kopplingsmekanismer kan hittas i vissa blommor (som salvia ståndare) och även i vissa fällbara frukter.
Tänk på strukturen hos ängssalvia (Fig. 10). Den långsträckta ståndaren fungerar som hävarmens långa arm A. I dess ände finns en ståndarknapp. Spakens korta arm B skyddar liksom ingången till blomman. När en insekt (oftast en humla) kryper in i en blomma trycker den på spakens korta arm. Samtidigt träffar den långa armen humlans rygg med en ståndarknapp och lämnar pollen på den. Insekten flyger till en annan blomma och pollinerar den med detta pollen.
I naturen är flexibla organ vanliga som kan förändra sin krökning över ett brett spektrum (ryggrad, svans, fingrar, ormar och många fiskar). Deras flexibilitet beror antingen på en kombination av ett stort antal korta spakar med ett länksystem,
eller en kombination av relativt oflexibla element med mellanliggande element som är lätta att deformera (elefantsnabel, larvkropp, etc.). Böjningskontroll i det andra fallet uppnås genom ett system av längsgående eller snett placerade stavar.
Många djurs "piercingverktyg" - klor, horn, etc., är formade som en kil (ett modifierat lutande plan); den spetsiga formen på huvudet på snabbrörliga fiskar liknar en kil. Många av dessa kilar är tänder, ryggar (Fig. 11) har mycket släta hårda ytor (minsta friktion), varför de är väldigt vassa.

Deformationer
Människokroppen upplever en ganska stor mekanisk belastning från sin egen vikt och från muskelansträngningar som uppstår under förlossningsaktivitet. mellan-
Resno att exemplet på en person kan spåra alla typer av deformation. Kompressionsbelastningar upplevs av ryggraden, nedre extremiteterna och fotens integument. Påfrestningar - övre extremiteter, ligament, senor, muskler; böjning - ryggrad, bäckenben, lemmar; torsion - nacke vid vridning av huvudet, bål i nedre delen av ryggen vid vridning, händer vid rotation osv.
För att sammanställa problem för deformationer använde vi data som ges i tabell 4.
Tabellen visar att elasticitetsmodulen för ett ben eller sena i spänning är mycket stor, och för muskler, vener, artärer är den mycket liten.
Brottspänningen som förstör axelbenet är ca 8-107 N/m2, gränsspänningen som förstör lårbenet är ca 13-107 N/m2. Bindvävnader i ligament, i lungorna etc. är mycket elastiska, till exempel kan nackbandet sträckas mer än två gånger.
Strukturer som består av enskilda stavar (fackverk) eller plattor som konvergerar i en vinkel på 120° har maximal styrka med minimal materialåtgång. Ett exempel på sådana strukturer är de hexagonala bikakecellerna.
Torsionsmotståndet ökar mycket snabbt med ökande tjocklek, så organ som är utformade för att utföra vridrörelser är vanligtvis långa och tunna (halsen på en fågel, kroppen av en orm).
Under avböjning sträcks materialet längs sin konvexa sida och komprimeras längs sin konkava sida; medelstora käkar av en märkbar de-
formationer testas inte. Därför, inom teknik, ersätts solida stänger med rör, balkar är gjorda T-balkar eller I-balkar; detta sparar material och minskar vikten på enheterna. Som du vet har benen på lemmar och stjälkar hos snabbväxande växter - spannmål (fig. 12), paraplyväxter etc. En rörformig struktur.I solros och andra växter har stammen en lös kärna. Unga, omogna blad av spannmål viks alltid till ett rör.
Strukturer som liknar en T-stråle finns i bröstbenet på fåglar, i skalen på många blötdjur som lever i surfzonen, etc. Balken, välvd uppåt och har pålitliga stöd som inte tillåter att dess ändar rör sig isär (båge) , har stor styrka i förhållande till ansträngningar som verkar på sin konvexa sida (arkitektoniska bågar, fat; och i organismer - skallen, bröstet, skal av ägg, nötter, skal av skalbaggar, kräftor, sköldpaddor, etc.).
Levande varelsers fall. Galileo Galilei skrev: "Vem vet inte att en häst, som faller från en höjd av tre eller fyra alnar, bryter sina ben, medan hunden inte lider, och katten förblir oskadd och kastas från åtta till tio alnar, precis som en syrsa, som föll från toppen av tornet, eller en myra som föll till marken åtminstone från månens sfär.
Varför förblir små insekter, som faller till marken från stor höjd, oskadda, medan stora djur dör?
Styrkan hos ett djurs ben och vävnader är proportionell mot deras tvärsnittsarea. Friktionskraften mot luft när kroppar faller är också proportionell mot detta område. Ett djurs massa (och dess vikt) är proportionell mot dess volym. När kroppens storlek minskar, minskar dess volym mycket snabbare än ytan. Således, med en minskning av storleken på ett fallande djur, ökar dess retardationskraft mot luften (per massenhet) i jämförelse med retardationskraften per massenhet hos ett större djur. Å andra sidan, för ett mindre djur ökar benstyrkan och muskelstyrkan (även per massenhet).
Det är inte helt korrekt att jämföra styrkan hos en häst och en katt när de faller, eftersom de har en annan kroppsstruktur, i synnerhet är "stötdämpande" anordningar som dämpar stötar vid stötar olika. Det vore mer korrekt att jämföra en tiger, ett lodjur och en katt. Den starkaste av dessa kattdjur skulle vara en katt!
"Byggutrustning" i djurlivets värld. Efter att ha studerat ämnet "Solid Body" är det användbart att prata om analogier i "naturens konstruktionsteknik" och tekniken skapad av människan.
Naturens och människornas byggnadskonst utvecklas enligt samma princip - att spara material och energi.
Sedan urminnes tider har olika utformningar av vilda djur varit överraskande och glädjande. Styrkan och elegansen hos spindelnätet är fantastisk, byggnadskonsten för honungsbiets bostad njuter - den strikta geometrin hos deras bikakor, bestående av vanliga sexkantiga celler. Strukturerna hos myror och termiter är fantastiska. Korallöarna och reven som bildas av kalkhaltiga korallskelett är fantastiska. Vissa tång är täckta med hårt formade skal. Till exempel är peridinier klädda i bisarra skal som bildas av separata hårda skal. De visas i hög förstoring i figur 13.
Ännu mer olika är marina radiolarier (de enklaste djuren), vars små skelett visas i figur 14 (för jämförelse visas snöflingor under nummer - 3).
Nyligen har byggarnas uppmärksamhet ockuperats av prover från växtvärlden. K. A. Timiryazev skrev: "Stammens roll, som är känt, är huvudsakligen arkitektonisk: det är ett solidt skelett av hela byggnaden, som bär ett tält av löv och i vars tjocklek, som vattenrör, kärl som bär juice är lades ... Det var på stjälkarna vi lärde oss en hel rad fantastiska fakta som bevisade att de byggdes enligt byggkonstens alla regler.
Om vi ​​betraktar tvärsnitten av stammen och den moderna fabrikskorstenen, är likheten mellan deras design slående. Syftet med röret är att skapa drag och avlägsna skadliga gaser från marken. Näringsämnen stiger upp i växtstammen från rötterna. Både röret och stammen är under konstant inflytande av samma typ av statiska och dynamiska belastningar - deras egen vikt, vind etc. Detta är skälen till deras strukturella likhet. Båda designerna är ihåliga. Stamsträngarna, såväl som rörets längsgående förstärkning, är belägna längs hela omkretsens periferi. Det finns ovala hålrum längs väggarna i båda strukturerna. Rollen som spiralförstärkning i stammen spelas av huden.
Det är känt att det fasta materialet i benen är lokaliserat i enlighet med huvudspänningarnas banor. Detta kan hittas om vi betraktar ett längdsnitt av den övre delen av det mänskliga lårbenet och en krökt kranbalk som arbetar i böjning under verkan av en vertikal belastning fördelad över ett visst område av den övre ytan. Intressant nog liknar Eiffeltornet i sin struktur de rörformiga benen hos en person (lårbenet eller skenbenet). Det finns en likhet i de yttre formerna av strukturer och i hörnen mellan "balkarna" och "balkarna" i benet och tornets hängslen.
Modern arkitektur och byggnadsteknik kännetecknas av uppmärksamhet på de bästa "exemplen" på vilda djur. När allt kommer omkring är moderna krav styrka och lätthet, vilket lätt kan tillgodoses genom att använda stål, armerad betong, aluminium, armerad cement och plast i konstruktionen. Rumsliga gittersystem blir flitigt använda. Deras prototyper är "skelett" av stammen eller stammen av ett träd, bildade av en mer hållbar vävnad än resten av växtmaterialet, som utför biologiska och isolerande funktioner. Detta är systemet av vener i trädets blad och gallret av rothår. Sådana strukturer påminner om korgar, trådramen på en lampskärm, ett krökt galler på en balkong etc. Den italienska ingenjören P. Nervi använde principen för strukturen av ett trädblad i täckningen av Turin utställningshall, tack vare som den lätta och tunna strukturen spänner över ett 98-meters spann utan stöd. Omslaget på vår bok föreställer en byggnad av denna typ, som ser ut som antingen ett skal eller en vältad blomkopp.
Karakteristiskt är användningen av pneumatiska strukturer, som är ganska förenliga med naturliga former: formen på frukter, luftbubblor, blodkärl, växtblad etc.
För att stärka byggnadsmaterial har fysikaliska kemister vänt sig till studier av de minsta strukturerna och utvecklar nu en teknik för framställning av ultrastarka material som består av många fina fibrer, filmer och korn enligt de principer som naturen föreslagit. För att få kraftiga konstruktioner räcker det dock inte att förstärka byggmaterial. Det är känt att benstrukturer ibland överträffar stål i ett antal indikatorer, men detta händer på grund av "fördelningen" av benmaterial, som är sämre i styrka än stål.
Genom att skapa den eller den strukturen löser naturen många problem - den tar hänsyn till den nödvändiga motståndskraften mot yttre mekaniska påverkan och fysiska och kemiska påverkan av miljön, förser växter med vatten, luft, sol. Alla dessa
uppgifter löses heltäckande, allt är föremål för en gemensam uppgift, den allmänna rytmen i organismens liv. I växter kommer du inte att se fritt upphängda vattenkapillärer, som i mänskliga strukturer. Förutom uppgiften med enhetlig och konstant rörelse av vatten, utför de också en mekanisk funktion som motstår yttre mekanisk påverkan av miljön.
Och om du föreställer dig möjligheten till självförnyelse av ett konstruktivt material under dess drift, vilket är inneboende i levande natur! Tydligen kan skydd mot skadliga kemiska influenser, från låga och höga temperaturer hittas i studien av integumentära vävnader hos växter och djur.
Konsten att bygga, beväpnad med bionik, kommer att skapa en värld av strukturer och byggnader som är mer naturliga och perfekta än den vi är vana vid.

Makt utvecklad av människan
När man går igenom ämnet "Arbete och makt", är det intressant att ge lite information om den kraft som en person kan utveckla.
Man tror att en person under normala arbetsförhållanden kan utveckla en effekt på cirka 70 - 80 watt (eller cirka 0,1 hk). En kortsiktig ökning av effekten med flera gånger är dock möjlig.
Så en person som väger 750 k kan hoppa upp till en höjd av 1 m på 1 sekund, vilket motsvarar en effekt på 750 watt. Med en snabb uppstigning, till exempel, 7 steg, som var och en är ca 0,15 m hög, utvecklas en effekt på ca 1 liter inom 1 sekund. Med. eller 735 watt.
Nyligen testade OS-cyklisten Brian Jolly 480 watt under 5 minuter, vilket är nästan 2/3 hk. Med.
En momentan, eller explosiv, frigöring av energi är möjlig för en person, särskilt inom sporter som kulstötning eller höjdhopp. Observationer har visat att under höga hopp med samtidig avstötning med båda benen utvecklar vissa män en medeleffekt på cirka 5,2 liter inom 0,1 sek. s., och kvinnor - 3,5 a. Med.

Anordningar för att ändra lyftkraften
Intressant information om strukturen hos hajar och störar kan rapporteras i samband med studiet av problemet med lyftkraften hos en flygplansvinge. Det är känt att vid landning av ett flygplan, när dess hastighet och följaktligen lyftkraften är liten, behövs ytterligare anordningar för att öka lyftkraften. För detta ändamål används speciella sköldar -
flikar placerade på den nedre ytan av vingen, tjänar till att öka krökningen av dess profil. Vid landning böjer de sig ner.
Benfiskar (som inkluderar de allra flesta moderna fiskar) reglerar sin genomsnittliga densitet och följaktligen nedsänkningsdjupet med hjälp av en simblåsa. Broskfiskar har ingen sådan anpassning. Deras lyftkraft förändras på grund av en förändring i profil, som flygplan, till exempel, ändrar hajar (broskfiskar) sin lyftkraft med hjälp av bröst- och bukfenor.

Hjärt-lungmaskin (APC)
När du avslutar studiet av mekanik är det användbart att berätta för eleverna om enheten för hjärt-lungmaskinen.
Vid operationer på hjärtat blir det ofta nödvändigt att tillfälligt stänga av det från cirkulationen och operera ett torrt hjärta.
Ris. femton.
Hjärt-lungmaskinen består av två huvuddelar: ett pumpsystem och en oxygenator. Pumpar utför hjärtats funktioner - de upprätthåller tryck och blodcirkulation i kroppens kärl under operationen. Oxygenatorn utför lungornas funktioner och ger syremättnad till blodet.
Ett förenklat diagram över anordningen visas i figur 15. Kolvpumpar 18 drivs av en elektrisk motor 20 genom regulatorn 19 \ den senare ställer in rytmen och slaglängden för pumpkolvarna. Trycket genom rören fyllda med olja överförs till pumparna 4 och 9, som med hjälp av gummimembran och ventiler skapar det nödvändiga vakuumet i den venösa delen (pump 4) och kompression i den arteriella delen (pump 9) av den fysiologiska enheten av enheten. Det fysiologiska blocket består av ett cirkulationssystem, som med hjälp av polyetenkatetrar kommunicerar med stora kärl vid utgångspunkten från hjärtat och en oxygenator.
Blodet sugs genom en luftfälla 1, en elektromagnetisk klämma 2, en utjämningskammare 3, som utför förmakets funktioner, och injiceras i oxygenatorns övre kammare 5 med hjälp av en pump 4. Här är blodet jämnt fördelat över kolonnen av blodskum som fyller dess mittkammare 6. Det är en cylinder gjord av nylonnät, på vars botten finns en syrefördelare 7. Syre jämnt genom 30 hål kommer in i kammaren genom luftskiktet bildat i botten av kammaren. Den totala ytan av bubblorna i skumkolonnen är cirka 5000 cm2 (med en blodvolym på 150 - 250 cm3). I oxygenatorn är blodet mättat med syre, släpper ut koldioxid i den omgivande atmosfären och strömmar in i den nedre kammaren 8, varifrån det kommer in i kroppens artärsystem genom en pump 9, en klämma 10 och en luftfälla 11. Syre kommer in i oxygenatorn genom en gasmätare 17 och en luftfuktare 16. I den övre delen av oxygenatorn finns en skumdämpare 12 och ett gasutlopp. Ett kärl 15 med reservblod eller blodersättningsvätska kommunicerar med oxygenatorn genom klämman 14. Blodflödet från oxygenatorn regleras av en flottör 13 ansluten induktivt till en spole placerad utanför, som styr aktiveringen av anordningens elektromagnetiska klämmor.

Frågor och uppgifter

Vid lösning av problem relaterade till levande föremål måste stor försiktighet iakttas för att förhindra felaktig tolkning av biologiska processer.
Tänk på lösningen av flera problem som vi föreslog eleverna.

Uppgift 1. Hur förklarar man med hjälp av fysiska representationer att i en storm bryter en gran lätt ut tillsammans med roten, medan en stam går sönder snabbare i en tall?
Innan vi bestämmer oss läser vi egenskaperna hos dessa träd.
"Med sina rötter, som sprider sig ytligt, kan den (gran. - Ts.K.) tätt fläta stenar, varför den har den nödvändiga stabiliteten i bergen, även med ett mycket tunt lager av jord, men eftersom det inte gör det, som en tall, vertikalt lämnar roten, sedan på slätten dras en separat gran lätt ut av en storm tillsammans med roten. Trädets krona bildar en enorm pyramid."
”Tallen som växer i skogen bildar en hög pelarstam och en liten pyramidformad krona. Tvärtom, växer på en rent öppen plats, når den bara en liten tillväxt, men dess krona växer brett.
Sedan diskuterade de med eleverna möjligheten att tillämpa momentregeln för att lösa problemet.
Vi är intresserade av att endast analysera den kvalitativa sidan av frågan. Dessutom är vi intresserade av frågan om de båda trädens jämförande beteende. Lastens roll i vårt problem spelas av vindkraften FB. Det är möjligt att lägga till kraften från vinden som verkar på stammen till kraften från vinden som verkar på kronan, och till och med anta att vindkrafterna som verkar på båda träden är desamma. Då borde tydligen ytterligare resonemang "vara som följer. Rotsystemet hos en tall går djupare ner i marken än hos gran. På grund av detta är axeln av kraften som håller tallen i marken större än hos gran ( Fig. 16). Därför, för att det krävs mindre vindmoment för att vända upp en gran med roten än för tall, och det krävs mer vindmoment för att rycka upp en tall än för att bryta den. rivs upp oftare än tall, och tall bryter oftare än gran.

KOHETS FRAGMEHTA BÖCKER

Kunskap om mänskliga funktioner är en av de svåraste uppgifterna. Utvecklingen av vetenskapen i de första stadierna sker - differentieringen av discipliner som syftar till en djupgående studie av vissa problem. I det första skedet försöker vi känna till en viss del, och när vi lyckas med detta uppstår en annan uppgift - hur man gör en generell idé. Det finns vetenskapliga discipliner i korsningen av de ursprungliga specialiteterna. Det gäller även biofysiken som dök upp i skärningspunkten mellan fysiologi, fysik, fysikalisk kemi och öppnade för nya möjligheter att förstå biologiska processer.

Biofysik- en vetenskap som studerar fysiska och fysikalisk-kemiska processer på olika nivåer av levande materia (molekylär, cellulär, organ, hel organism), samt mönster och mekanismer för inverkan av fysiska miljöfaktorer på levande materia.

Fördela-

• molekylär biofysik - kinetik och termodynamik för processer
• cellbiofysik - studie av cellstruktur och fysikalisk-kemiska manifestationer - permeabilitet, bildning av biopotentialer
• sinnesorganens biofysik - fysiska och kemiska mottagningsmekanismer, energiomvandling, informationskodning i receptorer.
• Biofysik hos komplexa system - reglerings- och självregleringsprocesser och termodynamiska egenskaper hos dessa processer
• Biofysik av påverkan av yttre faktorer - utforskar påverkan på kroppen av joniserande strålning, ultraljud, vibrationer, exponering för ljus

Biofysiska uppgifter

1. Etablera mönster av vild natur genom att studera de fysiska och kemiska fenomenen i kroppen
2. Studiet av mekanismerna för påverkan av fysiska faktorer på kroppen

Euler (1707-1783) - lagarna i teorin om hydrodynamik, för att förklara blodets rörelse genom kärlen

Lavoisier (1780) - studerade utbytet av energi i kroppen

Galvani (1786) - grundaren av läran om biopotential, djurelektricitet

Helmholtz (1821)

Röntgen - försökte förklara mekanismerna för muskelkontraktion från positionen för piezoeffekter

Arrhenius - lagar för klassisk kinetik för att förklara biologiska processer

Lomonosov - lagen om bevarande och omvandling av energi

Sechenov - studerade transporten av gas i blodet

Lazarev - grundaren av den nationella biofysiska skolan

Pauling - upptäckten av proteinets rumsliga struktur

Watson och Crick - upptäckt av den dubbla strukturen av DNA

Hodgkin, Huxley, Katz - upptäckt av bioelektriska fenomens joniska natur

Prigogine - teorin om termodynamik för irreversibla processer

Eigen - teorin om hypercykler, som grund för evolution

Sakman, Neher - etablerade jonkanalernas molekylära struktur

Biofysik blev i samband med utvecklingen av medicin, eftersom. metoder för fysisk påverkan på kroppen användes där.

Biologin utvecklades och det var nödvändigt att penetrera hemligheterna bakom biologiska processer som inträffade på molekylär nivå

Industrins behov, vars utveckling ledde till verkan av olika fysiska faktorer på kroppen - radioaktiv strålning, vibrationer, viktlöshet, överbelastning

Metoder för biofysisk forskning

• Röntgendiffraktionsanalys- studie av materiens atomstruktur med hjälp av röntgendiffraktion. Fördelningen av elektrontätheten hos ett ämne fastställs från diffraktionsmönstret, och redan från det är det möjligt att bestämma vilka atomer som finns i ämnet och hur de är lokaliserade. Studie av kristallstrukturer, vätskor och proteinmolekyler.
• Kolonnkromatografi- olika fördelning och analys av blandningar mellan 2 faser - mobil och stationär. Det kan vara relaterat till olika grader av ämnesabsorption eller till olika grader av jonbyte. Kan vara gas eller vätska. Fördelningen av ämnen används i kapillärer - kapillärer, eller i rör fyllda med en sorbent - kolonnformig. Kan göras på papper, tallrikar
• Spektralanalys- kvalitativ och kvantitativ bestämning av ett ämne genom optiska spektra. Ämnet bestäms antingen av emissionsspektrum - emissionsspektralanalys eller av absorptionsspektrum - absorption. Ämneshalten bestäms av den relativa eller absoluta tjockleken på linjerna i spektrumet. Inkludera även radiospektroskopi - elektronparamagnetisk resonans och kärnmagnetisk resonans.
• Isotopindikation
• elektronmikroskopi
• ultraviolett mikroskopi- studiet av biologiska föremål i UV-strålar ökar kontrasten i bilden, särskilt intracellulära strukturer, och det låter dig undersöka andra celler utan preliminär färgning och fixering av preparatet

En av de viktigaste förutsättningarna för tillvaron är adekvat anpassning av funktioner, organ och vävnader, system till miljön. Det sker en ständig balansering av organismen och miljön. I dessa processer är huvudprocessen reglering och kontroll av fysiologiska funktioner.

De allmänna lagarna för implementering, hantering och bearbetning av information i olika system studeras av vetenskapen om cybernetik (cybernetik är ledningskonsten) Ledningslagarna är gemensamma för både människor och tekniska anordningar. Framväxten av cybernetik förbereddes genom utvecklingen av teorin om automatisk kontroll, utvecklingen av radioelektronik och skapandet av informationsteori.

Detta arbete presenterades av Shannon (1948) i "The Mathematical Theory of Communication"

Cybernetik behandlar studiet av system av alla slag som kan ta emot, lagra och bearbeta information och använda den för förvaltning och reglering. Cybernetik studerar de signaler och faktorer som leder till vissa kontrollprocesser.

Det är av stor betydelse för medicinen. Analysen av biologiska processer gör det möjligt att kvalitativt och kvantitativt studera regleringsmekanismerna. Informationsprocesser för ledning och reglering är avgörande i organet, d.v.s. är primära, på grundval av vilka alla processer sker.

System- ett organiserat komplex av element som är kopplade till varandra och som utför vissa funktioner i enlighet med programmet för hela systemet. Hjärnans element kommer att vara neuroner. Delarna i ett team är människorna som utgör det. Bara mängden är inte ett cybernetiskt system.

Program- sekvensen av förändringar i systemet i rum och tid, som kan införlivas i systemets struktur eller gå in i det utifrån.

Förbindelse- processen för interaktion mellan element med varandra, där det sker ett utbyte av materia, energi, information.

Meddelanden är kontinuerliga och diskreta.

Kontinuerlig har karaktären av ett ständigt föränderligt värde (blodtryck, temperatur, muskelspänningar, musikaliska melodier).

Diskret- består av separata steg eller graderingar som skiljer sig från varandra (delar av mediatorer, kvävebasen av DNA, prickar och streck av morsekod)

Processen att koda information är också viktig. Den kodas av nervimpulser för uppfattningen av information från nervcentra. Kodelement - symboler och positioner. Symboler är dimensionslösa kvantiteter som särskiljer något (bokstäver i alfabetet, matematiska tecken, nervimpulser, molekyler av luktämnen och positioner bestämmer det rumsliga och tidsmässiga arrangemanget av symboler).

Informationskoden innehåller samma information som det ursprungliga meddelandet. Detta är fenomenet isomorfism. Kodsignalen har ett mycket lågt energivärde. Ankomsten av information utvärderas genom närvaron eller frånvaron av en signal.

Budskap och information är inte samma sak, för enligt informationsteorin

Information- ett mått på mängden osäkerhet som elimineras efter att ha mottagit meddelandet.

Möjlighet till ett evenemang a priori information.

Sannolikheten för en händelse efter att ha mottagit informationen är a posteriori information.

Meddelandets informativitet blir större om den mottagna informationen ökar den bakre sannolikheten.

Informationsegenskaper.

1. Information är vettigt bara om det finns dess mottagare (konsument) - "om det finns en TV i rummet, och det finns ingen i den"
2. Närvaron av en signal indikerar inte nödvändigtvis att information sänds, eftersom det finns budskap som inte bär med sig något nytt för konsumenten.
3. Information kan överföras både på den medvetna och undermedvetna nivån.
4. Om händelsen är tillförlitlig (dvs sannolikheten är P=1), innehåller meddelandet att det inträffade ingen information för konsumenten
5. Meddelande om en händelse, vars sannolikhet är P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Desinformation- negativt värde av information.

Ett mått på händelsernas osäkerhet - entropi(H)

Om log2 N=1 så är N=2

Informationsenhet - bit(dubbel informationsenhet)

H=lg N (hartley)

1 hartleyär mängden information som behövs för att välja en av tio lika sannolika möjligheter. 1 hartley = 3,3 bitar

Regulatorn kan arbeta med kompensation, när effekten på kroppen är en kompenserande åtgärd från regulatorn, vilket leder till normalisering av funktionen

Management syftar till att lansera fysiologiska funktioner, deras korrigering och koordinering av processer.

Den äldsta är den humorala regleringsmekanismen.

nervmekanism.

neurohumoral mekanism.

Utvecklingen av regleringsmekanismer leder till att djur kan röra sig och kan lämna en ogynnsam miljö, till skillnad från växter.

Utpostmekanism (hos människor) - i form av betingade reflexer. På signalstimulans kan vi genomföra åtgärder för att påverka miljön.

Biofysik (biologisk fysik) - vetenskapen om de enklaste och mest grundläggande interaktionerna bakom biologiska processer som sker på olika nivåer av organisering av levande materia - molekylär, cellulär, organism och population.

Introduktion

Teoretiska konstruktioner och modeller av biofysik är baserade på begreppen energi, kraft, typer av interaktion, på de allmänna begreppen fysisk och formell kinetik, termodynamik och informationsteori. Dessa begrepp återspeglar naturen hos materiens grundläggande interaktioner och rörelselagar, som, som ni vet, är ämnet för fysik - en grundläggande naturvetenskap. Biofysik som biologisk vetenskap fokuserar på biologiska processer och fenomen. Huvudtrenden för modern biofysik är penetrationen till de djupaste, elementära nivåerna som utgör grunden för de levandes strukturella organisation.

Bildandet och utvecklingen av biofysik är nära förknippad med den intensiva interpenetrationen av idéer, teoretiska tillvägagångssätt och metoder inom modern biologi, fysik, kemi och matematik.

Modern klassificering av biofysik antagen av IUPAB

Klassificeringen som antagits av International Union of Pure and Applied Biophysics (1961), som återspeglar de huvudsakliga biologiska objekten inom området för biofysikalisk forskning, inkluderar följande avsnitt: molekylär biofysik, vars uppgift är att studera de fysikaliska och fysikalisk-kemiska egenskaperna hos makromolekyler och molekylära komplex; cellbiofysik, som studerar celllivets fysikalisk-kemiska grunder, förhållandet mellan membranens och cellorganellernas molekylära struktur och deras funktioner, koordinationsmönstren för cellulära processer, deras mekaniska och elektriska egenskaper, energi och termodynamik hos cellulära processer; biofysik för komplexa system, som inkluderar individuella organeller, hela organismer och populationer; biofysik av styr- och regleringsprocesser, som handlar om studier och modellering av styrprinciper i biologiska system. Det finns också avsnitt av biofysik: strukturen av biopolymerer (proteiner, DNA, lipider), biomekanik, biologisk optik, biomagnetism, biologisk termodynamik. Biofysik omfattar också vetenskapsområden som studerar mekanismerna för påverkan på biologiska system av olika fysiska faktorer (ljus, joniserande strålning, elektromagnetiska fält, etc.).

Historien om penetrationen av principerna för fysik och matematik i biologi

Början av studiet av de fysiska egenskaperna hos biologiska föremål är förknippad med verk av G. Galileo och R. Descartes (1600-talet), som lade grunden till mekaniken, på vars principer de första försöken gjordes för att förklara några livsprocesser. Descartes, till exempel, trodde att människokroppen är som en komplex maskin, bestående av samma element som oorganiska kroppar. Den italienske fysikern G. Borelli tillämpade mekanikens principer för att beskriva mekanismerna för djurrörelser. År 1628 beskrev W. Harvey mekanismen för blodcirkulationen på grundval av hydraulikens lagar. På 1700-talet upptäckter inom fysikområdet och förbättringen av dess matematiska apparat var av stor betydelse för att förstå de fysikalisk-kemiska processer som förekommer i levande organismer. Användningen av fysiska tillvägagångssätt gav impulser till införandet av experimentella metoder och idéer inom de exakta vetenskaperna i biologin. L. Euler beskrev matematiskt blodets rörelse genom kärlen. M.V. Lomonosov gjorde ett antal allmänna bedömningar om karaktären av smak och visuella förnimmelser, lade fram en av de första teorierna om färgseende. A. Lavoisier och P. Laplace visade enhetligheten av kemins lagar för oorganiska och organiska kroppar, och fastställde att andningsprocessen liknar långsam förbränning och är en värmekälla för levande organismer. En kreativ diskussion mellan A. Voltai och L. Galvani om problemet med den senares upptäckt av "levande elektricitet" utgjorde grunden för elektrofysiologi och spelade en viktig roll i studiet av elektricitet i allmänhet.

Biofysikens utveckling under 1800- och början av 1900-talet

På 1800-talet utvecklingen av biologi åtföljdes av berikning av kunskap om de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos biologiska strukturer och processer. Av stor betydelse var skapandet av den elektrolytiska teorin om lösningar av S. Arrhenius, den joniska teorin om bioelektriska fenomen av V. Nernst. Grundläggande idéer om arten och rollen av aktionspotentialer i mekanismen för uppkomst och utbredning av excitation längs nerven erhölls ( G. Helmholtz E. Dubois-Reymond, J. Bernstein, Tyskland); betydelsen av osmotiska och elektriska fenomen i livet för celler och vävnader klargjordes tack vare arbeten av J. Loeb (USA), W. Nernst och R. Gerber (Tyskland). Allt detta gjorde att Dubois-Reymond kunde dra slutsatsen att inga nya krafter finns i de materiella partiklarna hos organismer som inte kunde agera utanför dem. En sådan principiell ståndpunkt satte stopp för förklaringar av livsprocesser genom handlingar av några speciella "levande faktorer som inte är mottagliga för fysiska mätningar".

Inhemska forskare har gjort ett betydande bidrag till utvecklingen av biofysik. DEM. Sechenov studerade mönstren för upplösning av gaser i blodet, rörelsernas biomekanik. Kondensatorteorin om excitation av nervvävnader, baserad på jonernas ojämlika rörlighet, föreslogs av V.Yu. Chagovets. K.A. Timiryazev bestämde den fotosyntetiska aktiviteten för enskilda sektioner av solspektrumet och etablerade kvantitativa mönster som relaterar hastigheten för fotosyntesprocessen och absorptionen av ljus av klorofyll i löv med olika spektral sammansättning. Fysikens och fysikaliska kemins idéer och metoder användes i studiet av rörelse, hörsel- och synorgan, fotosyntes, mekanismen för generering av elektromotorisk kraft i nerver och muskler, betydelsen av jonmiljön för cellers vitala aktivitet och vävnader. Åren 1905-15. N.K. Koltsov studerade rollen av fysikalisk-kemiska faktorer (ytspänning, koncentration av vätejoner, katjoner) i celllivet. P.P. Lazarev krediteras med utvecklingen av den joniska teorin om excitation (1916) och studiet av kinetiken för fotokemiska reaktioner. Han skapade den första sovjetiska skolan för biofysiker, förenade runt sig en stor grupp framstående vetenskapsmän (de inkluderade S.I. Vavilov, S.V. Kravkov, V.V. Shuleikin, S.V. Deryagin och andra). 1919 grundade han Institutet för biologisk fysik vid Folkets kommissariat för hälsa i Moskva, där arbete utfördes med jonteorin om excitation, studiet av kinetiken för reaktioner som inträffar under inverkan av ljus, absorptions- och fluorescensspektra av biologiska föremål, såväl som processerna för den primära påverkan på kroppen av olika miljöfaktorer. Böckerna av V.I. Vernadsky ("Biosfären", 1926), E.S. Bauer ("Theoretical Biology", 1935), D.L. Rubinshtein (“Physico-chemical foundations of biology”, 1932), N.K. Koltsov ("Organisationen av cellen", 1936), D.N. Nasonov och V.Ya. Alexandrova ("Reaktionen av levande materia på yttre påverkan", 1940), etc.

Under andra hälften av 1900-talet var framstegen inom biofysik direkt relaterade till framsteg inom fysik och kemi, till utveckling och förbättring av forskningsmetoder och teoretiska tillvägagångssätt, och användningen av elektroniska datorer. Med utvecklingen av biofysik har sådana exakta experimentella forskningsmetoder som spektral, isotop, diffraktion och radiospektroskopi trängt in i biologin. Den breda utvecklingen av atomenergi stimulerade intresset för forskning inom området radiobiologi och strålningsbiofysik.

Huvudresultatet av den inledande utvecklingsperioden för biofysik är slutsatsen om den grundläggande tillämpbarheten inom biologin av fysikens grundläggande lagar som en grundläggande naturvetenskap om materiens rörelselagar. Av stor allmän metodologisk betydelse för utvecklingen av olika biologiområden är bevisen för lagen om energibevarande som erhållits under denna period (termodynamikens första lag), godkännandet av principerna för kemisk kinetik som grund för det dynamiska beteendet av biologiska system, begreppet öppna system och termodynamikens andra lag i biologiska system, och slutligen slutsatsen om frånvaron av några speciella "levande" energiformer. Allt detta påverkade till stor del utvecklingen av biologi, tillsammans med framgångarna för biokemi och framsteg i studiet av strukturen hos biopolymerer, bidrog till bildandet av den ledande moderna riktningen inom biologisk vetenskap - fysikalisk och kemisk biologi, där biofysik upptar en viktig plats.

Huvudinriktningar för forskning och prestationer av modern biofysik

I modern biofysik finns det två huvudområden som utgör ämnet biofysik - teoretisk biofysik löser allmänna problem med termodynamik av biologiska system, dynamisk organisation och reglering av biologiska processer, överväger den fysiska naturen hos interaktioner som bestämmer strukturen, stabiliteten och den intramolekylära dynamiska rörligheten hos makromolekyler och deras komplex, mekanismerna för energiomvandling i dem; och biofysik för specifika biologiska processer ( cellbiofysik), vars analys utförs på grundval av allmänna teoretiska begrepp. Den huvudsakliga trenden i utvecklingen av biofysik är förknippad med penetration i de molekylära mekanismer som ligger till grund för biologiska fenomen på olika nivåer av organisering av de levande.

I det nuvarande skedet av utvecklingen av biofysik har det skett grundläggande förändringar som främst är förknippade med den snabba utvecklingen av de teoretiska delarna av biofysiken för komplexa system och molekylär biofysik. Det är inom dessa områden, som handlar om regelbundenhet i det dynamiska beteendet hos biologiska system och mekanismerna för molekylära interaktioner i biostrukturer, som generella resultat har erhållits, på grundval av vilka biofysiken har bildat sin egen teoretiska bas. Teoretiska modeller utvecklade inom sektioner som kinetik, termodynamik, teorin om reglering av biologiska system, strukturen hos biopolymerer och deras elektroniska konformationsegenskaper utgör basen inom biofysik för analys av specifika biologiska processer. Skapandet av sådana modeller är nödvändigt för att identifiera de allmänna principerna för fundamentala biologiskt signifikanta interaktioner på molekylär och cellulär nivå, för att avslöja deras natur i enlighet med lagarna i modern fysik och kemi med hjälp av de senaste framstegen inom matematik och för att utvecklas på basis av av dessa initiala generaliserade begrepp som är adekvata för de beskrivna biologiska fenomenen.

Den viktigaste egenskapen är att konstruktionen av modeller inom biofysik kräver en sådan modifiering av idéerna för relaterade exakta vetenskaper, vilket motsvarar utvecklingen av nya begrepp inom dessa vetenskaper som tillämpas på analys av biologiska processer. Biologiska system i sig är en informationskälla som stimulerar utvecklingen av vissa områden inom fysik, kemi och matematik.

Inom området biofysik för komplexa system har användningen av principerna för kemisk kinetik för analys av metaboliska processer öppnat stora möjligheter för deras matematiska modellering med hjälp av vanliga differentialekvationer. I detta skede erhölls många viktiga resultat, främst inom området modellering av fysiologiska och biokemiska processer, celltillväxtdynamik och populationsstorlek i ekologiska system. Av grundläggande betydelse i utvecklingen av matematisk modellering av komplexa biologiska processer var förkastandet av idén om obligatoriskt fynd av exakta analytiska lösningar av motsvarande ekvationer och användningen av kvalitativa metoder för analys av differentialekvationer, vilket gör det möjligt att avslöja de allmänna dynamiska egenskaperna hos biologiska system. Dessa funktioner inkluderar egenskaperna hos stationära tillstånd, deras antal, stabilitet, möjligheten att växla från ett läge till ett annat, närvaron av självsvängande lägen och kaotiseringen av dynamiska lägen.

På grundval av detta utvecklades idéer om tidernas hierarki och "minimala" och adekvata modeller som helt fullt återspeglar objektets huvudegenskaper. En parametrisk analys av systemens dynamiska beteende utvecklades också, inklusive analys av grundläggande modeller som speglar vissa aspekter av biologiska systems självorganisering i tid och rum. Dessutom blir användningen av probabilistiska modeller, som speglar inverkan av stokastiska faktorer på deterministiska processer i biologiska system, allt viktigare. Bifurkationsberoendet av systemets dynamiska beteende på parametrarnas kritiska värden återspeglar uppkomsten av dynamisk information i systemet, vilket realiseras när driftsläget ändras.

Biofysikens prestationer som är av allmän biologisk betydelse inkluderar förståelsen av de termodynamiska egenskaperna hos organismer och celler som öppna system, formuleringen, baserad på termodynamikens andra lag, av kriterierna för utvecklingen av ett öppet system till ett stabilt tillstånd ( I. Prigogine); avslöjande av mekanismerna för oscillerande processer på populationsnivå, enzymatiska reaktioner. Baserat på teorin om autovågsprocesser i aktiva medier fastställs förutsättningarna för spontant uppträdande av dissipativa strukturer i homogena öppna system. På grundval av detta byggs modeller av processerna för morfogenes, bildandet av regelbundna strukturer under tillväxten av bakteriekulturer, utbredningen av en nervimpuls och nervös excitation i neurala nätverk. Ett växande område för teoretisk biofysik är studiet av ursprunget och naturen av biologisk information och dess samband med entropi, kaosförhållandena och bildandet av fraktala självliknande strukturer i komplexa biologiska system.

Generellt sett är utvecklingen av en enhetlig molekylär-kinetisk beskrivning ett akut problem inom biofysik, vilket kräver utveckling av initiala grundläggande begrepp. Sålunda, inom termodynamiken av irreversibla processer, är begreppet en kemisk potential beroende på den totala koncentrationen av någon komponent, och strängt taget begreppet entropi, inte längre giltiga för heterogena system som är långt ifrån jämvikt. I aktiva makromolekylära komplex beror intramolekylära transformationer främst på arten av deras organisation och inte på den totala koncentrationen av enskilda beståndsdelar. Detta kräver utveckling av nya kriterier för stabilitet och riktning av irreversibla processer i heterogena icke-jämviktssystem.

Inom molekylär biofysik baseras studiet av specifika biologiska processer på data från studier av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos biopolymerer (proteiner och nukleinsyror), deras struktur, självmonteringsmekanismer, intramolekylär rörlighet, etc. Av stor betydelse inom biofysik är användningen av moderna experimentella metoder, främst radiospektroskopi (NMR, EPR), spektrofotometri, röntgendiffraktionsanalys, elektrontunnelmikroskopi, atomkraftsmikroskopi, laserspektroskopi, olika elektrometriska metoder, inklusive användning av mikroelektrodteknik. De gör det möjligt att få information om mekanismerna för molekylära transformationer utan att kränka biologiska objekts integritet. För närvarande har strukturen av cirka 1000 proteiner fastställts. Att dechiffrera den rumsliga strukturen hos enzymer och deras aktiva centrum gör det möjligt att förstå naturen hos de molekylära mekanismerna för enzymatisk katalys och planera skapandet av nya läkemedel på denna grund. Möjligheterna till målinriktad syntes av biologiskt aktiva substanser, inklusive läkemedel, är också baserade på grundläggande studier av sambandet mellan molekylär rörlighet och biologisk aktivitet hos sådana molekyler.

Inom området teoretisk molekylär biofysik, idéer om elektroniska-konformationella interaktioner - EKV(M.V. Wolkenstein), proteinets stokastiska egenskaper ( HANDLA OM. Ptitsyn) utgör grunden för att förstå principerna för biomakromolekylers funktion. De biologiska mönstrens specificitet, som helt avslöjas på de högsta organisationsnivåerna i ett utvecklat biologiskt system, manifesterar sig ändå redan på de levandes lägre molekylära nivåer. Energiomvandling och utseendet av reaktionsprodukter i komplex uppnås som ett resultat av intramolekylära interaktioner mellan enskilda delar av makromolekylen. Ur detta följer logiskt idéer om det unika hos en makromolekyl som ett fysiskt objekt som kombinerar interaktioner i statistiska och mekaniska frihetsgrader. Det är idéerna om makromolekyler, främst protein sådana, som ett slags molekylära maskiner ( LA. Blumenfeld, D.S. Chernavsky) gör det möjligt att förklara omvandlingen av olika typer av energi som ett resultat av interaktion inom en enda makromolekyl. Fruktbarheten av den biofysiska metoden för analys och konstruktion av generaliserade modeller för fysisk interaktion återspeglas i det faktum att EQI-principen tillåter oss att överväga funktionen hos molekylära maskiner, till synes avlägsna från varandra i sin biologiska roll, från en enhetlig allmän vetenskaplig position - till exempel molekylära komplex involverade i de primära processerna för fotosyntes och syn, enzym-substratkomplex av enzymatiska reaktioner, molekylära mekanismer för ATP-syntetas, såväl som överföring av joner genom biologiska membran.

Biofysik studerar egenskaper biologiska membran, deras molekylära organisation, konformationsmobilitet hos proteiner och lipidkomponenter, deras motståndskraft mot temperatur, lipidperoxidation, deras permeabilitet för icke-elektrolyter och olika joner, molekylär struktur och funktionsmekanismer för jonkanaler, intercellulära interaktioner. Mycket uppmärksamhet ägnas åt mekanismerna för energiomvandling i biostrukturer (se Art. Bioenergetics), där de är förknippade med överföringen av elektroner och med omvandlingen av energin från elektronisk excitation. De fria radikalernas roll i levande system och deras betydelse i den skadliga effekten av joniserande strålning, såväl som i utvecklingen av ett antal andra patologiska processer ( N.M. Emanuel, B.N. Tarusov). En av biofysikens grenar som gränsar till biokemi är mekanokemi, som studerar mekanismerna för omvandlingar av kemisk och mekanisk energi i samband med muskelkontraktion, rörelse av flimmerhår och flageller, rörelse av organeller och protoplasma i celler. En viktig plats är ockuperad av "kvant" biofysik, som studerar de primära processerna för interaktion av biologiska strukturer med ljuskvanter (fotosyntes, syn, effekter på huden, etc.), mekanismerna för bioluminescens och fototropiska reaktioner, effekten av ultraviolett ljus och synligt ljus ( fotodynamiska effekter) på biologiska föremål. Tillbaka på 40-talet. 20 tum . EN. Terenin avslöjade tripletttillståndens roll i fotokemiska och ett antal fotobiologiska processer. A.A. Krasnovsky visade förmågan hos klorofyll som exciteras av ljus att genomgå redoxtransformationer, som ligger till grund för fotosyntesens primära processer. Moderna metoder för laserspektroskopi ger direkt information om kinetiken för motsvarande fotoinducerade elektroniska övergångar, vibrationer av atomgrupper i intervallet från 50-100 femtosekunder till 10 -12 -10 -6 s och mer.

Biofysikens idéer och metoder används inte bara i stor utsträckning i studiet av biologiska processer på makromolekylär och cellulär nivå, utan sprids också, särskilt under de senaste åren, till befolknings- och ekosystemnivåerna för organisation av levande natur.

Framsteg inom biofysik används till stor del inom medicin och ekologi. Medicinsk biofysik handlar om identifiering i kroppen (cellen) på molekylär nivå av de initiala stadierna av patologiska förändringar. Tidig diagnos av sjukdomar baseras på registrering av spektrala förändringar, luminescens, elektrisk ledningsförmåga hos blod och vävnadsprover som åtföljer sjukdomen (till exempel kan nivån av kemiluminescens användas för att bedöma arten av lipidperoxidation). analyserar de molekylära verkningsmekanismerna för abiotiska faktorer (temperatur, ljus, elektromagnetiska fält, antropogena föroreningar, etc.) på biologiska strukturer, livsduglighet och stabilitet hos organismer. Den ekologiska biofysikens viktigaste uppgift är att utveckla uttryckliga metoder för att bedöma ekosystemens tillstånd. Inom detta område är en av de viktigaste uppgifterna att bedöma toxiciteten hos fundamentalt nya material - nanomaterial, såväl som mekanismerna för deras interaktion med biologiska system.

I Ryssland bedrivs forskning inom biofysik vid ett antal forskningsinstitut och universitet. En av de ledande platserna tillhör det vetenskapliga centret i Pushchino, där 1962 Institutet för biologisk fysik vid USSR Academy of Sciences organiserades, som senare delades upp i Institutet för cellbiofysik RAS(Direktör - Motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin E.E. Fesenko) och Institutet för teoretisk och experimentell biofysik RAS(Direktör - Motsvarande medlem i RAS G.R. Ivanitsky. Biofysik utvecklas aktivt inom Institutet för biofysik vid Ryska federationens hälsoministerium, Institutet för molekylärbiologi RAS och Institutet för protein RAS, Institutet för biofysik SB RAS(Direktör - Motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin Degermedzhi A.G.), vid universiteten i Moskva. S:t Petersburg och Voronezh, i, i, etc.

Utveckling av biofysisk utbildning i Ryssland

Parallellt med utvecklingen av forskningen pågick bildandet av en bas för utbildning av specialister inom biofysikområdet. Den första i USSR Institutionen för biofysik vid fakulteten för biologi och markvetenskap vid Moskvas statliga universitet organiserades 1953 (B.N. Tarusov), och 1959 öppnades institutionen för biofysik vid fakulteten för fysik vid Moscow State University (L.A. Blumenfeld). Båda dessa institutioner är inte bara utbildningscentra som utbildar kvalificerade biofysiker, utan också stora forskningscentra. Institutioner för biofysik var då organiserade på en rad andra universitet i landet, bl.a State University "Moscow Institute of Physics and Technology", i National Research Nuclear University "MEPhI" samt vid ledande medicinska universitet. Kursen i biofysik undervisas på alla universitet i landet. Biofysisk forskning bedrivs vid institut och universitet i många länder i världen. Internationella kongresser om biofysik hålls regelbundet vart tredje år. Föreningar av biofysiker finns i USA, Storbritannien och ett antal andra länder. I Ryssland samordnar det vetenskapliga rådet för biofysik vid Ryska vetenskapsakademin det vetenskapliga arbetet och utför internationella relationer. Biofysiksektionen finns på Moscow Society of Naturalists.

Bland de tidskrifter där artiklar om biofysik publiceras finns: "Biophysics" (M., 1956 -); "Molecular Biology" (M., 1967 -); "Radiobiologi" (M., 1961 - för närvarande "Strålningsbiologi. Radioekologi"); "Biologiska membran" (M., 19 -). "Framsteg inom biologisk och medicinsk fysik" (N.Y., 1948 -); "Biochimica et Biophysica Acta" (N.Y. - Amst., 1947 -); "Biophysical Journal" (N.Y., 1960 -); "Bulletin of Mathematical Biophysics" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 -. 1955 - 1961 "Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); "Journal of Molecular Biology" (N.Y. - L., 1959 -); "Journal of Ultrastructure Research" (N.Y. - L., 1957 -) "Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry" (L., 1950 -); European Journal of biophysics (); Jurnal of Theoretical Biology (1961).

Rekommenderad läsning

Blumenfeld L.A. Biologisk fysiks problem. M., 1977

Volkenstein M.V. Biofysik. M., 1981

M. Jackson. Molekylär och cellulär biofysik. M., Mir. 2009

Nicolis G., Prigogine I. Självorganisering i icke-jämviktsstrukturer. per. från engelska. M., 1979;

Rubin A.B. Biofysik. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3:e upplagan)

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

FEDERAL UTBILDNINGSMYNDIGHET

STATLIG UTBILDNINGSINSTITUT

HÖGRE YRKESUTBILDNING

"IRKUTSK STATE PEDAGOGICAL UNIVERSITY"

Institutionen för fysik

Fakulteten för matematik, fysik och

informatik

specialitet "540200 - fysisk

matematisk utbildning"

fysik profil

Behörighet Kandidatexamen i fysisk och matematisk pedagogik

Korrespondens utbildningsform

KURSARBETE

Biofysik på fysiklektionerna i årskurs 7-9

Kompletterad av: Rudykh Tatyana Valerievna

Vetenskaplig rådgivare: kandidat

i fysik och matematik Lyubushkina Lyudmila Mikhailovna

Skyddsdatum ______________________

Markera ____________________

Irkutsk 2009

Inledning 3

KAPITELjag . BIOFYSIKENS BILDNING

1.1. Forskarnas bidrag till utvecklingen av biofysik 5

1.2. Grundare av Biofysik 10

1.3. Skapande av kvantteori 11

1.4. Tillämpad biofysik 14

1.5. Förändringar i biofysik 16

1.6. Biofysik som teoretisk biologi 18

1.7. Biofysisk forskning i fysik 21

1.8. Biofysisk forskning i biologi 23

KAPITELII. BIOFYSIK PÅ FYSIKELektioner

2.1. Inslag av biofysik i fysiklektionerna i årskurs 7-9 24

2.2. Tillämpning av biofysik på lektionerna på grundskolan 25

2.3. Blitz-turnering "Physics in Wildlife" 33

Slutsats 35

Referenser 36

Introduktion

Forskningens relevans:

Världsbilden är den viktigaste komponenten i personlighetsstrukturen. Det inkluderar ett system av generaliserade åsikter om världen, om en persons plats i den, såväl som ett system av åsikter, övertygelser, ideal, principer som motsvarar en viss världsbild. Processen för bildandet av världsbilden sker intensivt i skolåldern. Redan i grundskolan (åk 7-9) bör eleverna inse att studiet av fysiska fenomen och lagar kommer att hjälpa dem att förstå omvärlden.

De flesta av de nya fysikläroböckerna, särskilt för högre grund- och specialskolor, bidrar dock inte till en helhetsuppfattning om det material som studeras. Barns intresse för ämnet bleknar gradvis. Därför är en viktig uppgift för gymnasieskolan att i elevernas medvetande skapa en allmän bild av världen med dess enhet och mångfald av egenskaper hos livlös och levande natur. Integriteten i världsbilden uppnås tillsammans med andra tekniker och tvärvetenskapliga kopplingar.

Varje ämne i en skolfysikkurs inkluderar element av vetenskaplig kunskap som är väsentliga för bildandet av en världsbild och för skolbarns assimilering av de grundläggande begreppen i den disciplin som studeras. Eftersom innehållet i naturvetenskapliga discipliner i utbildningsstandarder och utbildningar inte är strikt strukturerat, är skolbarnens kunskap ofta inte systematiserad, formell.

Forskningsproblem består i behovet av att bilda en helhetsuppfattning om den fysiska bilden av världen och avsaknaden av lämplig systematisering och generalisering av utbildningsmaterialet för den undervisade disciplinen, fysik.

Syftet med studien: Att spåra integrationen av två ämnen i den naturvetenskapliga cykeln - fysik och biologi.

Studieobjekt: Biofysik och dess relation till andra ämnen.

Studieämne: Biofysik på fysiklektionerna i årskurs 7-9huvudskolan.

Förverkligandet av det uppsatta målet krävde lösningen av ett antal specifika uppgifter:

Att studera och analysera pedagogisk och metodisk litteratur om forskningsämnet.

Analysera olika biofysiska fenomen.

Välj experimentella uppgifter, olika typer av uppgifter, vars lösning kräver kunskaper i både fysik och biologi.

Studiens praktiska betydelse: resultatet av arbetet kan rekommenderas för praktisk användning lärare i fysikundervisning vid alla läroanstalter.

Studiens logik bestämde strukturen för arbetet, bestående av en introduktion, två kapitel, en slutsats, en referenslista. Det första kapitlet ägnas åt analys av utbildningslitteratur om ämnet "Biofysik och dess förhållande till andra ämnen", det andra undersöker förhållandet mellan fysik och biologi på exemplet med specifika uppgifter.

Avslutningsvis sammanfattas studiens resultat och rekommendationer ges för att förbättra tillämpningen av biofysiska fenomen i studiet av skolfysikkursen.

Kapitel jag. BIOFYSIKENS BILDNING

1.1. Forskarnas bidrag till utvecklingen av biofysik.

Biofysik- en gren av naturvetenskap som behandlar de fysikalisk och fysikalisk-kemiska principerna för organisering och funktion av biologiska system på alla nivåer (från submolekylära till biosfäriska), inklusive deras matematiska beskrivning. Biofysik handlar i grunden om mekanismer och egenskaper hos levande system. Living är ett öppet system som klarar av självförsörjning och självreproduktion.

Som en multidisciplinär vetenskap bildades biofysik på 1900-talet, men dess förhistoria går tillbaka mer än ett sekel. Liksom vetenskaperna som ledde till dess uppkomst (fysik, biologi, medicin, kemi, matematik), genomgick biofysiken en serie revolutionära omvandlingar i mitten av förra seklet. Det är känt att fysik, biologi, kemi och medicin är närbesläktade vetenskaper, men vi är vana vid att de studeras separat och oberoende. I huvudsak är en oberoende separat studie av dessa vetenskaper fel. En naturvetare kan bara ställa två frågor till den livlösa naturen: "Vad?" Och hur?". "Vad" är föremål för forskning, "hur" - hur detta ämne är upplagt. Biologisk evolution har fört vilda djur till en unik ändamålsenlighet. Därför kan en biolog, en läkare, en humanist också ställa en tredje fråga: "Varför?" eller "För vad?". Fråga "Varför månen?" kanske en poet, men inte en vetenskapsman.

Forskare visste hur man ställer de rätta frågorna till naturen. De gjorde ett ovärderligt bidrag till utvecklingen av fysik, biologi, kemi och medicin – de vetenskaper som tillsammans med matematiken bildade biofysiken.

Från tiden för Aristoteles (384 - 322 f.Kr.) Fysiken inkluderade hela informationen om den livlösa och levande naturen (från grekiskan. "Fysis" - "Naturen"). Naturens steg i hans uppfattning: den oorganiska världen, växter, djur, människan. Materiens primära egenskaper är två par av motsatser "varm - kall", "torr - våt". Grundelementen i elementen är jord, luft, vatten, eld. Det högsta, mest perfekta elementet är eter. Själva elementen är olika kombinationer av primära kvaliteter: kombinationen av kallt och torrt motsvarar jord, kallt till vått - vatten, varmt till vått - luft, varmt till torrt - eld. Begreppet eter tjänade sedan som grund för många fysiska och biologiska teorier. I moderna termer är Aristoteles idéer baserade på icke-additiviteten av tillägg av naturliga faktorer (synergism) och hierarkin av naturliga system.

Som en exakt naturvetenskap, som en vetenskap i det moderna konceptet, härstammar fysiken från Galileo Galilei (1564 - 1642), som till en början studerade medicin vid universitetet i Pisa och först därefter blev intresserad av geometri, mekanik och astronomi, skrifter Arkimedes (ca 287 - 212 f.Kr.) och Euklid (3:e århundradet f.Kr.).

Universiteten ger en unik möjlighet att uppleva den tidsmässiga kopplingen mellan vetenskaper, i synnerhet fysik, medicin och biologi. Så under 16-18 århundraden, medicinens riktning, som kallades "iatrofysik" eller "iatromekanik" (från grekiskan "iatros" - "läkare"). Läkare försökte förklara alla fenomen i en frisk och sjuk människo- och djurkropp på grundval av fysikens eller kemins lagar. Och sedan, och i efterföljande tider, var kopplingen mellan fysik och medicin, fysiker och biologer det närmaste, efter iatrofysiken dök iatrokemi upp. Uppdelningen av vetenskapen om "levande och icke-levande" inträffade relativt nyligen. Fysikens deltagande med dess kraftfulla och djupt utvecklade teoretiska, experimentella och metodologiska tillvägagångssätt för att lösa de grundläggande problemen inom biologi och medicin är obestridligt, men det bör erkännas att den i den historiska aspekten av fysiken står i stor skuld till läkare, som var de mest utbildade människorna i sin tid, och vars bidrag till skapandet av grundläggande grunder för klassisk fysik är ovärderligt. Naturligtvis pratar vi om klassisk fysik.

Bland de äldsta ämnena inom biofysisk forskning, hur märkligt det än kan tyckas vid första anblicken, bör bioluminescens nämnas, eftersom utsläpp av ljus från levande organismer länge har varit av intresse för naturfilosofer. För första gången uppmärksammade Aristoteles denna effekt med sin elev Alexander den store, till vilken han visade kustens glöd och såg orsaken till detta i luminescensen av marina organismer. Den första vetenskapliga studien av den "djuriska" glöden gjordes av Athanasis Kircher (1601–1680), tysk präst, encyklopedist, känd som geograf, astronom, matematiker, lingvist, musiker och läkare, skapare av de första naturvetenskapliga samlingarna och museerna, två kapitel i hans bok "Konsten att det stora ljuset och skuggan" ("Ars magna Lucis et Umbrae ») han ägnade sig åt bioluminescens.

Genom arten av hans vetenskapliga intressen kan den största fysikern hänföras till biofysiker Isaac Newton (1643 - 1727), som var intresserad av problemen med sambandet mellan fysiska och fysiologiska processer i organismer och i synnerhet behandlade frågor om färgseende. När han fullbordade sin Principia skrev Newton 1687: "Nu bör man lägga till något om någon mycket tunn eter som penetrerar alla fasta kroppar och som finns i dem, genom vars kraft och verkan partiklarna i kroppar på mycket små avstånd attraheras ömsesidigt, och när de kommer i kontakt sammanhängande, elektrifierade kroppar verkar över långa avstånd, både stöter bort och attraherar nära kroppar, ljus sänds ut, reflekteras, bryts, avböjs och värmer kropparna, varje känsla är upphetsad, vilket tvingar djurens lemmar att röra sig efter behag, överförs genom vibrationer av denna eter från yttre sinnesorgan till hjärnan och från hjärnan till musklerna.

En av grundarna av modern kemi franska Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794) tillsammans med sin landsman astronom, matematiker och fysiker Pierre Simon Laplace (1749 - 1827)ägnade sig åt kalorimetri, en gren av biofysik som nu skulle kallas biofysisk termodynamik. Lavoisier tillämpade kvantitativa metoder, som handlade om termokemi, oxidationsprocesser. Lavoisier och Laplace underbyggde sina idéer om att det inte finns två kemi - "levande" och "icke-levande", för oorganiska och organiska kroppar.

Bland våra stora föregångare, som lade grunden till biofysiken, bör hänföras den italienska anatomen Luigi Galvani(1737 - 1798) och fysik Alessandro Volta(1745 - 1827), skapare av läran om elektricitet. Galvani experimenterade med en elektrisk maskin och en av hans vänner rörde av misstag vid en grodalår med en kniv, som skulle användas i soppa. När grodans benmuskler plötsligt drog sig samman märkte Galvanis fru att den elektriska maskinen blinkade och undrade "om det fanns något samband mellan dessa händelser". Även om Galvanis egen åsikt om detta fenomen skilde sig i detalj från följande, är det säkert att experimentet upprepades och verifierades. , som uppgav att benet endast fungerade som en detektor för skillnader i den elektriska potentialen utanför det. Galvanis anhängare genomförde ett experiment där inga yttre elektriska krafter var inblandade, vilket bevisade att den ström som djuret genererade kunde orsaka muskelkontraktion. Men det var också möjligt att sammandragningen orsakades av kontakt med metaller; Volta gjorde motsvarande undersökningar, och de ledde till att han upptäckte det elektriska batteriet, som var så viktigt att Galvanis undersökningar klev åt sidan. Som ett resultat försvann studiet av elektrisk potential hos djur från vetenskaplig uppmärksamhet fram till 1827. Eftersom grodbenet i många år var den känsligaste detektorn för potentialskillnader, kom den slutliga förståelsen att strömmar kunde genereras av levande vävnader inte förrän galvanometrar som är tillräckligt känsliga för att mäta strömmar som genereras i musklerna och små skillnader i potential över nervmembranet.

I samband med Galvanis verk om "animalisk elektricitet" kan man inte annat än komma ihåg namnet på en österrikisk läkare - fysiolog Friedrich Anton Mesmer(1733-1815), som utvecklade idéer om den helande "djurmagnetismen", genom vilken det, enligt hans antagande, var möjligt att förändra kroppens tillstånd, behandla sjukdomar. Det bör noteras att även nu förblir effekterna av verkan av elektriska magnetiska och elektromagnetiska fält på levande system till stor del ett mysterium för grundläggande vetenskap. Problem kvarstår och faktiskt, intresset hos moderna fysiker för att studera påverkan av yttre fysiska faktorer på biologiska system försvinner inte.

Men innan biologi och fysik hann separera publicerades den välkända boken "Grammar of Science", skriven av en engelsk matematiker Karl Pearson (1857 - 1935) där han gav en av de första definitionerna av biofysik (1892): "Vi kan inte med fullständig säkerhet säga att livet är en mekanism förrän vi kan specificera mer exakt vad vi exakt menar med termen "mekanism" som tillämpas på organiska kroppar. Redan nu verkar det säkert att vissa generaliseringar av fysiken ... beskriver ... en del av vår sensoriska erfarenhet av livsformer. Vi behöver ... en vetenskapsgren som har till uppgift att tillämpa de oorganiska fenomenens lagar, fysiken på utvecklingen av organiska former. ... Biologins fakta - morfologi, embryologi och fysiologi - utgör specialfall av tillämpningen av allmänna fysiska lagar. ... Det vore bättre att kalla det biofysik.”

1.2. Grundare av biofysik

Grundaren av modern biofysik bör övervägasHermann L. Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), som blev en framstående fysiker, en av författarna jag termodynamikens lag. Medan han fortfarande var ung militärkirurg, visade han att metaboliska omvandlingar i muskler är strikt relaterade till det mekaniska arbete de utför och värmegenerering. Under sina mogna år sysslade han mycket med problem med elektrodynamik. 1858 lade han grunden till teorin om en vätskas virvelrörelse. Han utförde också lysande experiment inom området för biofysik av nervimpulser, synbiofysik, bioakustik, utvecklade Jungs idé om tre typer av visuella receptorer, elektriska urladdningar som uppstår i en elektrisk krets har en oscillerande karaktär. Intresset för oscillerande processer i akustik, vätskor, elektromagnetiska system ledde till att forskaren studerade vågprocessen för nervimpulsutbredning. Det var Helmholtz som först började studera problemen med aktiva medier, och med hög noggrannhet mätte utbredningshastigheten för en nervimpuls i axoner, som ur modern synvinkel är ett aktivt endimensionellt medium. År 1868 valdes Helmholtz till hedersmedlem i St. Petersburgs vetenskapsakademi.

Den ryska vetenskapsmannens, fysiologens och biofysikerns öden hänger ihop på ett fantastiskt sätt, Ivan Mikhailovich Sechenov(1829 - 1905) och Helmholtz. Efter examen från Moskvas universitet 1856 till 1860 studerade han och arbetade med Helmholtz. Från 1871 till 1876 arbetade Sechenov vid Novorossiysk-universitetet i Odessa, sedan vid universiteten i St. Petersburg och Moskva, och studerade elektriska fenomen i nervvävnader och mekanismerna för gastransport i blodet.

1.3. Skapande av kvantteori

Den klassiska fysikens period under 1600- och 1800-talen slutade dock i början av 1900-talet med den största revolutionen inom fysiken - skapandet av kvantteorin. Detta och ett antal andra nya områden inom fysiken skilde den från kretsen av naturvetenskap. I detta skede ändrade interaktionen mellan fysik och medicin sin karaktär avsevärt: praktiskt taget alla moderna metoder för medicinsk diagnostik, terapi, farmakologi, etc. började baseras på fysiska tillvägagångssätt och metoder. Detta minskar inte biokemins enastående roll i utvecklingen av medicin. . Därför bör vi prata om de framstående vetenskapsmän vars namn är förknippade med föreningen av vetenskaper och bildandet av biofysik. Vi talar om fysiker som gick in i biologins och medicinens historia, om läkare som gjorde ett betydande bidrag till fysiken, även om det verkar svårt för fysiker att komma in i medicinens specifika problem, djupt genomsyrad av idéer, kunskaper och tillvägagångssätt inom kemi , biokemi, molekylärbiologi och etc. Samtidigt möter läkare också grundläggande svårigheter att försöka formulera sina behov och uppgifter som skulle kunna lösas med lämpliga fysikalisk och fysikalisk-kemiska metoder. Det finns bara en effektiv väg ut ur situationen, och den har hittats. Detta är en universell universitetsutbildning, när studenter, blivande forskare, kan och bör få två, tre och till och med fyra grundläggande utbildningar - i fysik, kemi, medicin, matematik och biologi.

Niels Bohr hävdade att "inget resultat av biologisk forskning kan entydigt beskrivas på annat sätt än utifrån begreppen fysik och kemi." Detta innebar att biologi, medicin, matematik, kemi och fysik igen, efter nästan ett och ett halvt sekel av separation, började konvergera, vilket resulterade i uppkomsten av sådana nya integrerade vetenskaper som biokemi, fysikalisk kemi och biofysik.

Brittisk fysiolog och biofysiker Archibald Vivienne Hill (f. 1886), Nobelpristagaren i fysiologi (1922) är skaparen av de grundläggande grundvalen på vilka teorin om muskelsammandragningar fortfarande utvecklas idag, men redan på molekylär nivå. Hill beskrev biofysik på detta sätt: ”Det finns människor som kan formulera ett problem i fysiska termer ... som kan uttrycka resultatet i termer av fysik. Dessa intellektuella egenskaper mer än några speciella förhållanden är fysisk utrustning och metoder nödvändiga, att bli biofysiker ... Men ... en fysiker som inte kan utveckla ett biologiskt förhållningssätt, som inte är intresserad av levande processer och funktioner ... som bara betraktar biologi som en gren av fysiken, har ingen framtid inom biofysik.

Inte bara under medeltiden, utan också på senare tid, deltog läkare, biologer och fysiker på lika villkor i utvecklingen av komplexet av dessa vetenskaper. Alexander Leonidovich Chizhevsky (1897-1964), som fick bland annat en medicinsk utbildning vid Moskvas universitet, ägnade sig många år åt forskning om heliokronobiologi, luftjonernas effekt på levande organismer och erytrocyternas biofysik. Hans bok "Physical Factors of the Historical Process" publicerades aldrig trots ansträngningar från P.P. Lazarev, N.K. Koltsov, Folkets utbildningskommissarie Lunacharsky och andra.

Det bör också noteras den enastående vetenskapsmannen Gleb Mikhailovich Frank(1904-1976), som skapade Institute of Biophysics of the Academy of Sciences of the USSR (1957), fick Nobelpriset tillsammans med I.E. Tamm och P.A. Cherenkov för skapandet av teorin om "Cherenkov-strålning". Det oscillerande beteendet hos biologiska system på alla nivåer, känt sedan urminnes tider, har sysselsatt inte bara biologer utan även fysikaliska kemister och fysiker. Upptäckten på 1800-talet av fluktuationer i förloppet av kemiska reaktioner ledde därefter till uppkomsten av de första analoga modellerna, såsom "järnnerven", "kvicksilverhjärtat".

Termodynamisk linje utvecklingen av biofysik var naturligt förknippad med själva termodynamikens utveckling. Dessutom bidrog den icke-jämviktsnaturen hos öppna biologiska system, intuitivt accepterad av naturforskare, till bildandet av termodynamiken hos icke-jämviktssystem. Termodynamiken i jämviktssystem, som ursprungligen främst förknippades med kalorimetri, gav sedan ett betydande bidrag till beskrivningen av strukturella förändringar i celler, metabolism och enzymatisk katalys.

Listan över framstående medicinska fysiker skulle kunna utökas avsevärt, men målet är att avslöja de djupa kopplingarna mellan biologi, kemi, medicin och fysik, omöjligheten av en differentierad existens av dessa vetenskaper. Mycket av den biofysiska forskningen har gjorts av fysiker som är intresserade av biologi; därför måste det finnas ett sätt för forskare utbildade i fysik och fysikalisk kemi att hitta in i biologin och bli bekanta med problem som är öppna för fysisk tolkning. Även om klassiskt inriktade biologiavdelningar ofta erbjuder tjänster till biofysiker, är de inte en ersättning för centra där biofysisk forskning är central.

Biofysiker har förmågan att dela upp biologiska problem i segment som lämpar sig för direkt fysisk tolkning, och att formulera hypoteser som kan testas experimentellt. Biofysikens huvudsakliga verktyg är relationen. Till detta kommer förmågan att använda komplex fysikalisk teori för att studera levande varelser, till exempel: Röntgendiffraktionsteknologi behövdes för att fastställa strukturen hos stora molekyler som proteiner. Biofysiker erkänner i allmänhet användningen av nya fysiska verktyg, såsom atommagnetisk resonans och elektronspinresonans, i studiet av vissa problem inom biologi.

1.4. Tillämpad biofysik

Utvecklingen av verktyg för biologiska ändamål är en viktig aspekt av det nya området för tillämpad biofysik. Biomedicinska instrument används förmodligen mest i medicinska miljöer. Tillämpad biofysik är viktig inom området terapeutisk radiologi, där dosmätning är mycket viktig för behandling, och diagnostisk radiologi, särskilt med teknologier som involverar isotoplokalisering och helkroppsskanning, för att hjälpa till med diagnosen av tumörer. Datorernas betydelse för att fastställa diagnosen och behandlingen av patienten växer. Möjligheterna för tillämpningar av tillämpad biofysik verkar oändliga, eftersom den långa fördröjningen mellan utvecklingen av forskningsverktyg och deras tillämpning gör att många vetenskapliga verktyg baserade på redan kända fysikaliska principer snart kommer att bli väsentliga för medicinen.

Rysk biofysik som en gren av vetenskapen bildades till stor del bland framstående ryska forskare från slutet av det förflutna, början av detta århundrade - fysiker, biologer, läkare, nära förknippade med Moskvas universitet. Bland dem var N.K. Koltsov, V.I. Vernadsky, P.N. Lebedev, P.P. Lazarev, senare - S.I. Vavilov, A.L. Chizhevsky och många andra.

James D. Watson(1928) tillsammans med den engelske biofysikern och genetikern Francis H.K. gråta(1916) och biofysiker Maurice Wilkins(1916) (som först fick högkvalitativa röntgenstrålar av DNA tillsammans med Rosalind Franklin) skapade en tredimensionell modell av DNA 1953, som gjorde det möjligt att förklara dess biologiska funktioner och fysikalisk-kemiska egenskaper. 1962 fick Watson, Crick och Wilkins Nobelpriset för detta arbete.

Den första föreläsningskursen i Ryssland kallad "Biofysik" lästes för läkare vid kliniken vid Moskvas universitet 1922 Petr Petrovich Lazarev(1878 - 1942), invald 1917 på nominering Ivan Petrovich Pavlov(1849 - 1936) akademiker. P.P. Lazarev tog examen från den medicinska fakulteten vid Moskvas universitet 1901. Han avslutade sedan en hel kurs i fysik och matematik och arbetade i ett fysiklaboratorium som drivs av Petr Nikolaevich Lebedev(1866-1912), en av grundarna av experimentell fysik i Ryssland, skaparen av den första ryska vetenskapliga fysiska skolan, som 1985 tog emot och studerade millimeter elektromagnetiska vågor, upptäckte och mätte ljustryck på fasta ämnen och gaser (1999-1907) , som bekräftade den elektromagnetiska teorin om ljus. 1912 ledde Lazarev sin lärares laboratorium. Den första biofysikern, akademikern Lazarev, ledde det unika institutet för fysik och biofysik, skapat under Lebedevs livstid. Från 1920 till 1931 ledde P.P. Lazarev detta statliga institut för biofysik, skapat på hans initiativ, Lazarev är grundaren av medicinsk radiologi, hans institut hade den första och enda röntgenenheten där Lenin fotograferades efter mordförsöket 1918, varefter Lazarev blev initiativtagare och första chef för Institutet för medicinsk radiologi. Lazarev organiserade också arbete med magnetisk kartläggning av Kursks magnetiska anomali, tack vare vilken personalen vid Institute of Physics of the Earth bildades. Institutet för biofysik och fysik förstördes dock efter arresteringen av Lazarev 1931, och 1934 grundades Lebedev FIAN i denna byggnad.

1.5. Förändringar i biofysik

Sedan 1940-talet har dramatiska förändringar börjat inom biofysiken. Och det var tidens uppmaning - vid mitten av vårt århundrade gick fysiken, som hade gjort ett fenomenalt språng, aktivt in i biologin. Men i slutet av 1950-talet försvann euforin från förväntan på en snabb lösning på komplexa problem för de levande snabbt: det var svårt för fysiker utan grundläggande biologisk och kemisk utbildning att peka ut tillgängliga för fysiken, men "biologiskt betydelsefulla" aspekter av hur levande system fungerar, och verkliga biologer och biokemister om förekomsten av specifika fysiska problem och tillvägagångssätt, som regel, misstänktes inte. Ett brådskande behov för vetenskapen under dessa och efterföljande dagar var utbildning av specialister med tre grundläggande formationer: fysikaliska, biologiska och kemiska.

I vårt land fanns en annan viktig orsak till att det på 1940-talet uppstod en nära allians mellan biologi och fysik. Efter det oprofessionella, destruktiva ingripandet av dåtidens politiker i de grundläggande områdena genetik, molekylärbiologi, teori och praktik för naturförvaltning, kunde några av biologerna fortsätta sin forskning endast i vetenskapliga institutioner av den fysiska profilen.

Som alla gränsområden för kunskap, baserat på de grundläggande vetenskaperna om fysik, biologi, kemi, matematik, på framgångarna inom medicin, geofysik och geokemi, astronomi och rymdfysik, etc. Biofysik kräver initialt ett integrerat, encyklopedisk förhållningssätt till sig själv från dess bärare, eftersom den syftar till att klargöra mekanismerna för hur levande system fungerar på alla nivåer av organiseringen av levande materia. Dessutom bestämmer detta också det frekventa missförståndet i förhållande till biofysik och biofysiker från kollegor, företrädare för relaterade discipliner. Det är svårt, ibland nästan omöjligt, att skilja mellan biofysik och fysiologi, biofysik och cellbiologi, biofysik och biokemi, biofysik och ekologi, biofysik och kronobiologi, biofysik och matematisk modellering av biologiska processer m.m. Således syftar biofysik till att belysa mekanismerna för funktionsmekanismer för biologiska system på alla nivåer och på grundval av alla naturvetenskapliga tillvägagångssätt.

1.6. Biofysik - som teoretisk biologi

Det är känt att biologer, kemister, läkare, ingenjörer och militärer också är involverade i biofysik, men systemet för utbildning av biofysiker visade sig vara optimalt utifrån en allmän universitetsutbildning i fysik. Samtidigt har biofysik behandlats och behandlas som teoretisk biologi, d.v.s. vetenskapen om de grundläggande fysiska och fysikalisk-kemiska grunderna för strukturen och funktionen av levande system på alla nivåer av organisationen - från den submolekylära nivån till biosfärens nivå. Ämnet biofysik är levande system, metoden är fysik, fysikalisk kemi, biokemi och matematik.

På 50-talet av 1900-talet visade studenter vid Fysiska fakulteten, efter sina lärare, också intresse för medicinens och biologins problem. Dessutom verkade det möjligt att ge en rigorös fysisk analys av det mest anmärkningsvärda fenomenet i universum - fenomenet Livet. Boken översattes 1947 E. Schrödinger"Vad är livet? Ur en fysik synvinkel. Cytologisk aspekt av det levande”, föreläsningar I.E.Tamma, N.V. Timofeev-Resovsky, fick de senaste upptäckterna inom biokemi och biofysik en grupp studenter att ansöka till rektor för Moskvas statliga universitet I.G. Petrovsky med en begäran om att införa undervisningen i biofysik vid Fysiska fakulteten. Rektorn ägnade stor uppmärksamhet åt elevernas initiativ. Föreläsningar och seminarier anordnades, som entusiastiskt deltog inte bara av initiativtagarna utan också av klasskamrater som anslöt sig till dem, som senare bildade den första specialiseringsgruppen "Biofysik" vid fakulteten för fysik vid Moskvas statliga universitet och nu är ryskas stolthet. biofysik.

Institutionen för biofysik vid den biologiska fakulteten grundades 1953. Dess första huvud var B.N. Tarusov. Leder för närvarande Institutionen för biofysik vid den biologiska fakulteten A.B. Rubin. Och hösten 1959, den första i världen Institutionen för biofysik, som började utbilda biofysiker från fysiker (innan dess utbildades biofysiker från biologer eller läkare). Akademiker I.G. Petrovsky, I.E. Tamm, N.N.-kemist). Från förvaltningens sida, skapande av specialisering " biofysik» Dekanus Professor var förkroppsligad vid Fysiska fakulteten V.S. Fursov, som stöttat dess utveckling under alla år, och hans ställföreträdare V.G.Zubov. De första anställda på avdelningen var en fysikalisk kemist L.A. Blumenfeld, som ledde institutionen i nästan 30 år och nu är dess professor, biokemist S.E. Shnol, professor vid institutionen och fysiolog I.A. Kornienko.

Hösten 1959 skapades världens första institution för biofysik vid fakulteten för fysik vid Moskvas universitet, som började utbilda specialister i biofysik från fysiker. Under avdelningens existens har cirka 700 biofysiker utbildats.

De första anställda på avdelningen var fysikalisk-kemisten L.A. Blumenfeld (1921 - 2002), som ledde avdelningen i 30 år, biokemisten S.E. Shnol, professor vid avdelningen, och fysiologen I.A. Kornienko. De formulerade principerna för att bygga ett system för biofysikalisk utbildning för fysiker, fastställde huvudriktningarna för vetenskaplig forskning vid institutionen.

Vid institutionen för biofysik L.A. Under många år gav Blumenfeld föreläsningskurser "Physical Chemistry", "Quantum Chemistry and the Structure of Molecules", "Selected Chapters of Biophysics". Författare till mer än 200 verk, 6 monografier.

Vetenskapliga intressen för V.A. Tverdislov är kopplade till membranens biofysik, med studiet av oorganiska joners roll i biologiska system, mekanismerna för jonöverföring genom cell- och modellmembran med hjälp av jonpumpar. Han föreslog och utvecklade experimentellt en modell för parametrisk separation av vätskeblandningar i periodiska fält i heterogena system.

När det gäller omfattningen av fakulteten för fysik är institutionen för biofysik liten, men historiskt visade det sig att de anställdas forskning överlappar ett betydande område av grundläggande och tillämpad biofysik. Det finns betydande framsteg inom området för att studera de fysiska mekanismerna för energiomvandling i biologiska system, radiospektroskopi av biologiska objekt, fysiken för enzymatisk katalys, biofysik av membran, studiet av vattenlösningar av biomakromolekyler, studiet av självorganiseringsprocesser i biologiska och modellsystem, reglering av grundläggande biologiska processer, inom området medicinsk biofysik, nano - och bioelektronik m.m. Institutionen för biofysik har under många år samarbetat med universitet och ledande vetenskapliga laboratorier i Tyskland, Frankrike, England, USA, Polen, Tjeckien och Slovakien, Sverige, Danmark, Kina och Egypten.

1.7. Biofysisk forskning i fysik

Fysikernas intresse för biologi på 1800-talet. ökat kontinuerligt. Samtidigt, inom de biologiska disciplinerna, intensifierades dragningen av fysiska forskningsmetoder, de trängde alltmer in i biologins mest skilda områden. Med hjälp av fysiken utökas mikroskopets informationsförmåga. I början av 30-talet av XX-talet. elektronmikroskopet dyker upp. Radioaktiva isotoper, den ständigt förbättrade spektraltekniken och röntgendiffraktionsanalys håller på att bli ett valfritt verktyg för biologisk forskning. Omfattningen av röntgen och ultravioletta strålar expanderar; elektromagnetiska oscillationer används inte bara som ett medel för forskning, utan också som faktorer som påverkar kroppen. Tränger brett in i biologi och, särskilt fysiologi, elektronisk teknik.

Tillsammans med introduktionen av nya fysikaliska metoder utvecklas också molekylär biofysik. Efter att ha uppnått enorm framgång i att förstå essensen av livlös materia, börjar fysiken göra anspråk på, med traditionella metoder, att dechiffrera naturen hos levande materia. Inom molekylär biofysik skapas mycket breda teoretiska generaliseringar med inblandning av en komplex matematisk apparat. Enligt traditionen försöker biofysikern komma bort från ett mycket komplext ("smutsigt") biologiskt objekt i ett experiment och föredrar att studera beteendet hos ämnen som isolerats från organismer i renast möjliga form. Utvecklingen av olika modeller av biologiska strukturer och processer - elektriska, elektroniska, matematiska, etc. - utvecklas kraftigt. Modeller av cellrörelser skapas och studeras (till exempel gör en kvicksilverdroppe i en sur lösning rytmiska rörelser, som en amöba), permeabilitet och nervledning. Mycket uppmärksamhet lockas, i synnerhet, av modellen för nervledning skapad av F. Lilly. Detta är en järntrådsring placerad i en lösning av saltsyra. När en repa appliceras på den och förstör ytskiktet av oxid, uppstår en elektrisk potentialvåg, som är mycket lik de vågor som färdas längs nerverna när de exciteras. Många studier (med början från 1930-talet) har ägnats åt studiet av denna modell med hjälp av matematiska analysmetoder. I framtiden skapas en mer avancerad modell baserad på kabelteori. Grunden för dess konstruktion var en viss fysisk analogi mellan fördelningen av potentialer i en elektrisk kabel och en nervfiber.

Andra områden inom molekylär biofysik är mindre populära. Bland dem bör det noteras matematisk biofysik, vars ledare är N. Rashevsky. I USA ger Rashevsky-skolan ut tidskriften Mathematical Biophysics. Matematisk biofysik är relaterad till många områden inom biologin. Den beskriver inte bara i matematisk form de kvantitativa mönstren för sådana fenomen som tillväxt, celldelning, excitation, utan försöker också analysera de komplexa fysiologiska processerna hos högre organismer.

1.8. Biofysisk forskning inom biologi

En stark drivkraft för bildandet av biofysik var uppkomsten i slutet av XIX - början av XX-talet. fysikalisk kemi, dikterad av behovet av att identifiera de mekanismer som ligger bakom den kemiska interaktionen. Denna nya disciplin väckte omedelbart biologernas uppmärksamhet genom att den öppnade möjligheten att förstå de fysikalisk-kemiska processerna i dessa "smutsiga" levande system från en fysikers synvinkel, som det var svårt för dem att arbeta med. Ett antal trender som uppstått inom fysikalisk kemi har gett upphov till liknande trender inom biofysik.

En av de största utvecklingarna i den fysikaliska kemins historia var utvecklingen S. Arrhenius (Nobelpriset, 1903) teorin om elektrolytisk dissociation av salter i vattenlösningar (1887), som avslöjade orsakerna till deras aktivitet. Denna teori väckte intresse hos fysiologer, som var väl medvetna om saltets roll i fenomenen excitation, ledning av nervimpulser, i blodcirkulationen och så vidare. Redan 1890, den unga fysiologen V.Yu. Chagovets presenterar en studie "Om tillämpningen av teorin om Arrhenius-dissociation på elektromotoriska fenomen i levande vävnader", där han försökte koppla förekomsten av bioelektriska potentialer med en ojämn fördelning av joner.

Ett antal grundare av fysikalisk kemi deltar i överföringen av fysikalisk-kemiska idéer till biologiska fenomen. Baserat på fenomenet rörelse av saltjoner, W. Nernst (1908) formulerade sin välkända kvantitativa lag för excitation: tröskeln för fysiologisk excitation bestäms av antalet överförda joner. Fysikern och kemisten W. Ostwald utvecklade en teori om uppkomsten av bioelektriska potentialer baserad på antagandet att ett membran som är semipermeabelt för joner och kapabelt att separera joner med motsatta laddningar finns på cellytan. Därmed lades grunden för den biofysiska riktningen i tolkningen av biologiska membrans permeabilitet och struktur i vid mening.

Kapitel II. BIOFYSIK PÅ FYSIKELektioner

2.1. Inslag av biofysik på fysiklektionerna i årskurs 7-9

Ett karakteristiskt drag för modern vetenskap är den intensiva interpenetrationen av idéer, teoretiska tillvägagångssätt och metoder som är inneboende i olika discipliner. Detta gäller särskilt för fysik, kemi, biologi och matematik. Sålunda används fysiska forskningsmetoder i stor utsträckning i studiet av levande natur, och det unika med detta föremål ger liv till nya, mer avancerade metoder för fysisk forskning.

Med tanke på sambanden mellan fysik och biologi är det nödvändigt att visa eleverna gemensamheten av ett antal lagar av livlig och livlös natur, för att fördjupa deras förståelse av den materiella världens enhet, fenomenens förhållande och villkorlighet, deras igenkännbarhet, för att bekanta dem med användningen av fysikaliska metoder i studiet av biologiska processer.

I lektionerna i fysik är det nödvändigt att betona att ett karakteristiskt tecken på vår tid är framväxten av ett antal komplexa vetenskaper. Biofysiken har utvecklats - en vetenskap som studerar effekten av fysiska faktorer på levande organismer.

Att locka till sig biofysiska exempel tjänar till att bättre assimilera fysikens gång. Biofysikaliskt material bör vara direkt relaterat till läroplanen för kurser i fysik och biologi och spegla de mest lovande riktningarna i utvecklingen av vetenskap och teknik. Ett stort antal biofysiska exempel kan väljas för nästan alla delar av fysikkursen, det är tillrådligt att använda dem tillsammans med exempel från livlös natur och från teknik.

2.2. Användningen av biofysik i klassrummet i grundskolan

Mekanik

Rörelse och krafter.

När du studerar ämnet "Rörelse och krafter" i årskurs 7 kan du introducera eleverna till olika djurs rörelsehastigheter. Snigeln kryper ca 5,5 m på 1 h. Sköldpaddan rör sig med en hastighet av ca 70 m/h. En fluga flyger med en hastighet av 5 m/s. Den genomsnittliga gånghastigheten är cirka 1,5 m/s, eller cirka 5 km/h. Hästen kan röra sig med en hastighet av 30 km/h och över.

Den maximala hastigheten för vissa djur: en hundhund - 90 km / h, en struts - 120 km / h, en gepard - 110 km / h, en antilop - 95 km / h.

Med hjälp av hastighetsdata från olika representanter för djurvärlden är det möjligt att lösa olika typer av problem. Till exempel:

Snäckans hastighet är 0,9 mm/s. Uttryck denna hastighet i cm/min, m/h.

Pilgrimsfalken, som jagar bytesdjur, dyker med en hastighet av 300 km/h. Hur långt sträcker den sig på 5 sekunder?

Det är känt att den genomsnittliga tillväxthastigheten för ek är cirka 0,3 m per år. Hur gammal är en ek 6,3 m hög?

Tel vikt Densitet.

Kroppsvikt och volym är direkt relaterade till representanter för floran, till exempel ges följande uppgifter:

Bestäm massan av björkved om dess volym är 5 m 3.

Bestäm volymen av torr bambu om dess vikt är 4800 kg.

Bestäm densiteten för ett balsaträd om dess massa är 50 ton och dess volym är 500 m 3.

Allvar.

När du studerar detta ämne kan du utföra följande utbildningsarbete. Massorna av olika däggdjur anges: val - 70000 kg, elefant - 4000 kg, noshörning - 2000 kg, tjur - 1200 kg, björn - 400 kg, gris 200 kg, människa - 70 kg, varg - 40 kg, hare - 6 kg. Hitta deras vikt i newton.

Samma data kan användas för att grafiskt avbilda krafter.

Tryck av vätskor och gaser.

En människokropp, vars yta med en massa på 60 kg och en höjd av 160 cm är ungefär lika med 1,6 m 2, utsätts för en kraft på 160 000 N, på grund av atmosfärstryck. Hur klarar kroppen en sådan enorm belastning?

Detta uppnås på grund av det faktum att trycket från vätskorna som fyller kroppens kärl balanserar det yttre trycket.

Nära relaterat till denna fråga är möjligheten att vara under vattnet på stora djup. Faktum är att överföring av kroppen till en annan nivå orsakar en nedbrytning av dess funktioner. Detta beror på deformationen av kärlens väggar, utformade för ett visst tryck från insidan och utsidan. Dessutom, när trycket ändras, ändras också hastigheten för många kemiska reaktioner, vilket resulterar i att även kroppens kemiska balans förändras. När trycket ökar sker en ökad absorption av gaser av kroppsvätskor, och när det minskar sker frigörandet av lösta gaser. Med en snabb minskning av trycket på grund av den intensiva frisättningen av gaser, kokar blodet så att säga, vilket leder till blockering av blodkärl, ofta dödlig. Detta bestämmer det maximala djupet vid vilket dykoperationer kan utföras (som regel inte lägre än 50 meter). Nedstigningen och uppstigningen måste göras mycket långsamt så att utsläppet av gaser endast sker i lungorna och inte omedelbart i hela cirkulationssystemet.

Exempel på några krafter i vilda djur.

Flugans kraft under flygning är 10 -5 watt.

Svärdfisk slår 10 5 -10 6 W.

Man tror att en person under normala arbetsförhållanden kan utveckla en effekt på cirka 70-80 W, men en kortsiktig ökning av effekten med flera gånger är möjlig. Så en person på 750 N kan hoppa till en höjd av 1 m på 1 s, vilket motsvarar en effekt på 750 W; löparen utvecklar en effekt på cirka 1000 watt.

Omedelbar, eller explosiv, frigöring av energi är möjlig i sporter som kulstötning eller höjdhopp. Observationer har visat att under höga hopp med samtidig avstötning med båda benen utvecklar vissa män en genomsnittlig effekt på cirka 3700 W i 0,1 s, och kvinnor - 2600 W.

Hjärt-lungmaskin (AIC)

När du avslutar studiet av mekanik är det användbart att berätta för eleverna om enheten för hjärt-lungmaskinen.

Under operationer på hjärtat blir det ofta nödvändigt att tillfälligt stänga av det från cirkulationen i kroppen (ca 4-5 liter för en vuxen patient), den inställda temperaturen på det cirkulerande blodet.

Hjärt-lungmaskinen består av två huvuddelar: delar av pumpen och syregeneratorn. Pumpar utför hjärtats funktioner - de upprätthåller tryck och blodcirkulation i kroppens kärl under operationen. Syregeneratorn utför lungornas funktion och säkerställer blodmättnad på minst 95 % och upprätthåller ett partialtryck av CO 2 på nivån 35-45 mm Hg. Konst. venöst blod från patientens kärl strömmar genom gravitationen in i syregeneratorn, som ligger under nivån på operationsbordet, där det mättas med syre, befrias från överskott av koldioxid och sedan pumpas in i patientens blodomlopp med en artärpump. AIK under lång tid kan ersätta funktionerna i hjärtat och lungorna.

Vid lösning av problem relaterade till levande föremål måste stor försiktighet iakttas för att förhindra felaktig tolkning av biologiska processer.

En uppgift. Hur förklarar man med hjälp av fysiska representationer att en gran lätt rycks upp i en storm, medan en tallstam är mer benägen att gå sönder?

Vi är intresserade av att endast analysera den kvalitativa sidan av frågan. Dessutom är vi intresserade av frågan om de båda trädens jämförande beteende. Lastens roll i vårt problem spelas av vindkraften F B. Du kan lägga till vindkraften som verkar på stammen till vindkraften som verkar på kronan, och till och med anta att vindkrafterna som verkar på båda träden är desamma . Då bör tydligen ytterligare resonemang vara följande. Rotsystemet hos tall går djupare ner i marken än hos gran. På grund av detta är skuldran för kraften som håller tallen i marken större än granens. För att vända en gran med rot krävs därför mindre kraft- och vindmoment än att bryta den. Därför visar sig gran oftare med roten än tall, och tall bryter oftare än gran.

Studiet av värme och molekylära fenomen

Enhet "konstgjord njure"

Denna enhet används för akut medicinsk vård för akut berusning; att förbereda patienter med kronisk njursvikt för njurtransplantation; för behandling av vissa störningar i nervsystemet (schizofreni, depression).

AIP är en hemodialysator där blod kommer i kontakt med en saltlösning genom ett semipermeabelt membran. På grund av skillnaden i osmotiska tryck passerar joner och molekyler av metaboliska produkter (urea och urinsyra), såväl som olika giftiga ämnen som ska avlägsnas från kroppen, genom membranet från blodet till saltlösningen.

kapillärfenomen.

När man överväger kapillärfenomen bör deras roll i biologin betonas, eftersom de flesta växt- och djurvävnader genomsyras av ett enormt antal kapillärkärl. Det är i kapillärerna som huvudprocesserna förknippade med kroppens andning och näring äger rum, all livets mest komplexa kemi, nära relaterade till diffusa fenomen.

En fysisk modell av det kardiovaskulära systemet kan vara ett system av många grenade rör med elastiska väggar. När förgreningen ökar ökar rörens totala tvärsnitt, och vätskans hastighet minskar i enlighet därmed. Men på grund av det faktum att bifurkationen består av många smala kanaler, ökar de interna friktionsförlusterna kraftigt och det totala motståndet mot vätskors rörelse (trots hastighetsminskningen) ökar avsevärt.

Ytfenomenens roll i den levande naturens liv är mycket varierande. Till exempel är ytfilmen av vatten ett stöd för många organismer när de rör sig. Denna form av rörelse finns hos små insekter och spindeldjur. Vissa djur som lever i vatten, men som inte har gälar, hängs upp underifrån nära vattenytan med hjälp av speciella icke-vätbara borst som omger deras andningsorgan. Denna teknik används av mygglarver (inklusive malaria).

För självständigt arbete kan du erbjuda arbetsuppgifter som:

Hur kan kunskap om molekylär kinetisk teori tillämpas för att förklara mekanismen genom vilken växtrothår absorberar näring från jorden?

Hur förklarar man vattentätheten hos ett halmtak, hö i högar?

Bestäm till vilken höjd, under inverkan av ytspänningskrafter, vatten stiger i stjälkarna på växter med kapillärer med en diameter på 0,4 mm. Kan kapilläritet anses vara den enda orsaken till att vatten stiger längs stammen på en växt?

Är det sant att svalor som flyger lågt över marken förebådar att regnet närmar sig?

Studiet av vibrationer och ljud

Exempel på periodiska processer inom biologi: många blommor stänger kronbladen vid mörkrets inbrott; hos de flesta djur finns det en periodicitet i utseendet på avkomman; periodiska förändringar i intensiteten av fotosyntes i växter är kända; fluktuationer upplever storleken på kärnor i celler, etc.

Skogsljud.

Skogens ljud (prassel) uppstår på grund av lövens vibrationer under inverkan av vinden och deras friktion mot varandra. Detta är särskilt märkbart på aspblad, eftersom de är fästa på långa och tunna bladskaft, därför är de mycket rörliga och svajar även med de svagaste luftströmmarna.

Grodor har väldigt höga och ganska varierande röster. Vissa arter av grodor har intressanta ljudförstärkningsanordningar i form av stora sfäriska bubblor på sidorna av deras huvuden, som sväller när de gråter och fungerar som starka resonanser.

Ljudet av insekter orsakas oftast av de snabba vibrationerna från vingarna under flygning (myggor, flugor, bin). Insektens flykt som oftare slår med vingarna uppfattas av oss som ett ljud med högre frekvens och därför högre. Vissa insekter, som gräshoppor, har speciella ljudorgan - en rad kryddnejlika på bakbenen som nuddar kanterna på vingarna och får dem att vibrera.

Ett arbetsbi som flyger ut ur kupan efter en muta gör i genomsnitt 180 vingslag per sekund. När hon kommer tillbaka med en belastning ökar antalet slag till 280. Hur påverkar detta ljudet vi hör?

Varför är en fjärils flygning tyst?

Många grodor är kända för att ha stora, sfäriska blåsor på sidorna av huvudet som sväller när de ropar. Vad är deras syfte?

Vad bestämmer frekvensen av ljudet som avges av insekter under flygning?

Studiet av optik och atomens struktur.

Ljus.

Ljus är absolut nödvändigt för levande natur, eftersom det fungerar som en energikälla för den. Klorofyllbärande växter, med undantag för vissa bakterier, är de enda organismerna som kan syntetisera sitt eget ämne från vatten, mineralsalter och koldioxid med hjälp av strålningsenergi, som de omvandlar till kemisk energi i assimileringsprocessen. Alla andra organismer som bebor vår planet - växter och djur - är direkt eller indirekt beroende av klorofyllbärande växter. De absorberar starkast de strålar som motsvarar absorptionsbanden i klorofyllspektrumet. Det finns två av dem: en ligger i den röda delen av spektrumet, den andra i den blåvioletta. Växtens återstående strålar reflekteras. Det är de som ger klorofyllbärande växter sin gröna färg. Klorofyllbärande växter representeras av högre växter, mossor och alger.

Ögon från olika representanter för djurvärlden.

Hos amfibier är ögats hornhinna mycket konvex. Inkvartering av ögonen utförs, som hos fisk, genom linsens rörelse.

Fåglar har mycket skarp syn, överlägsen andra djurs. Deras ögonglob är mycket stor och har en speciell struktur, på grund av vilken synfältet ökar. Fåglar med särskilt skarp syn (gamar, örnar) har en långsträckt "teleskopisk" ögonglob. Ögonen på däggdjur som lever i vattnet (till exempel valar) liknar ögonen på djuphavsfiskar när det gäller hornhinnans utbuktning och det stora brytningsindexet.

Hur bin ser färger.

Binas syn är annorlunda än människors. En person särskiljer cirka 60 individuella färger i det synliga spektrumet. Bin skiljer endast 6 färger: gul, blågrön, blå, "lila", violett och ultraviolett osynlig för människor. Bee "magenta" färg är en blandning av gula och ultravioletta strålar av spektrumet, synliga för biet.

För självständigt arbete med denna sektion kan du erbjuda följande uppgifter:

Vad är två ögon till för?

Näthinnan hos en människa och ett örnöga är ungefär densamma, men diametern på nervcellerna (kottarna) i örnögat i dess centrala del är mindre - endast 0,3 - 0,4 mikron (mikron = 10 -3 mm). Vad är betydelsen av en sådan struktur av näthinnan i örnögat?

När mörkret faller vidgas ögats pupill. Hur påverkar detta skärpan i bilden av omgivande föremål? Varför?

Linsen på ett fisköga är sfärisk. Vilka egenskaper hos fiskens livsmiljö gör denna form av linsen lämplig? Tänk på ackommodationsmekanismen för ögonen hos fisk om linsens krökning inte ändras.

2.3. Blitzturnering "Physics in Wildlife"

För att anordna självständiga praktiska aktiviteter för elever i årskurs 7 kan en blixtturnering "Fysik i vilda djur" erbjudas.

Syftet med lektionen: upprepning av materialet om ämnet "Generaliserande lektion för hela kursen"; kunskapsprov, uppfinningsrikedom, förmåga att tänka logiskt.

Spelets regler

Frågor väljs ut under hela årskurs 7.

Lektionen går i högt tempo.

Under lektionen kan du använda valfri referenslitteratur, inklusive läroboken.

Under lektionerna

Läraren läser frågan. Spelaren, redo att svara, höjer sin hand; Den första personen som räcker upp handen får ordet. Rätt svar är värt 1 poäng. Deltagarna med minst poäng elimineras ur spelet.

Frågor:

När man lämnar vattnet skakas djuren. Vilken fysisk lag används i detta fall? (tröghetslagen).

Vilken betydelse har det elastiska håret på harens fotsulor? (Elastiskt hår på harens fotsulor förlänger bromstiden vid hoppning och försvagar därför stötkraften).

Varför håller vissa fiskar fenorna nära sig när de rör sig snabbt? (För att minska motståndet mot rörelse).

På hösten hängs ibland en affisch i närheten av spårvagnsspår som passerar nära trädgårdar och parker: ”Varning! Löv faller. Vad är meningen med denna varning? (Löv som faller på rälsen minskar friktionen, så bilen kan komma långt vid inbromsning.)

Vad är tryckstyrkan hos mänskligt ben? (Lårbenet, till exempel placerat vertikalt, tål trycket från en belastning på ett och ett halvt ton).

Varför görs dykstövlar med tunga blysulor? (Stövlarnas tunga blysulor hjälper dykaren att övervinna vattnets flytkraft.)

Varför kan en person halka när han trampar på en hård, torr ärta? (Friktion bidrar till en persons rörelse. En torr ärta, som är som ett lager, minskar friktionen mellan personens ben och stödet).

Varför fastnar vi mer i en flod med lerig botten på en grund än på en djup? (När vi störtar till ett större djup tränger vi undan en större volym vatten. Enligt Arkimedes lag kommer en stor flytande kraft att verka på oss i detta fall).

Sammanfattande.

Läraren sätter betyg.

Slutsats

K. D. Ushinsky skrev att vissa lärare bara verkar göra vad de upprepar, men i själva verket går de snabbt framåt i att lära sig nya saker. Upprepning med inblandning av den nya leder till en bättre förståelse och memorering av det material som behandlas. Det är också känt att det bästa sättet att skapa intresse för ett ämne är att applicera den inhämtade kunskapen på andra områden än de där de tagits emot. Organiseringen av upprepning med inblandning av biofysiskt material är just en sådan typ av upprepning, när den sker med inblandning av en ny, är av stort intresse för studenter och tillåter dem att tillämpa fysikens lagar på vilda djurs område.

Att locka till sig biofysiska exempel tjänar till att bättre assimilera fysikens gång. Biofysikaliskt material bör vara direkt relaterat till läroplanen för kurser i fysik och biologi och spegla de mest lovande riktningarna i utvecklingen av vetenskap och teknik.

Etableringen av tvärvetenskapliga kopplingar mellan fysik och biologi ger stora möjligheter för bildandet av materialistiska föreställningar. Skolbarn lär sig att illustrera fysikens lagar inte bara med exempel från teknik, utan också med exempel från vilda djur. Å andra sidan, med tanke på den vitala aktiviteten hos växt- och djurorganismer, använder de fysiska lagar, fysiska analogier.

Upprepning och konsolidering av materialet som täcks med inblandning av biofysiskt material gör det möjligt för läraren att bekanta eleverna med de senaste prestationerna inom området biofysik och bionik, för att uppmuntra dem att läsa ytterligare litteratur.

Organisatoriskt kan lektionen byggas upp på olika sätt: i form av föreläsningar av lärare, i form av rapporter utarbetade av studenter under ledning av lärare i fysik och biologi.

BIBLIOGRAFI

Trofimova T.I. Samling av uppgifter om kursen i fysik för tekniska universitet - 3:e uppl. - M .: LLC Publishing House Onyx 21st Century: LLC Publishing House Mir and Education, 2003 - 384 s.: ill.

Zorin N.I. Valbar kurs "Elements of Biophysics": Årskurs 9. - M.: VAKO, 2007. - 160 sid. - (Lärarverkstad).

Valfritt 9: Fysik. Kemi. Biologi: Konstruktör av valbara kurser (Frångående och ämnesinriktad): För anordnande av förprofilutbildning för elever i årskurs 9: I 2 böcker. Bok. 1 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. och andra - M .: 5 för kunskap, 2006. - 304 sid. - (Valfritt).

Valfritt 9: Fysik. Kemi. Biologi: Konstruktör av valbara kurser (Frångående och ämnesinriktad): För anordnande av förprofilutbildning för elever i årskurs 9: I 2 böcker. Bok. 2 / Dendeber S.V., Zueva L.V., Ivannikova T.V. och andra - M .: 5 för kunskap, 2006. - 176 sid. - (Valfritt).

Maron A.E. Samling av kvalitativa problem i fysik: för 7-9 celler allmän utbildning. institutioner / A.E. Maron, E.A. Rödbrun. - M.: Utbildning, 2006. - 239 s.: ill.

Lukashik V.I. Samling av problem i fysik för årskurs 7-9 av utbildningsinstitutioner / V.I. Lukashik, E.V. Ivanova. – 22:a uppl. – M.: Upplysningen, 2008. – 240 s.: ill.

Katz Ts.B. Biofysik på fysiklektioner / Bok. för läraren: från arbetslivserfarenhet. - 2:a uppl., reviderad. – M.: Upplysningen, 1988. – 159 s.: ill.

Volkov V.A., Polyansky S.E. Pourochnye utveckling i fysik. Årskurs 7 - 2:a uppl. - M.: VAKO, 2007. - 304 sid. - (För att hjälpa skolläraren: till A.V. Peryshkins, S.V. Gromov, N.A. Rodinas träningspaket).

En av de äldsta vetenskaperna är förstås biologi. Människors intresse för de processer som sker inom dem själva och de omgivande varelserna uppstod flera tusen år före vår tideräkning.

Observation av djur, växter, naturliga processer var en viktig del av människors liv. Med tiden har mycket kunskap samlats, metoder för att studera vilda djur och de mekanismer som förekommer i det har förbättrats och utvecklats. Detta ledde till uppkomsten av många avsnitt som totalt utgör en komplex vetenskap.

Biologisk forskning inom olika områden av livet gör det möjligt att få fram nya värdefulla data som är viktiga för att förstå strukturen av planetens biomassa. Använd denna kunskap för praktiska mänskliga ändamål (rymdutforskning, medicin, jordbruk, kemisk industri, och så vidare).

Många upptäckter gjorde det möjligt att göra biologisk forskning inom området för alla levande systems inre struktur och funktion. Den molekylära sammansättningen av organismer, deras mikrostruktur har studerats, många gener har isolerats och studerats från genomet hos människor och djur, växter. Fördelarna med bioteknik, cellulär och låter dig få flera skördar av växter per säsong, samt att föda upp djurraser som ger mer kött, mjölk och ägg.

Studiet av mikroorganismer gjorde det möjligt att få antibiotika och skapa tiotals och hundratals vacciner som gör det möjligt att besegra många sjukdomar, även de som brukade ta tusentals liv i epidemier av människor och djur.

Därför är den moderna biologin mänsklighetens gränslösa möjligheter inom många grenar av vetenskap, industri och hälsovård.

Klassificering av biologiska vetenskaper

En av de allra första privata delarna av biologin dök upp. Såsom botanik, zoologi, anatomi och taxonomi. Senare började discipliner mer beroende av teknisk utrustning att bildas - mikrobiologi, virologi, fysiologi och så vidare.

Det finns ett antal unga och progressiva vetenskaper som uppstod först under 20-2000-talet och spelar en viktig roll i den moderna utvecklingen av biologi.

Det finns inte en utan flera klassificeringar efter vilka biologiska vetenskaper kan rangordnas. Deras lista är ganska imponerande i alla fall, överväg en av dem.

Biologi	Privata vetenskaper	Botanik	behandlar studiet av den yttre och inre strukturen, fysiologiska processer, fylogenes och distribution i naturen av alla växter som finns på planeten (flora)	Innehåller följande avsnitt: algologi; dendrologi; taxonomi; anatomi; morfologi; fysiologi; bryologi; paleobotanik; ekologi; geobotanik; etnobotanik; växtreproduktion.
		Zoologi	behandlar studiet av den yttre och inre strukturen, fysiologiska processer, fylogenes och distribution i naturen av alla djur som finns på planeten (fauna)	Discipliner som ingår i: Discipliner: topografisk anatomi; jämförande; systematisk; ålder; plast; funktionell; experimentell.
		Antropologi	ett antal discipliner som studerar utveckling och bildning av en person i en biologisk och social miljö i ett komplex	Avsnitt: filosofiska, rättsliga, religiösa, fysiska, sociala, kulturella, visuella.
		Mikrobiologi	studerar de minsta levande organismerna, från bakterier till virus	Discipliner: virologi, bakteriologi, medicinsk mikrobiologi, mykologi, industriell, teknisk, jordbruk, rymdmikrobiologi
		Allmänna vetenskaper	Systematik	uppgifterna inkluderar att utveckla grunden för klassificeringen av allt liv på vår planet med syftet att strikt beställa och identifiera alla representanter för biomassan
	Morfologi		beskrivning av yttre tecken, inre struktur och topografi av alla levande varelsers organ	Sektioner: växter, djur, mikroorganismer, svampar
	Fysiologi		studerar funktionerna hos ett visst system, organ eller del av kroppen, mekanismerna för alla processer som säkerställer dess vitala aktivitet	Växter, djur, människor, mikroorganismer
	Ekologi		vetenskapen om levande varelsers förhållande till varandra, miljön och människan	Geoekologi, allmän, social, industriell
	Genetik		studerar genomet hos levande varelser, mekanismerna för ärftlighet och variation av egenskaper under påverkan av olika förhållanden, såväl som historiska förändringar i genotypen under evolutionära transformationer
	biogeografi		överväger vidarebosättning och distribution av vissa arter av levande varelser på planeten
	evolutionär lära		avslöjar mekanismerna för den historiska utvecklingen av människan och andra levande system på planeten. Deras ursprung och utveckling
	Komplexa vetenskaper som uppstod i föreningspunkten med varandra	Biokemi	studerar de processer som sker i levande varelsers celler ur en kemisk synvinkel
		Bioteknik	beaktar användningen av organismer, deras produkter och/eller delar för mänskliga behov
		Molekylärbiologi	studerar mekanismerna för överföring, lagring och användning av ärftlig information av levande varelser, samt funktioner och finstruktur hos proteiner, DNA och RNA.	Relaterade vetenskaper: genteknik och cellteknik, molekylär genetik, bioinformatik, proteomik, genomik
		Biofysik	det är en vetenskap som studerar alla möjliga fysiska processer som förekommer i alla levande organismer, från virus till människor	Delar av denna disciplin kommer att diskuteras nedan.

Således har vi försökt fånga den huvudsakliga mångfalden som är de biologiska vetenskaperna. Denna lista med utvecklingen av teknik och studiemetoder expanderar och fyller på. Därför existerar inte en enhetlig klassificering av biologi idag.

Progressiva biovetenskaper och deras betydelse

De yngsta, moderna och progressiva vetenskaperna inom biologi inkluderar:

• bioteknik;
• molekylärbiologi;
• rymdbiologi;
• biofysik;
• biokemi.

Var och en av dessa vetenskaper bildades inte tidigare än på 1900-talet och anses därför med rätta vara ung, intensivt utvecklande och den mest betydelsefulla för praktisk mänsklig aktivitet.

Låt oss uppehålla oss vid sådana av dem som biofysik. Detta är en vetenskap som dök upp runt 1945 och blev en viktig del av hela det biologiska systemet.

Vad är biofysik?

För att svara på denna fråga är det först och främst nödvändigt att påpeka dess nära kontakt med kemi och biologi. I vissa frågor är gränserna mellan dessa vetenskaper så nära att det är svårt att avgöra vilken av dem som är specifikt involverad och prioriterad. Därför är det värt att betrakta biofysik som en komplex vetenskap som studerar de djupa fysikaliska och kemiska processer som förekommer i levande system på nivån av både molekyler, celler, organ och på nivån av biosfären som helhet.

Liksom alla andra är biofysik en vetenskap som har sitt eget studieobjekt, mål och mål, såväl som värdiga och betydelsefulla resultat. Dessutom är denna disciplin nära korrelerad med flera nya riktningar.

Studieobjekt

För biofysik är de biosystem på olika organisatoriska nivåer.

1. virus, encelliga svampar och alger).
2. De enklaste djuren.
3. Enskilda celler och deras strukturella delar (organeller).
4. Växter.
5. Djur (inklusive människor).
6. ekologiska samhällen.

Det vill säga, biofysik är studiet av det levande utifrån de fysiska processer som sker i det.

Vetenskapens uppgifter

Till en början var biofysikernas uppgifter att bevisa förekomsten av fysiska processer och fenomen i levande varelsers liv och att studera dem, ta reda på deras natur och betydelse.

Moderna uppgifter för denna vetenskap kan formuleras enligt följande:

1. Att studera geners struktur och de mekanismer som åtföljer deras överföring och lagring, modifieringar (mutationer).
2. Tänk på många aspekter av cellbiologi (cellers interaktion med varandra, kromosomala och genetiska interaktioner och andra processer).
3. Att studera polymermolekyler (proteiner, nukleinsyror, polysackarider) i kombination med molekylärbiologi.
4. Att avslöja inverkan av kosmogeofysiska faktorer på förloppet av alla fysiska och kemiska processer i levande organismer.
5. Mer djupgående avslöja mekanismerna för fotobiologi (fotosyntes, fotoperiodism, och så vidare).
6. Implementera och utveckla metoder för matematisk modellering.
7. Tillämpa nanoteknologins resultat på studiet av levande system.

Från denna lista är det uppenbart att biofysik studerar många betydande och allvarliga problem i det moderna samhället, och resultaten av denna vetenskap är av stor betydelse för en person och hans liv.

Bildningshistoria

Som vetenskap föddes biofysik relativt nyligen - 1945, när han publicerade sitt verk "Vad är liv ur fysikens synvinkel." Det var han som först märkte och indikerade att många fysiklagar (termodynamisk, kvantmekanikens lagar) äger rum just i levande varelsers liv och arbete.

Tack vare denna mans arbete började vetenskapen om biofysik sin intensiva utveckling. Men ännu tidigare, 1922, skapades ett institut för biofysik i Ryssland, ledd av P.P. Lazarev. Där är huvudrollen tilldelad studien av arten av excitation i vävnader och organ. Resultatet blev identifieringen av jonernas betydelse i denna process.

1. Galvani upptäcker elektricitet och dess betydelse för levande vävnader (bioelektricitet).
2. A. L. Chizhevsky är fadern till flera discipliner som studerar rymdens inflytande på biosfären, såväl som joniseringsstrålning och elektrohemodynamik.
3. Den detaljerade strukturen av proteinmolekyler studerades först efter upptäckten av röntgendiffraktionsanalys (röntgendiffraktionsanalys). Detta gjordes av Perutz och Kendrew (1962).
4. Samma år upptäcktes den tredimensionella strukturen av DNA (Maurice Wilkins).
5. Neher och Zakman lyckades 1991 utveckla en metod för lokal fixering av den elektriska potentialen.

Ett antal andra upptäckter gjorde det också möjligt för vetenskapen om biofysik att gå in på vägen för intensiv och progressiv modernisering i utveckling och bildning.

Avsnitt av biofysik

Det finns ett antal discipliner som utgör denna vetenskap. Låt oss överväga de mest grundläggande av dem.

1. Biofysik av komplexa system - överväger alla komplexa mekanismer för självreglering av flercelliga organismer (systemogenes, morfogenes, synergogenes). Denna disciplin studerar också egenskaperna hos den fysiska komponenten i processerna för ontogenes och evolutionär utveckling, nivåerna av organisering av organismer.
2. Bioakustik och biofysik för sensoriska system - studerar sensoriska system hos levande organismer (syn, hörsel, mottagning, tal och andra), sätt att överföra olika signaler. Avslöjar mekanismerna för energiomvandling när organismer uppfattar yttre påverkan (irritationer).
3. Teoretisk biofysik - inkluderar ett antal undervetenskaper som är involverade i studiet av termodynamiken i biologiska processer, konstruktionen av matematiska modeller av strukturella delar av organismer. Tänker också på kinetiska processer.
4. Molekylär biofysik - överväger de djupa mekanismerna för den strukturella organisationen och funktionen av sådana biopolymerer som DNA, RNA, proteiner, polysackarider. Han är engagerad i konstruktionen av modeller och grafiska bilder av dessa molekyler, förutsäger deras beteende och bildning i levande system. Dessutom bygger denna disciplin supramolekylära och submolekylära system för att bestämma mekanismen för konstruktion och verkan av biopolymerer i levande system.
5. Cellens biofysik. Han studerar de viktigaste cellulära processerna: differentiering, division, excitation och biopotentialer i membranstrukturen. Särskild uppmärksamhet ägnas åt mekanismerna för membrantransport av ämnen, potentialskillnad, egenskaper och struktur hos membranet och dess omgivande delar.
6. Metabolismens biofysik. De viktigaste som övervägs är solarisering och anpassning av organismer till det, hemodynamik, termoreglering, metabolism och påverkan av joniserande strålar.
7. Tillämpad biofysik. Den består av flera discipliner: bioinformatik, biometri, biomekanik, studiet av evolutionära processer och ontogenes, patologisk (medicinsk) biofysik. Studieobjekten för tillämpad biofysik är muskuloskeletala systemet, rörelsemetoder, metoder för att känna igen människor genom fysiska egenskaper. Medicinsk biofysik förtjänar särskild uppmärksamhet. Den överväger patologiska processer i organismer, metoder för rekonstruktion av skadade sektioner av molekyler eller strukturer eller deras kompensation. Ger material för bioteknik. Det är av stor betydelse för att förebygga utvecklingen av sjukdomar, särskilt av genetisk natur, deras eliminering och förklaring av verkningsmekanismerna.
8. Habitatbiofysik - studerar de fysiska effekterna av både varelsers lokala livsmiljöer och effekterna av nära och avlägsna rymdenheter. Tänker också på biorytmer, väderförhållandenas inverkan och biofält på varelser. Utvecklar åtgärder för att förhindra negativa effekter

Alla dessa discipliner ger ett enormt bidrag till utvecklingen av att förstå livsmekanismerna i levande system, biosfärens inflytande och olika förhållanden på dem.

Moderna prestationer

Några av de viktigaste händelserna som relaterar till biofysikens prestationer kan nämnas:

• avslöjade mekanismerna för kloning av organismer;
• egenskaperna hos transformationer och kväveoxidens roll i levande system har studerats;
• förhållandet mellan små och budbärar-RNA har etablerats, vilket i framtiden kommer att göra det möjligt att hitta en lösning på många medicinska problem (eliminering av sjukdomar);
• upptäckte den fysiska naturen hos autovågor;
• tack vare molekylära biofysikers arbete har aspekter av DNA-syntes och replikation studerats, vilket ledde till möjligheten att skapa ett antal nya läkemedel för allvarliga och komplexa sjukdomar;
• datormodeller av alla reaktioner som åtföljer fotosyntesprocessen har skapats;
• metoder för ultraljudsforskning av en organism utvecklas;
• sambandet mellan kosmogeofysiska och biokemiska processer har fastställts;
• förutspådda klimatförändringar på planeten;
• upptäckt av betydelsen av enzymet urokenas i förebyggande av trombos och eliminering av konsekvenser efter stroke;
• gjorde också ett antal upptäckter om proteinets struktur, cirkulationssystemet och andra delar av kroppen.

Institutet för biofysik i Ryssland

I vårt land finns de. M.V. Lomonosov. Fakulteten för biofysik verkar utifrån denna utbildningsinstitution. Det är han som utbildar kvalificerade specialister för arbete inom detta område.

Det är mycket viktigt att ge en bra start för framtida proffs. De har ett tufft jobb framför sig. En biofysiker är skyldig att förstå alla invecklade processer som sker i levande varelser. Dessutom måste eleverna förstå fysik. Detta är trots allt en komplex vetenskap - biofysik. Föreläsningarna är uppbyggda på ett sådant sätt att de täcker alla de discipliner som är relaterade till och utgör biofysik, och tar hänsyn till både biologiska och fysiska frågor.