План

Введение

Физические методы диагностики заболеваний и исследования биологических систем.

Физические свойства материалов, используемых в медицине.

Физические свойства и характеристика окружающей среды.

литература

Введение

Окружающий вас мир, все существующие вокруг нас вещества и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова - это всевозможные изменения материи - от простого перемещения до сложнейших процессов мышления.

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.

Академик А. Ф. Иоффе (1880-1960; российский физик) определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.

Физика - наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи - предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).

Физика тесно связана с естественными науками. Эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, как отмечал академик С. И. Вавилов (1891-1955; российский физик и общественный деятель), привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, биофизика и др.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики).

Физика, как и другие науки, использует различные методы использования, но все они, в конечном счете, соответствуют единству теории и практики и отражают общий научный подход к познанию окружающей действительности: наблюдение, размышление, опыт. На основе наблюдений создаются теории, формулируются законы и гипотезы, они проверяются и используются на практике. Практика является критерием теорий, она позволяет их уточнять. Формулируются новые теории и законы, они вновь проверяются практикой. Таким образом, человек продвигается к все более полному пониманию окружающего мира.

Нас интересует связь физики и медицины. Проникновение физических знаний, методов и аппаратуры в медицину достаточно многогранно, рассмотрим лишь некоторые основные аспекты этой связи.

Физические процессы в организме. Биофизика.

Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека, часто среди них можно выделить процессы, близкие к физическим. Например, такой сложный физиологический процесс, как кровообращение, в своей основе являются физическим, так как связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работы сердца (механика), генерацией биопотенциалов (Электричество). Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения).

В организме кроме физических макропроцессов, как и в неживой природе, имеют место молекулярные процессы, которые в конечном итоге определяют поведение биологических систем. Понимание физики таких микропроцессов необходимо для правильной оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действия лекарств.

Во всех этих вопросах физика настолько связана с биологией, что формирует самостоятельную науку-биофизику, которая изучения физические и физико-химические процессы в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации – от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИТНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

Факультет математики, физики и

информатики

специальность «540200 – физико-

математическое образование»

профиль «физика»

квалификация бакалавр физико- математического образования

Форма обучения заочная

КУРСОВАЯ РАБОТА

Биофизика на уроках физики в 7-9 классах

Выполнила: Рудых Татьяна Валерьевна

Научный руководитель: кандидат

физико-математических наук Любушкина Людмила Михайловна

Дата защиты______________________

Отметка _________________________

Иркутск 2009 г.

Введение 3

ГЛАВА I . СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ

1.1. Вклад ученых в становлении биофизики 5

1.2. Основатель биофизики 10

1.3. Создание квантовой теории 11

1.4. Прикладная биофизика 14

1.5. Перемены в биофизике 16

1.6. Биофизика – как теоретическая биология 18

1.7. Биофизические исследования в физике 21

1.8. Биофизические исследования в биологии 23

ГЛАВА II . БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

2.1. Элементы биофизики на уроках физики в 7-9 классах 24

2.2. Применение биофизики на уроках в основной школе 25

2.3. Блицтурнир «Физика в живой природе» 33

Заключение 35

Список литературы 36

Введение

Актуальность исследования:

Мировоззрение является важнейшим компонентом структуры личности. Оно включает систему обобщенных взглядов о мире, о месте человека в нем, а также систему взглядов, убеждений, идеалов, принципов, соответствующих определенному миропониманию. Процесс становления мировоззрения интенсивно происходит в школьном возрасте. Уже в основной школе (7-9 классы) учащиеся должны осознать, что изучение физических явлений и законов поможет им в понимании окружающего мира.

Однако большинство новых учебников по физике, особенно для старшей базовой и профильной школы, не способствуют целостному восприятию изучаемого материала. Интерес детей к предмету постепенно угасает. Поэтому, важной задачей средней школы является создание в представлении учащихся общей картины мира с его единством и многообразием свойств неживой и живой природы. Целостность картины мира достигается наряду с другими приемами и межпредметными связями.

Любая тема школьного курса физики включает в себя элементы научных знаний, которые имеют существенное значение для формирования мировоззрения и для усвоения школьниками основополагающих понятий изучаемой дисциплины. Поскольку в образовательных стандартах и программах содержание естественнонаучных дисциплин жестко не структурировано, то, зачастую, знания у школьников оказываются не систематизированными, формальными.

Проблема исследования состоит в необходимости формированияцелостного восприятия физической картины мира и отсутствии соответствующей систематизации и обобщения учебного материала преподаваемой дисциплины, физики.

Цель исследования: Проследить интеграцию двух предметов естественнонаучного цикла – физики и биологии.

Объект исследования: Биофизика и ее связь с другими предметами.

Предмет исследования: Биофизика на уроках физики 7-9 классов основной школы.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда конкретных задач:

Изучить и проанализировать учебно-методическую литературу по теме исследования.

Проанализировать различные биофизические явления.

Подобрать экспериментальные задания, различные виды задач, для решения которых необходимы знания, как физики, так и биологии.

Практическая значимость исследования: результаты работы могут быть рекомендованы для практического использования учителями при обучении физике во всех общеобразовательных учреждениях .

Логика исследования обусловила структуру работы, состоящей из введения, двух глав, заключения, списка используемой литературы. Первая глава посвящена анализу учебной литературы по теме «Биофизика и ее связь с другими предметами», вторая рассматривает связь физики и биологии на примере конкретных заданий.

В заключении подводятся итоги проведенного исследования и даются рекомендации по совершенствованию применения биофизических явлений при изучении школьного курса физики.

Глава I . СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ

1.1. Вклад ученых в становлении биофизики.

Биофизика – раздел естествознания, имеющий дело с физическими и физико-химическими принципами организации и функционирования биологических систем всех уровней (от субмолекулярного до биосферного), включая их математическое описание. Биофизика принципиально имеет дело с механизмами и свойствами живых систем. Живое – открытая система, способная к самоподдержанию и самовоспроизведению.

Как многодисциплинарная наука, биофизика сформировалась в 20-м веке, однако ее предыстория насчитывает не одно столетие. Как и науки, обусловившие ее появление (физика, биология, медицина, химия, математика), биофизика претерпела ряд революционных преобразований к середине прошлого столетия. Известно, что физика, биология, химия и медицина – науки тесно связанные, однако мы привыкли к тому, что их изучают порознь и независимо. По существу, независимое раздельное изучение этих наук неверно. Ученый-естественник может задать неживой природе только два вопроса: «Что?» и «Как?». «Что» - это предмет исследований, «как» - каким образом этот предмет устроен. Биологическая эволюция привела живую природу к уникальной целесообразности. Поэтому биолог, медик, гуманитарий могут задать еще и третий вопрос: «Зачем?» или «Для чего?». Спросить «Зачем Луна?» может поэт, но не ученый.

Ученые умели задавать Природе правильные вопросы. Они внесли неоценимый вклад в становление физики, биологии, химии и медицины – наук, вместе с математикой сформировавших биофизику.

Со времен Аристотеля (384 - 322 до н.э.) физика включала в себя всю совокупность сведений о неживой и живой природе (с греч. «Physis » - «Природа»). Ступени природы в его представлении: неорганический мир, растения, животные, человек. Первичные качества материи – две пары противоположностей «теплое – холодное», «сухое – влажное». Основополагающие элементы стихии – земля, воздух, вода, огонь. Высший, наиболее совершенный элемент – эфир. Сами же стихии являются различными комбинациями первичных качеств: соединению холодного с сухим соответствует земля, холодного с влажным – вода, теплого с влажным – воздух, теплого с сухим – огонь. Понятие эфира служило впоследствии основой многих физических и биологических теорий. Говоря современным языком, в основе представлений Аристотеля лежат неаддитивность сложения природных факторов (синергизм) и иерархичность природных систем.

Как точное естествознание, как наука в современном понятии, физика берет начало с Галилео Галилея (1564 - 1642) , первоначально изучавшего медицину в Пизанском университете и только потом увлекшегося геометрией, механикой и астрономией, сочинениями Архимеда (ок. 287 - 212 до н.э.) и Эвклида (3 в. до н.э.) .

Университеты предоставляют уникальную возможность ощутить временную связь наук, в частности, физики, медицины и биологии. Так в 16-18 веках направление медицины, которое называлось «ятрофизикой» или «ятромеханикой» (с греч. «iatros » - «врач»). Медики пытались объяснить все явления в здоровом и больном организме человека и животных на основании законов физики или химии. И тогда, и в последующие времена, связь физики и медицины, физиков и биологов была теснейшей, вслед за ятрофизикой появилась и ятрохимия. Разделение науки о «живом и неживом» произошло относительно недавно. Участие физики с ее мощными и глубоко разработанными теоретическими, экспериментальными и методологическими подходами в решении фундаментальных проблем биологии и медицины неоспоримо, однако следует признать, что в историческом аспекте физики в большом долгу перед медиками, являвшимися образованнейшими людьми своего времени, и чей вклад в создание фундаментальных основ классической физики неоценим. Конечно же речь идет о классической физике.

Среди старейших предметов биофизических исследований, как ни покажется на первый взгляд странным, должна быть упомянута биолюминесценция, так как излучение света живыми организмами издавна вызывало интерес у натурфилософов. Впервые обратил внимание на этот эффект Аристотель со своим воспитанником Александром Македонским, которому он показывал свечение литорали и видел причину этого в люминесценции морских организмов. Первое научное исследование «животного» свечения сделал Атанасис Кирхер (1601 - 1680) , немецкий священник, энциклопедист, известный как географ, астроном, математик, языковед, музыкант и медик, создатель первых естественнонаучных коллекций и музеев, две главы своей книги «Искусство Великих Света и Тени» (« Ars Magna Lucis et Umbrae ») он посвятил биолюминесценции.

По роду своих научных интересов к биофизикам можно отнести величайшего физика Исаака Ньютона (1643 - 1727) , интересовавшегося проблемами связи физических и физиологических процессов в организмах и, в частности, занимавшегося вопросами цветного зрения. Завершая свои «Principia », в 1687 году Ньютон писал: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам».

Один из основателей современной химии француз Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794) вместе со своим соотечественником астрономом, математиком и физиком Пьером Симоном Лапласом (1749 - 1827) занимались калориметрией, разделом биофизики, который сейчас назвали бы биофизической термодинамикой. Лавуазье применил количественные методы, занимаясь термохимией, процессами окисления. Лавуазье с Лапласом обосновали свои представления о том, что не существует двух химий – «живой» и «неживой», для неорганических и органических тел.

К числу великих наших предшественников, заложивших основы биофизики, следует отнести итальянских анатома Луиджи Гальвани (1737 - 1798) и физика Алессандро Вольта (1745 - 1827), создателей учения об электричестве. Гальвани производил эксперименты с электрической машиной и один из его друзей случайно коснулся ножом ляжки лягушки, которую собирались использовать в суп. Когда мускулы ноги лягушки внезапно сократились, жена Гальвани заметила, что электрическая машина произвела вспышку и поинтересовалась «была ли какая-нибудь связь между этими событиями». Хотя мнение самого Гальвани об этом феномене отличалось в деталях от нижеследующей, точно известно, что эксперимент был повторен и проверен.. Он подготовил почву для длинного противостояния между сторонниками идеи Гальвани, что ток, генерируемый животным может быть причиной сокращения и мнение Вольта, который заявил, что нога служила лишь детектором различий в электрическом потенциале, внешнем для него. Сторонники Гальвани провели эксперимент, в котором никакие внешние электрические силы не участвовали, таким образом доказав, что ток, генерируемый животным может являться причиной сокращения мышц. Но было также возможно, что сокращение было вызвано контактом с металлами; Вольта произвел соответствующие исследования, и они привели к его открытию электрической батареи, которое было так важно, что исследования Гальвани отошли в сторону. В результате изучение электрического потенциала в животных исчезло из научного внимания до 1827. Так как много лет подряд нога лягушки была самым чувствительным детектором различий в потенциале, финальное понимание, что токи могут быть генерированы живыми тканями не пришло пока не были сконструированы гальванометры достаточно чувствительные, чтобы измерить токи генерированные в мускулах и малые различия в потенциале по нервной мембране.

В связи с работами Гальвани по «животному электричеству» нельзя не вспомнить имя австрийского врача - физиолога Фридриха Антона Месмера (1733-1815), развивавшего представления о целительном «животном магнетизме», посредством которого, по его предположению, можно было изменять состояние организма, лечить болезни. Следует отметить, что и сейчас эффекты воздействия электрических магнитных и электромагнитных полей на живые системы во многом остаются тайной для фундаментальной науки. Проблемы остались и, действительно, не угасает интерес современных интересов физиков к изучению воздействия внешних физических факторов на биологические системы.

Однако не успели биология и физика размежеваться, как вышла в свет известная книга «Грамматика науки», написанная английским математиком Карлом Пирсоном (1857 - 1935) в которой он дал одно из первых определений биофизики (в 1892 году): «Мы не можем с полной уверенностью утверждать, что жизнь есть механизм, до тех пор, пока мы не в состоянии указать более точно, что именно понимаем мы под термином «механизм» в применении к органическим тельцам. Уже теперь представляется несомненным, что некоторые обобщения физики…описывают…часть нашего чувственного опыта относительно жизненных форм. Нужна... отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, физики к развитию органических форм. ...Факты биологии - морфологии, эмбриологии и физиологии - образуют частные случаи приложения общих физических законов. ...Лучше было бы назвать ее биофизикой».

1.2. Основатель биофизики

Основателем современной биофизики следует считать Германа Л.Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), ставшего выдающимся физиком, одним из авторов I закона термодинамики. Будучи еще молодым военным хирургом, он показал, что метаболические превращения в мышцах строгим образом связаны с механической работой, ими совершаемой, и тепловыделением. В зрелые годы много занимался проблемами электродинамики. В 1858 году заложил основы теории вихревого движения жидкости. Он же выполнил блистательные эксперименты в области биофизики нервного импульса, биофизики зрения, биоакустики, развил идею Юнга о трех типах зрительных рецепторов, колебательный характер имеют электрические разряды, возникающие в электрическом контуре. Интерес к колебательным процессам в акустике, жидкостях, электромагнитных системах привел ученого к изучению волнового процесса распространения нервного импульса. Именно Гельмгольц первым начал изучение проблем активных сред, измерив с высокой точностью скорость распространения нервного импульса в аксонах, которые с современной точки зрения являются активной одномерной средой. В 1868 году Гельмгольц был избран почетным членом Петербургской академии наук.

Удивительным образом связаны судьбы русского ученого, физиолога и биофизика, Ивана Михайловича Сеченова (1829 – 1905) и Гельмгольца. После окончания Московского университета в 1856 году вплоть до 1860 года он учился и работал у Гельмгольца. С 1871 по 1876 год Сеченов работал в Новороссийском университете в Одессе, потом в Петербургском и Московском университетах, изучая электрические явления в нервных тканях, механизмы переноса газов в крови.

1.3. Создание квантовой теории

Однако период классической физики 17-19 веков завершился в начале 20 века величайшей революцией в физике – созданием квантовой теории. Это и ряд других новейших направлений физики выделили ее из круга естественных наук. На этом этапе взаимодействие физики и медицины существенно изменило свой характер: практически все современные методы медицинской диагностики, терапии, фармакологии и пр. стали основываться на физических подходах и методах. Этим нисколько не умаляется выдающаяся роль биохимии в развитии медицины. Поэтомуследует рассказать о тех выдающихся ученых, с чьими именами связано объединение наук и становление биофизики. Речь идет о физиках, которые вошли в историю биологии и медицины, о медиках, которые внесли существенный вклад в физику, хотя, казалось бы, физикам трудно войти в специфические проблемы медицины, глубоко пронизанной идеями, знаниями и подходами химии, биохимии, молекулярной биологии и т.д. Вместе с тем, и медики встречают принципиальные затруднения в попытках сформулировать свои потребности и задачи, которые могли бы быть разрешены соответствующими физическими и физико-химическими методами. Существует всего один эффективный выход из ситуации, и он был найден. Это – универсальное университетское образование, когда студенты, будущие ученые, могут и должны получить два, три и даже четыре фундаментальных образования - по физике, химии, медицине, математики и биологии.

Нильс Бор утверждал, что «ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, чем на основе понятий физики и химии». Это означало, что биология, медицина, математика, химия и физика вновь после почти полуторавекового размежевания стали сближаться, в результате чего появились такие новые интегральные науки как биохимия, физико-химия, биофизика.

Британский физиолог и биофизик Арчибальд Вивьен Хилл (р. 1886) , Нобелевский лауреат по физиологии (1922) является создателем фундаментальных основ, на которых и сегодня развивается теория мышечных сокращений, но уже молекулярном уровне. Хилл так описал биофизику: «Есть люди, которые могут сформулировать задачу в физических терминах,… которые могут выразить результат с точки зрения физики. Эти интеллектуальные качества, более чем любые особенные условия, физическая аппаратура и методы необходимы, чтобы стать биофизиком… Однако…физик, который не может развить биологический подход, который не интересуется живыми процессами и функциями… кто считает биологию лишь разделом физики, не имеет будущего в биофизике».

Не только в средние века, но и в недавние времена медики биологи и физики на равных правах участвовали в развитии комплекса этих наук. Александр Леонидович Чижевский (1897-1964) , получивший среди прочих медицинское образование в Московском университете, много лет занимался исследованиями по гелиохронобиологии, влиянию аэроионов на живые организмы и биофизикой эритроцитов. Его книга «Физические факторы исторического процесса» так и не вышла в печать несмотря на старания П.П.Лазарева, Н.К.Кольцова, наркома просвещения Луначарского и других.

Также необходимо отметить выдающегося ученого Глеба Михайловича Франка (1904-1976), создавшего Институт биофизики АН СССР (1957), получившего Нобелевскую премию вместе с И.Е.Таммом и П.А.Черенковым за создание теории «черенковского излучения». Колебательное поведение биологических систем всех уровней, известное с незапамятных времен, занимало не только биологов, но также физико-химиков и физиков. Обнаружение в XIX веке колебаний в ходе химических реакций впоследствии привело к появлению первых аналоговых моделей, таких как «железный нерв», «ртутное сердце».

Термодинамическая линия развития биофизики естественным образом была связана с эволюцией самой термодинамики. Более того, интуитивно принимаемая естественниками неравновесность открытых биологических систем способствовала формированию термодинамики неравновесных систем. Термодинамика равновесных систем, первоначально связанная преимущественно с калориметрией, в дальнейшем внесла существенный вклад в описание структурных изменений в клетках, метаболизма и ферментативного катализа.

Список выдающихся медиков-физиков можно было бы существенно расширить, но цель – выявить глубокие связи между биологией, химией, медициной и физикой, невозможность дифференцированного существования этих наук. Большая часть биофизических исследований была проведена физиками, заинтересованными биологией; поэтому должен быть способ, позволяющий ученным, обучавшимся физике и физхимии найти свой путь в биологии и познакомиться с задачами, открытыми для физической интерпретации. Хотя классически ориентированные отделения биологии часто предлагают посты биофизикам они не являются заменой для центров, где биофизическим исследованиям уделяется основное значение.

Биофизики обладают способностью разделять биологические проблемы на сегменты, которые поддаются прямой физической интерпретации, а также формулировать гипотезы, которые можно проверить экспериментально. Главный инструмент биофизика – это отношение. К этому можно добавить способность использовать комплексную физическую теорию, чтобы изучать живые объекты, например: потребовались технологии рентгеновской дифракции, чтобы установить структуру больших молекул, таких, как белки. Биофизики обычно признают использование новых физических инструментов, например: атомный магнитный резонанс и электронно-спиновой резонанс – в изучении определенных проблем в биологии.

1.4. Прикладная биофизика

Разработка инструментов для биологических целей это важный аспект новой области – прикладной биофизики. Биомедицинские инструменты вероятно шире всего используется в медицинских учреждениях. Прикладная биофизика важна в области терапевтической радиологии, в которой измерение дозы очень важно для лечения, и диагностическая радиология, особенно с технологиями, которые связаны с локализацией изотопов и сканировании всего тела, чтобы помочь с диагностикой опухолей. Возрастает важность компьютеров при определении диагноза и лечения пациента. Возможности применения прикладной биофизики кажутся бесконечными, так как длинная задержка между развитием исследовательского инструментария и его применением означает, что многие научные инструменты, основанные на физических принципах, уже известных, скоро станут иметь важное значение для медицины.

Российская биофизика как направление науки в значительной степени формировалась в среде выдающихся русских ученых конца прошлого, начала нынешнего века – физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университетом. Среди них были Н.К.Кольцов , В.И.Вернадский , П.Н.Лебедев, П.П.Лазарев , позднее – С.И.Вавилов , А.Л.Чижевский и многие другие.

Джеймс Д. Уотсон (1928) вместе с английским биофизиком и генетиком Френсисом Х.К. Криком (1916) и биофизиком Морисом Уилкинсом (1916) (впервые получившим высококачественные рентгенограммы ДНК вместе с Розалинд Франклин) в 1953 году создали пространственную модель ДНК, что позволило объяснить ее биологические функции и физико-химические свойства. В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили за эту работу Нобелевскую премию.

Первый в России лекционный курс под названием «Биофизика» был прочитан для врачей при клинике Московского университета в 1922 году Петром Петровичем Лазаревым (1878 - 1942), в 1917 году избранным по представлению Ивана Петровича Павлова (1849 - 1936) академиком. П.П.Лазарев окончил медицинский факультет Московского университета в 1901 году. Далее он сдал полный курс физики и математики и работал в физической лаборатории, руководимой Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912), одним из основателей экспериментальной физики в России, создателем первой русской научной физической школы, в 1985 году получившим и исследовавшим миллиметровые электромагнитные волны, открывшим и измерившим световое давление на твердые тела и газы (1999-1907), что подтвердило электромагнитную теорию света. В 1912 году Лазарев возглавил лабораторию своего учителя. Первый биофизик – академик Лазарев возглавил созданный еще при жизни Лебедева уникальный Институт Физики и биофизики созданный в 1916 году на средства того же леденцовского научного сообщества, которое построило Институт экспериментальной биологии для Н.К.Кольцова. С 1920 по 1931 год П.П.Лазарев возглавлял этот созданный по его инициативе Государственный институт биофизики, Лазарев является основоположником медицинской рентгенологии, в его институте имелась первая, и единственная рентгеновская установка на которой делали снимок Ленину после покушения в 1918 году, после чего Лазарев стал инициатором и первым директором Института медицинской рентгенологии. Также Лазарев организовал работы по магнитному картографированию Курской магнитной аномалии, благодаря которым сложился коллектив Института физики Земли. Однако институт биофизики и физики был разгромлен после ареста Лазарева в 1931 году, а в 1934 году в этом здании был основан ФИАН имени Лебедева.

1.5. Перемены в биофизике

С 40-х годов в биофизике начались разительные перемены. И то было велением времени – совершившая к середине нашего века феноменальный скачок физика активно входила в биологию. Однако, к концу 50-х годов эйфория от ожидания быстрого решения сложных проблем живого быстро проходила: физикам без фундаментального биологического и химического образования сложно было выделять доступные физике, но «биологически существенные» аспекты функционирования живых систем, а настоящие биологи и биохимики о существовании специфических физических проблем и подходов, как правило, и не подозревали. Насущной необходимостью для науки тех и последующих дней стала подготовка специалистов с тремя фундаментальными образованиями: физическим, биологическим и химическим.

В нашей стране была еще одна важная причина возникновения в 40-е годы тесного союза между биологией и физикой. После непрофессионального, разрушительного вмешательства политиков того времени в фундаментальные направления генетики, молекулярной биологии, теории и практики природопользования некоторая часть ученых-биологов смогла продолжить свои исследования лишь в научных учреждениях физического профиля.

Как и всякая пограничная область знаний, опирающаяся на фундаментальные науки физику, биологию, химию, математику, на достижения медицины, геофизики и геохимии, астрономии и космофизики и т.д. Биофизика изначально требует интегрированного, энциклопедичного к себе подхода от ее носителей, поскольку направлена на выяснение механизмов функционирования живых систем на всех уровнях организации живой материи. Более того, этим же определяется нередкое недопонимание по отношению к биофизике и биофизикам со стороны коллег, представителей смежных дисциплин. Трудно, иногда практически невозможно разграничить биофизику и физиологию, биофизику и биологию клетки, биофизику и биохимию, биофизику и экологию, биофизику и хронобиологию, биофизику и математическое моделирование биологических процессов и т.д. Таким образом, биофизика устремлена на выяснение механизмов функционирования биологических систем на всех уровнях и на базе всех естественнонаучных подходов.

1.6. Биофизика – как теоретическая биология

Известно, что биофизикой занимаются и биологи, и химики, и медики, и инженеры, и военные, однако система подготовки биофизиков оказалась оптимальной на базе общефизического университетского образования. При этом биофизика трактовалась и трактуется как теоретическая биология, т.е. наука о фундаментальных физических и физико-химических основах строения и функционирования живых систем на всех уровнях организации – от субмолекулярного уровня до уровня биосферы. Предмет биофизики – живые системы, метод – физика, физико-химия, биохимия и математика.

В 50-х годах 20-го столетия студенты физического факультета вслед за своими учителями также проявляли интерес к проблемам медицины и биологии. Более того, представлялось возможным дать строгий физический анализ наиболее замечательному явлению во Вселенной - явлению Жизни. Переведенная в 1947 году книга Э.Шредингера «Что есть жизнь? С точки зрения физика. Цитологический аспект живого», лекции И.Е.Тамма , Н.В.Тимофеева-Ресовского , новейшие открытия в биохимии и биофизике побудили группу студентов обратиться к ректору МГУ И.Г.Петровскому с просьбой ввести преподавание биофизики на физическом факультете. Ректор с большим вниманием отнесся к инициативе студентов. Были организованы лекции и семинары, которые с энтузиазмом посещали не только инициаторы, но и присоединившиеся к ним однокурсники, составившие потом первую группу специализации «Биофизика» физического факультета МГУ и ныне являющиеся гордостью отечественной биофизики.

Кафедра биофизики биофака была основана в 1953 году. Первым ее заведующим был Б.Н. Тарусов . В настоящее время возглавляет кафедру биофизики биофака А.Б. Рубин . А осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики , которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков (до того биофизиков готовили из биологов или медиков). Идейными основателями образовательного физического направления биологической физики, инициаторами создания кафедры биофизики на физическом факультете МГУ были академики И.Г.Петровский, И.Е.Тамм, Н.Н.Семенов (математик – ректор университета и два Нобелевских лауреата – физик-теоретик и физико-химик). Со стороны администрации создание специализации «биофизика » на физфаке воплотили декан профессор В.С.Фурсов , все годы поддерживавший ее развитие, и его заместитель В.Г.Зубов . Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд , почти 30 лет возглавлявший кафедру и ныне ее профессор, биохимик С.Э.Шноль , профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко .

Осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики, которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков. За время существования кафедры подготовлено около 700 биофизиков.

Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд (1921 – 2002), 30 лет возглавлявший кафедру, биохимик С.Э.Шноль, профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко. Ими были сформулированы принципы построения системы биофизического образования для физиков, заложены основные направления научных исследований на кафедре.

На кафедре биофизики Л.А. Блюменфельд многие годы читал курсы лекций «Физическая химия», «Квантовая химия и строение молекул», «Избранные главы биофизики». Автор более чем 200 работ, 6 монографий.

Научные интересы В.А. Твердислова связаны с биофизикой мембран, с изучением роли неорганических ионов в биологических системах, механизмов переноса ионов через клеточные и модельные мембраны с помощью ионных насосов. Им была предложена и экспериментально разработана модель параметрического разделения жидких смесей в периодических полях в гетерогенных системах.

По масштабам физического факультета кафедра биофизики небольшая, но исторически сложилось так, что исследованиями ее сотрудников перекрывается значительная область фундаментальной и прикладной биофизики. Значительные достижения имеются в области изучения физических механизмов преобразования энергии в биологических системах, радиоспектроскопии биологических объектов, физики ферментативного катализа, биофизики мембран, исследования водных растворов биомакромолекул, изучения процессов самоорганизации в биологических и модельных системах, регуляции основных биологических процессов, в области медицинской биофизики, нано- и биоэлектроники и т.д. Многие годы кафедра биофизики сотрудничает с университетами и ведущими научными лабораториями Германии, Франции, Англии, США, Польши, Чехии и Словакии, Швеции, Дании, Китая, Египта.

1.7. Биофизические исследования в физике

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования, они все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляется электронный микроскоп. Элективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгеноструктурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широко проникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и молекулярная биофизика. Добившись огромных успехов в познании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой материи. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов – электрических, электронных, математических и т.п. Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты совершает ритмичные движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор соляной кислоты. При нанесении на него царапины, разрушающей поверхностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, которая очень похожа на волны, бегущие по нервам при возбуждении. Изучению этой модели посвящается много исследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальнейшем создается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном волокне.

Остальные области молекулярной биофизики пользуются меньшей популярностью. Среди них следует отметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. В США школой Рашевского издается журнал «Математическая биофизика». Математическая биофизика связана со многими областями биологии. Она не только описывает в математической форме количественные закономерности таких явлений, как рост, деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать сложные физиологические процессы высших организмов.

1.8. Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникновение в конце XIX – начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла к себе внимание биологов тем, что она открывала возможность познания физико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живых системах, с которыми им трудно было работать. Ряд направлений, возникших в физической химии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейших событий в истории физической химии была разработка С.Аррениусом (Нобелевская премия, 1903 г.) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах (1887 г.), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов, которым была хорошо известна роль соли в явлениях возбуждения, проведения нервных импульсов, в кровообращении и т.д. Уже в 1890 г. Молодой физиолог В.Ю. Чаговец выступает с исследованием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связать возникновение биоэлектрических потенциалов с неравномерным распределением ионов.

В перенесении физико-химических представлений на биологические явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов соли, В. Нернст (1908 г.) сформулировал свой известный количественный закон возбуждения: порог физиологического возбуждения определяется количеством перенесенных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толковании проницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.

Глава II . БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

2.1. Элементы биофизики на уроках физики в 7-9 классах

Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.

Рассматривая связи физики и биологии, необходимо показать учащимся общность ряда законов живой и неживой природы, углубить представления о единстве материального мира, взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости, ознакомить с применением физических методов при изучении биологических процессов.

На уроках физики необходимо подчеркивать, что характерной приметой нашего времени является возникновение ряда комплексных наук. Развилась биофизика – наука, изучающая действие физических факторов на живые организмы.

Привлечение биофизических примеров служит лучшему усвоению курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с программой курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники. Практически ко всем разделам курса физики можно подобрать большое число биофизических примеров, их целесообразно использовать наряду с примерами из неживой природы и из техники.

2.2. Применение биофизики на уроках в основной школе

Механика

Движение и силы.

При изучении темы «Движение и силы» в 7 классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных животных. Улитка ползает примерно 5,5 м в 1 ч. Черепаха перемещается со скоростью около 70 м/ч. Муха летит со скоростью 5 м/с. Средняя скорость пешехода около 1,5 м/с, или около 5 км/ч. Лошадь способна перемещаться со скоростью 30 км/ч и выше.

Максимальная скорость некоторых животных: гончей собаки – 90 км/ч, страуса – 120 км/ч, гепарда – 110 км/ч, антилопы – 95 км/ч.

Используя данные скоростей разных представителей животного мира, можно решать различного рода задачи. Например:

Скорость движения улитки 0,9 мм/с. Выразить эту скорость в см/мин, в м/ч.

Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300км/ч. Какой путь пролетает он за 5 с?

Известно, что средняя скорость роста дуба примерно 0,3 м в год. Сколько лет дубу высотой 6,3 м?

Масса тел. Плотность.

Масса тела и объем напрямую связаны с представителями флоры, к примеру, даны следующие задачи:

Определить массу березовой древесины, если ее объем 5 м 3 .

Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.

Определить плотность бальзового дерева, если масса его 50 т, а объем 500 м 3 .

Сила тяжести.

При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита – 70000 кг, слона - 4000 кг, носорога – 2000 кг, быка – 1200 кг, медведя – 400 кг, свиньи 200 кг, человека – 70 кг, волка – 40 кг, зайца – 6 кг. Найти их вес в ньютонах.

Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.

Давление жидкостей и газов.

На тело человека, площадь поверхности которого при массе 60 кг и росте 160 см примерно равна 1,6 м 2 , действует сила 160000 Н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?

Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении – выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут проводиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 метров). Опускание и поднимание должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.

Примеры некоторых мощностей в живой природе.

Мощность мухи в полете 10 -5 Вт.

Удар меч-рыбы 10 5 -10 6 Вт.

Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70-80 Вт, однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз. Так, человек 750 Н может за 1 с вскочить на возвышение 1 м, что соответствует мощности 750 Вт; бегун развивает мощность около 1000 Вт.

Возможна моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.

Аппарат искусственного кровообращения (АИК)

Заканчивая изучение механики, полезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.

При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения в организме (порядка 4-5 л для взрослого больного), заданную температуру циркулирующей крови.

Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: частей насоса и оксигенератора. Насосы выполняют функции сердца – они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенератор выполняет функцию легких и обеспечивает насыщение крови не ниже 95% и поддерживает парциальное давление СО 2 на уровне 35-45 мм рт. ст. венозная кровь из сосудов больного самотеком переливается в оксигенератор, располагающийся ниже уровня операционного стола, где насыщается кислородом, освобождается от избытка углекислоты и далее артериальным насосом нагнетается в кровяное русло больного. АИК на продолжительное время способен заменять функции сердца и легких.

При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.

Задача. Как объяснить с помощью физических представлений, что в бурю ель легко вырывается с корнем, а у сосны скорее ломается ствол?

Нас интересует анализ только качественной стороны вопроса. Кроме того, нас интересует вопрос о сравнительном поведении обоих деревьев. Роль нагрузки в нашей задаче играет сила ветра F В. Можно силу ветра, действующую на ствол, сложить с силой ветра, действующей на крону, и даже предположить, что силы ветра, действующие на оба дерева, одинаковы. Тогда, по-видимому, дальнейшее рассуждение должно быть следующим. Корневая система сосны глубже уходит в землю, чем у ели. За счет этого плечо силы, удерживающей сосну в земле, больше, чем у ели. Следовательно, чтобы вывернуть ель с корнем, требуется меньше момент силы и ветра, чем чтобы поломать ее. Поэтому ель чаще выворачивается с корнем, чем сосна, а сосна чаще ломается, чем ель.

Изучение теплоты и молекулярных явлений

Аппарат «искусственная почка»

Данное устройство применяется для неотложной медицинской помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почки; для лечения некоторых расстройств нервной системы (шизофрения, депрессия).

АИП представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина и мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма.

Капиллярные явления.

При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузными явлениями.

Физической моделью сердечно-сосудистой системы может служить система из множества разветвленных трубок с упругими стенками. По мере разветвления общее сечение трубок возрастает, и скорость движения жидкости соответственно уменьшается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких каналов, потери на внутреннее трение при этом сильно возрастают и общее сопротивление движению жидкостей (несмотря на снижение скорости) значительно увеличивается.

Роль поверхностных явлений в жизни живой природы очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).

Для самостоятельной работы можно предложить такие задачи, как:

Как можно применить знания о молекулярно-кинетической теории к объяснению механизма всасывания волосками корней растений питательных веществ из почвы?

Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?

Определите высоту, на которую под действием сил поверхностного натяжения поднимается вода в стеблях растений, имеющих капилляры диаметром 0,4 мм. Можно ли считать капиллярность единственной причиной подъема воды по стеблю растения?

Верно ли, что ласточки, летающие низко над землей, предвещают приближение дождя?

Изучение колебаний и звука

Примеры периодических процессов в биологии: многие цветки закрывают венчики с наступлением темноты; у большинства животных наблюдается периодичность появления потомства; известно периодическое изменение интенсивности фотосинтеза у растений; колебания испытывают размеры ядер в клетках и т.д.

Звуки леса.

Звуки леса (шелест) возникают из-за колебаний листьев под действием ветра и трения их друг о друга. Это особенно заметно на листьях осины, так как они прикреплены к длинным и тонким черешкам, поэтому очень подвижны и раскачиваются даже самыми слабыми воздушными токами.

Лягушки обладают весьма громкими и довольно разнообразными голосами. У некоторых видов лягушек имеются интересные приспособления для усиления звука в виде больших шарообразных пузырей по бокам головы, раздувающихся при крике и служащих сильными резонансами.

Звучание насекомых вызывается чаще всего быстрыми колебаниями крыльев при полете (комары, мухи, пчелы). Полет того насекомого, которое чаще машет крыльями, воспринимается нами как звук большей частоты и, следовательно, более высокий. У некоторых насекомых, например кузнечиков, встречаются специальные органы звучания – ряд зубчиков на задних ножках, задевающих за края крыльев и вызывающих их колебания.

Рабочая пчела, вылетевшая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. Когда же она возвращается с грузом, число взмахов у нее возрастает до 280. как это отражается на звуке, который мы слышим?

Почему бесшумен полет бабочки?

Известно, что у многих лягушек имеются большие шарообразные пузыри по бокам головы, которые раздуваются при крике. Каково их назначение?

От чего зависит частота звука, издаваемого насекомыми при полете?

Изучение оптики и строения атома.

Свет.

Свет совершенно необходим живой природе, поскольку служит для нее источником энергии. Хлорофиллоносные растения, если не считать некоторых бактерий, - это единственные организмы, способные синтезировать собственное вещество из воды, минеральных солей и углекислого газа при помощи лучистой энергии, которую они превращают в процессе ассимиляции в химическую. Все остальные организмы, населяющие нашу планету – растительные и животные – прямо или косвенно зависят от хлорофиллоносных растений. Они сильнее всего поглощают лучи, соответствующие полосам поглощения в спектре хлорофилла. Их две: одна лежит в красной части спектра, другая – в сине-фиолетовой. Остальные лучи растения отражают. Они-то и придают хлорофиллоносным растениям их зеленую окраску. Хлорофиллоносные растения представлены высшими растениями, мхами и водорослями.

Глаза различных представителей животного мира.

У земноводных роговица глаза очень выпуклая. Аккомодация глаз осуществляется, как у рыб, перемещением хрусталика.

Птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение других животных. Глазное яблоко у них очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы. Глаза млекопитающих, обитающих в воде (например, китов), по выпуклости роговицы и по большому показателю преломления напоминают глаза глубоководных рыб.

Как пчелы различают цвета.

Зрение пчел отличается от зрения человека. Человек различает около 60 отдельных цветов видимого спектра. Пчелы различают только 6 цветов: желтый, сине-зеленый, синий, «пурпурный», фиолетовый и невидимый для человека ультрафиолетовый. Пчелиный «пурпурный» цвет – это смесь желтых и ультрафиолетовых лучей спектра, видимых пчелой.

Для самостоятельной работы по этому разделу можно предложить такие задачи:

Для чего нужны два глаза?

Сетчатка глаза человека и орла примерно одинакова, однако диаметр нервных клеток (колбочек) в глазу орла в центральной его части меньше – всего 0,3 – 0,4 мк (мк = 10 -3 мм). Какое имеет значение такая структура сетчатки глаза орла?

С наступлением темноты зрачок глаза расширяется. Как это отражается на резкости изображения окружающих предметов? Почему?

Хрусталик рыбьего глаза имеет сферическую форму. Какие особенности среды обитания рыб делают такую форму хрусталика целесообразной? Подумайте, каким может быть механизм аккомодации глаз у рыб, если кривизна хрусталика не изменяется.

2.3. Блицтурнир «Физика в живой природе»

Для организации самостоятельной практической деятельности для учащихся 7 класса можно предложить блицтурнир «Физика в живой природе».

Цель урока : повторение материала по теме «Обобщающий урок за весь курс»; проверка знаний, сообразительности, умения логически мыслить.

Правила игры

Вопросы подбираются по всему курсу 7 класса.

Урок идет в быстром темпе.

Во время урока можно пользоваться любой справочной литературой, включая учебник.

Ход урока

Учитель зачитывает вопрос. Игрок, готовый к ответу, поднимает руку; первому поднявшему руку предоставляется слово. Правильный ответ оценивается в 1 балл. Участники, набравшие меньше всех баллов, выбывают из игры.

Вопросы:

Выходя из воды, животные встряхиваются. Какой физический закон используется при этом? (Закон инерции).

Какое значение имеют упругие волосы на подошве ног зайца? (Упругие волосы на подошве ног зайца удлиняют время торможения при прыжке и поэтому ослабляют силу удара).

Для чего некоторые рыбы при быстром движении прижимают к себе плавники? (Чтобы уменьшить сопротивление движению).

Осенью около трамвайных путей, проходящих вблизи садов и парков, иногда вывешивают плакат: «Осторожно! Листопад». Каков смысл этого предупреждения? (Упавшие на рельсы листья уменьшают трение, поэтому при торможении вагон может пройти большой путь).

Каков предел прочности человеческой кости на сжатие? (Бедренная кость, например, поставленная вертикально, может выдержать давление груза в полторы тонны).

Для чего ботинки водолаза делают с тяжелыми свинцовыми подошвами? (Тяжелые свинцовые подошвы ботинок помогают водолазу преодолеть выталкивающую силу воды).

Почему человек может поскользнуться, наступив на твердую сухую горошину? (Трение способствует перемещению человека. Сухая горошина, являясь как бы подшипником, уменьшает трение между ногами человека и опорой).

Почему в реке с илистым дном мы больше вязнем на мелком месте, чем на глубоком? (Погружаясь на большую глубину, мы вытесняем больший объем воды. По закону Архимеда на нас в этом случае будет действовать большая выталкивающая сила).

Подведение итогов.

Учитель выставляет оценки.

Заключение

К. Д. Ушинский писал, что некоторые учителя, кажется, только и делают что повторяют, а на самом деле быстро движутся вперед в изучении нового. Повторение с привлечением нового приводит к лучшему пониманию и запоминанию пройденного материала. Известно также, что лучшим способом вызвать интерес к предмету является применение полученных знаний в иных областях, чем те, в которых они получены. Организация повторения с привлечением биофизического материала является как раз таким видом повторения, когда оно происходит с привлечением нового, представляет большой интерес для учащихся и позволяет им применять законы физики к области живой природы.

Привлечение биофизических примеров служит лучшему усвоению курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с программой курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники.

Установление межпредметных связей между физикой и биологией дает большие возможности для формирования материалистических убеждений. Школьники приучаются иллюстрировать законы физики не только примерами из техники, но и примерами из живой природы. С другой стороны, рассматривая жизнедеятельность растительных и животных организмов, они используют физические закономерности, физические аналогии.

Повторение и закрепление пройденного с привлечением биофизического материала дает возможность учителю познакомить учащихся с последними достижениями в области биофизики и бионики, приохотить их к чтению дополнительной литературы.

Организационно урок может быть построен по-разному: в виде лекций учителей, в виде докладов, подготовленных учащимися под руководством учителей физики и биологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики для втузов – 3-е изд. – М.: ООО «Издательский дом «Оникс 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003 – 384 с.: ил.

Зорин Н.И. Элективный курс «Элементы биофизики»: 9 класс. – М.: ВАКО, 2007. – 160 с. – (Мастерская учителя).

Электив 9: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов (Межпредметных и предметно-ориентированных): Для организации предпрофильной подготовки учащихся в 9 классе: В 2-х книгах. Кн. 1 / Дендебер С.В., Зуева Л.В., Иванникова Т.В. и др. – М.: 5 за знания, 2006. – 304 с. – (Электив).

Электив 9: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов (Межпредметных и предметно-ориентированных): Для организации предпрофильной подготовки учащихся в 9 классе: В 2-х книгах. Кн. 2 / Дендебер С.В., Зуева Л.В., Иванникова Т.В. и др. – М.: 5 за знания, 2006. – 176 с. – (Электив).

Марон А.Е. Сборник качественных задач по физике: для 7-9 кл общеобразоват. учреждений / А.Е. Марон, Е.А. Марон. – М.: Просвещение, 2006. – 239 с.: ил.

Лукашик В.И. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений / В.И. Лукашик, Е.В. Иванова. – 22-е изд. – М.: Просвещение, 2008. – 240 с.: ил.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики / Кн. для учителя: из опыта работы. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1988. – 159 с.: ил.

Волков В.А., Полянский С.Е. Поурочные разработки по физике. 7 класс – 2-е изд. – М.: ВАКО, 2007. – 304 с. – (В помощь школьному учителю: к учебным комплектам А.В. Перышкина, С.В. Громова, Н.А. Родиной).

Познание функций человека - одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит - дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача - как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов

Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.

Выделяют-

• молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
• биофизика клеток - изучение структуры клеток и физико-химические проявления - проницаемость, образование биопотенциалов
• биофизика органов чувств - физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
• Биофизика сложных системы - процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
• Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света

Задачи биофизика

1. Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
2. Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм

Эйлер(1707-1783) - законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам

Лавуазье (1780) - изучал обмен энергии в организме

Гальвани(1786) - основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве

Гельмгольц(1821)

Рентген - пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов

Аррениус - законы классической кинетики для объяснения биологических процессов

Ломоносов - закон сохранения и превращения энергии

Сеченов - изучал транспорт газа в крови

Лазарев - основоположник отечественной биофизической школы

Полинг - открытие пространственной структуры белка

Уотсон и Крик - открытие двойной структуры ДНК

Ходжкин, Хаксли, Катц - открытие ионной природы биоэлектрических явлений

Пригожин -теория термодинамики необратимых процессов

Эйген - теория гиперциклов, как основа эволюции

Сакман, Неер - установили молекулярную структуру ионных каналов

Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.

Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне

Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов - радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки

Методы биофизических исследований

• Рентгеноструктурный анализ - исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
• Колоночная хроматография - различное распределение и анализ смесей между 2 фазами - подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом - колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
• Спектральный анализ - качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания - эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения - абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию - электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
• Изотопная индикация
• Электронная микроскопия
• Ультрафиолетовая микроскопия - исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата

Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс - регуляция и управление физиологическими функциями.

Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика - искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.

Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»

Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.

Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.

Системы - организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива - люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.

Программа - последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.

Связь - процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.

Сообщения бывают непрерывными и дискретными.

Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).

Дискретное - состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)

Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода - символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).

Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.

Сообщение и информация - это не одно и тоже, ибо по теории информации

Информация - мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.

Возможность наступления события - априорная информация .

Та вероятность события после получения информации - апостериорная информация.

Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.

Свойства информации.

1. Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) - «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
2. Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
3. Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
4. Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
5. Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Дезинформация - отрицательное значение информации.

Мера неопределенности событий - энтропия (H)

Если log2 N=1, тогда N=2

Единица информации - бит (двойничная единица информации)

H=lg N (хартли)

1 хартли - количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит

Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции

Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.

Наиболее древний - гуморальный механизм регуляции.

Нервный механизм.

Нервно-гуморальный механизм.

Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.

Форпостный механизм (у человека) - в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФИЗИОЛОГИЯ И БИОФИ3ИКА ВО3БУДИМЫX КЛЕТОК

Понятие о раздражимости, возбудимости и возбуждении. Классификация раздражителей

Раздражимость - это способность клеток, тканей, организма в целом переходить под воздействием факторов внешней или внутренней среды из состояния физиологического покоя в состояние активности. Состояние активности проявляется изменением физиологических параметров клетки, ткани, организма, например изменением метаболизма.

Возбудимость - это способность живой ткани отвечать на раздражение активной специфической реакцией - возбуждением, т.е. генерацией нервного импульса, сокращением, секрецией. Т.е. возбудимость характеризует специализированные ткани - нервную, мышечные, железистые, которые называются возбудимыми. Возбуждение - это комплекс процессов реагирования возбудимой ткани на действие раздражителя, проявляющийся изменением мембранного потенциала, метаболизма и т.д. Возбудимые ткани обладают проводимостью. Это способность ткани проводить возбуждение. Наибольшей проводимостью обладают нервы и скелетные мышцы.

Раздражитель - это фактор внешней или внутренней среды действующий на живую ткань.

Процесс воздействия раздражителя на клетку, ткань, организм называется раздражением.

Все раздражители делятся на следующие группы: 1.По природе

а) физические (электричество, свет, звук, механические воздействия и т.д.)

б) химические (кислоты, щелочи, гормоны и т.д.)

в) физико-химические (осмотическое давление, парциальное давление газов и т.д.)

г) биологические (пища для животного, особь другого пола)

д) социальные (слово для человека). 2.По месту воздействия:

а) внешние (экзогенные)

б) внутренние (эндогенные) З.По силе:

а) подпороговые (не вызывающие ответной реакции)

б) пороговые (раздражители минимальной силы, при которой возникает возбуждение)

в) сверхпороговые (силой выше пороговой) 4.По физиологическому характеру:

а) адекватные (физиологичные для данной клетки или рецептора, которые приспособились к нему в |процессе эволюции, например, свет для фоторецепторов глаза).

б) неадекватные

Если реакция на раздражитель является рефлекторной, то выделяют также:

а) безусловно-рефлекторные раздражители

б) условно-рефлекторные

Законы раздражения. Параметры возбудимости

Реакция клеток, тканей на раздражитель определяется законами раздражения

I .Закон «все или ничего»: При допороговых раздражениях клетки, ткани ответной реакции не возникает. При пороговой силе раздражителя развивается максимальная ответная реакция, поэтому увеличение силы раздражения выше пороговой не сопровождается ее усилением. В соответствии с этим законом реагирует на раздражения одиночное нервное и мышечное волокно, сердечная мышца.

2. 3акон силы: Чем больше сила раздражителя, тем сильнее ответная реакция Однако выраженностъ ответной реакции растет лишь до определенного максимума. Закону силы подчиняется целостная скелетная, гладкая мышца, так как они состоят из многочисленных мышечных клеток, умеющих различную возбудимость.

3.Закон силы-длительности. Между силой и длительностью действия раздражителя имеется определенная взаимосвязь. Чем сильнее раздражитель, тем меньшее время требуется для возникновения ответной реакции. Зависимость между пороговой силой и необходимой длительностью раздражения отражается кривой силы-длительности. По этой кривой можно определить ряд параметров возбудимости, а) Порог раздражения - это минимальная сила раздражителя, при которой возникает возбуждение.

б) Реобаза - это минимальная сила раздражителя, вызывающая возбуждение при его действии в течение неограниченно долгого времени. На практике порог и реобаза имеют одинаковый смысл. Чем ниже порог раздражения или меньше реобаза, тем выше возбудимость ткани.

в) Полезное время - это минимальное время действия раздражителя силой в одну реобазу за которое возникает возбуждение.

г) Хронаксия - это минимальное время действия раздражителя силой в две реобазы, необходимое для возникновения возбуждения. Этот параметр предложил рассчитывать Л. Лапик, для более точного определения показателя времени на кривой силы-длительности. Чем короче полезное время или хронаксия, тем выше возбудимость и наоборот.

В клинической практике реобазу и хронаксиго определяют, с помощью метода хронаксиметрии для исследования возбудимости нервных стволов.

4. Закон градиента или аккомодации. Реакция ткани на раздражение зависит от его градиента, Т.е. чем быстрее нарастает сила раздражителя во времени тем быстрее возникает ответная реакция. При низкой скорости нарастания силы раздражителя растет порог раздражения. Поэтому если сила раздражителя возрастает очень медленно возбуждения не будет. Это явление называется аккомодацией.

Физиологическая лабильность (подвижность) - это большая или меньшая частота реакций, которыми может отвечать ткань на ритмическое раздражение. Чем быстрее восстанавливается ее возбудимость после очередного раздражения, тем выше ее лабильность. Определение лабильности, предложено Н.Е. Введенским. Наибольшая лабильность у нервов, наименьшая у сердечной мышцы.

Действие постоянного тока на возбудимые ткани

Впервые закономерности действия достоянного тока на нерв нервно-мышечного препарата исследовал в 19 веке Пфлюгер. Он установил, что при замыкании цепи постоянного тока, под отрицательным электродом, т.е. катодом возбудимость повышается, а под положительным - анодом, снижается. Это называется законом действия постоянного тока. Изменение возбудимости ткани (например, нерва) под действием постоянного тока в области анода или катода называется физиологическим электротоном. В настоящее время установлено, что под действием отрицательного электрода - катода потенциал мембраны клеток снижается. Это явление называется физическим катэлектротоном. Под положительным - анодом,» он возрастает. Возникает физический анэлектртон. Так как, под катодом мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризация, возбудимость клеток и тканей повышается. Под анодом мембранный потенциал возрастает и удаляется от критического уровня деполяризации, поэтому возбудимость клетки, ткани падает. Следует отметить, что при очень кратковременном действии постоянного тока (1 мсек и менее)МП не успевает измениться, поэтому не изменяется и возбудимость ткани под электродами.

Постоянный ток широко используется в клинике для лечения и диагностики. Например, с помощью него производится электростимуляция нервов и мышц, физиопроцедуры: ионофорез и гальванизация.

Строение и функции цит оплазматнческой мембраны клеток

Цитоллазматическая клеточная мембрана состоит из трех слоев: наружного белкового, среднего бимолекулярного слоя лилидов и внутреннего белкового. Толщина мембраны 7,5-10 нМ. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Липидные молекулы его обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в них. От 60 до 75% липидов мембраны составляют фосфолипиды, 15-30% холестерин. Белки представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки, пронизывающие всю мембрану и периферические, находящиеся на наружной или внутренней поверхности. Интегральные белки образуют ионные каналы, обеспечивающие обмен определенных ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью. Они, также являются ферментами, осуществляющими противоградиентный перенос ионов через мембрану. Периферическими белками являются хеморецепторы наружной поверхности мембраны, которые могут взаимодействовать с различными ФАВ.

Функции мембраны:

1. Обеспечивает целостность клетки, как структурной единицы ткани.

2. Осуществляет обмен ионов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

3. Обеспечиваег активны и транспорт ионов и других веществ в клетку и из нее

4. Производит восприятие и переработку информации поступающей к клетке в виде химических и электрических сигналов.

Механизмы возбудимости клеток. Ионные каналы мембраны. Механизмы возникновения мембранного потенциала (МЛ) и потенциалов действия (ПД)

В основном, передаваемая в организме информация имеет вид электрических сигналов (например нервные импульсы). Впервые наличие животного электричества установил физиолог Л Гальвани в 1786 г. С целью исследования атмосферного электричества он подвешивал нервно-мышечные препараты лапок лягушек на медном крючке. Когда эти лапки касались железных перил балкона, происходило сокращение мышц. Это свидетельствовало о действия какого-то электричества на нерв нервно-мышечного препарата. Гальвани посчитал, что это обусловлено наличием электричества в самих живых тканях. Однако, А. Вольта установил, что источником электричества является место контакта двух разнородных металлов - меди и железа. В физиологии первым классическим опытом Гальвани считается прикосновение к нерву нервно-мышечного препарата биметаллическим пинцетом, сделанным из меди и железа. Чтобы доказать свою правоту, Гальвани произвел второй опыт. Он набрасывал конец нерва, иннервирующего нервно-мышечный препарат, на разрез его мышцы. В результате возникало ее сокращение. Однако и этот опыт не убедил современников Гальвани. Поэтому другой итальянец Маттеучи произвел следующий эксперимент. Он накладывал нерв одного нервно-мышечного препарата лягушки на мышцу второго, которая сокращалась под действием раздражающего тока. В результате первый препарат тоже начинал сокращаться. Это свидетельствовало о передаче электричества (ПД) от одной мышце к другой. Наличие разности потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками мышцы впервые точно установил в 19 веке с помощью струнного гальванометра (амперметра) Маттеучи. Причем разрез имел отрицательный заряд, а поверхность мышцы положительный.

Классификация и структура ионных каналов цито плазматической мембраны. Механизмы возникновения мембранного потенциала и потенциалов действия

Первый шаг в изучении причин возбудимости клеток сделал в своей работе «Теория мембранного равновесия» в 1924 г. английский физиолог Донанн. Он теоретически установил, что разность потенциалов внутри клетки и вне ее, т.е. потенциала покоя или МП, близка к калиевому равновесному потенциалу. Это потенциал, образующемуся на полупроницаемой мембране разделяющий растворы с разной концентрацией ионов калия, один из которых содержит крупные непроникающие анионы. Его расчеты уточнил Нернст. Он вывел уравнение диффузионного потенциала для калия он будет равен:

Ек=58 Jg--------= 58 lg-----= - 75 мВ,

такова теоретически рассчитанная величина мП.

Экспериментально механизмы возникновения разности потенциалов между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой, а также возбуждения клеток установили в 1939 году в Кембридже Ходжкин и Хаксли. Они исследовали гигантское нервное волокно (аксон) кальмара и обнаружили, что внутриклеточная жидкость нейрона содержит 400 мМ калия, 50 мМ натрия, 100 мМ хлора и очень мало кальция. Во внеклеточной жидкости содержалось всего 10 мМ калия, 440 мМ натрия, 560 мМ хлора и 10 мМ кальция. Таким образом, внутри клеток имеется избыток калия, а вне их натрия и кальция. Это обусловлено тем, что в клеточную мембрану встроены ионные каналы, регулирующие проницаемость мембраны для ионов натрия, калия, кальция и хлора

Все ионные каналы подразделяются на следующие группы: 1. По избирательности:

а)Селективные, т.е. специфические. Эти каналы проницаемы для строго определенных ионов. б)Малоселективные, неспецифические, не имеющие определенной ионной избирательности. Их в мембране небольшое количество. 2.По характеру пропускаемых ионов:

а) калиевые

б) натриевые

в) кальциевые

г) хлорные

З. По скорости инактивации, т.е. закрывания:

а) быстроинактивирующиеся, т.е. быстро переходящие в закрытое состояние. Они обеспечивают быстро нарастающее снижение МП и такое же быстрое восстановление.

б) медленноинактирующиеся. Их открывание вызывает медленное снижение МП и медленное его восстановление.

4. По механизмам открывания:

а) потенциалзависимые, т.е. те которые открываются при определенном уровне потенциала мембраны.

б) хемозависимые, открывающиеся при воздействии на хеморецепторы мембраны клетки физиологически активных веществ (нейромедиаторов, гормонов и т. д).

В настоящее время установлено, что ионные каналы имеют следующее строение: 1 .Селективный фильтр, расположенный в устье канала Он обеспечивает прохождение через канал строго определенных ионов.

2.Активационные ворота, которые открываются при определенном уровне мембранного потенциала или действии соответствующего ФАВ. Активациониые ворота потенциалзав.исимых каналов имеется сенсор, который открывает их на определенном уровне МП.

З.Инактивационные ворота, обеспечивающие закрывание канала и прекращение проведения ионов по каналу на определенном уровне МП. (Рис).

Неспецифические ионные каналы не имеют ворот.

Селективные ионные каналы могут находиться в трех состояниях, которые определяются положением актикационных (м) и инактивационных (h) ворот (рис): 1 .Закрытом, когда активационные закрыты, а инактивационные открыты. 2. Активированном, и те и другие ворота открыты. З.Инактивированном, активационные ворота открыты, а инактивационные закрыты.

Суммарная проводимость для того или иного иона определяется числом одновременно открытых соответствующих каналов. В состоянии покоя открыты только калиевые каналы, обеспечивающие поддержание определенного мембранного потенциала и закрыты натриевые. Поэтому мембрана избирательно проницаема для калия и очень мало для ионов натрия и кальция, за счет имеющихся неспецифических каналов. Соотношение проницаемости мембраны для калия и натрия в состоянии покоя составляет 1:0,04. Ионы калия поступают в цитоплазму и накапливаются в ней. Когда их количество достигает определенного предела, они по градиенту концентрации начинают выходить через открытые калиевые каналы из клетки. Однако уйти от наружной поверхности клеточной мембраны они не могут. Там их удерживает апектрическое поле отрицательно заряженных анионов, находящихся на внутренней поверхности. Это сульфат, фосфат и нитрат анионы, анионные группы аминокислот, для которых мембрана не проницаема. Поэтому на наружной поверхности мембраны скапливаются положительно заряженные катионы калия, а на внутренней отрицательно заряженные анионы. Возникает трансмембранная разность потенциалов. Рис.

Выход ионов калия из клетки происходит до тех пор, пока возникший потенциал с положительным знаком снаружи не уравновесит концентрационный градиент калия, направленный из клетки. Т.е. накопившиеся на наружной стороне мембраны ионы калия не будут отталкивать внутрь такие же ионы. Возникает определенный потенциал мембраны, уровень которого определяется проводимостью мембраны для ионов калия и натрия в состоянии покоя. В среднем, величина потенциала покоя близка к калиевому равновесному потенциалу Нернста. Например, МП нервных клеток составляет 55-70 мВ, поперечно-полосатых - 90-100 мВ, гладких мышц - 40-60 мВ, железистых клеток - 20-45 мВ. Меньшая реальная величина МП клеток, объясняется тем, что его величину уменьшают ионы натрия, для которых мембрана незначительно проницаема и они могут входить в цитоплазму. С другой стороны, отрицательные иолы хлора, поступающие в клетку, несколько увеличивают МП.

Так как мембрана в состоянии покоя незначительно проницаема для ионов натрия, необходим механизм выведения этих конов из клетки. Это связано с гем, что постепенное накопление натрия в клетке привело бы к нейтрализации мембранного потенциала и исчезновению возбудимости. Этот механизм называется натрий-кал.иевым насосом. Он обеспечивает поддержание разности концентраций калия и натрия по обе стороны мембраны. Натрий-калиевый насос - это фермент натрий-калиевая АТФ-аза. Его белковые молекулы встроены в мембрану. Он расщепляет.АТФ и.использует высвобождающуюся энергию для противоградиентного выведения натрия из клетки и закачивания калия в неё. За один цикл каждая молекула натрий-калиевой АТФ-азы выводит 3 иона натрия и вносит

2 иона калия. Так как в клетку поступает меньше положительно заряженных ионов, чем выводится из неё, натрий-калиевая АТФ-аза на 5-10 мВ увеличивает мембранный потенциал.

В мембране имеются следующие механизмы трансмембранного транспорта ионов и других веществ: 1. Активный транспорт. Он осуществляется с помощью энергии АТФ. К этой группе транспортных систем относятся натрий-калиевый насос, кальциевый насос, хлорный насос.

2.Пассивный транспорт. Передвижение ионов осуществляется по градиенту концентрации без затрат энергии. Например, вход калия в клетку и выход из неб.по калиевым каналам.

3.Сопряженный транспорт. Противоградиентный перенос ионов без затрат энергии. Например таким образом происходит натрий-натриевый, натрий-кальциевый, калий -калиевый обмен ионов. Он происходит за счет разности концентрации других ионов.

Мембранный потенциал регистрируется с помощью микроэлектродного метода. Для этого через мембрану, в цитоплазму клетки вводится тонкий, диаметром менее 1 мкМ стеклянный микроэлектрод Он заполняется солевым раствором. Второй электрод помещается в жидкость, омывающую клетки. От электродов сигнал поступает на усилитель биопотенциалов, а от него на осциллограф и самописец.

Дальнейшие исследования Ходжкина и Хаксли показали, что при возбуждении аксона кальмара возникает быстрое колебание мембранного потенциала, которое на экране осциллографа имело форму. пика (spike). Они назвали это колебание потенциалом действия (ПД). Так как электрический ток для: возбудимых мембран является адекватным раздражителем, ПД можно вызвать, поместив на наружную поверхность мембраны отрицательный электрод - катод, а внутреннюю положительный- анод. Это -приведет к снижению величины заряда мембраны - ее деполяризации. При действии слабого допорогового тока происходит пассивная деполяризация, т.е. возникает катэлектротон (рис). Если силу тока увеличить до определенного предела, то в конце периода его воздействия на плато катэлектротона появится небольшой самопроизвольный подъём - местный или локальный ответ. Он является следствием открывания небольшой части натриевых каналов, находящихся под катодом. При токе пороговой силы МП снижается до критического уровня деполяризации (КУД), при котором начинается генерация потенциала действия. Он находится для нейронов примерно на уровне - 50 мВ.

На кривой потенциала действия выделяют следующие фазы: 1 .Локальный ответ (местная деполяризация), предшествующий развитию ПД.

2.Фаза деполяризации. Во гремя этой фазы МП быстро уменьшается и достигает нулевого уровни. Уровень деполяризации растет выше 0. Поэтому мембрана приобретает противоположный заряд -внутри она становится положительной, а снаружи отрицательной. Явление смены заряда мембраны называется реверсией мембранного потенциала. Продолжительность этой фазы у нервных и мышечных клеток 1-2 мсек.

З.Фаза реполяризации. Она начинается при достижении определенного уровня МП (примерно +20 мВ). Мембранный потенциал начинает быстро возвращаться к потенциалу покоя. Длительность фазы 3-5 мсек.

4.Фаза следовой деполяризации или следового отрицательного потенциала. Период, когда возвращение МП к потенциалу покоя временно задерживается. Он длится.15-30 мсек.

5.Фаза следовой гиперполяризации или следового положительного потенциала В эту фазу, МП на некоторое время становится выше исходного уровня ПП. Бе длительность 250-300 мсек.

Амплитуда потенциала действия скелетных мышц в среднем: 120-130 иВ, нейронов 80-90 мВ, гладкомышечных клеток 40-50 мВ. При возбуждении нейронов ПД возникает в начальном сегменте аксона - аксонном холмике.

Возникновение ПД обусловлено изменением ионной проницаемости мембраны при возбуждении. В период локального ответа открываются медленные натриевые каналы, а быстрые остаются закрытыми, возникает временная самопроизвольная деполяризация. Когда МП достигает критического уровня, закрытые активационные ворота натриевых каналов открываются и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, вызывая нарастающую деполяризацию. В эту фазу открываются и быстрые и медленные натриевые каналы. Т.е. натриевая проницаемость мембраны резко возрастает. Причем от чувствительности активационных зависит величина критического уровня деполяризации, чем она выше, тем ниже КУД и наоборот.

Когда величина деполяризация приближается к равновесному потенциалу для ионов натрия (+20 мВ). сила концентрационного градиента натрия значительно уменьшается. Одновременно начинается процесс инактивации быстрых натриевых каналов и снижения натриевой проводимости мембраны. Деполяризация прекращается. Резко усиливается выход ионов калия, т.е. калиевый выходящий ток. В некоторых клетках это происходит из-за активации специальных каналов калиевого выходящего тока

Этот ток, направленный из клетки, служит для быстрого смещения МП к уровню потенциала покоя. Т.е. начинается фаза реполяризации. Возрастание МП приводит к закрыванию и активационных ворот натриевых канапов, что еще больше снижает натриевую проницаемость мембраны и ускоряет реполяризацию.

Возникновение фазы следовой деполяризации объясняется тем, что небольшая часть медленных натриевых каналов остается открытой.

Следовая гиперполяризация связана с повышенной, после ПД калиевой проводимостью мембраны и тем, что более активно работает натрий-калиевый насос, выносящий вошедшие в клетку во время ПД ионы натрия.

Изменяя проводимость быстрых натриевых и калиевых каналов можно влиять на генерацию ПД, а следовательно на возбуждение клеток. При полной блокада натриевых каналов, например ядом рыбы тетродонта - тетродотоксином, клетка становится невозбудимой. Это используется в клинике. Такие местные анестетики, как новокаин, дикаин, лидокаин тормозят переход натриевых каналов нервных волокон в открытое состояние. Поэтому проведение нервных импульсов по чувствительным нервам прекращается, наступает обезболивание (анестезия) органа При блокаде калиевых каналов затрудняется выход ионов калия из цитоплазмы на наружную поверхность мембраны, т.е. восстановление МП. Поэтому удлиняется фаза реполяризации. Этот эффект блокаторов калиевых каналов также используется в клинической практике. Например, один из них хинидин, удлиняя фазу реполяризации кардиомиоцитов, урежает сердечные сокращения и нормализует сердечньшритм.

Также следует отметить, что чем выше скорость распространения ПД по мембране -клетки, ткани, тем выше ее проводимость.

Соотношение фаз потенциала действия и возбудимости

Уровень возбудимости клетки зависит от фазы ПД. В фазу локального ответа возбудимость возрастает. Это фазу возбудимости называют латентным дополнением.

В фазу реполяризации ПД когда открываются «все натриевые каналы и ионы натрия лавинообразно устремляются в клетку, никакой даже сверхсильный раздражитель не может стимулировать этот процесс. Поэтому фазе деполяризации соответствует фаза полной невозбудимости или абсолютной рефрактерности.

В фазе реполяразации все болыпаяг часть натриевых каналов закрывается. Однако они могут вновь открываться при действии сверхпорогового раздражителя. - Т.е. возбудимость начинает вновь повышаться. Этому соответствует фаза относительной невозбудимости или относительной рефрактерности.

Во время следовой деполяризации МП находится у критического уровня, поэтому даже допороговые стимулы могут вызвать возбуждение слетки. Следовательно, в этот момент ее возбудимость повышена. Эта фаза называется фазой экзальтации или супернормальной возбудимости.

В момент следовой гиперполяризации МП выше исходного уровня, т.е. дальше КУД и ее возбудимость снижена. Она находится в фазе субнормальной возбудимости. Рис. Следует отметить, что явление аккомодации также связано с изменением проводимости ионных.каналов. Если деполяризующий ток нарастает медленно, то это приводит к частичной инактивации натриевых, и активации калиевых каналов. Поэтому развития ПД не происходит.

Физиология мышц

В организме имеются 3 типа мышц: скелетные или поперечно-полосатые, гладкие и сердечная. Скелетные мышцы обеспечивают перемещение тела в пространстве, поддержание позы тела за счет тонуса мышц конечностей и тела Гладкие мышцы необходимы для перистальтики органов желудочно-кишечного тракта, мочевыводящей системы, регуляции тонуса сосудов, бронхов и т.д. Сердечная мышца служит для сокращения сердца и перекачивания крови. Все мышцы обладают возбудимостью, проводимостью и сократимостью, а сердечная и многие гладкие мышцы автоматией - способностью к самопроизвольным сокращениям.

Ультраструктура скелетного мышечного волокна

Двигательные единицы Основным морфо-функциональным элементом нервно-мышечного аппарата скелетных мышц является двигательная единица. Оиа включает мотонейрон спинного мозга с иннервируемыми его аксоном мышечными волокнами. Внутри мышцы этот аксон образует несколько концевых веточек. Каждая такая веточка образует контакт - нервно-мышечный синапс на отдельном мышечном волокне. Нервные импульсы, идущие от мотонейрона, вызывают сокращения определенной; группы мышечных волокон.

Скелетные мышцы состоят из мышечных пучков, образованных большим количеством мышечных волокон. Каждое волокно -это клетка цилиндрической формы диаметром 10-100 мкм и длиной от 5 до 400 мкм. Оно имеет клеточную мембрану - сарколемму- В саркоплазме находится несколько ядер, митохондрии, образования саркоплазматического ретикулума (СР) и сократительные элементы -миофибриллы. Саркоплазматический ретикулум имеет своеобразное строение. Он состоит из системы поперечных, продольных трубочек и цистерн. Поперечные трубочки-это впячивания саркоплазмы внутрь клетки. К ним примыкают продольные трубочки с цистерначи. Благодаря этому, потенциал действия может распространятся от сарколеммы на систему саркоплазматического ретикулума. В мышечном волокне содержится более 1000 миофибрилл, расположенных вдоль него. Каждая миофибрилла состоит из 2500 протофибрилл или миофиламентов. Это нити сократительных белков актина и миозина. Миозиновые протофибриллы толстые, актиновые тонкие.

На миозиновых нитях расположены отходящие под углом поперечные отростки с головками. У скелетного мышечного волокна при световой микроскопии видна поперечная исчерченность, т.е. чередование светлых и темных полос. Темные полосы называют А-дисками или анизотропными, светлые I-дисками (изотропными). В А-дисках сосредоточены нити миозина, обладающие анизотропией и поэтому имеющие темный цвет. 1-диски образованы нитями актина. В центре 1-дисков видна тонкая Z-пластинка. К ней прикрепляются актиновые протофибриллы. Участок миофибриллы между двумя Z-лластинками называется саркомером. Это структурный элемент миофибрилл. В покое толстые миозин"овые нити лишь на небольшое расстояние входят в промежутки между актиновыми. Поэтому в средней части А-дисха имеется более светлая Н-зона, где нет актиновых нитей. При электронной микроскопии в ее центре видна очень тонкая М-линия. Она образована цепями опорных белков, к которым крепятся миозиновые протофибриллы (рис).

Механизмы мышечного сокращения

При световой микроскопии было замечено, что в момент сокращения ширина А-диска не уменьшается, а 1-диски и Н-зоны саркомеров суживаются. С помощью электронной микроскопии установлено, что длина нитей актина л миозина в момент сокращения не изменяется. Поэтому Хаксли и Хэнсон разработали теорию скольжения нитей. Согласно ей мышца укорачивается в результате движения тонких актиновых нитей в промежутки между миозиновыми. Это приводит к укорочению каждого саркомера, образующего миофибриллы. Скольжение же нитей обусловлено тем, что при переходе в активное состояние головки отростков миозина связываются с центрами актиновых нитей и вызывают их движение относительно себя (гребковые движения). Но это последний этап всего сократительного механизма. Сокращение начинается с того, что в области концевой пластинки двигательного нерва возникает ПД. Он с большой скоростью распространяется по сарколемме и переходит с неё по системе поперечных трубочек СР, на продольные трубочки и цистерны. Возникает деполяризация мембраны цистерн и из них в саркоплазму высвобождаются ионы кальция. На нитях актина расположены молекулы еще двух белков -тропонина и тропомиозина При низкой (менее 10-8 М) концентрации кальция, т.е. в состояния покоя, тропомиозин блокирует присоединение мостиков миозина к нитям актина Когда ионы кальция начинают выходить из СР, молекула тропонина изменяет свою форму таким образом, что освобождает активные центры актина от тропомиозина. К этим центрам присоединяются головки миозина и начинается скольжение за счет ритмического прикрепления я разъединения поперечных мостиков с нитями актина При этом головки ритмически продвигаются по нитям: актина к Z-мембранам. Для полного сокращения мышцы необходимо 50 таких циклов. Передача сигнала от возбужденной мембраны к миофибриллам называется электромеханическим сопряжением. Когда генерация ПД прекращается и мембранный потенциал, возвращается к исходному уровню, начинает работать Са-насос (фермент Са-АТФаза). Ионы кальция вновь закачиваются в цистерны саркоплазматического ретикулума и их концентрация падает ниже 10-8 М. Молекулы тропонина приобретают исходную форму и тропомиозин вновь начинает блокировать активные центры актина. Головки миозина отсоединяются от них и мышца за счет эластичности приходит в исходное расслабленное состояние.

Энергетика мышечного сокращения

Источником энергии для сокращения и расслабления служит АТФ. На головках миозина есть каталитические центры, расщепляющие АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Т.е. миозин является одновременно ферментом АТФ-азой. Активность миозина как АТФазы значительно возрастает при его взаимодействии с актином. При каждом цикле взаимодействия актина с головкой миозином расщепляется 1 молекула АТФ. Следовательно, чем больше мостиков переходят в активное состояние, тем больше расщепляется АТФ, тем сильнее сокращение. Для стимуляции АТФ-азной активности миозина требуются ионы кальция, выделяющиеся из СР, которые способствуют освобождению активных центров актина от тропамиозина. Однако запасы АТФ в клетке ограничены. Поэтому для восполнения запасов АТФ происходит его восстановление - ресинтез. Он осуществляется анаэробным и аэробным путем. Процесс анаэробного ресинтеза осуществляется фосфагенной и гликолитической системами. Первая использует для восстановления АТФ запасы креатинфосфата. Он расщепляется на креатин и фосфат, который с помощью ферментов переносится на АДФ (АДФ+ф=АТФ).Фосфагенная система ресинтеза обеспечивает наибольшую мощность сокращения, но в "связи с малым количеством креатинфосфата в клетке, она функционирует лишь 5-6 секунд сокращения. Гликолитическая система использует для ресинтеза АТФ анаэробное расщепление глюкозы (гликогена) до молочной кислоты. Каждая молекула глюкозы обеспечивает восстановление трех.молекул АТФ. Энергетические возможности этой системы выше, чем фосфагенной, но и она может служить источником энергии сокращения лишь 0,5 - 2 мин. Лри этом работа гликолитической системы сопровождается накоплением в мышцах молочной кислоты и снижением содержания кисдоррда. Лри продолжительной работе, с усилением.кровообращения, ресинтез АТФ начинает осуществляться с помощью окислительного фософрилирования, т.е. аэробным путем. Энергетические возможности окислительной системы значительно больше остальных. Процесс происходит за счет окисления углеводов и жиров. При интенсивной работе в основном окисляются углеводы, при умеренной жиры. Для расслабления также нужна энергия АТФ. После смерти содержание АТФ в клетках быстро снижается и когда становится ниже критического, поперечные мостики миозина не могут отсоединиться от актиновых нитей (до ферментативного аутолиза этих белков). Возникает трупное окоченение. АТФ необходима для расслабления потому, что обеспечивает работу Са-насоса.

Биомеханика мышечных сокращений

Одиночное сокращение, суммация, тетанус

При нанесении на двигательный нерв или мышцу одиночного порогового или сверхпорогового раздражения, возникает одиночное сокращение. При его графической регистрации, на полученной кривой можно выделить три последовательных периода:

1 Латентный период. Это время от момента нанесения раздражения до начала сокращения. Его длительность около 1-2 мсек. Во время латентного периода генерируется и распространяется ЛД происходит высвобождения кальция из СР, взаимодействие актина с миозином и т.д 2.Период укорочения. В зависимости от типа мышцы (быстрая или медленная) его продолжительности от 10 до 100 мсек., З.Период расслабления. Его длительность несколько больше, чем укорочения. Рис.

В режиме одиночного сокращения мышца способна работать длительное время без утомления, но его сила незначительна. .Поэтому в организме такие сокращения встречаются редко, например так могут сокращаться быстрые глазодвигательные мышцы. Чаще одиночные сокращения суммируются.

Суммация это сложение 2-х последовательных сокращений при нанесении на нее 2-х пороговых или сверхпороговых раздражений, интервал между которыми меньше длительности одиночного сокращения, но больше продолжительности рефрактерного периода. Различают 2 вида суммации: полную и неполную суммацию. Неполная суммация возникает в том случае, если повторное раздражение наносится на мышцу, когда он уже начала расслабляться. Полная возникает тогда, когда повторное раздражение действует на мышцу до начала периода расслабления, т.е. в конце периода укорочения.(рис 1,2). Амплитуда сокращения при полной суммации выше, чем неполной. Если интервал между двумя раздражениями еще больше уменьшить. Например нанести второе в середине периода укорочения, То СуМмации не будет, потому что мышца находится в состоянии рефрактерности.

Тетанус- это длительное сокращение мышцы, возникающее в результате суммации нескольких одиночных сокращений, развивающихся при нанесении на нее ряда последовательных раздражений. Различают 2 формы тетануса; зубчатый и гладкий. Зубчатый тетанус наблюдается в том случае, если каждое последующее раздражение действует на мышцу, когда она уже начала расслабляться. Т.е. наблюдается неполная суммация (рис). Гладкий тетанус возникает тогда, когда каждое последующее раздражение наносится в конце периода укорочения. Т.е. имеет место полная суммация отдельных сокращений и (рис). Амплитуда гладкого тетануса больше, чем зубчатого. В норме мышцы человека сокращаются в режиме гладкого тетануса. Зубчатый возникает при патологии, например тремор рук при алкогольной интоксикации и болезни Паркинсона.

Влияние частоты и силы раздражения на амплитуду сокращения

Если постепенно увеличивать частоту раздражения, то амплитуда тетанического сокращения растет. При определенной частоте она станет максимальной. Эта частота называется оптимальной. Дальнейшее увеличение частоты раздражения сопровождается снижением силы тетанического сокращения. Частота, при которой начинается снижение амплитуды сокращения, называется пессимальной. При очень высокой частоте раздражения мышца не сокращается (рис.). Понятие оптимальной и пессимальной частот предложил Н.Е.Введенский. Он установил,- что каждое раздражение пороговой или сверхпороговой силы, вызывая сокращение, одновременно изменяет возбудимость мышцы. Поэтому при постепенном увеличении частоты раздражения, действие импульсов все больше сдвигаются к началу периода расслабления, т.е. фазе экзальтации. При оптимальной частоте все импульсы действуют на мышцу в фазе экзальтации, т.е. повышенной возбудимости. Поэтому амплитуда тетануса максимальна. При дальнейшем увеличении, частоты раздражения, все большее количество импульсов воздействуют на мышцу, находящуюся в фазе рефрактерности. Амплитуда тетануса уменьшается.

Одиночное мышечное волокно, как и любая возбудимая клетка, реагирует на раздражение по закону «все или ничего». Мышца подчиняется закону силы. При увеличении силы раздражения, амплитуда сокращения ее растет. Лри определенной (оптимальной) силе амплитуда становится максимальной. Если же и дальше повышать силу раздражения, амплитуда сокращения Не увеличивается и даже уменьшается за счет катодической депрессии. Такая сила будет пессимальной. Подобная реакция мышцы объясняется тем, что она состоит из волокон разной возбудимости, поэтому увеличение силы раздражения сопровождается возбуждением все большего их числа. При оптимальной силе все волокна вовлекаются в сокращение. Католическая депрессия - это снижение возбудимости под действием деполяризующего тока - катода, большой силы или длительности.

Режимы сокра щения. Сила и работа мышц

Различают следующие режимы мышечного сокращения:

1.Изотонические сокращения. Длина мышцы уменьшается, а тонус не изменяется. В двигательных функциях организма не участвуют.

2.Изометрическое сокращения. Длина мышцы не изменяется, но тонус возрастает. Лежат в «основе статической работы, например при поддержании позы тела

З.Ауксотонические сокращения. Изменяются и длина и тонус мышцы. С помощью их происходит передвижение тела, другие двигательные акты.

Максимальная сила мышц - это величина максимального напряжения, которое может развить мышца. Она зависит от строения.мышцы, ее функционального состояния, .исходной длины, пола, возраста, степени тренированности человека.

В зависимости от строения, выделяют мышцы с параллельными волокнами (например портняжная), веретенообразные (двуглавая мышца плеча), перистые (икроножная). У этих типов мышц различная площадь поперечного физиологического сечения. Это сумма площадей поперечного сечения всех мышечных волокон, образующих мышцу. Наибольшая площадь поперечного физиологического сечения, а следовательно сила, у перистых мышц. Наименьшая у мышц с параллельным расположением волокон (рис.). При умеренном растяжение мышцы сила ее сокращения возрастает, но при перерастяжении уменьшается. При умеренном нагревании она также увеличивается, а охлаждении снижается. Сила мышц снижается при утомлении, нарушениях метаболизма и т.д. Максимальная сила различных мышечных групп определяется динамометрами, кистевым, становым и т.д.

Для сравнения силы различных мышц определяют их удельную ил и. абсолютную силу. Она равна максимальной, деленной на кв. см. площади поперечного сечения мышцы. Удельная сила икроножной мышцы человека составляет 6,2 кг/см2, трехглавой - 16,8 кг/см2, жевательных - 10 кг/см 2.

Работу мышц делят на динамическую и статическую Динамическая выполняется при перемещении груза. При.динамической работе изменяется длина мышцы и ее напряжение. Следовательно мышца работает в ауксотоническом режиме. При статической работе перемещения груза не происходит, т.е. мышца работает в изометрическом режиме. Динамическая работа равна произведению веса груза на высоту его подъема или величину укорочения мышцы (А = Р * h). Работа измеряется в кГ.М, джоулях. Зависимость величины работы от нагрузки подчиняется закону средних нагрузок. При увеличении нагрузки работа мышц первоначально растет. При средних нагрузках она становится максимальной. Если увеличение нагрузки продолжается, то работа снижается (рис.)- Такое же влияние на величину работы оказывает ее ритм. Максимальная работа мышцы осуществляется при среднем ритме. Особое значение в расчете величины рабочей нагрузки имеет определение мощности мышцы. Это работа выполняемая в единицу времени

(Р = А * Т). Вт

Утомление мышц

Утомление - это временное снижение работоспособности мышц в результате работы. Утомление изолированной мышцы можно вызвать ее ритмическим раздражением. В результате этого сила сокращений прогрессирующе уменьшается (рис). Чем выше частота, сила раздражения, величина нагрузки тем быстрее развивается утомление. При утомлении значительно изменяется кривая одиночного сокращения. Увеличивается продолжительность латентного периода, периода укорочения и особенно периода расслабления, но снижается амплитуда (рис.). Чем сильнее утомление мышцы, тем больше продолжительность этих периодов. В некоторых случаях полного расслабления не наступает. Развивается контрактура. Это состояние длительного непроизвольного сокращения мышцы. Работа и утомление мышц исследуются с помощью эргографии.

В прошлом веке, на основании опытов с изолированными мышцами, было предложено 3 теории мышечного утомления.

1.Теория Шиффа: утомление является следствием истощения энергетических запасов в мышце. 2.Теория Пфлюгера: утомление обусловлено накоплением в мышце продуктов обмена. 3.Теория Ферворна: утомление объясняется недостатком кислорода в мышце.

Действительно эти факторы способствуют утомлению в экспериментах на изолированных мышцах. В них нарушается ресинтез АТФ, накапливается молочная и пировиноградная кислоты, недостаточно содержание кислорода. Однако в организме, интенсивно работающие мышцы, получают необходимый кислород, питательные вещества, освобождаются от метаболитов за счет усиления общего и регионального кровообращения. Поэтому были предложены другие теории утомления. В частности, определенную роль в утомлении принадлежит нервно-мышечным синапсам. Утомление в синапсе развивается из-за истощения запасов нейромедиатора. Однако главная роль в утомлении двигательного аппарата принадлежит моторным центрам ЦНС. В прошлом веке ЛМ.Сеченов установил, что если» наступает утомление мышц одной руки, то их работоспособность восстанавливается быстрее при работе другой рукой или ногами. Он считал, что это связано с переключением процессов возбуждения с одних двигательных центров на другие. Отдых с включением других мышечных групп он назвал активным. В настоящее время установлено, что двигательное утомление связано с торможением соответствующих нервных центров, в результате метаболических процессов в нейронах, ухудшением синтеза нейромедиаторов и угнетением синаптической передачи.

Двигательные единицы

Основным морфо-функциональным элементом нервно-мышечного аппарата скелетных мышц является двигательная единица (ДЕ). Она включает мотонейрон спинного мозга с иннервируемыми его аксоном.мышечными волокнами. Внутри мышцы.этот аксон образует.несколько концевых веточек. Каждая такая веточка образует контакт - нервно-мышечный синапс на отдельном мышечном волокне.

Нервные импульсы, идущие от мотонейрона, вызывают сокращения определенной группы мышечных волокон. Двигательные единицы мелких мышц, осуществляющих тонкие движения (мышцы глаза, кисти)» содержат небольшое количество мышечных.волокон. В крупных их в сотни раз больше. Все ДЕ в зависимости от функциональных особенностей делятся на 3 группы:

1. Медленные неутомляемые. Они образованы «красными» мышечными волокнами, в которых меньше миофибрилл. Скорость сокращения и сила этих волокон относительно небольшие, но они мало утомляемы. Поэтому их относят к тоническим. Регуляция сокращении таких волокон осуществляется небольшим количеством мотонейронов, аксоны которых имеют мало концевых веточек. Пример -камбаловидная мышца.

I1B. Быстрые, легко утомляемые. Мышечные волокйа содержат много миофибрилл и называются: «белыми». Быстро сокращаются и развивают большую силу, но быстро утомляются. Поэтому их называют фазными. Мотонейроны этих ДЕ самые крупные, имеют толстый аксон с многочисленными концевыми веточками. Они генерируют нервные импульсы большой частоты. Мышцы глаза ПА. Быстрые, устойчивые к утомлению. Занимают промежуточное положение.

Физиология гладких мышц

Гладкие мышцы имеются в стенках большинства органов пищеварения, сосудов, выводных протоков различных желез, мочевыводящей системы. Они являются непроизвольными и обеспечивают перистальтику органов пищеварения и мочевыводящей системы, поддержание тонуса сосудов. В отличие от скелетных, гладкие мышцы образованы клетками чаще веретенообразной формы и небольших размеров, не имеющими поперечной исчерченности. Последнее связано с тем, что сократительный аппарат не обладает упорядоченным строением. Миофибриллы состоят из тонких нитей актина, которые идут в различных направлениях и прикрепляющихся к разным участкам сарколеммы. Миозиновые протофибриллы расположен рядом с актиновыми. Элементы саркоплазматического ретикулума не образуют систему трубочек. Отдельные мышечные клетки соединяются между собой контактами с низким электрическим сопротивлением - нексусами, что обеспечивает распространение возбуждения по всей гладкомышечной структуре. Возбудимость и проводимость гладких мышц ниже, чем скелетных.

Мембранный потенциал составляет 40-60 мВ, так как мембрана ГМК имеет относительно высокую проницаемость для ионов натрия. Причем у многих гладких мышц МП не постоянен. Он периодически уменьшается и вновь возвращается к исходному уровню. Такие колебания называют медленными волнами (MB). Когда вершина медленные волны достигает критического уровня деполяризации, на ней начинают генерироваться потенциалы действия, сопровождающиеся сокращениями (рис). MB и ПД проводятся по гладким мышцам со скоростью всего от 5 до 50 см/сек. Такие гладкие мышцы называют спонтанно активными; т.е. они обладают автоматией. Например за счет такой активности происходит перистальтика кишечника. Водители ритма кишечной перистальтики расположены в начальных отделах соответствующих кишок. *

Генерация ПД в ГМК обусловлена входом в них ионов кальция. Механизмы электромеханического сопряжения также отличаются. Сокращение развивается за счет кальция, входящего в клетку во время ПД, Опосредует связь кальция с укорочением миофибрилл важнейший клеточный белок -кальмодулин.

Кривая сокращения также отличается. Латентный период, период укорочения, а особенно расслабления значительно продолжительнее, чем у скелетных мышц Сокращение длится несколько секунд. Гладким мышцам, в отличие от скелетных свойственно явление пластического тонуса. Это способность длительное время находится в состоянии сокращения без значительных энергозатрат и утомления. Благодаря этому свойству поддерживается форма внутренних органов и тонус сосудов. Кроме того гладкомышечные клетки сами являются рецепторами растяжения. При их натяжении начинают генерироваться ПД, что приводит к сокращению ГМК Это явление называется мисгегшым механизмом регуляции сократительной активности.

Физиология процессов межклеточной передачи возбуждения

Проведение возбуждения по нервам

Функцию быстрой передачи возбуждения к нервной клетке и от нее выполняют ее отростки -дендриты и аксоны, т.е. нервные волокна. В зависимости от структуры их делят на шкотные, имеющие миелиновуто оболочку, и безмякотные. Эта оболочка формируется шванновскими клетками, являющиеся видоизмененными глиальными клетками. Они содержат миелин, который в основном состоит из липидов. Он выполняет изолирующую и трофическую функции. Одна шванновскач клетка образует оболочку на 1 мм нервного волокна. Участки, где оболочка прерывается, т.е. не покрыты миелином называют перехватами Ранвье. Ширина перехвата 1 мкм (рис.).

Функционально все нервные волокна делят на три группы:

1. Волокна типа Л - это толстые волокна, имеющие миелиновую оболочку. В эту группу входят 4 подтипа:

1.1. Act - к ним относятся двигательные волокна скелетных мышц и афферентные нервы, идущие от мышечных веретен (рецепторов растяжения). Скорость проведения по ним максимальна - 70-120 м/сек

1.2. АР - афферентные волокна, идущие от рецепторов давления и прикосновения кожи. 30 - 70 м/сек 1.3.Ау - эфферентные волокна, идущие к мышечным веретенам (15 - 30 м/сек).

I.4.A5 - афферентные волокна от температурных и болевых рецепторов кожи (12-30 м/сек).

2. Волокна группы В - тонкие миелинизированные волокна, являющиеся преганглионарными волокнами вегетативных эфферентных путей. Скорость проведения - 3-18 м/сек

3.Волокна группы С, безмиелиновые постганглионарные волокна вегетативной нервной системы. Скорость 0,5 -3 м/сек.

Проведение возбуждения по нервам подчиняется следующим законам:

1.Закон анатомической и физиологической целостности нерва. Первая нарушается при перерезке, вторая - действии веществ блокирующих проведение, например новокаина.

2. Закон двустороннего проведения возбуждения. Оно распространяется в обе стороны от места раздражения. В организме чаще всего возбуждение по афферентным путям оно идет к нейрону, а по эфферентным - от.нейрона Такое распространение.называется ортодромным. Очень редко возникает обратное или антидромное распространение возбуждения.

З.Закон изолированного проведения. Возбуждение не передается с одного нервного волокна на другое, входящее в состав этого же нервного ствола

4.Закон бездекрементного проведения. Возбуждение проводится по нервам без декремента, т.е. затухания. Следовательно, нервные импульсы не ослабляются проходя помним. 5.Скорость проведения прямо пропорциональна диаметру нерва.

Нервные волокна обладают свойствами электрического кабеля, у которого не очень хорошая изоляция. В основе механизма проведения возбуждения лежит возникновение местных токов. В результате генерации ПД в аксонном холмике и реверсии мембранного потенциала, мембрана аксона приобретает противоположный заряд. Снаружи она становится отрицательной, внутри положительной. Мембрана нижележащего, невозбужденного участка аксона заряжена противоположным образом. Поэтому между этими участками, по наружной и внутренней поверхностям мембраны начинают проходить местные токи. Эти токи деполяризуют мембрану нижележащего невозбужденного участка нерва до критического уровня и в нем также генерируется ПД. Затем процесс повторяется и возбуждается более отдаленный участок нерва и т.д. (рис.). Т.к. по мембране безмякотного:волокна местные токи текут не прерываясь, поэтому такое проведение называется непрерывным. При непрерывном проведении местные токи захватывают большую поверхность волокна, поэтому им * фебуется. длительное время для прохождения по участку волокна В результате дальность и скорость приведения возбуждения по безмякотным волокнам небольшая.

В мякотных волокнах, участки покрытые миелином обладают большим электрическим сопротивлением. Поэтому непрерывное проведение ПД невозможно. При генерации ПД местные токи текут лишь между соседними перехватами. Ло закону «все или ничего» .возбуждается ближайший.к аксонному холмику перехват Ранвье, затем соседний нижележащий перехват и т.д. (рис.). Такое проведение называется сальтаторным (прыжком). При этом механизме ослабления местных токов не происходит и нервные импульсы распространяются на большое расстояние и с большой скоростью.

Сннаптическая передача Ст роение и классификация синапсов

Синапсом называется место контакта нервной клетки с другим нейроном или исполнительным органом. Все синапсы делятся на следующие группы: 1.По механизму передачи:

Подобные документы

Понятие возбудимости и раздражимости, способность живых клеток воспринимать изменения внешней среды и отвечать на раздражения реакцией возбуждения. Скорость протекания циклов возбуждения в нервной ткани (лабильность). Свойств биологических мембран.

реферат , добавлен 31.12.2012


Сходство физической природы звука и вибрации. Действие низкочастотной вибрации на клетки и ткани организма животных и человека. Патологические процессы, возникающие в результате действия вибрации. Совместное действие шума и вибрации на живой организм.

контрольная работа , добавлен 21.09.2009


Сущность пищеварения, критерии его классификации. Функции желудочно-кишечного тракта. Ферменты пищеварительных соков. Строение пищеварительного центра (голод и насыщение). Процесс пищеварения в полости рта и желудке, основные механизмы его регуляции.

презентация , добавлен 26.01.2014


Физиология как наука о функциях и процессах, протекающих в организме, ее разновидности и предметы изучения. Возбудимые ткани, общие свойства и электрические явления. Этапы исследования физиологии возбуждения. Происхождение и роль мембранного потенциала.

контрольная работа , добавлен 12.09.2009


Изучение видов тканей внутренней среды – комплекса тканей, образующих внутреннюю среду организма и поддерживающих ее постоянство. Соединительная ткань – главная опора организма. Трофическая, опорно-механическая, защитная функция ткани внутренней среды.

презентация , добавлен 12.05.2011


Адаптация как одно из ключевых понятий в экологии человека. Основные механизмы адаптации человека. Физиологические и биохимические основы адаптации. Адаптация организма к физическим нагрузкам. Снижение возбудимости при развитии запредельного торможения.

реферат , добавлен 25.06.2011


Виды эпителиальной ткани. Однослойный плоский эпителий. Мерцательный или реснитчатый, цилиндрический эпителий. Основные виды и функции соединительной ткани. Овальные тучные клетки, фибробласты. Плотная соединительная ткань. Функции нервной ткани.

презентация , добавлен 05.06.2014


Возбудимые ткани и их свойства. Структура и функции биологических мембран, транспорт веществ через них. Электрические явления возбудимых тканей, их характер и обоснование. Рефрактерные периоды. Законы раздражения в возбудимых тканях, их применение.

презентация , добавлен 05.03.2015


Анатомия и физиология как науки. Роль внутренней среды, нервной и кровеносной систем в превращении потребностей клеток в потребности целого организма. Функциональные системы организма, их регуляция и саморегуляция. Части тела человека, полости тела.

презентация , добавлен 25.09.2015


Опорно-трофические (соединительные) ткани - клетки и межклеточное вещество организма человека, их морфология и функции: опорная, защитная, трофическая (питательная). Виды тканей: жировая, пигментная, слизистая, хрящевая, костная; специальные свойства.

Что такое биофизика

Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях человек опирается на науку и технику. Громадные радиотелескопы услышали "голос" далеких галактик, прочные батискафы помогли открыть на дне океана новый мир с невиданными животными, мощные ракеты вышли из сферы земного притяжения и открыли дорогу в космос...

Есть в окружающей нас природе еще одна "крепость". Это сама жизнь. Да, жизнь, живой организм, живая клетка - невидимый глазом комочек протоплазмы (или цитоплазмы) с ядром, заключенный в оболочку,- одно из самых загадочных явлений в мире. И эта "крепость" должна сдаться, мощное оружие - ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых клеток, проникая в самую сущность жизни.
Изучение человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки старых наук. Например, физика - одна из наиболее важных наук о природных явлениях - развилась так широко, что возникла потребность выделить новые, самостоятельные области - квантовую физику, ядерную, физику твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Процесс расширения и углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и таких разделов наук, которые изучают процессы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знания.
Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии, является биофизика, играющая особую роль в изучении свойств живой материи.
Биофизика - это наука о физических и физико-химических процессах и их регулировании в живом организме.
От биофизики в свою очередь отпочковываются новые науки, расширяющие горизонты человеческих знаний. Так выделилась радиобиология - наука о действии различных видов радиации на живые организмы; космическая биология - наука, изучающая особенности жизни в космосе; механохимия, исследующая взаимное превращение химической и механической энергии, происходящее в мышечных волокнах; совсем недавно возникла бионика, изучающая живые организмы с целью использовать принципы их работы для создания новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов.
Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах - молекулярной биофизике, клеточной и биофизике процессов управления.
Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей - теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом, взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия. Теоретическая биофизика изучает первичные явления и процессы, происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят ученые, веществах, т. е. на выделенных из живого организма или искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают основные процессы фотосинтеза, природу биопотенциалов, биолюминесценцию и другие явления.
Экспериментальная же (прикладная) биофизика изучает работу организма в целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической биофизики (биофизика движения, зрения, регулирования физиологических функций).
Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется молекулярной биофизикой. Этот отдел изучает свойства биологических молекул, физико-химические процессы, происходящие в чувствительных клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание уделяется при этом изучению свойств ферментов - белков, обладающих свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых организмах.
Благодаря успехам молекулярной биофизики люди узнали много нового о том, как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит передвижение молекул и ионов, как идет синтез белков, как запасается энергия в живых клетках. Молекулярная биофизика помогает в изучении фотосинтеза.
Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавливающие ее, создающие с ее помощью органическое вещество и тем самым дающие жизнь всему живому на Земле.
Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в клетках листа, - хлоропластах, содержащих растительные пигменты - хлорофилл и каротиноиды.
Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а затем и протон используется для восстановления углекислого газа до углеводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом по частям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же воды (его называют гидроксилом) разлагается особыми ферментами, образуя кислород, которым дышит все живое.
Мы рассказали очень сжато о фотосинтезе. На самом деле превращение световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в химическую энергию веществ, синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконечную цепь молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с одних молекул на другие, образуются и распадаются молекулы соединений, обладающие большой энергией, происходят сотни тысяч реакций.
Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и выяснению его деталей мы обязаны молекулярной биофизике.
Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист - это как бы миниатюрный "завод", вырабатывающий вещества, составляющие основу питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения потребляют в год громадные количества углекислого газа - 150 000 000 000 г! Если ученые разгадают до конца великую тайну зеленого листа, человечество получит самый быстрый и самый экономичный способ получения питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня дают человеку зеленые растения.
Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают в животных организмах, например в их органах чувств.
Одна из таких удивительных и необычайных страниц молекулярной биофизики - изучение запаха. Химики создали около 1 млн. органических соединений, и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может различать несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно исключительно малых количеств, чтобы их ощутить, - всего миллионные и миллиардные доли миллиграмма на литр воды (например, таких веществ, как скатол, тринитробутилтолуол, [достаточною-7-Ю-9 мг/л).
Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например, различают около полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно собаки-ищейки) чувствовать нужный запах, даже если он ничтожно слаб. Стоит человеку только чуть-чуть прикоснуться к предмету - и собака уже может определить, кто это сделал. Известны случаи, когда натренированные собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под землей на глубине 2-3 м.
Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают пахучее вещество при его неизмеримо малом содержании-10" мг/л. Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. м3 воды! Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких километров. Расчеты показывают, что в таком случае бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 мг воздуха. Как это происходит, остается пока загадкой. Некоторые ученые предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные волны, энергия которых воспринимается чувствительными клетками насекомых и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях.
Недавно внимание биофизиков привлекла необычная способность некоторых видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапками какого-либо вещества, мгновенно производит точный химический анализ. Механизм этого явления неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках определяют "вкус" вещества электромагнитным путем!
Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различия в чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных, рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установлено, что имеется несколько основных (6-7) запахов, сочетаниями которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятельных клеток, воспринимающих запах. В клетках есть молекулярные по размерам углубления строго определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих веществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса - диска и т. д.). Попадая в "свое" углубление, молекула раздражает нервные окончания и создает ощущение запаха.
Даже из краткого рассказа видно, что существует тесная связь между изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологических молекул, а также те системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая исследует свойства и функционирование клеток - выделительных, сократительных, обонятельных и др.
Развитию биофизики клетки, о которой мы сейчас расскажем, во многом способствовало изобретение электронного микроскопа. Применение электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о их внутреннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом сразу открылся новый мир ультрамикроскопических (самых мельчайших) клеточных структур. Электронные микроскопы позволили увидеть различной толщины мембраны, мельчайшие трубочки, в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, канальцы. Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры - митохондрии, хлоропласты - тоже имеют довольно сложное строение. Стало ясно, что любая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно.
Особенно поразило исследователей многообразие структурных элементов. Например, в нервной клетке находится до 70 тыс. частиц - митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотни тысяч самых мелких частиц - рибосом, создающих белковые молекулы.
Самое удивительное то, что в любой маленькой клеточке живого организма происходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых веществ и выделение ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим клетки выполняют специальные функции: клетки сетчатки глаза определяют силу и качество света, клетки слизистой оболочки носа определяют запах веществ, клетки различных желез выделяют особые вещества - ферменты, способствующие пищеварению, и гормоны, помогающие росту и развитию организма.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки сообщают нервными электрическими импульсами в головной мозг - главный координирующий центр. Как клетки получают необходимые сведения из окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах-импульсах, как образуются биологические потенциалы в клетках, какова связь с головным мозгом - все эти и многие другие вопросы изучает биофизика клетки.
Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно известно, что многие живые организмы обладают способностью к свечению - люминесценцией. Сильно свечение многих обитателей морей - рыб, губок, звезд и т. д. Но оказывается, клетки любых организмов обладают люминесценцией - так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь ничтожен, что обнаружить его могут лишь особые приборы - фотоэлектронные умножители, способные в миллионы раз усиливать падающий световой поток. Сверхслабое свечение наблюдается в корешках и листьях растений, в клетках различных органов животных. Сверхслабое свечение присуще всем клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических реакций, протекающих в клетках.
Ученые выяснили, что сверхслабое свечение имеет свои особенности у различных групп животных, насекомых и растений. По интенсивности сверхслабого свечения биофизики уже сейчас могут определить засухо- и морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем самым помочь селекционерам и физиологам растений в выведении нужных сортов.
Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них реакции, несмотря на их сложность, протекают с удивительной правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма изучает возникший совсем недавно отдел науки - биофизика процессов управления и регуляции.
Расскажем о работе этого отдела на следующем примере. Каждый орган человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа - так называемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка занимает площадь не более 4 с но содержит чуть ли не 500 млн. обонятельных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., и далее в мозг. Отделы мозга - полушария головного мозга - содержат 2 1010 клеток, а в мозжечке их еще больше-10й. Даже] трудно себе представить, какой поток информации получает мозг каждую секунду от всех органов и тканей.
Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов, должны быть правильно расшифрованы, затем необходимо принять соответствующие "решения" и передать ответные сигналы - указания о том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы в целом в определенных условиях. Ясно, что в центральную нервную систему поступают тысячи разнообразных сигналов из внешней среды в виде звуков, света, запахов и пр. Таким образом, | мы видим, насколько сложны взаимосвязи в любом организме, как сложна работа по управлению клетками, регулированию их состояния, контролю за согласованностью всех жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на законы, открытые другой наукой - кибернетикой. Пользуясь ее методами, биофизики, изучающие процессы управления и регулирования, разработали электронные модели живых организмов, органов, клеток и даже отдельных процессов, происходящих в этих клетках. Такие электронные модели (например, электронная черепаха, электронная нервная клетка, электронная модель процесса фотосинтеза) облегчают изучение всех | сложных явлений регуляции в живом организме.
Биофизики, изучающие регуляцию и управление в живом организме, выяснили, что как клетки, так и органы живых организмов представляют собой систему, обладающую удивительным свойством. Клетки и органы, как говорят биофизики,- это САМО-регулирующиеся, САМОорганизующиеся, САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы, т. е. вся их работа, необычные качества и свойства, характеризующие их, постоянство состава среды внутри них и выполняемой ими работы - все обусловлено процессами, протекающими в них самих.
Чтобы немного подробнее представить себе работу биофизиков, расскажем об одном интересном направлении, возникшем на основе биофизики и уже оформившемся в самостоятельную биофизическую науку - бионику.
Это наука, которая изучает живые организмы для создания совершенных искусственных систем, машин и приборов. Результаты исследований биоников показали, что инженерам-конструкторам всех специальностей есть чему поучиться у природы. Вот несколько примеров.
В конструкцию современных электронных вычислительных машин входит большое количество различных деталей (полупроводниковые диоды, триоды, сопротивления, конденсаторы и т. д.). Размеры электронных вычислительных машин зависят от того, сколько таких деталей (элементов) находится в 1 см3 машины. Чем больше рабочих элементов в 1 см3 (так называемая плотность монтажа), тем более емка "память" машины, больше возможностей проводить нужные операции, лучше работа. Оказывается, что если наивысшая плотность монтажа в технических схемах машин достигает 2000 элементов в 1 слг3, то плотность монтажа элементов мозга в 50 тыс. раз больше: 100 ООО ООО элементов в 1 см3.

Отличие живых организмов от самых сложных современных машин и приборов проявляется не только в строении, но и в свойствах. Возьмем, к примеру, органы зрения. Глаза у животных не только разной величины - от микроскопически малых у муравья (0,1 мм) до гигантских (20-30 см) у кальмаров, - но отличаются и другими свойствами.
Оказывается, глаз рыбы-мечехйоста способен усиливать контраст между краем видимого изображения и общим фоном, так что предмет становится резко очерченным - подобно тому как это делают на экране телевизора, усиливая или ослабляя контраст. Интересным свойством обладает также глаз обыкновенной болотной лягушки. Известно, что лягушка питается только движущейся пищей - мухами, мошками, жучками. Но если насекомое не движется, лягушка никогда не найдет свою пищу и останется голодной: ее глаз воспринимает лишь движущиеся предметы, оставляя без внимания фон.
Давно было известно, что ночные лесные птицы (филин, сова) отлично видят в темноте, но совсем недавно выяснилась необычайная способность некоторых животных (лягушки, мыши) видеть даже "невидимые" ионизирующие лучи - рентгеновскую и космическую радиацию.
Природа оказалась исключительным конструктором, достигшим необычайных высот мастерства и в области слуха. Опыты показали, что человеческое ухо по своей чувствительности способно воспринимать звуки, ничтожно малую интенсивность которых даже трудно себе представить. Ее можно сравнить разве что с "шумом", с которым происходит тепловое движение молекул! Не менее поразителен слуховой орган кузнечика, расположенный у него на ножке. Этот орган позволяет кузнечику чувствовать колебания, размах которых (амплитуда) составляет половину диаметра атома водорода! Чувствительность слуха кузнечика настолько высока, что, находясь в Москве, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие в районе Дальнего Востока.
Бионика стремится познать все необычные свойства живых организмов и применить полученные данные для создания машин и приборов. Например, ученые разрабатывают прибор, который даст возможность слепым читать книги, набранные обычным типографским шрифтом. Уже создана модель искусственной руки, управляемой мыслью человека, точнее говоря, биопотенциалами, возникающими в мышцах. На основе изучения глаз пчелы и стрекозы (у них, кстати, очень большой угол зрения - 240-300°) конструкторы создали прибор - небесный компас, используемый при движении судов, самолетов. Изучение медузы помогло сконструировать прибор, предупреждающий о наступлении шторма почти за 15 часов. Список приборов, разработанных биониками, весьма большой, и даже простое их перечисление заняло бы много времени.
Но бионики не только копируют функции и строение отдельных органов животных. Они исследуют и используют особенности передачи информации у насекомых, птиц, рыб. Результаты этих работ очень интересны. Так, недавно стало известно, что комары поддерживают между собой связь с помощью электромагнитных волн миллиметрового диапазона (13-17 мм), причем дальность действия комариной "радиостанции" - 15 м\ Записаны звуки, издаваемые комарами при "испуге", "страшной опасности" (например, при появлении летучей мыши). Ученые работают над созданием ультразвуковых аппаратов, отпугивающих вредных насекомых и привлекающих полезных. (О бионике также см. ст. "Что такое техническая кибернетика и бионика".)

Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше как в области изучения молекул, клеток, так и организма в целом. Наш век - это время великих свершений во всех областях знания, в том числе в познании живой природы.

А.П. Дубов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.