Реферат: Биофизика

Биофизические исследования в физике

Интерес физиков кбиологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновре­менно и в биологическихдисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние всешире проникали в самые различ­ные области биологии. С помощью физики расширяютсяинформационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляетсяэлект­ронный микроскоп. Эффективным орудием биологического исследованиястановятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спек­тральная техника,рентгено-структурный анализ. Расширяется сфера при­менения рентгеновых иультрафиолетовых лучей; электромагнитные ко­лебания используются не только каксредства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широкопроникает в биологию и, осо­бенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрениемновых физических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика.Добившись огромных успехов в по­знании сущности неживой материи, физиканачинает претендовать, поль­зуясь традиционными методами, на расшифровкуприроды живой мате­рии. В молекулярной биофизике создаются весьма широкиетеорети­ческие 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 организмоввеществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработкаразличных моделей биологических структур и процессов — электрических, электронных, математических и т. п. Создаются и изучаются модели клеточногодвижения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающая ритмическиедвижения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внима­ниепривлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Этожелезное проволочное кольцо, помещенное в раствор со­ляной кислоты. Принанесении на него царапины, разрушающей поверх­ностный слой окисла, возникаетволна электрического потенциала, кото­рая очень похожа на волны, бегущие понервам при возбуждении. Изу­чению этой модели посвящается много исследований(начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальней­шемсоздается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основойее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределениемпотенциалов в электрическом кабеле и нервном

Остальные областимолекулярной биофизики пользуются меньшей по­пулярностью. Среди них следуетотметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. Математическаябиофизика свя­зана со многими областями биологии. Она не только описывает вмате­матической форме количественные закономерности таких явлений, как рост,деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать слож­ные физиологическиепроцессы высших организмов. В США школой Ра-шевского издается журнал«Математическая биофизика».

Сильным толчком дляформирования биофизики послужило возникнове­ние в конце XIX — начале XX в.физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих воснове химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла ксебе вни­мание биологов тем, что она открывала возможность познанияфизико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живыхсистемах, с которыми им трудно было работать. Ряд направлений, возник­ших вфизической химии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейшихсобытий в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевскаяпремия, 1903) теории электроли­тической диссоциации солей в водных растворах(1887), вскрывшая при­чины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов,ко­торым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, проведениянервных импульсов, в кровообращении и т. д. Уже в 1890 г. молодой физиолог В.Ю. Чаговец выступает с исследованием «О приме­нении теории диссоциацииАррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связатьвозникновение биоэлектри­ческих потенциалов с неравномерным распределениемионов. Несколько позже с аналогичными соображениями выступил американскийбиолог Ж. Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.

В перенесениифизико-химических представлений на биологические явления принимает участиецелый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионовсолей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный законвозбуждения: по­рог физиологического возбуждения определяется количествомперенесен­ных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникно­вениябиоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхностиклетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположныхзарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толкованиипроницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.

Возникновение новых направлений в физиологииживотных и человека, коренное изменение многих сложившихся ранее представлениии кон­цепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном, субкле­точноми молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м го­дам нашегостолетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитии физиологическихнаук, явились следствием современной науч­но-технической революции. Грандиозныедостижения физики и техники, в особенности электроники, автоматики и вычислительнойтехники, дав­шие в руки физиологов принципиально новые методы сбора и анализаинформации, привели к технической революции в этой области знания.Подтвердилась справедливость высказывания И. П. Павлова, что наука движетсятолчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.

Созданной в нашевремя новой инструментальной технике физиоло­гия обязана фундаментальнымиоткрытиями, возможностью проникнове­ния в интимные процессы жизнедеятельности,в их внутреннюю орга­низацию и механизм их регуляции.

На протяжениидесятка лет неузнаваемо изменился облик физиологиче­ской лаборатории. Стараяаппаратура, служившая исследователям более столетия, отжила свой век иперекочевала в музеи истории науки.

Особенно ценнымиоказались следующие качества новой инструмен­тальной техники: высокаячувствительность и точность измерительной аппаратуры, ее быстродействие,возможность преобразования одних про­цессов в другие (например, механических итепловых в электрические), возможность хранения и воспроизведения информации,осуществимость синхронного исследования нескольких физиологических процессов,воз­можность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многихприборов. Стал достижим точный количественный и временной анализ микропроцессов(изменений температуры в 0,000001°, механиче­ских перемещений, составляющих микроны,электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих в микрообъектах(одиночных клет­ках и их структурах) в микроинтервалы: времени (в течение долеймил­лисекунды). Применение современной инструментальной техники и раз­работкабольшого числа новых методов исследования оказали влияние решительно на всеотделы физиологии.

Развитие общейфизиологии тесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур.Еще в начале XX в. К. А. Тимирязев сетовал на то, что физиология клетки «пока инеосуществима, так как пе придумано еще ни весов, ни термометров, нигальванометров для клеточки». В настоящее время такие приборы сконструированы,и это явилось одной из важнейших предпосылок создания подлинно экспери­ментальнойфизиологии клетки. Другой предпосылкой следует считать успехи морфологическогои биохимического исследования клетки, также связанные с применением новойисследовательской техники.

Для пониманияпроисходящих в клетке физиологических процессов чрезвычайно велико значениеисследований, выполненных при помощи электронного микроскопа. Благодаря егоприменению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70—80. А, оспаривавшеесянекоторы­ми исследователями, было обнаружено существование сложных системвнутриклеточных мембран и раскрыта их пространственная организация. Выяснилось,что мембраны представляют собой обязательный структурный элемент клетки. Особоевнимание физиологов привлекли исследования саркоплазматической сети(ретикулума) мышечных волокон. Это образо­вание, впервые обнаруженное при помощисветового микроскопа, было вновь открыто Ф. Шёстрандом и Б. Андерсоном всередине 50-х годов благо­даря применению электронного микроскопа, позволившегоизучить детали его строения. Изучена структура миофибрилл — сократительныхэлемен­тов мышечных волокон. Посредством электронной микроскопии сверхтон­кихсрезов мышц в сочетании с исследованием рассеяния рентгеновых лучей под малымиуглами установлено, что миофибриллы состоят из двух систем нитей, которыеразличаются по толщине и химическому составу. Полагают, что более толстые нитиобразованы миозином, более тонкие — актином. Нити одной системы входят своимиконцами в промежутки между нитями другой системы, причем между теми и другимиимеются связывающие их поперечные мостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия,1963), обнаруживший такую структуру миофибрилл (1955—1956), выска­залпредположение, что во время сокращения происходит скольжение одной системынитей по другой.

Велики и достижениясовременной биохимии, получившей возможность изучать роль различныхвнутриклеточных образований в процессах об­мена веществ. Этими возможностямибиохимия обязана методикам уль­трацентрифугирования, ультразвуковойдезинтеграции, электрофореза, хроматографии, пламенной фотометрии,масс-спектрометрии, изотопной ин­дикации, адсорбционной спектроскопии,ауторадиографии, люминесцент­ного анализа, определения двойного лучепреломленияв потоке и мно­гим другим, основанным на новейших достижениях физики и техники.

Термодинамика системвблизи равновесия (линейная термодинамика). Первый и второй законы термодинамики

Предметомтермодинамики является рассмотрение общих закономерно­стей превращения энергиипри ее переносе в форме теплоты и работы между телами.

В зависимости отхарактера обмена энергии и массы с окружающей средой через границы системыразличают три группы систем. Изолированные системы не обмениваются с внешнейсредой ни энергией, ни массой, они полностью изолированы от влияния окружающейсреды. Системы, которые через свои границы обмениваются энергией с окружающейсредой, но не могут обмениваться массой (веществом), относятся к закрытымсистемам. Открытые системы обмениваются с окружающей средой и энергией, имассой.

Всякая системахарактеризуется определенными свойствами, или термоди­намическими параметрами.Их совокупность определяет термодинамическое состояние системы, поэтомуизменение хотя бы одного из параметров приводит к изменению термодинамическогосостояния системы в целом.

Процессы,протекающие в системе и изменяющие ее состояние, могут быть равновесными илинеравновесными. Равновесные, или обратимые, процессы протекают в системе такимобразом, что вызванные ими изменения в состоянии системы могут произойти вобратной последовательности без дополнительных изменений в окружающей среде.Наоборот, неравновесные, или необратимые, процессы, к которым относятсяреальные превращения в природе, не обладают этими свойствами, и их протекание вобратном направлении сопровождается остаточными изменениями в окружающей среде.В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесныесостояния системы, при ко­торых ее параметры сохраняют свое значение во всех точкахсистемы и не изменяются самопроизвольно во времени.

Первый законтермодинамики. Этот закон — обобщение многовекового опыта человечества, онявляется законом сохранения энергии в применении к процессам преобразованиятеплоты.

Обычная записьпервого закона термодинамики имеет вид

dQ=dU+dA

и означает, чтотеплота dQ, поглощенная системой из внешнейсреды, идет на увеличение внутренней энергии dU системы и совершение работы dA против внешних сил.

В общем случае dA включает работу против силвнешнего давления pdv имаксимальную полезную работу, сопровождающую химические превращения:

dA=dA'max+pdv

Список используемой литературы.

1.   Г. Мякишев, В. Григорьев. Силы вприроде. – М.: «Наука», 1987.

2.   История биологии: с нач. 20 в. донаших дней. – М.: «Просвещение», 1983.

3.   Рубин А.Б. Биофизика. – М.:«Наука», 1988.