Индивидуальные проекты по физике

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «БИОФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА»                             2 I. 1.1. 1.2. 1.3. II. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. СОДЕРЖАНИЕ Введение. Биофизика как наука. Цели, задачи, объекты изучения биофизики. История развития биофизики. Методы биофизических исследований. Биофизика человека. Прочней гранита. Как мы дышим. Дыхание и мыльные пузыри. Как мы слышим.  Заключение. Список литературы. 3 4 ­ 7 4 5 ­ 7 7 8 ­ 26 8 ­ 15 15 ­ 17 17 ­ 24 24 ­ 26 27 28 Введение. Изучая   в   школе   разные   естественные   науки,   я   задумался     о   том,   как   все   они     связаны   с человеком. Но самым интересным мне казалось узнать, как физика способна обогатить наши знания о нас самих. 3 Поэтому целью моего проекта я поставил рассмотрение биофизических, химико–биологических и физических  процессов протекающих в человеческом организме. На протяжении многих веков биология была лишь описательной наукой и практически не объясняла причин большинства явлений , происходящих в живом организме . И вот сейчас мы все являемся свидетелями качественных изменений в биологических науках Использование   достижений   физики   и   химии   сделало   возможным   исследование   основ   жизни   на молекулярном  уровне.  В  результате  взаимопроникновения   химии  и биологии  , физики  и биологии родились биохимия и  биофизика. Эти науки, в свою очередь, кардинально изменили медицину, снабдив её огромным количеством сложной диагностической и лечебной аппаратурой. В этой работе я постараюсь решить следующие задачи: ­ рассмотреть некоторые физические процессы, протекающие в человеческом организме и установить межпредметные связи между физикой и биологией; ­ выяснить, каким образом можно использовать полученные данные разных  наук. Глава 1. Биофизика как наука. 1.1. Цели, задачи, объекты изучения биофизики. 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 4 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  физико­химические  процессы  на разных уровнях   живой   материи   (молекулярном,   клеточном,   органном,   целого   организма),   а   также   закономерности   и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю. Задачи биофизики: 1. Установление закономерностей живой природы путем изучения физических и химических явлений в организме. 2. Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм. Разделы биофизики: 1. Молекулярная биофизика ­ кинетики и термодинамика процессов. 2. Биофизика клеток – изучение структуры клеток и физико­химические проявления – проницаемость, образование биопотенциалов. 3. Биофизика   органов   чувств   –   физико­химические   механизмы   рецепции,   трансформацию   энергии, кодирование информации ив рецепторах. 4. Биофизика сложных системы – процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов. 5. Биофизика воздействия внешних факторов ­ исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света Биофизики изучают жизнь на всех уровнях организации живой материи ­ от атомов и молекул до клеток, организмов и популяций. Биологи изучают жизнь в ее разнообразии и сложности. Они описывают, как организмы получают тепло, взаимодействуют, ощущают, размножаются. Физики – изучают математические законы природы, предсказывают,   какие   силы   управляют   физическими   системами.   Сокращение   дистанции   между сложностью жизни и простотой физических законов является главной проблемой биофизики. Биофизики ищут физические и математические принципы, которые описывают богатое многообразие биологических явлений.   Используя   эти   принципы   можно   понять   механизмы   биологических   процессов,   и   предсказать поведение биосистемы в определенных условиях. 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 1.2. История развития биофизики. Развитие   и   становление   биофизики   как   пограничной   науки   проходило   ряд   стадий.   Уже   на начальных этапах биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики. Проникновение   и   применение   законов   физики   для   описания   различных   закономерности   живой природы встретило целый ряд трудностей. Предметом биофизики является изучение физических и физико­химических процессов, лежащих в основе жизни. По природе объектов исследования, биофизика является типичной биологической наукой, а по   методам   изучения   и   анализа   результатов   исследования   является   своеобразным   разделом   физики. Биофизические методы созданы на основе физических и физико­химических методов изучения природы. В этих методах сочетаются трудно совместимые качества: высокая чувствительность и большая точность. 5 Ещё в прошлом веке делались попытки использовать методы и теории физики для изучения  и понимания природы биологических явлений. Причём исследователи рассматривали живые ткани и клетки как физические системы и не учитывали того факта, что основную роль в этих системах играет химия. Именно поэтому попытки  решать задачи оценки свойств биологического объекта с чисто физических позиций носили наивный характер. Основным методом этого направления являлись поиски аналогий. Биологические явления, сходные с явлениями чисто физическими трактовались, соответственно, как физические. Например эффект мышечного сокращения объясняли по аналогии с пьезоэлектрическим эффектом, на основании только того факта, что при наложении потенциала на кристалл происходило изменение длины   кристалла,   примерно   так   же   как   происходило   изменение   длины   мышцы   при   сокращении.   Рост клеток   считали   аналогичным   росту   кристалла.   Клеточное   деление   рассматривали   как   явление, обусловленное только поверхностно­активными свойствами наружных слоёв протоплазмы. Амебоидное движение   клеток   уподоблялось   изменению   поверхностного   натяжения   и,   соответственно,   его моделировали движением ртутной капли в растворе кислоты. Даже значительно позже, в двадцатые годы нашего столетия, детально рассматривали и изучали модель нервного проведения на анализе поведения так называемой модели Лили. Эта модель представляла собой железную проволоку, которая погружалась в раствор кислоты и покрывалась при этом плёнкой окиси.   При   нанесении   на   поверхность   царапины   окись   разрушалась,   а   затем   восстанавливалась,   но одновременно   разрушалась   в   соседнем   участке   и   так   далее.   Другими   словами,   получилось распространение   волны   разрушения   и   восстановления,   очень   похожее   на   распространение   волны электроотрицательности возникающей при раздражении нерва. Возникновение   и   развитие   в   физике   квантовой   теории   привело   к   попытке   объяснить   действие лучистой энергии на биологические объекты с позиции статистической физики. В это время появляется формальная теория, которая объясняла лучевое поражение как результат случайного попадания кванта (или ядерной частицы) в особо уязвимые клеточные структуры. При этом совершенно упускались из вида те   конкретные   фотохимические   реакции   и   последующие   химические   процессы,   которое   определяют развитие лучевого поражения во времени. Ещё   сравнительно   недавно   на   основании   формального   сходства   закономерностей электропроводности   живых   тканей   и   электропроводности   проводников   полупроводников   пытались применить теорию полупроводников для объяснения структурных особенностей целых клеток. Это направление, базирующееся на моделях и аналогиях, хотя и может привлечь к работе весьма совершенный математический аппарат, вряд ли приблизит биологов к пониманию сущности биологических процессов.   Попытки   использования   чисто   физических   представлений   для   понимания   биологических явлений и природы живой материи дали большое количество спекулятивных теорий и ясно показали, что прямой путь физики в биологию не продуктивен, так как живые организмы стоят несравненно ближе к химическим системам, чем к физическим. Значительно более плодотворным оказалось внедрение физики в химию. Применение физических представлений сыграло большую роль в понимании механизмов химических процессов. Возникновение физической химии сыграло революционную роль. На основе тесного контакта физики и химии возникли современная химическая кинетика и химия полимеров. Некоторые разделы физической химии, в которых физика получила доминирующее значение, стали называться химической физикой. Именно с возникновением физической химии связано развитие биофизики. Многие важные для биологии представления пришли в неё из физической химии. Достаточно напомнить, что применение физико­химической теории растворов электролитов к биологическим процессам, привело к представлению о важной роли ионов в основных процессах жизнедеятельности. 6 С   развитием   физической   и   коллоидной   химии   расширяется   фронт   работ   в   области   биофизики расширяется.   Появляются   попытки   объяснить   с   этих   позиций   механизмы   реагирования   организма   на внешние воздействия. Так большую роль в развитии биофизики сыграла школа Лёба (J. Loeb 1906 г). В работе   Лёба   были   выявлены   физико­химические   основы   явлений   партеногенеза   и   оплодотворения. Конкретную физико­химическую интерпретацию получило явление антагонизма ионов. Позднее   появились   классические   исследования   Шаде   (H.   Schde)   о   роли   ионных   и   коллоидных процессов в патологии воспаления. Эти исследования завершаются фундаментальным трудом «Физическая химия во внутренней медицине», которые издаётся в России в 1911–1912 гг. Первая мировая война приостановила развитие биофизики как науки. Но уже в 1922 году в СССР открывается «Институт биофизики», которым руководит П.П. Лазарев. Здесь он разрабатывает ионную теорию возбуждения, которая в это же время разрабатывается и Нернстом Было установлено, что в явлениях возбуждения и проведения решающая роль принадлежит именно ионам. С.И.   Вавилов   занимается   вопросами   предельной   чувствительности   глаза.   В.Ю.   Чаговец разрабатывает   ионную   теорию   возникновения   биопотенциалов,   Н.К.   Кольцов   обосновывает   роль поверхностного натяжения, ионов и рН в морфогенезе. Школа   Кольцова   сыграла   видную   роль   в   развитии   биофизики   в   СССР.   Его   ученики   широко разрабатывали вопросы влияния физико­химических факторов внешней среды на клетки и их структуры. Несколько позже (1934) Родионов С.Р. и Франк Г.М. открыли явление фотореактивации, Завойский (1944) метод электронного парамагнитного резонанса. Основной   итог   начального   периода   развития   биофизики   –   это   вывод   о   принципиальной возможности   использования   в   области   биологии   основных   законов   физики   как   фундаментальной естественной науки о законах движения материи. Важное   общеметодическое   научное   значение   для   развития   разных   областей   биологии   имеют полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики), Применение   представлений   коллоидной   химии   к   анализу   некоторых   биологических   процессов показало, что в основе протоплазмы различными факторами лежит коагуляция биоколлоидов. В связи с возникновением учения о полимерах коллоидная химия протоплазмы переросла в биофизику полимеров, и, особенно, полиэлектролитов. Появление химической кинетики также вызвало появление аналогичного направления в биологии. Ещё   Аррениус   –   один   из   основателей   химической   кинетики,   показал,   что   общие   закономерности химической кинетики применимы к изучению  кинетических закономерностей в живых организмах и к отдельным биохимическим реакциям. Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений нашли отражение и в медицине. Была   выявлена   роль   коллоидных   и   ионных   явлений   в   воспалительном   процессе.   Физико­ химическую   интерпретацию   получили   закономерности   клеточной   проницаемости   и   её   изменений   при патологических процессах, то есть физико­химическая (биофизическая патология). С развитием биофизики в биологию проникли и точные экспериментальные методы исследований – спектральные, изотопные, радиоскопические. 1.3. Методы биофизических исследований. 1. Рентгеноструктурный анализ – исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских   лучей.   По   дифракционной   картине   устанавливают   распределение   электронной 7 плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул. 2. 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. 3. 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 ядерно­магнитный резонанс. 4. Изотопная индикация. 5. Электронная микроскопия. 6. 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.   Глава 2. Биофизика человека. 2.1.  Прочнее гранита.          Природа миллионы лет экспериментировала, прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас есть. Мы   вполне   можем   быть   объективны,   обсуждая   элементы   механической   конструкции   нашего   тела, сравнивая их характеристики с параметрами аналогичных элементов, используемых в технике и строитель­ стве.            Каркасом тела служит скелет, состоящий приблизительно из 200 костей, большинство из которых (исключение составляют кости черепа и таза) соединено между собой таким образом, что при движении относительное расположение их может изменяться. Кости приводятся в движение скелетными мышцами, каждая   из   которых   прикрепляется   к   двум   различным   костям.   При   возбуждении   мышцы   ее   длина уменьшается и угол между соответствующими костями скелета изменяется.            На рис. 1 показаны условия одной из простейших задач биомеханики­задачи, касающейся удержания рукой груза. По известным длинам костей плеча и предплечья и величине груза необходимо найти силу, развиваемую мышцей.  8 Рис. 1. Решение задачи об удержании рукой груза Р (М — сила, развиваемая бицепсом)                Если бы перед инженером­механиком поставили задачу сконструировать скелет человека, то он наверняка сразу потребовал бы объяснения, для чего нужна каждая косточка. Действительно, форма, размеры и внутренняя структура кости должны определяться ее функцией в скелете. Как же работают наши кости?                 Как и любые строительные элементы, кости нашего скелета работают в основном на сжатие и растяжение или на изгиб. Эти два режима работы предъявляют к костям как элементам скелета далеко не одинаковые требования. Каждому ясно, что спичку или соломинку довольно трудно разорвать, растягивая их вдоль оси, и очень легко сломать, изогнув их. Во многих случаях, как в инженерных конструкциях, так и в скелетах  животных, желательно сочетание прочности с легкостью.          Как добиться максимальной прочности конструкции при заданной ее массе и известной прочности материала? Эта задача довольно проста, если элемент конструкции должен работать либо  на  продольное растяжение,   либо     только       на   сжатие.   Пусть,   например,   надо   подвесить   некоторый   груз   на   тросе определенной длины. Прочность троса будет равна прочности его самого тонкого участка, поэтому его вес будет наименьшим при одинаковой площади сечения по всей длине. Форма этого сечения не играет роли, так как прочность на разрыв пропорциональна площади поперечного сечения троса.               Если элемент конструкции работает также на изгиб (см., например, локтевую кость на рис. 1), то задача поиска максимальной прочности при заданной массе становится более сложной. Предположим, что горизонтальная балка заданной длины должна поддерживать определенный груз (рис 2). В этом случае сопротивление балки изгибу очень сильно зависит от формы ее поперечного сечения. Мы рассмотрим несколько простых профилей этого сечения и попробуем выяснить, при каком из них балка, способная выдержать заданный груз, может иметь наименьший вес. 9 Рис 2.  Поиск оптимальной  конструкции  балки,  сопротивляющейся силе F          Как показано на рис 2, а, балка изгибается под действием силы так, что ее верхние слои сжимаются, а нижние   растягиваются.   При   этом   в   середине   балки   существует   слой   (а   точнее   поверхность),   длина которого не изменяется при изгибе балки. Этот нейтральный слой на рис 2а отмечен штриховой линией. Материал, находящийся   в этом слое, не работает (т. е. не деформируется), а лишь утяжеляет балку. Поэтому   часть   материала   около   этого   нейтрального   слоя   можно   удалить   без   большого   ущерба   для прочности балки, работающей в таких условиях.           Вот мы и нашли одно из решений задачи минимизации массы конструкции при сохранении заданной прочности (рис.2,б). Это решение, однако, приемлемо только для балок с прямоугольным сечением. Кости же скелета имеют, как правило, круглое (или почти круглое) сечение. Для них, очевидно, из этих же соображений, оптимальной конструкцией будет кость с частично отсутствующей «сердцевиной», так как цилиндрический слой около оси кости не претерпевает существенных деформаций при ее изгибе и только увеличивает массу (рис.2,в).             Естественно, что и Природа в процессе эволюции использовала такой способ уменьшения массы человека и животных при сохранении прочности их скелета.                    Посчитаем,   достаточно   ли   прочны   наши   кости.   В   табл.   2   приведены   значения   критических напряжений,   при   которых   нарушается   целостность   различных   материалов,   испытанных   на   сжатие   и растяжение. Как это не удивительно, но кость по своей прочности уступает только твердым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Чем же объясняется такая высокая прочность костного материала? Механические характеристики различных материалов Таблица 2 Материал Прочностьнa сжатие, Прочность Сталь Кость Гранит Фарфор Дуб Бетон Н/мм2 552 170 145 552 59 21 на растяжение, Н/мм2 827 120 4,8 55 117 2,1          Кость   ­   композиционный   материал   и   состоит   из   двух   совершенно   различных   компонентов   ­ коллагена   и   минерального   вещества.   Известным   примером   композиционного   материала   служит стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянных волокон и смолы. Коллаген, входящий в состав кости, ­ это один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят все наши сухожилия). Большая  часть  второго, минерального  компонента  кости  ­ соли  кальция.  Атомы  кальция составляют  22%  общего количества  атомов  в кости.  Следует отметить,  что  в  остальных  тканях  тела (мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близко к 2­3%.            Так как кальций ­ самый тяжелый из химических элементов, содержащихся в нашем организме в больших   количествах,  то  преимущественная  локализация   его  в  костях  делает  их  ясно  видимыми  при исследовании   с   помощью   рентгеновских   лучей.   Это   явление   активно   используется   в   медицине   для получения рентгеновских снимков костей. 10 Можно легко удалить любой из главных компонентов кости, практически не изменяя ее формы. Если,   например,   подержать   достаточно   долго   кость   в   5   %­ном   растворе   уксусной   кислоты,   то   весь неорганический компонент (в том числе и соли кальция) в ней растворится. Оставшаяся кость, состоящая в основном из коллагена, станет эластичной, как резиновый жгут, и ее можно будет свернуть в кольцо. Наоборот, если сжечь кость, то весь коллаген сгорит, а неорганический компонент останется.                  Причиной  высокой  прочности  кости является  ее композиционная природа. Многие  обычные (некомпозиционные) материалы, обладая большой твердостью, очень хрупки. Каждый видел, как ломается стекло. От места, где по стеклу ударили, разбегаются трещины, которые и раскалывают лист. Если тре­ щины не успевают образоваться, как это происходит при ударе пули, то лист стекла остается целым, за исключением области, куда был нанесен удар.          Таким образом, прочность многих материалов была бы гораздо выше, если бы их структура препят­ ствовала возникновению и распространению трещин. Наличие в кости коллагена, обладающего высокой эластичностью, служит преградой для распространения в ней трещин.          В то же время твердость кости обеспечивается кристаллами минерального вещества, отложившимися на   поверхности   коллагеновых   нитей.   Кость   издавна   использовали   для   изготовления   самых   различных инструментов. Причиной такого широкого применения кости является ее устойчивость к внешним воздей­ ствиям.   Однако   в   живом   организме   кость   удивительно   изменчива   —   ведь   это   живая   ткань   нашего организма.   В   течение   всей   жизни   старые   костные   клетки   отмирают,   а   новые   приходят   им   на   смену. Особенно хорошо это заметно в течение первых тридцати лет жизни, когда происходит рост костей нашего скелета. Известно, что кость растет там, где на нее действует нагрузка, и рассасывается там, где ее нет.         Наблюдения показали, что пациенты, находящиеся все время в постели без движения, теряют около 0,5 г кальция в день, что говорит об уменьшении массы их костей. В первых космических полетах в условиях   невесомости   космонавты   теряли   до   3   г   кальция   в   день,   и   поэтому   многие   специалисты сомневались в возможности длительных космических полетов. Однако в дальнейшем были разработаны специальные программы физических тренировок, создающие необходимую нагрузку на костную ткань, которые привели к значительному уменьшению потерь кальция в условиях невесомости.             Каким образом кость может изменять свою форму и массу в зависимости от величины действующей нагрузки? Важную роль в этой цепи саморегуляции играют изменения электрического поля в костной ткани.   Известно,   что   кость   обладает   пьезоэлектрическими   свойствами,   и   поэтому   ее   деформация сопровождается возникновением электрического поля. При этом растягиваемая поверхность кости всегда заряжается положительно по отношению к сжимаемой. Если кость работает на изгиб, как это изображено на   рис.3,   то   вогнутая   ее   поверхность   заряжается   отрицательно,   а  выпуклая   ­   положительно.   Данные клинических наблюдений указывают на то, что при длительных деформациях, аналогичных той, которая изображена   на   рис.3,   кость   способна   изменять   свою  форму,   «достраивая»   костную   ткань   в   вогнутых участках и разрушая в выпуклых. В результате кость выпрямляется. 11