Лекция 1. Значение физики и биофизики для медицины.

Наиболее широким понятием, включающим в себя все, окружающее нас, и нас самих, является материя. Дать обычное логическое определение материи, при котором указывается более широкое понятие, а затем отмечается признак предмета определения, невозможно, так как более широкого понятия, чем материя, нет. Поэтому вместо определения часто просто говорят, что материя есть объективная реальность, данная нам в ощущениях.

Материя не существует без движения. Под движением понимаются все происходящие во вселенной изменения и процессы. Условно различные и многообразные формы движения можно представить четырьмя разновидностями: физическая, химическая, биологическая и социальная. Это позволяет классифицировать различные науки в зависимости от того, какой вид движения они изучают. Физика изучает физическую форму движения материи. Более детально физическую форму движения материи можно подразделить на механическую, молекулярно-тепловую, электромагнитную, атомную, внутриядерную. Естественно, что такое деление условно. Тем не менее физику как учебную дисциплину обычно представляют именно такими разделами.

Физика, как и другие науки, использует различные методы исследования, 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 более полному пониманию окружающего мира.

В исследовании физических явлений, процессов и систем достаточно широко используется метод моделирования, который основан на использовании моделей. Модель — это объект любой природы, умозрительный (виртуальный) или материально реализованный, который воспроизводит явление, процесс или систему с целью их исследования или изучения. Такие известные читателю из курса средней школы понятия, как материальная точка, идеальный газ, тонкая линза и т. п., являются, по существу, моделями.

Различные формы движения материи взаимозависимы и взаимосвязаны, что обусловливает появление новых наук, лежащих на стыке прежних — биофизика, астрофизика, химическая физика и др., а также использование достижений одной науки для развития другой.

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 является физическим, так как связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество) и т. п. Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения) и т. п.

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

Во всех этих вопросах физика настолько связана с биологией, что формирует самостоятельную науку — биофизику (биологическую физику), которая изучает 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.

Физические методы диагностики заболеваний и исследования биологических систем. Многие методы диагностики и исследования основаны на использовании физических принципов и идей.Большинство современных медицинских по назначению приборов конструктивно является физическими приборами. Чтобы это проиллюстрировать, достаточно рассмотреть некоторые примеры в рамках сведений, известных читателю из курса средней школы.

Механическая величина — давление крови — является показателем, используемым для оценки ряда заболеваний. Прослушива­ние звуков, источники которых находятся внутри организма, позволяет получать информацию о нормальном или патологическом поведении органов. Медицинский термометр, работа которого основана на тепловом расширении ртути, весьма распространенный диагностический прибор. За последнее десятилетие в связи с развитием электронных устройств широкое распространение получил диагностический метод, основанный на записи биопотенциалов, возникающих в живом организме. Наиболее известен метод электрокардиографии — записи биопотенциалов, отражающих сердечную деятельность. Общеизвестна роль микроскопа для медико-биологических исследований. Современные медицинские приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматри­вать внутренние полости организма. Спектральный анализ используется в судебной медицине, гигиене, фармакологии и биологии; достижения атомной и ядерной физики — для достаточно известных методов диагностики: рентгенодиагностики и метода меченых атомов.

Воздействие физическими факторами на организм с целью лечения. В общем комплексе различных методов лечения, применяемых в медицине, находят место и физические факторы. Укажем некоторые из них. Гипсовая повязка, накладываемая при переломах, является механическим фиксатором положения поврежденных органов. Охлаждение (лед) и нагревание (грелка) с целью лечения основаны на тепловом действии. Электрическое и электромагнитное воздействия широко используются в физиотерапии. С лечебной целью применяют свет видимый и не­видимый (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения), рентгеновское и гамма-излучения.

Физические свойства материалов, используемых в меди­цине. Физические свойства биологических систем. Применяемые в медицине повязки, инструменты, электроды, протезы и т. п. работают в условиях воздействия окружающей среды, в том числе в непосредственном окружении биологических сред. Чтобы оценить возможность эксплуатации подобных изделий в реальных условиях, необходимо иметь сведения о физических свойствах материалов, из которых они сделаны. Например, для изготовления протезов (зубы, сосуды, клапаны и т. д.) существенно знание механической прочности, устойчивости к многократным нагрузкам,

эластичности, теплопроводности, электропроводимости и других свойств. В ряде случаев важно знать физические свойства биологических систем для оценки их жизнеспособности или способности выдержать определенные внешние воздействия. По изменению физических свойств биологических объектов возможна диагностика заболеваний.

Физические свойства и характеристики окружающей среды. Живой организм нормально функционирует только при взаимодействии с окружающей средой. Он остро реагирует на изменение таких физических характеристик среды, как температура, влажность, давление воздуха и пр. Действие внешней среды на организм учитывается не только как внешний фактор, оно может использоваться для лечения: климатотерапия и баротерапия. Эти примеры свидетельствуют о том, что врач должен уметь оценивать физические свойства и характеристики окружающей среды.

Перечисленные выше применения физики в медицине составляют медицинскую физику — комплекс разделов прикладной физики и биофизики, в которых рассматриваются физические законы, явления, процессы и характеристики применительно к реше­нию медицинских задач.

Лекция 2.

Термодинамика биологических процессов.

Предмет и практическая значимость т/д биосистем. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.Понятие т/д систем, виды т/д систем. Система – совокупность взаимодействующих между собой относительно элементарных структур или процессов, объединяющихся в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов. Т/д система – часть пространства с материальным содержимым, ограниченная оболочкой.

а) изолированные (не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией), б) замкнутые (обмениваются энергией),в) открытые (обмениваются веществом и энергией).Параметры:-экстенсивные, зависят от количества вещества в системе (масса, объем),-интенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, t⁰).

Первое начало термодинамики

dQ = dU - dW Количество теплоты, поступающей в систему расходуется на увеличение внутренней энергии системы за вычетом совершенной работы. dW = pdV + dW'_max Работа равна произведению давления на изменившийся объем плюс максимально полезная работа против внешнего давления по изменению объема системы. Живые организмы не являются источников новой энергии. Окисление поступающих в живой организм питательных веществ приводит к высвобождению в нем эквивалетного количества энергии. Определение питательных веществ, поступающих в организм. Металлический сосуд с теплоизолирующими стенками в который помещаются исследуемые питательные вещества, затем их сжигают с помощью высоковольтных разрядов и измерают теплоту сгорания. 1 г белка – 5,4 ккал (4,1 ккал до мочевины) 1 г жира – 9,3 ккал 1 г углеводов – 4,1 ккал Определение расхода энергии в течение суток. Метод прямой или непрямой калориметрии.  Прямой: Камера "ледяной калориметр". Теплоизолирующий материал, лед, лабораторное животное (человек). Энергия, высвобождающаяся из организма эквивалентна поступающей в организм Непрямой: С полным и неполным газовым анализом. ДК = выд СО₂ в ед t / погл О₂ в ед t Производят сравнение состава и объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Используют мешок Дугласа. Для анализа используют газоанализаторы: ГА Холдейна: система стеклянных трубочек, поглощающая CO₂ и O₂. Сейчас ГА с поглощением световых потоков.  Нормальный дыхательный коэффициент 0,85±0,03. Нахождение КЭК (калориметрический эквивалент кислорода) – численно равен количеству энергии, высвобождающейся в организме при потреблении 1 л О₂. Рисунок ДК = 1, КЭК = 5,05; 0,8; 4,8; 0,7; 4,69; 0,85; 4,86. В клинических условиях используют неполный газовый анализатор, не считают СО₂. Считают объем поглощенного О₂ с помощью спирографа (аппарат метатест). Диаграмма под наклоном, из замкнутой системы постепенно уходит О₂, Х отражает объем поглощенного O₂ из системы 1 см≈400 мл. ДК принимается равным здесь 0,85.  1 л – 4,86 ккал 400 мл – х

Второе начало термодинамики.

Показывает в каком направлении происходит перемещение энергии в изолированных системах. Энтропия S в т/д имеет троякий смысл: если в т/д системе происходят процессы, связанные с выделением или поглощением тепла, то эта система при любой t⁰ способна поглотить некоторое дополнительное количество тепла. Величина, характеризующая тепловую емкость системы и является функцией t⁰ – S.

1. Тепловая емкость системы.2. Т/д функция состояния системы, являющаяся мерой ее неупорядоченности. Лед S = 9.8, жидкость S = 16.7, газ S = 45.1 3.  Мера вероятности системы, имеет статистический характер. Впервые установил Больцман. S = k*lgW Т/д вероятность – это количество микросостояний, возможных в пределах данного макросостояния. Все микросостояния, определяющие т/д вероятность имеют одинаковую математическую вероятность. Математическая вероятность – это среднее значение частоты появления события при массовых испытаниях. В изолированных системах необратимые т/д процессы протекают в направлении возрастания энтропии. S полностью обратимых т/д процессов сохраняет постоянное значение. Теплота – это особый вид энергии (низкого качетва) не может переходить без потери в другие виды энергии. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул. Бриллюэн создал классификацию видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии.A.  – max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая,B.  – химическая, C.  – тепловая. Деградация высших типов энергии в энергию низших типов – основное эволюционное свойство изолированных систем. Второй закон т/д для открытых систем

1)   dS/dt>0

количество энтропии в системе возрастаета)

dS/dt>0;     diS/dt>0; б) deS/dt=0 нет обмена со средой, система изолированная; в)deS/dt<0,   ½deS/dt½< ½diS/dt½ В системе образуется некоторое количество энтропии, но часть энтропии оттекает в окружающую среду, но скорость оттока не велика и энтропия накапливается в системе. 2)  dS/dt=0, стационарное состояние, кол-во энтропии постоянно deS/dt<0, ½deS/dt½=½diS/dt½ Вся энтропия, которая образуется  оттекает в окружающую среду. Это состояние наиболее характерно для зрелых био систем. 3)   dS/dt<0 общее количество энтропии в системе убывает deS/dt<0, ½deS/dt½>½diS/dt½ Энтропия в этой системе, но оттекает из системы больше, чем образуется, следовательно общее кол-во энтропии в системе уменьшается. В реальных био системах это встречается на стадии роста, развития и становления ситемы.     Лекция.