Лекция 1. Общая биофизика. Биофизические процессы, протекающие в организме

В настоящее время биофизика, как учебная дисциплина, наряду с другими дисциплинами, такими как биохимия, молекулярная биология и физиология, стала основной базой фундаментальных наук о жизни. Постепенно развиваясь, Биофизика оформилась как отдельная дисциплина, изучающая физическские и физико-химические закономерности жизненных явлений.

В ходе развития Биофизика разделилась на общую, теоретическую и прикладную Биофизику.

Общая биофизика, которая представлена в первом разделе данного учебного пособия, изучает физические и физико-химические процессы, протекающие на уровне клеточных и субклеточных структур вплоть до молекулярного уровня. Изучаются физические и физико-химические свойства субклеточных образований, их структура, механизм возбужденияи проведения нервных импульсов, а также подвижности и сократимости мышечных структур. В данном разделе рассматриваются вопросы термодинамики биологических систем и термодинамики организма.

К общей биофизике относятся и вопросы, связанные с физическими явлениями, лежащими в основе работы органов слуха и зрения. К данному разделу отнесены также вопросы механических свойств и строения опорных элементов организма, кинетика и динамика двигательного аппарата.

Механические свойства биологических тканей

К концу XIX столетия были получены экспериментальные и теоретические подтверждения основных положений молекулярно-кинетической теории. По данной теории вещества состоят из частиц – атомов и молекул; эти частицы хаотически двигаются, взаимодействуя друг с другом.

Твердые тела, по сравнению с газами и жидкостями, характеризуются наименьшим расстоянием между частицами и наиболее значительными молекулярными силами, как притяжения, так и отталкивания. Величины этих сил зависят от расстояния между частицами: при малых расстояниях силы возрастают, при их увеличении – быстро убывают. При этом в обоих случаях силы отталкивания с изменением расстояния изменяются в большей степени, чем силы притяжения.

Если произвести сложение сил отталкивания и притяжения, то получится, что при некотором расстоянии r₀ между молекулами сила отталкивания и притяжения уравновешивают друг друга. На этом расстоянии (r₀) в среднем и находятся молекулы в веществе.

Молекулярные силы имеют упругий характер. Поэтому частицы в твердых и жидких телах совершают колебания около точек своего соседнего положения. Колебания происходят во всех направлениях и имеют беспорядочный характер, свойственный молекулярному движению.

Отношения между минимальными значениями кинетической энергии взаимодействия между молекулами (Е_к) и средней кинетической энергии хаотического теплового движения (kТ) определяют возможность существования того или иного агрегатного состояния вещества.

В случае E_min  kT (Дж) вещество находится в газообразном состоянии; при E_min  kT (Дж) - в жидком и, наконец, при E_min  kT (Дж) - в твердом.

Организм животных и человека состоит из жидких, газообразных и твердых веществ. Костная система, скелет относятся к твердым телам. Ее структура и механические свойства играют огромную роль в жизнедеятельности организма. Рассмотрим основные закономерности механических свойств, а также структуры костной мышечной и сосудистой ткани.

Тело человека систематически испытывает многочисленные статические и динамические нагрузки. Нагрузки опорно-двигательного аппарата даже при обычной стандартной ходьбе значительны. Например, усилия в тазобедренном суставе втрое больше веса тела, а при прыжках - превышают вес тела на порядок. Данный факт создает значительные трудности в выборе материалов для протезирования суставов и сосудов.

Для решения данных задач необходимо знать механические свойства твердых тел и жидких кристаллов.