0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра микроэлектроники

Б И О Ф И З И К А

Курс лекций проф. Вихрова С.П.

по направлению 653900 "Биомедицинская техника"

(Лекции составлены по книге "Медицинская биофизика"/ Под редакцией В.О.Самойлова.

Из-во Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова.

Л. 1986 г.)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ЗАДАЧИ КУРСА

Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических 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 физико-химических методов изучения природы. В этих методах должны сочетаться трудно совместимые качества:

1. Высокая чувствительность.

2. Большая точность.

Этим требованиям не удовлетворяют полностью никакие методы, однако, наиболее широкое применение получили для биофизических исследований следующие методы:

- оптические;

- радиоспектроскопия

- ультразвуковая радиоскопия;

- электронно-парамагнитная резонансная спектроскопия (ЭПР);

- ядерная магнитная резонансная спектроскопия.

Необходимо отметить, что любые исследования требуют, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс, однако, трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности организма к любым воздействиям на него. Воздействия не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции, разнообразные в различных органах и в различных условиях. Искажение смысла измерений может оказаться столь существенным, что становится невозможно вносить поправки в явления, не свойственные изучаемому объекту. При этом, методы коррекции, используемые с успехом в физике и технике, зачастую бесполезны в биофизике.

Для лучшего понимания области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления исследований в биофизике:

1) молекулярная и квантовая биофизика изучают физическую структуру и свойства биологически важных молекул, физические процессы, которые обеспечивают их функционирование, а также исследуют термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантово-механические особенности их строения;

2) биофизика клетки связана с физическими и физико-химическими свойствами клеточных и субклеточных структур, закономерностями их деления, с особенностями их обмена веществ (метаболизмом), а также, с биофизическими механизмами специальных функций клеток;

3) биофизика органов чувств скрывает физические и физико-химические механизмы восприятия раздражителя рецепторами аппарата сенсорных систем человека и животных на квантовом, молекулярном или клеточном уровнях;

4) биофизика сложных систем изучает проблемы межклеточного взаимодействия, передачи информации в биологических каналах связи и управления функциями живых организмов;

5) биофизика внешних воздействий изучает механизмы воздействия на организм физических факторов среды (например, полей).

Биоэнергетика. Первое начало термодинамики

(общие сведения)

Жизненные процессы, при всем многообразии, имеют и общие черты, в частности, любой из процессов требует затрат энергии. В этой связи важным направлением биофизических исследований является изучение преобразования энергии в биологических системах. Процессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических ресурсов, составляют предмет исследования биоэнергетики. В биоэнергетике выделены два подхода:

1) исследуются механизмы энергетических процессов, протекающие в организме на молекулярном и субмолекулярном уровнях;

2) изучаются особенности биологических процессов на основе общих законов превращения энергии, без детального изучения их молекулярных механизмов. Это составляет содержание биологической термодинамики.

В термодинамике объектом исследования служит система, под которой понимают совокупность объектов, ограниченных в той или иной степени от окружающей среды. Различают изолированные системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой и открытые системы, где такой обмен происходит. Живой организм относится к открытой системе.

Состояние любой системы характеризуется некоторыми параметрами. Одни из них не зависят от массы или числа частиц в системе, то есть, от размеров, другие параметры пропорциональны этим аргументам. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров, к ним относятся: температура, давление и т. д. Параметры второй группы называются экстенсивными термодинамическими параметрами. Например, это объем, энергия, энтропия и т. д.

Энергию системы можно представить, состоящей из двух частей:

- энергия системы, как целого;

- внутренняя энергии (энергия атома и т. д.).

Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами: посредством передачи тепла и (или) совершением работы.

- количество тепла;

- работа.

- первое начало термодинамики.

Знак в формуле принимает следующие образы:

-положительным считают то тепло, которое получает система из окружающей среды;

-работу считают положительной, когда система производит ее над окружающими телами.

Рассмотрим некоторые способы совершения работы:

- механическая работа.

- работа при постоянном объеме.

- работа при перемещении заряда и разность потенциалов.

- - осмотическое давление.

- изменение числа молей,

- химический потенциал.

... - величины, вызывающие причины действия работы, интенсивные параметры.

- обобщающая сила, которая вызывает работу;

- обобщающая координата.

, ... - экстенсивные параметры.

,

Количество тепла, получаемое системой, определяется изменением внутренней энергии системы, а также суммой всех видов работы, совершенной системой.