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

ЛЕКЦИИ

«биофизика и основы взаимодействия физических полей с биообъектами»

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие.. 8

Введение…... 10

ЛЕКЦИЯ 1. Механические свойства биологических тканей……. 14

1.2. Механические свойства мышц и костного аппарата. Закон Фанга. 19

1.3. Механические свойства сосудистой стенки. 26

Вопросы для самопроверки. 30

Типовые тесты текущего контроля. 31

Задачи для закрепления изучаемого материала. 31

ЛЕКЦИЯ 2. Термодинамика биологических сред.. 33

2.1. Основные термодинамические понятия и величины. Первое начало термодинамики. 33

2.1.2. Внутренняя энергия систем.. 34

2.2. Понятие теплоемкости. Применение первого начала термодинамики к газовым законам.. 37

2.2.1. Изохорический процесс. 37

2.2.2. Изобарический процесс. 38

2.2.3. Изотермический процесс. 39

2.2.4. Адиабатический процесс. 40

2.3. Применение первого начала термодинамики к биологическим процессам. Физические основы терморегуляции организма. 42

2.3.1. Теплопродукция организма. 44

2.4. Перенос теплоты в живых организмах. Термометрия. 47

2.5. Понятие энтропии. Второе начало термодинамики. 49

2.5.1. Круговые процессы.. 51

2.5.2. Цикл Карно. 53

2.5.3. Энтропия. 55

2.6. Статистическое содержание второго начала термодинамики. 59

2.7. Термодинамические потенциалы.. 62

2.8. Открытые термодинамические системы. Уравнения Пригожина. Стационарные состояния открытой системы.. 64

Вопросы для самопроверки. 70

Задачи для закрепления изучаемого материала. 70

Типовые тесты текущего контроля. 73

ЛЕКЦИЯ 3. Молекулярная биофизика.. 75

3.1. Белковые молекулы. Структура белка. 76

3.2. Нуклеиновые кислоты.. 83

3.3. Биосинтез белка. 86

Вопросы для самопроверки. 91

Тесты текущего контроля. 92

ЛЕКЦИЯ 4. Физические свойства клеток.. 93

4.1. Строение и функции клеток и клеточных структур. 93

4.2. Органеллы клеток. 94

4.3. Строение ядра. 97

4.4. Мембрана клетки как сферический конденсатор. 98

4.5. Физико-химические методы исследования клеточных мембран. 99

4.5.1. Электронная микроскопия. 99

4.5.2. Рентгеноструктурный анализ. 102

4.5.3. Поляриметрия. 117

4.5.4. Электронный парамагнитный резонанс. 121

4.5.5. Ядерный магнитный резонанс. 127

4.5.6. Физическая характеристика клеточных мембран. Искусственные мембраны.. 128

4.6. Проницаемость клеточной мембраны.. 130

4.6.1. Пассивный транспорт веществ. 130

4.6.2. Активный транспорт веществ в клетках. 137

4.6.3. Опыт Уссинга. Ионные каналы.. 139

Вопросы для самопроверки. 140

Тесты текущего контроля. 141

задачи для самопроверки. 142

ЛЕКЦИЯ 5. Электрические явления в клетках и тканях…………. 143

5.1. Виды биопотенциалов. Их природа. Понятие двойного электрического слоя. Дзета-потенциал. 143

5.2. Определение поверхности электрического заряда эритроцитов. 150

5.3. Мембранные потенциалы. Потенциал покоя и действия. Их регистрация 166

5.4. Регистрация биопотенциалов. 172

Вопросы для самоконтроля. 178

Тесты текущего контроля. 178

ЛЕКЦИЯ 6. Специальные методы, используемые для диагностики.. 180

6.1 Рентгеновские лучи. 180

6.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществами. 183

6.3. Рентгеновская компьютерная томография (РКТ) 184

6.4. Ангиография. 185

6.5. Магнитно-резонансная томография (МРТ) 186

6.6. Магнитокардиография. 188

6.7. Радионуклидная диагностика. 198

6.8. Действие радиации на человека. 201

Вопросы для самопроверки. 203

Тесты.. 204

ЛЕКЦИЯ 7. Биоакустические процессы... 206

7.1. Характеристика звука. Его восприятие. Строение слухового анализатора 206

7.2. Биофизика инфразвука. 210

7.3. Получение, распространение и регистрация ультразвука. 211

7.4. Звуковое давление и акустическая энергия. 213

7.5. Взаимодействие ультразвука с веществом.. 214

7.6. Ультразвуковые исследования (УЗИ) 217

Вопросы для самопроверки. 219

Тесты.. 219

Задачи. 221

ЛЕКЦИЯ 8. Фотобиологические процессы. Биофизика зрительного восприятия.. 222

8.1. Процесс поглощения света. 222

8.2. Зрительный аппарат человека. 224

8.3. Спектроскопия. 228

8.4. Термография. 230

8.5. Люминисценция. Миграция энергии. 233

Вопросы для самопроверки. 236

ЛЕКЦИЯ 9. Индуцированное излучение. Его взаимодействие с биообъектами.. 237

9.1. Квантовые генераторы.. 237

9.2. Влияние лазерного излучения на биообъекты.. 242

9.3. Терапевтические лазерные приборы.. 243

Вопросы для самопроверки. 244

Раздел 2. Биофизика сложных систем... 245

ЛЕКЦИЯ 10. Основы гемодинамики и биореологии.. 245

10.1. Вопросы биореологии. 246

10.2. Гемодинамика крови. Уравнение Пуазейля и Бернулли. 249

10.2.1. Уравнение Пуазейля. 250

10.2.2. Уравнение Бернулли. 253

10.3. Физические закономерности движения крови в сосудистой системе. Пульсовая волна. 257

10.4. Клинические методы определения вязкости крови. 260

Вопросы для самопроверки. 263

Задачи для закрепления изучаемого материала. 263

ЛЕКЦИЯ 11. Электропроводность биологических тканей. Импеданс.. 267

11.1. Электропроводность клеток и тканей для постоянного электрического тока. Лекарственный электрофорез. 267

11.2. Электропроводность клеток и тканей для переменного электрического тока. 269

11.3. Реография. 274

11.4. Измерение электропроводности в медицинских и биологических исследованиях. 278

Вопросы для самопроверки. 281

Тесты текущего контроля. 281

Задачи. 282

ЛЕКЦИЯ 12. Электрическая активность органов и тканей. Электрокардиография.. 285

12.1. Теория Эйнтховена. 286

12.2. Понятие токового диполя. кардиография. 288

12.3. Аппараты для электрографии. 292

12.4. Биопотенциалы головного мозга. Электроэнцефалография. 294

12.5. Миография и кожно–гальванический потенциал. 295

12.6. Электростимуляция. Закон Лапика и Дюбуа-Реймона. 304

Вопросы и задачи для самопроверки. 307

ЛЕКЦИЯ 13. РЕЧЕОБРАЗУЮЩАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА.. 311

13.1. Механизм речеобразования. 311

13.2. Акустическая фонетика. 317

13.3. Акустическая теория речеобразования. 325

13.3.1. Распространение звуков. 325

13.3.2. Возбуждение звуков в голосовом тракте. 328

13.3.3. Модели сигнала, основанные на акустической теории 332

Вопросы для самопроверки. 333

ЛЕКЦИЯ 14. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ……… 335

14.1. Виды моделей. Фармакокинетическая модель. 335

14.2. Модель кровотока при локальном сужении сосудов. 339

14.3 Движение крови по эластичным сосудам. Модель Франко. 348

Вопросы для самоконтроля. 350

тесты текущего контроля. 350

заключение.. 352

Библиографический список.. 353

Предисловие

«Биофизика» как наука состоит из физических положений, законов и теорий, которые дают возможность обучающимся ознакомиться с современными методами исследования жизненных процессов.

Как предмет «биофизика» имеет четкий профилизированный характер. Сущность его заключается в отборе соответствующего учебного материала, который даст возможность понять механизм физико-химических процессов, протекающих в организме.

Учитывая особенности живого организма, «биофизика» играет роль своеобразного мостика или связующего звена между точными естественными и техническими науками с комплексом медико-биологических дисциплин.

«Биофизика с основами взаимодействия физических полей с биообъектами» включает курс «Общей биофизики», состоящий из ряда отдельных самостоятельных разделов, к которым по решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики (1990 г.) относятся следующие:

1. Молекулярная биофизика;

2. Биофизика клетки;

3. Термодинамика открытых систем;

4. Биофизика чувств;

5. Биофизика сложных систем. Гемодинамика, биореология. Биомеханика мышечных сокращений. Рефлексология и др.;

6. Моделирование биофизических процессов;

7. Биофизика полей и излучений.

Представленный нами курс «Биофизика с основами взаимодействия физических полей с биообъектами» состоит из двух разделов и 14-ти глав.

Первый раздел – это курс «Общей биофизики», который включает основные положения молекулярной биофизики, физические свойства клеток, активные и пассивные биоэлектрические явления в клетках и тканях, термодинамику процессов жизнедеятельности. Теплообразование и регуляцию температуры в живых системах. Биофизику мышечного сокращения и органов чувств.

Второй раздел содержит вопросы биофизики сложных систем и основы их взаимодействия с физическими полями: моделирование биофизических процессов, кровообращение, клинические методы исследования и основы речеобразования.

В конце каждой главы для закрепления изучаемого материала даны вопросы для самопроверки итесты, а также типовые задачи с медико-биологическим содержанием.

Одной из основных задач, стоящих перед авторами данного учебного пособия, является правильный отбор учебного материала, который по своему содержанию должен быть максимально приближен к практической биологии и медицине. Таким образом, в данном пособии решается одна из сложных методических задач – прфилизация учебного материала.

Следует отметить, что одной из особенностей данного учебного пособия, отличающей его от других, является описание выводов уравнений и положений, которые достаточно полно рассматриваются в классических источниках по техническим дисциплинам, физике, биохимии, общей биологии и генетике. Считаем, что этот дополнительный материал необходим для ускорения понимания, изучаемых биофизических процессов. Студент, знающий это материал, может его пропустить. Этот методический прием, а также наличие контрольных вопросов и тестов, в совокупности, дает определенную положительную перспективу в процессе самостоятельной работы над курсом особенно тем студентам, которые обучаются заочно.

Предлагаемое пособие может быть полезно для преподавателей, аспирантов и студентов медико-биологических и технических специальностей высшего профессионального образования.

Введение

Животные и растения представляют собой системы, в которых протекают сложные физические, физико-химические и биологические процессы. Для понимания даже самых простейших жизненных процессов, необходим комплексный подход, т.е. использование ряда фундаментальных естественнонаучных дисциплин.

В последнее время на базе развития физики, химии, математики и других наук – официально оформилась в виде отдельной науки – «Биофизика».

Целью данной науки является изучение физических и физико-химических явлений жизнедеятельности на всех уровнях развития, начиная с молекул и кончая организмом в целом, а так же понять механизмы физико-химических процессов, протекающих в организме животных и человека и объяснить причины, приводящие к отклонению от нормы.

Поскольку объектом исследования биофизики является живой организм, то она относится к биологической науке.

При изучении процессов жизнедеятельности «биофизика» использует универсальный характер основных физических законов и строгость математических подходов, поэтому может быть определена как наука «о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений. Одна из основных задач биомедицинской физики – показать, каким образом физические и физико-химические процессы, протекающие в живом организме, переходят в качественно новые - физиологические.

Следует отметить, что исследование физических и физико-химических процессов, протекающих в организме, связано с рядом трудностей, которые обусловлены следующими факторами:

– все физико-химические процессы в организме протекают в особых, своеобразных условиях, которые, в большинстве случаев, отсутствуют в неживой природе;

– наблюдается исключительная специфичность и динамичность биологических систем. Эти ее уникальные качества часто создают сложность, а подчас, невозможность использования физико-химических дисциплин для объяснения процессов, протекающих в живых организмах.

Как отметил известный биофизик К. Коул, – «Работа клетки воистину великолепна, но она уводит нас от простой, бесхитростной физики в пучину неразрешимых сложностей».

В 1945 году известный физик Эрвин Шредингер написал книгу – «Что такое жизнь с точки зрения физика». Данная книга оказала громадное влияние на формирование, становление науки биологической физики, а также молекулярной биологии и биомедицинской физики. В целом в книге рассматриваются два аспекта. Первый из них - термодинамические основы жизни, и второй – общие структурные особенности организма. Шредингер ввел понятие «отрицательной энтропии», считая, что организм животных и человека «питается отрицательной энтропией». Таким образом, впервые было показано, что организм – открытая система, а неравновесное состояние открытых систем – поддерживается оттоком энтропии в окружающую среду. На данном примере наглядно видно, что основные законы естественных наук, в частности физики, следует применять с учетом особенностей биологических систем, хотя в целом, современная физика, при изучении биологических явлений не имеет строго определенных границ применения.

Поскольку предметом биомедицинской физики являются физические и физико-химические процессы в организме, то при биофизических исследованиях применяются в основном физические методы, позволяющие получать количественную зависимость между изменениями различных параметров биологической системы. В настоящее время медицинская и биологическая физика широко применяет математические методы анализа, физическое и математическое моделирование и компьютерные технологии. Благодаря этому биология и медицина поднялась до уровня точных наук.

Так в результате внедрения физических методов исследования биология в наше время смогла перейти к исследованиям на молекулярном уровне наследственности (цепочки ДНК, РНК), к разработке генной инженерии и т.д. На базе открытий в области точных наук (физики, химии, математики) создан фундамент современной медицины и положено начало дальнейшего ее развития.

Медицину как науку можно представить в виде огромного информационного поля научных знаний и практических мероприятий, цель которых сохранить здоровье, предупреждать и лечить различного рода патологические состояния организма, т.е. стремиться увеличить продолжительность жизни человека.

Следует отметить, что, являясь одной из самых древнейших наук, медицина не только в наше время, а на протяжении всей эволюции постоянно опирается на самый широкий спектр других знаний человечества. И, наоборот, многие ученые, занимающиеся лечебной практикой, внесли значительный вклад в развитие других отраслей науки и техники. Таким образом, внедрение комплекса естественных наук – (физику, химию, математику, информатику, вычислительную технику, кибернетику и т.д.) в медицину дало мощный толчок в развитии и использовании новых диагностических методов исследования больных. К таким методам, в первую очередь можно отнести методы функциональной диагностики (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография, реография, рентгенодиагностика, эндоскопические методы и т.д.).

Успехи оптики и квантовой физики, создание на их базе электронной микроскопии, открыли возможность исследовать структуру тканей организма, клеток, генетических структур и ряда болезнетворных организмов. Электронно-оптическое оборудование позволило поставить на новый уровень знания в области цитологии, вирусологии, молекулярной биологии и радиобиологии.

Развитие радиоэлектроники дало возможность создать телеметрические системы, которые ведут систематическое наблюдение за состоянием больных на расстоянии, а также операторов находящихся в космических полетах.

Энергия ультразвука стала широко использоваться в диагностике, терапии и хирургии.

Лазер нашел широкое применение в профилактике, диагностике и лечении самых различных заболеваний, а также в лабораторной практике.

В настоящее время широко внедряются системы с компьютерной обработкой (томографы) и другие современные технические методы исследования. Все это обуславливает необходимость рассмотреть физические основы данных методов в курсе медицинской и биологической физики.

Надо отметить, что, несмотря на наблюдающийся мощный поток техники, который внедряется в практическую медицину, последняя смогла сохранить свое лицо, успешно преодолевая возникающие при этом трудности.

Опираясь на веками сложившееся так называемое, «клиническое» мышление, медицина создала свою методологию, которая отражает особенности лечения человека, включающие консолидацию научных знаний и искусства, несущее высокодуховный характер.

С другой стороны медицинская и биологическая физика, не нарушая структуру и логику биологии и медицины, учитывая особенности живого организма, поднимает комплекс медико-биологические дисциплины на новую высоту и приближает его к точным наукам.

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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: