Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований. Лекции по биофизике Ребят что нам задавали по микро биофизике

27.06.2022

ВВЕДЕНИЕ

«Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей».
К. Д. Уминский

В этом пособии, представляющем описание опыта работы, сделана попытка рассмотреть основные направления и особенности связи школьных курсов физики и биологии и наметить возможные пути и формы усиления этой связи.
Основные направления этой работы следующие: ознакомить учащихся с физическими методами исследования и воздействия, которые находят широкое применение в биологии и медицине, с физикой живой природы, с некоторыми элементами бионики.
Практически ко всем разделам курса физики можно подобрать большое число биофизических примеров (что и сделано нами, см. приложение), однако целесообразно их использовать лишь частично, наряду с техническими примерами и с примерами из неживой природы.
Основная цель привлечения биофизических примеров - добиться лучшего усвоения курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с программами курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники.
Можно указать три основных направления отбора биофизического материала.
Первое направление имеет цель - показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики и к живому организму.
Второе направление соответствует ознакомлению с физическими методами воздействия и исследования, широко применяемыми и в биологии, и в медицине. В курсе физики средней школы учащихся знакомят только с оптическими приборами (лупа, микроскоп), с применением рентгеновских лучей и «меченых атомов». Однако уже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма - измеряется кровяное давление, регистрируются биопотенциалы сердца и т. д., которые в школе не рассматривают.
Третье направление предполагает ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики. Например, при изучении колебаний учащимся сообщают, что слуховой орган моли воспринимает звуковые колебания в пределах частот от 10 до 100 кгц и позволяет обнаруживать приближение летучей мыши (для нее моль - любимая пища) на расстоянии 30 м. Эти «достижения» живой природы выше результатов, полученных в области эхолотов, ультразвуковых локаторов, дефектоскопов и даже радиолокаторов. Таких примеров можно привести много. Следует, однако, подчеркнуть, что бионика ставит целью не слепое подражание биологическим системам, а раскрытие принципов их построения.

Глава I
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

Пути ознакомления учащихся с биофизическим материалом принципиально не отличаются от путей ознакомления их с элементами техники. Физика - основа техники; с другой стороны, физика широко применяется для исследований в биологии и помогает понять особенности строения, жизнедеятельности биологических объектов.
Уже на самых первых уроках ребята узнают о том, что все естественные науки используют законы физики. Эту мысль надо пояснить и расширить. При первом знакомстве с учебным предметом - физикой желательно показать учащимся приложимость ее законов к жизнедеятельности человека и растений, птиц, рыб и т. п. Для этого можно сравнить полет птиц, насекомых и самолетов, рассказать о локации в животном мире в области неслышимых звуков. Можно, к примеру, рассказать о том, что изучение строения тела крота помогло инженерам создать землеройную машину, а наблюдения за дельфинами и рыбами помогают совершенствовать подводные лодки. Известны классические наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и конструкцией их крыльев и использование этих идей современными инженерами при конструировании самолетов, махолетов и ракет. Важно, чтобы в умах учащихся с первых уроков запечатлелась идея, что физика - ключ к пониманию явлений как неживой, так и живой природы.
При сообщении нового материала по физике иллюстративные биофизические сведения целесообразнее всего излагать самому учителю. Это могут быть и числовые данные, характеризующие живые организмы, и описание методов исследований, применяемых в биологии, и краткие данные о медицинской или биологической аппаратуре.
Изложение нового материала можно чередовать с беседой, особенно в младших классах. Учитель обращается к жизненному опыту учащихся, к тем сведениям, которые они получили при обучении в начальной школе, на уроках ботаники, географии и других смежных дисциплин. Большую роль в ознакомлении с элементами биофизики может играть решение задач по физике живой природы. Например, при помощи таблицы спортивных рекордов по бегу, бегу на коньках и т. д. можно находить средние скорости, упражняться в переводе единиц скоростей из одной системы в другую.
При повторении пройденного также можно привлекать биофизический материал. Мы применяли такую форму работы после изучения некоторых тем, в конце учебного года и при повторении перед выпускными экзаменами. Назовем некоторые темы обзорного повторения: механика в живой природе, электричество и живая природа, оптика н жизнь, влияние электромагнитных полей на животные и растительные организмы.
Целый ряд биофизических вопросов целесообразно излагать с использованием фрагментов из некоторых кино- и диафильмов, рисунков, схем и таблиц, а также наглядных пособий, имеющихся в кабинете биологии.
Чаще всего учителя физики могут получить в кабинете биологии лишь весьма ограниченный ассортимент оборудования (микроскоп, модели глаза, уха; соответствующие таблицы). Между тем это далеко не все имеющееся в кабинетах биологии оборудование, которое может быть с пользой применено при изучении физики. Уже при проведении нашего первого биофизического вечера «Физика и медицина» мы применяли следующее оборудование кабинета биологии: аппарат для измерения жизненного объема легких, аппарат для измерения кровяного давления, модели глаза и уха, динамометры для измерения силы мышц.
Позднее в практике своей работы, знакомя учащихся с элементами биофизики, мы также старались использовать для этой цели оборудование кабинета биологии: «Таблицы по анатомии и физиологии человека» А. Н. Кабанова, «Мнр животных» - серия из многокрасочных таблиц А. А. Яхонтова, гербарии и коллекции бабочек, стрекоз, жуков, черепах и т. п. Полезно также показать некоторые учебные фильмы и диафильмы по биологии.
В дальнейшем мы будем указывать, где и какие наглядные пособия и технические средства можно применить, а также, какие наглядные пособия могут изготовить сами учащиеся.

§ 1. Элементы биофизики при изучении механики

Движение и силы
При изучении темы «Движение и силы» в VI классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных живых существ. Улитка проползает примерно 5,5 м в 1 ч. Черепаха перемещается со скоростью около 70 м/ч.. Муха летит со скоростью 5 м/сек. Средняя скорость пешехода около 1,5 м/сек, или около 5 км/ч. Пехотная воинская часть может перемещаться со скоростью до 7 км/ч. Лошадь способна перемещаться со скоростью от 6 до 30 км/ч и выше.
Из животных средней полосы быстрее всех бегает заяц-русак, скорость его достигает 50 - 60 км/ч. Немногим уступает ему волк, который может бегать со скоростью до 45 км/ч. ;
Многие рыбы перемещаются со средней скоростью около 4 км/ч, однако некоторые из них способны развивать и гораздо большие скорости: так, например, меч-рыба может развивать скорость до 90 км/ч.
Интересно также рассмотреть, цифры, приведенные в таблице скоростей движения рыб.
Здесь очень важно обратить внимание на оценку скоростей рыб в сантиметрах в секунду, а также в длинах тела в секунду. По этим данным самой быстроходной оказывается форель, хотя абсолютное значение ее скорости сравнительно невелико.
Используя данные скоростей разных представителей животного мира, можно решать различного рода задачи. Приведем некоторые из них.
Скорость движения улитки 0,9 мм/сек. Выразить эту скорость в см/мин, в м/ч.
Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300 км/ч. Какой путь пролетает он за 5 сек?
1 Скорость многих живых существ выражают особой величиной, равной числу длин их тела, на которое они перемещаются в секунду
Скорость полета почтового голубя 1800 м/мин. Выразить эту величину в км/ч. Какой путь пролетает голубь за 3 ч полета? Можно ли догнать голубя на автомобиле, имеющем среднюю скорость 60 км/ч?
Известно, что средняя скорость роста дуба примерно 30 см/год. Сколько лет дереву высотой в 6,3 м?
Советский спортсмен Владимир Куц пробежал 5000 м за 815 сек. Определить его скорость в км/ч.

Масса тел. Плотность
При знакомстве с понятием «масса тела» и при составлении задач на определение плотности вещества и занимаемого телом объема мы использовали некоторые дополнительные табличные данные (табл. 2).
Пример. Определить массу березовой древесины, если объем ее 5 м3.
Пример. Какова масса льняного масла, занимающего объем 5 л?
Пример. Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.

Сила тяжести. Вес тела
При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита - /0000 кг, слона - 4000 кг, носорога - 2000 кг, быка - 1200 кг, медведя - 400 кг, свиньи - 200 кг, человека - 70 кг, волка - 10 кг, зайца - 6 кг. Найти их вес в ньютонах.
Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.
Можно попутно сообщить еще некоторые интересные сведения.
Самые крупные животные относятся к классу млекопитающих, из них особенно поражает размерами и весом синий кит. Например, один из добытых китов достигал в длину 33 м и весил 1500 кн, что соответствовало весу 30 слонов или 150 быков. Самая крупная современная птица - африканский страус, достигающий 2,75 м в высоту, 2 л в длину (от кончика клюва до конца хвоста) и имеющий массу 75 кг. Самые мелкие птицы - колибри. Колибри одного из видов имеют массу около 2 г, размах крыльев 3,5 см.
Силы трения и сопротивления.

Трение в живых организмах
Большой биофизический материал может быть привлечен при изложении вопроса о силах трения. Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения (масло, деготь и др.), всегда обладают значительной вязкостью. Также и в живом организме: жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.
Кровь, например, - жидкость, более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением и трением о поверхности сосудов. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови.
Малое трение в суставах объясняется их гладкой поверхностью, смазкой их синовиальной жидкостью. Роль смазки при проглатывании пищи играет слюна. Трение мышц или сухожилий о кость уменьшается благодаря выделению специальной жидкости сумками, в которых они расположены. Число таких примеров можно продолжить.
Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное «сцепление» между движущимся телом и «опорой». Сцепление достигается либо заострениями на конечностях (когти, острые края копыт, подковные шипы), либо мелкими неровностями, например, щетинками, чешуйками, бугорками и т. п. Необходимо значительное трение и для хватательных органов. Интересна их форма: это либо щипцы, захватывающие
предмет с двух сторон, либо тяжи, огибающие его (по возможности, несколько раз). В руке сочетается действие щипцов и полный охват со всех сторон; мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатостями предметов, которые надо удержать.
У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных и др.). Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения коэффициента трения (рис. 1).
Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим - при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении - головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.
Изменение сопротивления при движении в разных направлениях наблюдается и у многих водоплавающих. Например, плавательные перепонки на лапках уток или гусей используются подобно веслам. При движении лапки назад утка распрямленной перепонкой загребает воду, а при движении вперед утка сдвигает пальцы - сопротивление уменьшается, в результате чего утка продвигается вперед.
Лучшие пловцы - рыбы, дельфины. Скорости многих рыб достигают десятков километров в час, например, скорость голубой акулы около 36 км/ч. Такую скорость рыбы могут развивать благодаря обтекаемой форме тела, конфигурации головы, обусловливающей малое лобовое сопротивление1.
1 Уменьшение сопротивления за счет обтекаемой формы тела рыб можно проиллюстрировать на чучелах окуня, щуки; можно также показать таблицу «Акула» из серии А. А. Яхонтова «Мир животных».
Интерес специалистов привлекла способность дельфинов двигаться в воде без особых усилий с большой скоростью (вблизи носа корабля 55 - 60 км/ч, свободно плывущие - 30 - 40 км/ч). Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное).
Исследования позволили установить, что секрет «антитурбулентности» дельфина
скрыт в его коже. Она состоит из двух слоев - внешнего, чрезвычайно эластичного, толщиной 1,5 мм, и внутреннего, плотного, толщиной 4 мм.
Между этими слоями имеются выросты, или шипы. Ниже располагаются густо сплетенные волокна, пространство между которыми в несколько сантиметров заполнено жиром.
Такой кожный покров действует как превосходный демпфер. Кроме того, на коже дельфина постоянно имеется тонкий слой специальной «смазки», вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому уменьшается сила трения.
С 1960 г. изготовляются искусственные демпфирующие покрытия, подобные по своим свойствам «дельфиньей коже». И уже первые опыты с торпедой и катером, обшитыми такой кожей, подтвердили возможность снижения сопротивления воды па 40 - 60%.
Известно, что рыбки перемещаются косяками. Мелкие морские рыбки ходят стайкой, похожей по форме на каплю, при этом сопротивление воды движению стайки наименьшее.
Многие птицы во время далеких перелетов собираются в цепочку или косяк. В последнем случае более сильная птица летит впереди, ее тело рассекает воздух подобно тому, как киль корабля - воду. Остальные птицы летят таким образом, чтобы сохранить острый угол косяка; они поддерживают правильное расположение относительно ведущей птицы инстинктивно, так как оно соответствует минимуму сил сопротивления.
Планирующий полет. Планирующий полет довольно часто наблюдается как в растительном, так и в животном мире. Многие плоды и семена снабжены либо пучками волосков (одуванчик, хлопчатник и др.), действующими наподобие парашюта, либо поддерживающими плоскостями в форме отростков и выступов (хвойные растения, клен, береза, липа, многие зонтичные). Некоторые плоды и семена, снабженные «планерами», показаны на рисунке 2, а.
Растительные планеры во многих отношениях даже совершеннее созданных человеком. Они поднимают сравнительно со своим весом гораздо больший груз, кроме того, они обладают большей устойчивостью.
Интересно строение тела белок-летяг, шерстокрылов и летучих мышей (рис. 2, б). Они пользуются своими перепонками для того, чтобы совершать большие прыжки. Так, белки-летяги могут перепрыгивать расстояния до 20 - 30 м с верхушки одного дерева к нижним ветвям другого.

Давление жидкостей и газов
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов.
На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте 160 см, примерно равна 1,6 м2, действует сила в 160 тыс. н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?
Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.
С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется, с одной стороны, деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении - выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут производиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 м). Опускание и поднятие водолазов должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.
Интересно далее разобрать подробнее принцип работы органов, действующих за счет атмосферного давления.
Работа органов, действующих за счет атмосферного давления. Механизм сосания. Мышечным усилием (сокращением мышц языка, нёба и др.) создается отрицательное давление (разрежение) в ротовой полости, и атмосферное давление вталкивает туда порцию жидкости.
Механизм действия разного рода присосок. Присоски имеют форму либо полушарообразной чаши с липкими краями и сильно развитой мускулатурой (края прижимаются к добыче, затем объем присоски увеличивается; примером могут служить присоски пиявок и головоногих), либо состоят из ряда с кладок кожи в виде узких карманов. Края прикладываются к поверхности, на которой надо держаться; при попытке оттянуть присоску глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и атмосферное давление (для водных животных давление воды) сильнее прижимает присоску к поверхности. Например, рыба-прилипала, или ремора, обладает присоской, которая занимает почти всю длину головы. Эта рыбка присасывается к другим рыбам, камням, а также к лодкам и кораблям. Она присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить, благодаря этому она может служить своеобразным рыболовным крючком.
На рисунке 3 показана булава - конец одного из двух самых длинных ловчих щупалец кальмара, она густо усажена разнокалиберными присосками.
Подобным же образом устроены присоски свиного цепня, при помощи которых этот ленточный червь прицепляется к стенке кишечника человека.
Строение этих присосок можно показать на влажном препарате цепня, который имеется в кабинете биологии.
Ходьба по вязкой почве. Влияние атмосферного давления сказывается весьма заметно при ходьбе по вязкой почве (засасывающее действие болота). При поднятии ноги под нею образуется разреженное пространство; избыток внешнего давления препятствует поднятию ноги. Сила давления на ногу взрослого человека Рис. 3.
может достигать 1000 к. Особенно сильно это видно при ходьбе лошади, твердое копыто которой действует подобно поршню.
Механизм вдоха и выдоха. Легкие расположены » грудной клетке и отделены от нее и от диафрагмы герметичной полостью, называемой плевральной. С увеличением объема груд ной клетки объем плевральной полости увеличивается, а давление воздуха в ней уменьшается, и наоборот. Так как легки* эластичны, то давление в них регулируется только давлением в плевральной полости. При вдохе объем грудной клетки увеличивается, за счет чего давление в плевральной полости уменьшается (рис. 4,6); это вызывает увеличение объема легких по-, чти на 1000 мл. При этом давление в иих становится меньше атмосферного, и воздух через воздухоносные пути устремляется в легкие. При выдохе объем грудной клетки уменьшается (рис. 4,в), за счет чего давление в плевральной полости увеличивается, что вызывает уменьшение объема легких. Давление воздуха в них становится выше атмосферного, и воздух из лег ких устремляется в окружающую среду.
При обычном спокойном вдохе вдыхается около 500 мл воз духа, столько же выдыхается при обычном выдохе, а полный объем воздуха, находящегося в легких, около 7 л1.
1 Для пояснения механизма вдоха - выдоха может быть использована модель-схема грудной полости, имеющаяся в кабинете биологин. Здесь жи может быть продемонстрирован водяной спирометр, который служит для измерения жизненной емкости легких. Кинофильм «Строение и функции органов дыхания», выпущенный Ленинградской студией учебных фильмов в 1964 г., также может быть показан при изучении этой темы.
Сердце - насос.
Сердце представляет собой удивительный насос, работающий безостановочно всю жизнь человека.
Оно перекачивает за I сек 0,1 л крови, за минуту - б л, за 1 ч - 360 л, за одни сутки - 8640 л, за год - более 3 млн. л, а за 70 лет жизни - около 220 млн.,л.
Исли бы сердце не перегоняло кровь по замкнутой системе, а накачивало бы в какой-либо резервуар, то можно было бы заполнить бассейн в 100 м длиной, ПК) м шириной и 22 м глубиной.
Иглобрюх в борьбе за существование. Интересно «применение» газовых законов в жизни своеобразной рыбки - иглобрюха. Она обитает в Индийском океане и Средиземном море. Тело ее густо усеяно многочисленными шипами - видоизмененной чешуей; в спокойном состоянии они более или менее плотно прилегают к телу. При возникновении опасности иглобрюх тотчас же устремляется к поверхности воды и, загла-п.1иая воздух в кишечник, превращается в раздутый шар; шипы при этом приподнимаются и торчат во все стороны (рис. 5). Рыба держится у самой поверхности, опрокинувшись вверх брюшком, причем часть тала выступает над водой. В таком положении иглобрюх защищен от хищников как снизу, так и сверху. Когда минует опасность, иглобрюх выпускает воздух, и тело его принимает оомчную форму.
Гидростатические аппараты в живой природе. Любопытные I пдростатические аппараты существуют в живой природе. Например, головоногие моллюски из рода наутилусов живут в раковинах, разделенных перегородками на отдельные камеры (рис. 6). Само животное занимает последнюю камеру, а остальные заполнены газом. Чтобы опуститься на дно, моллюск наполняет раковину водой, она становится тяжелой и легко опускается. Чтобы всплыть на поверхность, наутилус нагнета-« I газ в отделения раковины; газ вытесняет воду и раковина н илыпает.
Жидкость и газ находятся в раковине под давлением, по- ному перламутровый домик не лопается даже на глубине в 4см1.сот метров.
Интересен способ передвижения морских звезд, морских ежен, голотурий, которые перемещаются за счет разности гидро-t ытических давлений. Тонкие, пустотелые и эластичные ножки морской звезды набухают при ее движении. Органы-насосы под дпнлсипем нагнетают в них воду. Вода растягивает их, они тяну ня вперед, присасываются к камням. Присосавшиеся ножки сжимаются и подтягивают морскую звезду вперед, Затем вода перекачивается в другие ножки и тс перемещаются дальше. Средняя скорость морски.ч звезд около 10 м/ч. Но зато здесь достигается полная амортизация движения!

Архимедова сила
Рыбы. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почт» полностью уравновешивается архимедовой силой. Благо даря этому водные животные не нуждаются в столь массивных, скелетах, как наземные (рис. 7).
Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это единственная часть тела рыбы, обладающая заметной сжимаемостью; сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба ме няет объем своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глу-i бину своего погружения.
Водоплавающие птицы. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого слоя перьев и пуха, не пропускающего воды, в котором содержится значительное коли чество воздуха; благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птицы, ее средняя плотность оказывается очень малой. Этим объясняется тот факт, что утки и другие водоплавающие мало погружаются в воду при плавании.
Паук-серебрянка. С точки зрения законов физики очень интересно существование паука-серебрянки. Паук-серебрянка устраивает свое жилище - подводный колокол - из крепкой паутины. Сюда паук приносит с поверхности пузырьки воздуха, задерживающиеся между тонкими волосками брюшка. В колоколе он собирает запас воздуха, который время от времени пополняет; благодаря этому паук может долго находиться под водой.
Водные растения. Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей, потому, что на концах их разветвлений заключены крупные пузыри воздуха, играет роль поплавков.
Водяной орех. Любопытное водное расте ние - чилим (водяной ррех). Растёт по заводям Волги, в озерах лиманах. Плоды его (водяные орехи) достигают 3 см в диаметре и имеют форму, похожую на морской якорь с несколькими острыми рожками или без них. Этот «якорь» служит для того, чтобы удержать на подходящем месте молодое прорастающее растение. Когда чилим отцветает, под водой начинают образовываться тяжелые плоды. Они могли бы потопить растение, но как раз в это время на черешках листьев образуются вздутия - своего рода «спасательные пояса». Тем самым увеличивается объем подводной части растений; возрастает, следовательно, выталкивающая сила. Этим достигается равновесие между весом плодов и возникающей за счет вздутий выталкивающей силой.
Плавание сифонофор. Сифонофорами зоологи называют особую группу кишечнополостных животных. Подобно медузам, это свободно плавающие морские животные. Однако, в отличие от первых, они образуют сложные колонии с очень резко выраженным полиморфизмом*. На самой вершине колонии обычно имеется особь, при помощи которой вся колония держится в толще воды и движется, - это содержащий газ пузырь. Газ вырабатывается особыми железками. Этот пузырь достигает иногда 30 см в длину.
Богатый биофизический материал этого раздела дает возможность разнообразно и интересно провести уроки с шестиклассниками.
Опишем, например, беседу в процессе изучения темы «Архимедова сила». Учащиеся знакомы с жизнью рыб, с особенностями водных растений. Они уже ознакомились с действием выталкивающей силы. Исподволь подводим их к пониманию роли закона Архимеда для вёех существ, находящихся в водной среде. Начинаем беседу постановкой вопросов: почему рыба имеет более слабый скелет, чем существа, живущие на суше? Почему водоросли не нуждаются в твердых стеблях? Почему погибает под действием собственного веса кит, оказавшийся на мели? Такие необычные на уроке физики вопросы вызывают удивление учащихся. Они заинтересованы. Мы продолжаем беседу и напоминаем ребятам, что в воде нужно приложить значительно меньшую силу, чтобы поддержать товарища, чем на берегу (в воздухе). Суммируя все эти факты, направляя учащихся на правильную интерпретацию их, мы подводим ребят к далеко идущему обобщению о влиянии физического фактора (выталкивающей силы, которая в водной среде оказывается намного большей, чем в воздухе) на развитие и особенности строения водных существ и растений.

Законы Ньютона
Некоторые проявления инерции. Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. В это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны. Такой метод распространения семян довольно часто встречается в растительном мире.
В тропических зонах Атлантического и Индийского океанов часто наблюдают полет так называемых летучих рыб, которые, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и совершают при благоприятном ветре планирующий полет, покрывая расстояния до 200 - 300 м на высоте 5 - 7 м. Рыба поднимается в воздух благодаря быстрым и сильным колебаниям хвостового плавника. Вначале рыба несется по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает ее в воздух. Распластанные длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полет рыб стабилизируется хвостовыми плавниками; рыбы движутся лишь по инерции.
Плавание и третий закон Ньютона. Легко заметить, что в процессе движения рыбы и пиявки отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а плывущая рыба - взмахами хвоста. Таким образом движение рыб и пиявок может служить иллюстрацией третьего закона Ньютона.
Полет и третий закон Ньютона. В основе полета насекомых лежит взмах крыльями (машущий полет). Управление полетом достигается почти исключительно крыльями. Меняя направление плоскости взмахов крыльями, насекомые изменяют направление движения: вперед, назад, полёт на одном месте, повороты и т. д. Одни из самых вертких в -полете насекомых - мухи. Оми часто делают крутые повороты вбок. Достигается это резким выключением крыльев одной стороны тела - движение их мл мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается поворот н сторону от первоначального направления полета.
Самой большой скоростью полетй обладают бабочки-браж-ннкп и слепни - 14 - 15 м/сек. Стрекозы летают со скоростью 10 м/сек, жуки-навозники - до 7 м/сек, пчелы - до 6 - 7 м/сек. Скорость полета насекомых в сравнении с птицами мала. Од-ннко если подсчитать относительную скорость (скорость, с котором перемещаются шмель, стриж, скворец и самолет на расстояние, равное длине собственного тела), то окажется, чтр она будет меньше всего у самолета и больше всего у насекомых.
Ганс Леонардо да Винчи изучал полет птиц в поисках путей I о шпиня летательных аппаратов. Полетом птиц интересовался н II. В. Жуковский, разработавший основы аэродинамики. Сей-чае принцип машущего полета опять привлекает внимание само-л построителей
Реактивное движение в живой природе. Некоторые животные передвигаются по принципу реактивного движения, например кальмары, осьминоги (рис. 8), каракатицы. Морской моллюск-I рсбсшок, резко сжимая створки раковины, рывками может дви-1МП.СН вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной in раковины. Приблизительно так же передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы III «мчи.
Гак как в этих случаях толчки отделены друг от друга зна-чинмн.нимн промежутками времени, то большая скорость движения не достигается. Чтобы у вел ич илась скорость дви-жения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва. Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм - в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, - и проводят возбуждение со скоростью 25 м1сек. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч).
Ускорения и перегрузки, которые способны выдерживать живые существа. При изучении законов Ньютона можно познакомить учащихся с ускорениями, с которыми сталкивается человек в разных жизненных ситуациях.
Ускорения в л и ф т е. Максимальное ускорение (либо замедление) при движении кабины лифта при нормальном режиме работы не должно превышать для всех лифтов 2 м/сек2. При остановке «стоп» максимальная величина ускорения не должна превышать 3 м/сек2.
Ускорения в авиации. Когда тело испытывает ускорение, то говорят, что оно подвергается перегрузке. Величину перегрузок характеризуют отношением ускорения движения а к ускорению свободного падения g:
k = - . g
При прыжке с парашютом возникают большие ускорения и, следовательно, перегрузки.
Если раскрыть парашют на высоте 1000 м через 15 сек после падения, то перегрузка будет около 6; раскрытие парашюта после такой же задержки на высоте 7000 м вызывает перегрузку, равную 12; на высоте 11 000 м при тех же условиях перегрузка будет почти втрое большей, чем на высоте 1000 м.
При приземлении с парашютом также возникают перегрузки, которые тем меньше, чем больше путь торможения. Поэтому перегрузка будет меньше при приземлении на мягкую почву. При скорости снижения 5 м/сек и погашении ее на пути около 0,5 м за счет сгибания коленей и туловища перегрузка равна примерно 3,5.
Максимальные, правда очень кратковременные, ускорения испытывает человек при катапультировании с самолета. При этом скорость вылета сиденья из кабины равна примерно 20 м/сек, путь разгона - -1 - 1,8 м. Максимальное значение ускорения достигает 180 - 190 м/сек2, перегрузка - 18 - 20.
Однако, несмотря на большую величину, такая перегрузка не опасна для здоровья, так как она действует кратковременно, примерно 0,1 сек.
Влияние ускорений на живые организмы. Расмотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении iivia, в том числе и головы, поступают в специальный орган - вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует и шовной мозг об изменении скорости движения, поэтому его и.пывают органом акселерационного чувства. Размещается этот пииарат во внутреннем ухе.
Характеристики пороговых величин раздражений вестибулирпого аппарата, доходящих до сознания человека, а также ретине ускорения при разных движениях приведены в таблице 3.

Легче переносятся ускорения, направленные от спины к груди, от груди к спине и от одного бока к другому. Поэтому очень важна соответствующая поза человека. Обязательным условием является общая физическая тренировка, приводящая к хорошему развитию мышц всего тела.
Кроме того, необходимо специально тренировать организм с целью увеличить выносливость к ускорениям. Такую тренировку осуществляют на специальных линейных ускорителях, в центрифугах и на других установках.
Применяются также специальные противоперегрузочные костюмы, конструкция которых обеспечивает фиксацию внутренних органов.
Интересно здесь вспомнить, что К. Э. Циолковский для повышения выносливости человека к действию ускорений предлагал помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Следует отметить, что подобная защита организма от ускорений достаточно широко распространена в природе. Так защищен зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери. К. Э. Циолковский помещал куриное яйцо в банку с раствором соли и сбрасывал ее с высоты. Яйцо при этом не разбивалось.
В настоящее время есть данные о подобных опытах с рыбами и лягушками. Помещенные в воду рыбы и лягушки выдерживали ускорения ударного характера порядка 1000 g и более.
Амортизатор меч-рыбы. В природе имеют место разнообразные приспособления, которые позволяют живым организмам безболезненно переносить перегрузки, возникающие при ускорении и торможении. Известно, что толчок при прыжке смягчается, если приземляться на полусогнутые ноги; роль амортизатора играет позвоночник, в котором хрящевые прокладки являются своего рода буферами.
Интересный амортизатор есть у меч-рыбы. Меч-рыба известна как рекордсмен среди морских пловцов. Ее скорость достигает 80 - 90 км/ч. Ее меч способен пробивать дубовую обшивку судна. Она же от такого удара не страдает. Оказывается, в ее голове у основания меча имеется гидравлический амортизатор - небольшие полости в виде сот, наполненные жиром. Они и смягчают удар. Хрящевые прокладки между позвонками у меч-рыбы очень толстые; подобно буферам у вагонов, они уменьшают силу толчка.
Простые механизмы в живой природе
В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека - кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвонок), фаланги пальцев. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб - шипы спинного плавника; у членистоногих - большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков - створки раковины.
Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.
Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Например, длинные ноги борзой и оленя определяют их способность к быстрому бегу; короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости; длинные челюсти борзой позволяют быстро схватить добычу на бегу, а короткие челюсти бульдога смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления).
Рычажные элементы встречаются в разных частях тела животного и человека - это, например, конечности, челюсти.
Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 9, а). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы, позади - сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 9, б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила R - вес всего тела - приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.
В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный рычаг - ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень. Глубоко уходящий в землю корень сосны или дуба оказывает огромное сопротивление опрокидыванию (велико плечо сопротивления), поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем. Наоборот, ели, имеющие чисто поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.
Интересные рычажные механизмы можно найти в некоторых цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах.
Рассмотрим строение лугового шалфея (рис. 10). Вытянутая тычинка служит длинным плечом А рычага. На ее конце расположен пыльник. Короткое плечо Б рычага как бы стережет вход в цветок. Когда насекомое (чаще всего шмель) заползает в цветок, оно нажимает на короткое плечо рычага. Длинное плечо при этом пыльником ударяет по спинке шмеля и оставляет на ней пыльцу. Перелетая на другой цветок, насекомое этой пыльцой опыляет его.
В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, хвост, пальцы, тело змей и многих рыб). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг,
или сочетанием элементов, сравнительно негибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации (хобот слона, тело гусениц и др.). Управление изгибанием во втором случае достигается системой продольных или косо расположенных тяг.
«Колющие орудия» многих животных - когти, рога и т. д. по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость); клину подобна и заостренная форма головы быстроходных рыб. Многие из этих клиньев - зубы, колючки (рис. 11) имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота.

Деформации
Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Инте-
ресно, что на примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни. Деформации растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; изгиба - позвоночник, кости таза, конечностей; кручения - шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т. д.
Для составления задач на деформации мы пользовались данными, приведенными в таблице 4.
Из таблицы видно, что модуль упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал.
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8-107 н/м2, предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13-107 н/м2. Соединительные ткани в связках, в легких и т. д. обладают большой эластичностью, например затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.
Конструкции, составленные из отдельных стержней (фермы) или пластин, сходящихся под углом 120°, обладают максимальной прочностью при минимальном расходе материала. Примером таких конструкций являются шестигранные ячейки пчелиных сот.
Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея птицы, тело змеи).
При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой; средние пасти заметной де-
формации не испытывают. Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает вес установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей и стебли быстрорастущих растений - злаков (рис. 12), зонтичных и т. п. У подсолнечника и других растений стебель имеет рыхлую сердцевину. Молодые, неокрепшие листья злаков всегда бывают свернуты в трубочку.
Конструкции, подобные тавровой балке, встречаются в грудине птиц, в раковинах многих моллюсков, живущих в полосе прибоя, и др. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надежные опоры, не допускающие раздвигания ее концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на ее выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки; а в организмах - череп, грудная клетка, оболочки яиц, орехов, панцири жуков, раков, черепах и т. п.).
Падение живых существ. Галилео Галилей писал: «Кто не знает, что лошадь, упав с высоты трех-четырех локтей, ломает себе ноги, тогда как собака при этом не страдает, а кошка остается невредимой, будучи брошена с восьми - десяти локтей, точно так же как сверчок, упавший с верхушки башни, или муравей, упавший на землю хотя бы из лунной сферы».
Почему мелкие насекомые, падая на землю с большой высоты, остаются невредимыми, а крупные животные гибнут?
Прочность костей и тканей животного пропорциональна площади их сечений. Сила трения о воздух при падении тел также пропорциональна этой площади. Масса же животного (и его вес) пропорциональна его объему. С уменьшением размеров тела его объем убывает значительно быстрее, чем поверхность. Таким образом, при уменьшении размеров падающего животного увеличивается сила торможения его о воздух (на единицу массы) по сравнению с силой торможения на единицу массы более крупного животного. С другой стороны, для более мелкого животного возрастают прочность костей и сила мышц (также на единицу массы).
Сравнивать прочность лошади и кошки при их падении не совсем верно, так как у них разное строение тела, в частности различны «амортизирующие» приспособления, смягчающие толчки при ударах. Более правильно было бы сравнивать тигра, рысь и кошку. Самой прочной среди этих кошачьих оказалась бы кошка!
«Строительная техника» в мире живой природы. После изучения темы «Твердое тело» полезно рассказать об аналогиях в «строительной технике природы» и технике, созданной человеком.
Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому же принципу - экономии материалов и энергии.
Издавна вызывают удивление и восторг разнообразные конструкции живой природы. Поразительна прочность и изящество сети паука, восхищает строительное искусство жилища медоносных пчел - строгая геометрия их сот, состоящих из правильных шестиугольных ячеек. Удивительны сооружения муравьев, термитов. Изумляют коралловые острова и рифы, образованные известковыми скелетами кораллов. Некоторые морские водоросли покрыты твердыми оболочками изящной формы. Например, перидинии одеты в причудливые панцири, образованные отдельными твердыми скорлупками. Они показаны при сильном увеличении на рисунке 13.
Еще разнообразнее морские радиолярии (простейшие животные), крошечные скелеты которых изображены на рисунке 14 (для сравнения под номерами - 3 показаны снежинки).
В последнее время внимание строителей занимают образцы растительного мира. К. А. Тимирязев писал: «Роль стебля, кац известно, главным образом архитектурная: это твердый остов всей постройки, несущий шатер листьев, и в толще которого, подобно водопроводным трубам, заложены сосуды, проводящие соки... Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».
Если рассмотреть поперечные разрезы стебля и современной фабричной трубы, то бросается в глаза подобие их конструкций. Назначение трубы в том, чтобы создавать тягу и отводить вредные газы подальше от земли. По стеблю растения вверх от корней поднимаются питательные вещества. Как труба, так и стебель находятся под постоянным воздействием однотипных статических и динамических нагрузок - собственного веса, ветра и т. п. Вот причины их конструктивного сходства. Обе конструкции полые. Тяжи стебля, как и продольная арматура трубы, расположены по периферии всей окружности. Вдоль стенок обеих конструкций имеются овальные пустоты. Роль спиральной арматуры в стебле играет кожица.
Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с траекториями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости человека и кривую крановую балку, работающую на изгиб под действием вертикальной нагрузки, распределенной на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.
Для современной архитектуры и строительной техники характерно внимание к лучшим «образцам» живой природы. Ведь современные требования - это прочность и легкость, которые легко могут быть удовлетворены применением в строительстве стали, железобетона, алюминия, армоцемента, пластмасс. Широкое применение приобретают пространственные решетчатые системы. Их прототипами являются «каркасы» стебля или ствола дерева, образованные из более прочной ткани, чем остальной материал растения, выполняющий биологические и изолирующие функции. Это и система прожилок листа дерева, и решетка корневых волосков. Такие конструкции напоминают корзины, проволочный каркас абажура, изогнутую решетку балкона и т. п. Итальянский инженер П. Нерви использовал принцип строения листа дерева в покрытии зала Туринской выставки, благодаря чему легкая и тонкая конструкция перекрывает без опор 98-метровый пролет. На обложке нашей книги изображено здание такого типа, похожее либо на раковину, либо на опрокинутую чашечку цветка.
Характерно применение пневматических сооружений, которые вполне соответствуют природным формам: форме фруктов, воздушных пузырей, кровеносных сосудов, листьев растений и т. п.
В целях упрочнения строительных материалов физикохимики обратились к изучению мельчайших структур и сейчас разрабатывают технологию производства сверхпрочных материалов, составленных из множества тончайших волокон, пленок и зерен по принципам, подсказанным природой. Для получения сверхпрочных конструкций, однако, недостаточно упрочнения строительных материалов. Известно, что костные конструкции иногда превосходят по ряду показателей стальные, но это происходит за счет «распределения» костного материала, по прочности уступающего стали.
Создавая ту или иную конструкцию, природа решает множество задач - учитывает необходимое сопротивление внешним механическим воздействиям и физико-химическим влияниям среды, обеспечивает растения водой, воздухом, солнцем. Все эти
задачи решаются комплексно, все подчиняется общей задаче, общему ритму жизни организма. В растениях не увидишь свободно подвешенных водопроводных капилляров, как в сооружениях человека. Помимо задачи равномерного и постоянного передвижения воды, они выполняют и механическую функцию, оказывая сопротивление внешним механическим воздействиям среды.
А если представить себе возможность самообновления конструктивного материала в период его эксплуатации, свойственную живой природе! По-видимому, и защита от вредных химических воздействий, от низких и высоких температур может быть найдена при изучении покровных тканей растений и животных.
Строительное искусство, вооруженное бионикой, создаст мир конструкций и зданий более естественный и совершенный, чем тот, к которому мы привыкли.

Мощности, развиваемые человеком
При прохождении темы «Работа и мощность» интересно сообщить некоторые сведения о мощности, которую способен развивать человек.
Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70 - 80 вт (или примерно0,1 л. с.). Однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз.
Так, человек весом в 750 к может за 1 сек вскочить на возвышение высотой в 1 м, что соответствует мощности в 750 вт. При быстром подъеме, например на 7 ступенек, каждая из которых высотой около 0,15 м, в течение 1 сек развивается мощность около 1 л. с. или 735 вт.
Недавно велогонщик-олимпиец Брайен Джолли показал на испытаниях мощность 480 вт в течение 5 мин, что составляет почти 2/з л. с.
Для человека возможна моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии, особенно в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 сек среднюю мощность около 5,2 л. с., а женщины - 3,5 а. с.

Приспособления для изменения подъемной силы
Интересные сведения о строении тела акул и осетровых рыб могут быть сообщены в связи с изучением вопроса о подъемной силе крыла самолета. Известно, что при посадке самолета, когда его скорость и, следовательно, подъемная сила невелики, необходимы дополнительные приспособления для увеличения подъемной силы. Для этой цели служат специальные щитки -
закрылки, расположенные на нижней поверхности крыла, служащие для увеличения кривизны его профиля. При посадке они отгибаются вниз.
Костные рыбы (к которым относится подавляющее большинство современных рыб) регулируют величину своей средней плотности и, соответственно, глубину погружения с помощью плавательного пузыря. Хрящевые рыбы не имеют такого приспособления. Подъемная сила у них изменяется за счет изменения профиля, подобно самолетам, например, акулы (хрящевые рыбы) меняют подъемную силу с помощью грудных и брюшных плавников.

Аппарат искусственного кровообращения (АПК)
Заканчивая изучение механики, йолезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.
При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце.
Рис. 15.
Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца - они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенатор выполняет функции легких и обеспечивает насыщение крови кислородом.
Упрощенная схема аппарата показана на рисунке 15. Поршневые насосы 18 приводятся в действие электромотором 20 через регулятор 19\ последний устанавливает ритм и величину хода поршней насосов. Давление через наполненные маслом трубки передается насосам 4 и 9, которые с помощью резиновых диафрагм и клапанов создают необходимое разрежение в венозной части (насос 4) и сжатие в артериальной части (насос 9) физиологического блока аппарата. Физиологический блок состоит из циркуляционной системы, которая с помощью полиэтиленовых катетеров сообщается с крупными сосудами в месте выхода их из сердца и оксигенатором.
Кровь всасывается через воздушную ловушку 1, электромагнитный зажим 2, уравнительную камеру 3, выполняющую функции предсердия, и с помощью насоса 4 впрыскивается в верхнюю камеру 5 оксигенатора. Здесь кровь равномерно распределяется по столбу кровяной пены, заполняющей его среднюю камеру 6. Она представляет собой цилиндр из капроновой сетки, в дне которой расположен распределитель кислорода 7. Кислород равномерно через 30 отверстий поступает в камеру через образующийся на дне камеры слой воздуха. Общая поверхность пузырьков в пенном столбе равняется примерно 5000 см2 (при объеме крови 150 - 250 см3). В оксигенаторе кровь насыщается кислородом, отдает в окружающую атмосферу углекислоту и стекает в нижнюю камеру 8, откуда через насос 9, зажим 10 и воздушную ловушку 11 поступает в артериальную систему организма. Кислород поступает в оксигенатор через счетчик газа 17 и увлажнитель 16. В верхней части оксигенатора расположены пеногаситель 12 и отверстие для выхода газа. С оксигенатором через зажим 14 сообщается сосуд 15 с запасной кровью или кровезаменяющей жидкостью. Поступление крови из оксигенатора регулируется поплавком 13, связанным индуктивно с находящейся снаружи катушкой, которая управляет включением электромагнитных зажимов прибора.

Вопросы и задачи

При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.
Рассмотрим решение нескольких задач, предлагавшихся нами учащимся.

Задача 1. Как объяснить с помощью физических представлений, что в бурю ель легко вырывается вместе с корнем, а у сосны скорее ломается ствол?
Перед решением мы зачитывали характеристики этих деревьев.
«Своими корнями, распространяющимися поверхностно, она (ель. - Ц. К.) может крепко оплетать камни, почему обладает необходимой устойчивостью и в горах, даже при очень тонком слое почвы, но так как у нее нет, как у сосны, вертикально уходящего вниз корня, то на равнинах отдельно стоящее дерево ели легко вырывается бурей вместе с корнем. Крона дерева образует огромную пирамиду».
«Сосна, растущая в лесу, образует высокий колоннообразный ствол и небольшую пирамидальную крону. Наоборот, растущая на чисто открытом месте, достигает лишь небольшого роста, зато крона ее широко разрастается».
Затем обсуждали с учащимися возможность применения правила моментов для решения задачи.
Нас интересует анализ только качественной стороны вопроса. Кроме того, нас интересует вопрос о сравнительном поведении обоих деревьев. Роль нагрузки в нашей задаче играет сила ветра FB. Можно силу ветра, действующую на ствол, сложить с силой ветра, действующего на крону, и даже предположить, что силы ветра, действующие на оба дерева, одинаковы. Тогда, по-видимому, дальнейшее рассуждение должно" быть следующим. Корневая система сосны глубже уходит в землю, чем у ели. За счет этого плечо силы, удерживающей сосну в земле, больше, чем у ели (рис. 16). Следовательно, чтобы вывернуть ель с корнем, требуется меньший момент силы ветра, чем для сосны; чтобы вывернуть сосну с корнем, требуется больший момент силы ветра, чем чтобы поломать ее. Поэтому ель чаще выворачивается с корнем, чем сосна, а сосна чаще ломается, чем ель.

KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ

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 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 физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.

Выделяют-

молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
биофизика клеток - изучение структуры клеток и физико-химические проявления - проницаемость, образование биопотенциалов
биофизика органов чувств - физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
Биофизика сложных системы - процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света

Задачи биофизика

Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм

Эйлер(1707-1783) - законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам

Лавуазье (1780) - изучал обмен энергии в организме

Гальвани(1786) - основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве

Гельмгольц(1821)

Рентген - пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов

Аррениус - законы классической кинетики для объяснения биологических процессов

Ломоносов - закон сохранения и превращения энергии

Сеченов - изучал транспорт газа в крови

Лазарев - основоположник отечественной биофизической школы

Полинг - открытие пространственной структуры белка

Уотсон и Крик - открытие двойной структуры ДНК

Ходжкин, Хаксли, Катц - открытие ионной природы биоэлектрических явлений

Пригожин -теория термодинамики необратимых процессов

Эйген - теория гиперциклов, как основа эволюции

Сакман, Неер - установили молекулярную структуру ионных каналов

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

Методы биофизических исследований

Рентгеноструктурный анализ - исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
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
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 ядерно-магнитный резонанс.
Изотопная индикация
Электронная микроскопия
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

Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс - регуляция и управление физиологическими функциями.

Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика - искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.

Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»

Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.

Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.

Системы - организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива - люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.

Программа - последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.

Связь - процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.

Сообщения бывают непрерывными и дискретными.

Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).

Дискретное - состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)

Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода - символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).

Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.

Сообщение и информация - это не одно и тоже, ибо по теории информации

Информация - мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.

Возможность наступления события - априорная информация .

Та вероятность события после получения информации - апостериорная информация.

Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.

Свойства информации.

Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) - «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Дезинформация - отрицательное значение информации.

Мера неопределенности событий - энтропия (H)

Если log2 N=1, тогда N=2

Единица информации - бит (двойничная единица информации)

H=lg N (хартли)

1 хартли - количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит

Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции

Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.

Наиболее древний - гуморальный механизм регуляции.

Нервный механизм.

Нервно-гуморальный механизм.

Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.

Форпостный механизм (у человека) - в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.

Биофизика (биологическая физика) - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном.

Введение

Теоретические построения и модели биофизики основаны на понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Эти понятия отражают природу основных взаимодействий и законов движения материи, что, как известно, составляет предмет физики - фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики - проникновение в самые глубокие, элементарные уровни, составляющие основу структурной организации живого.

Становление и развитие биофизики тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии , физики, химии и математики .

Современная классификация биофизики, принятая ИЮПАБ

Классификация, принятая Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961), которая отражает основные биологические объекты в области биофизических исследований, включает следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы жизнедеятельности клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. Выделяют также разделы биофизики: строение биополимеров (белки, ДНК, липиды), биомеханика, биологическая оптика, биомагнетизм, биологическая термодинамика. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующая радиация, электромагнитные поля и др.).

История проникновения начал физики и математики в биологию

Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 в.), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Итальянский физик Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 в. важное значение для понимания физико-химических процессов, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М.В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии для неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтаи Л. Гальвани по проблеме открытия последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии и сыграла важную роль в исследованиях электричества в целом.

Развитие биофизики в XIX - начале XX века

В 19 в. развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениуса, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернста . Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц , Э. Дюбуа-Реймон , Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лёба (США), В. Нернста и Р. Гербера (Германия). Всё это позволило Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действиями каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».

Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И.М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В.Ю. Чаговцем. К.А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественные закономерности, связывающие скорость процесса фотосинтеза и поглощение хлорофиллом в листьях света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 гг. Н.К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов, катионов) в жизни клетки. П.П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в их число входили С.И. Вавилов, С.В. Кравков, В.В. Шулейкин, С.В. Дерягин и др.). В 1919 им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В.И. Вернадского (« Биосфера», 1926), Э.С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д.Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н.К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д.Н. Насонова и В.Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др.

Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с достижениями в области физики и химии, с развитием и совершенствованием методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. С развитием биофизики в биологию проникли такие точные экспериментальные методы исследований как спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии и радиационной биофизики.

Основной итог начального периода развития биофизики - это вывод о принципиальной приложимости в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи. Важное общеметодологическое значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики), утверждение принципов химической кинетики как основы динамического поведения биологических систем, концепция открытых систем и второго закона термодинамики в биологических системах, наконец, вывод об отсутствии каких-либо особых «живых» форм энергии. Все это во многом повлияло не развитие биологии, наряду с успехами биохимии и успехами в изучении структуры биополимеров, способствовало формированию ведущего современного направления биологической науки - физико-химической биологии , в котором биофизика занимает важное место.

Основные направления исследований и достижения современной биофизики

В современной биофизике можно выделить 2 основных направления, составляющих предмет биофизики, - теоретическая биофизика решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, рассматривает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, механизмы трансформации в них энергии; и биофизика конкретных биологических процессов (биофизика клетки ), анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция развития биофизики связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого.

На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные, прежде всего, с бурным развитием теоретических разделов биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. Именно в этих областях, занимающихся закономерностями динамического поведения биологических систем и механизмами молекулярных взаимодействий в биоструктурах, получены общие результаты, на основании которых в биофизике сформировалась собственная теоретическая база. Теоретические модели, разрабатываемые в таких разделах как кинетика, термодинамика, теория регуляции биологических систем, строение биополимеров и их электронные конформационные свойства, составляют в биофизике основу для анализа конкретных биологических процессов. Создание таких моделей необходимо для выявления общих принципов фундаментальных биологически значимых взаимодействий на молекулярном и клеточном уровне, раскрытия их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработки на основе этого исходных обобщенных понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям.

Важнейшей особенностью является то, что построение моделей в биофизике требует такой модификации идей смежных точных наук, которая равносильна выработке новых понятий в этих науках в применении к анализу биологических процессов. Биологические системы сами являются источником информации, которая стимулирует развитие некоторых областей физики, химии и математики.

В области биофизики сложных систем использование принципов химической кинетики для анализа метаболических процессов открыло широкие возможности их математического моделирования с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. На этом этапе было получено много важных результатов, в основном в области моделирования физиолого-биохимических процессов, динамики роста клеток и численности популяций в экологических системах. Принципиальное значение в развитии математического моделирования сложных биологических процессов имел отказ от идеи обязательного нахождения точных аналитических решений соответствующих уравнений и использование качественных методов анализа дифференциальных уравнений, которые позволяют раскрыть общие динамические особенности биологических систем. К числу этих особенностей относятся свойства стационарных состояний, их число, устойчивость, возможность переключения из одного режима в другой, наличие автоколебательных режимов, хаотизация динамических режимов.

На этой основе были развиты представления об иерархии времен и «минимальных» и адекватных моделях, достаточно полно отражающих основные свойства объекта. Был также развит параметрический анализ динамического поведения систем, в том числе анализ базовых моделей, отражающих те или иные стороны самоорганизации биологических систем во времени и пространстве. Кроме того, все большее значение приобретает использование вероятностных моделей, которые отражают влияние стохастических факторов на детерминистсткие процессы в биологических системах. Бифуркационная зависимость динамического поведения системы от критических значений параметров отражает возникновение в системе динамической информации, которая реализуется при смене режима функционирования.

К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток, как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Пригожин ); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях. Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах.

В целом развитие единого молекулярно-кинетического описания является актуальной проблемой биофизики, которая требует разработки исходных базовых понятий. Так, в области термодинамики необратимых процессов понятие химического потенциала, зависящего от общей концентрации какого-либо компонента, и, строго говоря, понятие энтропии уже несправедливы для гетерогенных систем, далеких от равновесия. В активных макромолекулярных комплексах внутримолекулярные превращения в первую очередь зависят от характера их организации, а не от суммарной концентрации отдельных составляющих компонентов. Это требует разработки новых критериев устойчивости и направленности необратимых процессов в гетерогенных неравновесных системах.

В молекулярной биофизике изучение конкретных биологических процессов основано на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки, внутримолекулярной подвижности и т.д. Большое значение в биофизике имеет использование современных экспериментальных методов и прежде всего радиоспектроскопии (ЯМР , ЭПР ), спектрофотометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии, различных электрометрических методов, в том числе с использованием микроэлектродной техники. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. В настоящее время установлена структура около 1000 белков. Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. Возможности направленного синтеза биологически активных веществ, в том числе лекарственных препаратов, базируются также на фундаментальных исследованиях связи молекулярной подвижности и биологической активности таких молекул.

В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях - ЭКВ (М.В. Волькенштейн ), стохастических свойствах белка (О.Б. Птицын ) составляют основу понимания принципов функционирования биомакромолекул. Специфика биологических закономерностей, полностью раскрывающихся на высших уровнях организации развитой биологической системы, тем не менее, проявляется уже на низших молекулярных уровнях живого. Трансформация энергии и появление продуктов реакции в комплексах достигается в результате внутримолекулярных взаимодействий отдельных частей макромолекулы. Отсюда логически вытекают представления о своеобразии макромолекулы как физического объекта, сочетающего в себе взаимодействия по статистическим и механическим степеням свободы. Именно представления о макромолекулах, прежде всего белковых, как своего рода молекулярных машинах (Л.А. Блюменфельд , Д.С. Чернавский ) позволяют объяснить трансформацию различных видов энергии в результате взаимодействия в пределах одной макромолекулы. Плодотворность биофизического метода анализа и построения обобщенных моделей физического взаимодействия сказывается в том, что принцип ЭКВ позволяет с единых общенаучных позиций рассматривать функционирование молекулярных машин, казалось бы, далеких друг от друга по своей биологической роли - например, молекулярных комплексов, участвующих в первичных процессах фотосинтеза и зрения, фермент-субстратных комплексов ферментативных реакций, молекулярных механизмов работы АТФ-синтетазы, а также переноса ионов через биологические мембраны.

Биофизика изучает свойства биологических мембран , их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, их устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, их проницаемость для неэлектролитов и для различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии в биоструктурах (см. ст. Биоэнергетика ), где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации, а также в развитии ряда других патологических процессов (Н.М. Эмануэль , Б.Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергии, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает «квантовая» биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез , зрение , воздействие на кожные покровы и т.д.), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты ) на биологические объекты. Еще в 40-х гг. 20 в. А.Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов . А.А. Красновский показал способность возбужденного светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза . Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике соответствующих фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в диапазоне от 50-100 фемтосекунд до 10 -12 -10 -6 с и более.

Идеи и методы биофизики не только находят широкое применение при изучении биологических процессов на макромолекулярном и клеточном уровнях, но и распространяются, особенно в последние годы, на популяционный и экосистемный уровни организации живой природы.

Достижения в биофизике в большой степени используются в медицине и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, люминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). анализирует молекулярные механизмы действия абиотических факторов (температура, свет электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на биологические структуры, жизнеспособность и устойчивость организмов. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс методов для оценки состояния экосистем. В этой области одной из важнейших задач становится оценка токсичности принципиально новых материалов - наноматериалов, а также механизмов их взаимодействия с биологическими системами.

В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и ВУЗов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1962 был организован Институт биологической физики АН СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки РАН (директор - чл.-корр. РАН Е.Е.Фесенко) и Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН (директор - чл.-корр. РАН Г.Р. Иваницкий . Биофизика активно развивается в Институте биофизики МЗ РФ , Институте молекулярной биологии РАН и Институте белка РАН , Институте биофизики СО РАН (директор - чл.-корр. РАН Дегермеджи А.Г. ), в университетах Москвы. С.-Петербурга и Воронежа, в , в и др.

Развитие биофизического образования в России

Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики на биолого-почвенном факультете МГУ была организована в 1953 г. (Б. Н. Тарусов), а в 1959 была открыта кафедра биофизики на физическом факультете МГУ (Л.А. Блюменфельд). Обе эти кафедры являются не только образовательными центрами, готовящими квалифицированных специалистов-биофизиков, но и крупными научно-исследовательскими центрами. Кафедры биофизики затем были организованы в ряде других ВУЗов страны, в том числе в Государственном университете «Московский физико-технический институт» , в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» , а также в ведущих медицинских университетах. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах во многих странах мира. Международные конгрессы по биофизике проводятся регулярно каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы.

Среди периодических изданий, в которых публикуются статьи по биофизике: «Биофизика» (М., 1956 —); «Молекулярная биология» (М., 1967 —); «Радиобиология» (М., 1961 — в настоящее время «Радиационная биология. Радиоэкология»); «Биологические мембраны» (М., 19 —) .«Advances in Biological and Medical Physics» (N.Y., 1948 —); «Biochimica et Biophysica Acta» (N.Y. - Amst., 1947 —); «Biophysical Journal» (N.Y., I960 —); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939 —); «Journal of Cell Biology» (N.Y., 1962 — . В 1955 — 1961 «Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»); «Journal of Molecular Biology» (N.Y. - L., 1959 —); «Journal of Ultrastructure Research» (N.Y. - L., 1957 —)» «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950 —) ; European Journal of biophysics (); Jurnal of Theoretical biology (1961).

Рекомендуемая литература

Блюменфельд Л.А . Проблемы биологической физики. М., 1977

Волькенштейн М.В. Биофизика. М., 1981

М. Джаксон . Молекулярная и клеточная биофизика. М., «Мир». 2009

Николис Г., Пригожин И . Самоорганизация в неравновесных структурах. пер. с англ. М., 1979;

Рубин А.Б. Биофизика. Т. I. М., 2004. Т. 2. М., 2004 (изд. 3-е)

А.В., Птицын О.Б. Физика белка. М., 2002.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИТНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

Факультет математики, физики и

информатики

специальность «540200 – физико-

математическое образование»

профиль «физика»

квалификация бакалавр физико- математического образования

Форма обучения заочная

КУРСОВАЯ РАБОТА

Биофизика на уроках физики в 7-9 классах

Выполнила: Рудых Татьяна Валерьевна

Научный руководитель: кандидат

физико-математических наук Любушкина Людмила Михайловна

Дата защиты______________________

Отметка _________________________

Иркутск 2009 г.

Введение 3

ГЛАВА I . СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ

1.1. Вклад ученых в становлении биофизики 5

1.2. Основатель биофизики 10

1.3. Создание квантовой теории 11

1.4. Прикладная биофизика 14

1.5. Перемены в биофизике 16

1.6. Биофизика – как теоретическая биология 18

1.7. Биофизические исследования в физике 21

1.8. Биофизические исследования в биологии 23

ГЛАВА II . БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

2.1. Элементы биофизики на уроках физики в 7-9 классах 24

2.2. Применение биофизики на уроках в основной школе 25

2.3. Блицтурнир «Физика в живой природе» 33

Заключение 35

Список литературы 36

Введение

Актуальность исследования:

Мировоззрение является важнейшим компонентом структуры личности. Оно включает систему обобщенных взглядов о мире, о месте человека в нем, а также систему взглядов, убеждений, идеалов, принципов, соответствующих определенному миропониманию. Процесс становления мировоззрения интенсивно происходит в школьном возрасте. Уже в основной школе (7-9 классы) учащиеся должны осознать, что изучение физических явлений и законов поможет им в понимании окружающего мира.

Однако большинство новых учебников по физике, особенно для старшей базовой и профильной школы, не способствуют целостному восприятию изучаемого материала. Интерес детей к предмету постепенно угасает. Поэтому, важной задачей средней школы является создание в представлении учащихся общей картины мира с его единством и многообразием свойств неживой и живой природы. Целостность картины мира достигается наряду с другими приемами и межпредметными связями.

Любая тема школьного курса физики включает в себя элементы научных знаний, которые имеют существенное значение для формирования мировоззрения и для усвоения школьниками основополагающих понятий изучаемой дисциплины. Поскольку в образовательных стандартах и программах содержание естественнонаучных дисциплин жестко не структурировано, то, зачастую, знания у школьников оказываются не систематизированными, формальными.

Проблема исследования состоит в необходимости формированияцелостного восприятия физической картины мира и отсутствии соответствующей систематизации и обобщения учебного материала преподаваемой дисциплины, физики.

Цель исследования: Проследить интеграцию двух предметов естественнонаучного цикла – физики и биологии.

Объект исследования: Биофизика и ее связь с другими предметами.

Предмет исследования: Биофизика на уроках физики 7-9 классов основной школы.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда конкретных задач:

Изучить и проанализировать учебно-методическую литературу по теме исследования.

Проанализировать различные биофизические явления.

Подобрать экспериментальные задания, различные виды задач, для решения которых необходимы знания, как физики, так и биологии.

Практическая значимость исследования: результаты работы могут быть рекомендованы для практического использования учителями при обучении физике во всех общеобразовательных учреждениях .

Логика исследования обусловила структуру работы, состоящей из введения, двух глав, заключения, списка используемой литературы. Первая глава посвящена анализу учебной литературы по теме «Биофизика и ее связь с другими предметами», вторая рассматривает связь физики и биологии на примере конкретных заданий.

В заключении подводятся итоги проведенного исследования и даются рекомендации по совершенствованию применения биофизических явлений при изучении школьного курса физики.

Глава I . СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ

1.1. Вклад ученых в становлении биофизики.

Биофизика – раздел естествознания, имеющий дело с физическими и физико-химическими принципами организации и функционирования биологических систем всех уровней (от субмолекулярного до биосферного), включая их математическое описание. Биофизика принципиально имеет дело с механизмами и свойствами живых систем. Живое – открытая система, способная к самоподдержанию и самовоспроизведению.

Как многодисциплинарная наука, биофизика сформировалась в 20-м веке, однако ее предыстория насчитывает не одно столетие. Как и науки, обусловившие ее появление (физика, биология, медицина, химия, математика), биофизика претерпела ряд революционных преобразований к середине прошлого столетия. Известно, что физика, биология, химия и медицина – науки тесно связанные, однако мы привыкли к тому, что их изучают порознь и независимо. По существу, независимое раздельное изучение этих наук неверно. Ученый-естественник может задать неживой природе только два вопроса: «Что?» и «Как?». «Что» - это предмет исследований, «как» - каким образом этот предмет устроен. Биологическая эволюция привела живую природу к уникальной целесообразности. Поэтому биолог, медик, гуманитарий могут задать еще и третий вопрос: «Зачем?» или «Для чего?». Спросить «Зачем Луна?» может поэт, но не ученый.

Ученые умели задавать Природе правильные вопросы. Они внесли неоценимый вклад в становление физики, биологии, химии и медицины – наук, вместе с математикой сформировавших биофизику.

Со времен Аристотеля (384 - 322 до н.э.) физика включала в себя всю совокупность сведений о неживой и живой природе (с греч. «Physis » - «Природа»). Ступени природы в его представлении: неорганический мир, растения, животные, человек. Первичные качества материи – две пары противоположностей «теплое – холодное», «сухое – влажное». Основополагающие элементы стихии – земля, воздух, вода, огонь. Высший, наиболее совершенный элемент – эфир. Сами же стихии являются различными комбинациями первичных качеств: соединению холодного с сухим соответствует земля, холодного с влажным – вода, теплого с влажным – воздух, теплого с сухим – огонь. Понятие эфира служило впоследствии основой многих физических и биологических теорий. Говоря современным языком, в основе представлений Аристотеля лежат неаддитивность сложения природных факторов (синергизм) и иерархичность природных систем.

Как точное естествознание, как наука в современном понятии, физика берет начало с Галилео Галилея (1564 - 1642) , первоначально изучавшего медицину в Пизанском университете и только потом увлекшегося геометрией, механикой и астрономией, сочинениями Архимеда (ок. 287 - 212 до н.э.) и Эвклида (3 в. до н.э.) .

Университеты предоставляют уникальную возможность ощутить временную связь наук, в частности, физики, медицины и биологии. Так в 16-18 веках направление медицины, которое называлось «ятрофизикой» или «ятромеханикой» (с греч. «iatros » - «врач»). Медики пытались объяснить все явления в здоровом и больном организме человека и животных на основании законов физики или химии. И тогда, и в последующие времена, связь физики и медицины, физиков и биологов была теснейшей, вслед за ятрофизикой появилась и ятрохимия. Разделение науки о «живом и неживом» произошло относительно недавно. Участие физики с ее мощными и глубоко разработанными теоретическими, экспериментальными и методологическими подходами в решении фундаментальных проблем биологии и медицины неоспоримо, однако следует признать, что в историческом аспекте физики в большом долгу перед медиками, являвшимися образованнейшими людьми своего времени, и чей вклад в создание фундаментальных основ классической физики неоценим. Конечно же речь идет о классической физике.

Среди старейших предметов биофизических исследований, как ни покажется на первый взгляд странным, должна быть упомянута биолюминесценция, так как излучение света живыми организмами издавна вызывало интерес у натурфилософов. Впервые обратил внимание на этот эффект Аристотель со своим воспитанником Александром Македонским, которому он показывал свечение литорали и видел причину этого в люминесценции морских организмов. Первое научное исследование «животного» свечения сделал Атанасис Кирхер (1601 - 1680) , немецкий священник, энциклопедист, известный как географ, астроном, математик, языковед, музыкант и медик, создатель первых естественнонаучных коллекций и музеев, две главы своей книги «Искусство Великих Света и Тени» (« Ars Magna Lucis et Umbrae ») он посвятил биолюминесценции.

По роду своих научных интересов к биофизикам можно отнести величайшего физика Исаака Ньютона (1643 - 1727) , интересовавшегося проблемами связи физических и физиологических процессов в организмах и, в частности, занимавшегося вопросами цветного зрения. Завершая свои «Principia », в 1687 году Ньютон писал: «Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам».

Один из основателей современной химии француз Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794) вместе со своим соотечественником астрономом, математиком и физиком Пьером Симоном Лапласом (1749 - 1827) занимались калориметрией, разделом биофизики, который сейчас назвали бы биофизической термодинамикой. Лавуазье применил количественные методы, занимаясь термохимией, процессами окисления. Лавуазье с Лапласом обосновали свои представления о том, что не существует двух химий – «живой» и «неживой», для неорганических и органических тел.

К числу великих наших предшественников, заложивших основы биофизики, следует отнести итальянских анатома Луиджи Гальвани (1737 - 1798) и физика Алессандро Вольта (1745 - 1827), создателей учения об электричестве. Гальвани производил эксперименты с электрической машиной и один из его друзей случайно коснулся ножом ляжки лягушки, которую собирались использовать в суп. Когда мускулы ноги лягушки внезапно сократились, жена Гальвани заметила, что электрическая машина произвела вспышку и поинтересовалась «была ли какая-нибудь связь между этими событиями». Хотя мнение самого Гальвани об этом феномене отличалось в деталях от нижеследующей, точно известно, что эксперимент был повторен и проверен.. Он подготовил почву для длинного противостояния между сторонниками идеи Гальвани, что ток, генерируемый животным может быть причиной сокращения и мнение Вольта, который заявил, что нога служила лишь детектором различий в электрическом потенциале, внешнем для него. Сторонники Гальвани провели эксперимент, в котором никакие внешние электрические силы не участвовали, таким образом доказав, что ток, генерируемый животным может являться причиной сокращения мышц. Но было также возможно, что сокращение было вызвано контактом с металлами; Вольта произвел соответствующие исследования, и они привели к его открытию электрической батареи, которое было так важно, что исследования Гальвани отошли в сторону. В результате изучение электрического потенциала в животных исчезло из научного внимания до 1827. Так как много лет подряд нога лягушки была самым чувствительным детектором различий в потенциале, финальное понимание, что токи могут быть генерированы живыми тканями не пришло пока не были сконструированы гальванометры достаточно чувствительные, чтобы измерить токи генерированные в мускулах и малые различия в потенциале по нервной мембране.

В связи с работами Гальвани по «животному электричеству» нельзя не вспомнить имя австрийского врача - физиолога Фридриха Антона Месмера (1733-1815), развивавшего представления о целительном «животном магнетизме», посредством которого, по его предположению, можно было изменять состояние организма, лечить болезни. Следует отметить, что и сейчас эффекты воздействия электрических магнитных и электромагнитных полей на живые системы во многом остаются тайной для фундаментальной науки. Проблемы остались и, действительно, не угасает интерес современных интересов физиков к изучению воздействия внешних физических факторов на биологические системы.

Однако не успели биология и физика размежеваться, как вышла в свет известная книга «Грамматика науки», написанная английским математиком Карлом Пирсоном (1857 - 1935) в которой он дал одно из первых определений биофизики (в 1892 году): «Мы не можем с полной уверенностью утверждать, что жизнь есть механизм, до тех пор, пока мы не в состоянии указать более точно, что именно понимаем мы под термином «механизм» в применении к органическим тельцам. Уже теперь представляется несомненным, что некоторые обобщения физики…описывают…часть нашего чувственного опыта относительно жизненных форм. Нужна... отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, физики к развитию органических форм. ...Факты биологии - морфологии, эмбриологии и физиологии - образуют частные случаи приложения общих физических законов. ...Лучше было бы назвать ее биофизикой».

1.2. Основатель биофизики

Основателем современной биофизики следует считать Германа Л.Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), ставшего выдающимся физиком, одним из авторов I закона термодинамики. Будучи еще молодым военным хирургом, он показал, что метаболические превращения в мышцах строгим образом связаны с механической работой, ими совершаемой, и тепловыделением. В зрелые годы много занимался проблемами электродинамики. В 1858 году заложил основы теории вихревого движения жидкости. Он же выполнил блистательные эксперименты в области биофизики нервного импульса, биофизики зрения, биоакустики, развил идею Юнга о трех типах зрительных рецепторов, колебательный характер имеют электрические разряды, возникающие в электрическом контуре. Интерес к колебательным процессам в акустике, жидкостях, электромагнитных системах привел ученого к изучению волнового процесса распространения нервного импульса. Именно Гельмгольц первым начал изучение проблем активных сред, измерив с высокой точностью скорость распространения нервного импульса в аксонах, которые с современной точки зрения являются активной одномерной средой. В 1868 году Гельмгольц был избран почетным членом Петербургской академии наук.

Удивительным образом связаны судьбы русского ученого, физиолога и биофизика, Ивана Михайловича Сеченова (1829 – 1905) и Гельмгольца. После окончания Московского университета в 1856 году вплоть до 1860 года он учился и работал у Гельмгольца. С 1871 по 1876 год Сеченов работал в Новороссийском университете в Одессе, потом в Петербургском и Московском университетах, изучая электрические явления в нервных тканях, механизмы переноса газов в крови.

1.3. Создание квантовой теории

Однако период классической физики 17-19 веков завершился в начале 20 века величайшей революцией в физике – созданием квантовой теории. Это и ряд других новейших направлений физики выделили ее из круга естественных наук. На этом этапе взаимодействие физики и медицины существенно изменило свой характер: практически все современные методы медицинской диагностики, терапии, фармакологии и пр. стали основываться на физических подходах и методах. Этим нисколько не умаляется выдающаяся роль биохимии в развитии медицины. Поэтомуследует рассказать о тех выдающихся ученых, с чьими именами связано объединение наук и становление биофизики. Речь идет о физиках, которые вошли в историю биологии и медицины, о медиках, которые внесли существенный вклад в физику, хотя, казалось бы, физикам трудно войти в специфические проблемы медицины, глубоко пронизанной идеями, знаниями и подходами химии, биохимии, молекулярной биологии и т.д. Вместе с тем, и медики встречают принципиальные затруднения в попытках сформулировать свои потребности и задачи, которые могли бы быть разрешены соответствующими физическими и физико-химическими методами. Существует всего один эффективный выход из ситуации, и он был найден. Это – универсальное университетское образование, когда студенты, будущие ученые, могут и должны получить два, три и даже четыре фундаментальных образования - по физике, химии, медицине, математики и биологии.

Нильс Бор утверждал, что «ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, чем на основе понятий физики и химии». Это означало, что биология, медицина, математика, химия и физика вновь после почти полуторавекового размежевания стали сближаться, в результате чего появились такие новые интегральные науки как биохимия, физико-химия, биофизика.

Британский физиолог и биофизик Арчибальд Вивьен Хилл (р. 1886) , Нобелевский лауреат по физиологии (1922) является создателем фундаментальных основ, на которых и сегодня развивается теория мышечных сокращений, но уже молекулярном уровне. Хилл так описал биофизику: «Есть люди, которые могут сформулировать задачу в физических терминах,… которые могут выразить результат с точки зрения физики. Эти интеллектуальные качества, более чем любые особенные условия, физическая аппаратура и методы необходимы, чтобы стать биофизиком… Однако…физик, который не может развить биологический подход, который не интересуется живыми процессами и функциями… кто считает биологию лишь разделом физики, не имеет будущего в биофизике».

Не только в средние века, но и в недавние времена медики биологи и физики на равных правах участвовали в развитии комплекса этих наук. Александр Леонидович Чижевский (1897-1964) , получивший среди прочих медицинское образование в Московском университете, много лет занимался исследованиями по гелиохронобиологии, влиянию аэроионов на живые организмы и биофизикой эритроцитов. Его книга «Физические факторы исторического процесса» так и не вышла в печать несмотря на старания П.П.Лазарева, Н.К.Кольцова, наркома просвещения Луначарского и других.

Также необходимо отметить выдающегося ученого Глеба Михайловича Франка (1904-1976), создавшего Институт биофизики АН СССР (1957), получившего Нобелевскую премию вместе с И.Е.Таммом и П.А.Черенковым за создание теории «черенковского излучения». Колебательное поведение биологических систем всех уровней, известное с незапамятных времен, занимало не только биологов, но также физико-химиков и физиков. Обнаружение в XIX веке колебаний в ходе химических реакций впоследствии привело к появлению первых аналоговых моделей, таких как «железный нерв», «ртутное сердце».

Термодинамическая линия развития биофизики естественным образом была связана с эволюцией самой термодинамики. Более того, интуитивно принимаемая естественниками неравновесность открытых биологических систем способствовала формированию термодинамики неравновесных систем. Термодинамика равновесных систем, первоначально связанная преимущественно с калориметрией, в дальнейшем внесла существенный вклад в описание структурных изменений в клетках, метаболизма и ферментативного катализа.

Список выдающихся медиков-физиков можно было бы существенно расширить, но цель – выявить глубокие связи между биологией, химией, медициной и физикой, невозможность дифференцированного существования этих наук. Большая часть биофизических исследований была проведена физиками, заинтересованными биологией; поэтому должен быть способ, позволяющий ученным, обучавшимся физике и физхимии найти свой путь в биологии и познакомиться с задачами, открытыми для физической интерпретации. Хотя классически ориентированные отделения биологии часто предлагают посты биофизикам они не являются заменой для центров, где биофизическим исследованиям уделяется основное значение.

Биофизики обладают способностью разделять биологические проблемы на сегменты, которые поддаются прямой физической интерпретации, а также формулировать гипотезы, которые можно проверить экспериментально. Главный инструмент биофизика – это отношение. К этому можно добавить способность использовать комплексную физическую теорию, чтобы изучать живые объекты, например: потребовались технологии рентгеновской дифракции, чтобы установить структуру больших молекул, таких, как белки. Биофизики обычно признают использование новых физических инструментов, например: атомный магнитный резонанс и электронно-спиновой резонанс – в изучении определенных проблем в биологии.

1.4. Прикладная биофизика

Разработка инструментов для биологических целей это важный аспект новой области – прикладной биофизики. Биомедицинские инструменты вероятно шире всего используется в медицинских учреждениях. Прикладная биофизика важна в области терапевтической радиологии, в которой измерение дозы очень важно для лечения, и диагностическая радиология, особенно с технологиями, которые связаны с локализацией изотопов и сканировании всего тела, чтобы помочь с диагностикой опухолей. Возрастает важность компьютеров при определении диагноза и лечения пациента. Возможности применения прикладной биофизики кажутся бесконечными, так как длинная задержка между развитием исследовательского инструментария и его применением означает, что многие научные инструменты, основанные на физических принципах, уже известных, скоро станут иметь важное значение для медицины.

Российская биофизика как направление науки в значительной степени формировалась в среде выдающихся русских ученых конца прошлого, начала нынешнего века – физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университетом. Среди них были Н.К.Кольцов , В.И.Вернадский , П.Н.Лебедев, П.П.Лазарев , позднее – С.И.Вавилов , А.Л.Чижевский и многие другие.

Джеймс Д. Уотсон (1928) вместе с английским биофизиком и генетиком Френсисом Х.К. Криком (1916) и биофизиком Морисом Уилкинсом (1916) (впервые получившим высококачественные рентгенограммы ДНК вместе с Розалинд Франклин) в 1953 году создали пространственную модель ДНК, что позволило объяснить ее биологические функции и физико-химические свойства. В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили за эту работу Нобелевскую премию.

Первый в России лекционный курс под названием «Биофизика» был прочитан для врачей при клинике Московского университета в 1922 году Петром Петровичем Лазаревым (1878 - 1942), в 1917 году избранным по представлению Ивана Петровича Павлова (1849 - 1936) академиком. П.П.Лазарев окончил медицинский факультет Московского университета в 1901 году. Далее он сдал полный курс физики и математики и работал в физической лаборатории, руководимой Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912), одним из основателей экспериментальной физики в России, создателем первой русской научной физической школы, в 1985 году получившим и исследовавшим миллиметровые электромагнитные волны, открывшим и измерившим световое давление на твердые тела и газы (1999-1907), что подтвердило электромагнитную теорию света. В 1912 году Лазарев возглавил лабораторию своего учителя. Первый биофизик – академик Лазарев возглавил созданный еще при жизни Лебедева уникальный Институт Физики и биофизики созданный в 1916 году на средства того же леденцовского научного сообщества, которое построило Институт экспериментальной биологии для Н.К.Кольцова. С 1920 по 1931 год П.П.Лазарев возглавлял этот созданный по его инициативе Государственный институт биофизики, Лазарев является основоположником медицинской рентгенологии, в его институте имелась первая, и единственная рентгеновская установка на которой делали снимок Ленину после покушения в 1918 году, после чего Лазарев стал инициатором и первым директором Института медицинской рентгенологии. Также Лазарев организовал работы по магнитному картографированию Курской магнитной аномалии, благодаря которым сложился коллектив Института физики Земли. Однако институт биофизики и физики был разгромлен после ареста Лазарева в 1931 году, а в 1934 году в этом здании был основан ФИАН имени Лебедева.

1.5. Перемены в биофизике

С 40-х годов в биофизике начались разительные перемены. И то было велением времени – совершившая к середине нашего века феноменальный скачок физика активно входила в биологию. Однако, к концу 50-х годов эйфория от ожидания быстрого решения сложных проблем живого быстро проходила: физикам без фундаментального биологического и химического образования сложно было выделять доступные физике, но «биологически существенные» аспекты функционирования живых систем, а настоящие биологи и биохимики о существовании специфических физических проблем и подходов, как правило, и не подозревали. Насущной необходимостью для науки тех и последующих дней стала подготовка специалистов с тремя фундаментальными образованиями: физическим, биологическим и химическим.

В нашей стране была еще одна важная причина возникновения в 40-е годы тесного союза между биологией и физикой. После непрофессионального, разрушительного вмешательства политиков того времени в фундаментальные направления генетики, молекулярной биологии, теории и практики природопользования некоторая часть ученых-биологов смогла продолжить свои исследования лишь в научных учреждениях физического профиля.

Как и всякая пограничная область знаний, опирающаяся на фундаментальные науки физику, биологию, химию, математику, на достижения медицины, геофизики и геохимии, астрономии и космофизики и т.д. Биофизика изначально требует интегрированного, энциклопедичного к себе подхода от ее носителей, поскольку направлена на выяснение механизмов функционирования живых систем на всех уровнях организации живой материи. Более того, этим же определяется нередкое недопонимание по отношению к биофизике и биофизикам со стороны коллег, представителей смежных дисциплин. Трудно, иногда практически невозможно разграничить биофизику и физиологию, биофизику и биологию клетки, биофизику и биохимию, биофизику и экологию, биофизику и хронобиологию, биофизику и математическое моделирование биологических процессов и т.д. Таким образом, биофизика устремлена на выяснение механизмов функционирования биологических систем на всех уровнях и на базе всех естественнонаучных подходов.

1.6. Биофизика – как теоретическая биология

Известно, что биофизикой занимаются и биологи, и химики, и медики, и инженеры, и военные, однако система подготовки биофизиков оказалась оптимальной на базе общефизического университетского образования. При этом биофизика трактовалась и трактуется как теоретическая биология, т.е. наука о фундаментальных физических и физико-химических основах строения и функционирования живых систем на всех уровнях организации – от субмолекулярного уровня до уровня биосферы. Предмет биофизики – живые системы, метод – физика, физико-химия, биохимия и математика.

В 50-х годах 20-го столетия студенты физического факультета вслед за своими учителями также проявляли интерес к проблемам медицины и биологии. Более того, представлялось возможным дать строгий физический анализ наиболее замечательному явлению во Вселенной - явлению Жизни. Переведенная в 1947 году книга Э.Шредингера «Что есть жизнь? С точки зрения физика. Цитологический аспект живого», лекции И.Е.Тамма , Н.В.Тимофеева-Ресовского , новейшие открытия в биохимии и биофизике побудили группу студентов обратиться к ректору МГУ И.Г.Петровскому с просьбой ввести преподавание биофизики на физическом факультете. Ректор с большим вниманием отнесся к инициативе студентов. Были организованы лекции и семинары, которые с энтузиазмом посещали не только инициаторы, но и присоединившиеся к ним однокурсники, составившие потом первую группу специализации «Биофизика» физического факультета МГУ и ныне являющиеся гордостью отечественной биофизики.

Кафедра биофизики биофака была основана в 1953 году. Первым ее заведующим был Б.Н. Тарусов . В настоящее время возглавляет кафедру биофизики биофака А.Б. Рубин . А осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики , которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков (до того биофизиков готовили из биологов или медиков). Идейными основателями образовательного физического направления биологической физики, инициаторами создания кафедры биофизики на физическом факультете МГУ были академики И.Г.Петровский, И.Е.Тамм, Н.Н.Семенов (математик – ректор университета и два Нобелевских лауреата – физик-теоретик и физико-химик). Со стороны администрации создание специализации «биофизика » на физфаке воплотили декан профессор В.С.Фурсов , все годы поддерживавший ее развитие, и его заместитель В.Г.Зубов . Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд , почти 30 лет возглавлявший кафедру и ныне ее профессор, биохимик С.Э.Шноль , профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко .

Осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики, которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков. За время существования кафедры подготовлено около 700 биофизиков.

Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд (1921 – 2002), 30 лет возглавлявший кафедру, биохимик С.Э.Шноль, профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко. Ими были сформулированы принципы построения системы биофизического образования для физиков, заложены основные направления научных исследований на кафедре.

На кафедре биофизики Л.А. Блюменфельд многие годы читал курсы лекций «Физическая химия», «Квантовая химия и строение молекул», «Избранные главы биофизики». Автор более чем 200 работ, 6 монографий.

Научные интересы В.А. Твердислова связаны с биофизикой мембран, с изучением роли неорганических ионов в биологических системах, механизмов переноса ионов через клеточные и модельные мембраны с помощью ионных насосов. Им была предложена и экспериментально разработана модель параметрического разделения жидких смесей в периодических полях в гетерогенных системах.

По масштабам физического факультета кафедра биофизики небольшая, но исторически сложилось так, что исследованиями ее сотрудников перекрывается значительная область фундаментальной и прикладной биофизики. Значительные достижения имеются в области изучения физических механизмов преобразования энергии в биологических системах, радиоспектроскопии биологических объектов, физики ферментативного катализа, биофизики мембран, исследования водных растворов биомакромолекул, изучения процессов самоорганизации в биологических и модельных системах, регуляции основных биологических процессов, в области медицинской биофизики, нано- и биоэлектроники и т.д. Многие годы кафедра биофизики сотрудничает с университетами и ведущими научными лабораториями Германии, Франции, Англии, США, Польши, Чехии и Словакии, Швеции, Дании, Китая, Египта.

1.7. Биофизические исследования в физике

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования, они все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляется электронный микроскоп. Элективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгеноструктурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широко проникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и молекулярная биофизика. Добившись огромных успехов в познании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой материи. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов – электрических, электронных, математических и т.п. Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты совершает ритмичные движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор соляной кислоты. При нанесении на него царапины, разрушающей поверхностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, которая очень похожа на волны, бегущие по нервам при возбуждении. Изучению этой модели посвящается много исследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальнейшем создается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном волокне.

Остальные области молекулярной биофизики пользуются меньшей популярностью. Среди них следует отметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. В США школой Рашевского издается журнал «Математическая биофизика». Математическая биофизика связана со многими областями биологии. Она не только описывает в математической форме количественные закономерности таких явлений, как рост, деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать сложные физиологические процессы высших организмов.

1.8. Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникновение в конце XIX – начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла к себе внимание биологов тем, что она открывала возможность познания физико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живых системах, с которыми им трудно было работать. Ряд направлений, возникших в физической химии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейших событий в истории физической химии была разработка С.Аррениусом (Нобелевская премия, 1903 г.) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах (1887 г.), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов, которым была хорошо известна роль соли в явлениях возбуждения, проведения нервных импульсов, в кровообращении и т.д. Уже в 1890 г. Молодой физиолог В.Ю. Чаговец выступает с исследованием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связать возникновение биоэлектрических потенциалов с неравномерным распределением ионов.

В перенесении физико-химических представлений на биологические явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов соли, В. Нернст (1908 г.) сформулировал свой известный количественный закон возбуждения: порог физиологического возбуждения определяется количеством перенесенных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толковании проницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.

Глава II . БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

2.1. Элементы биофизики на уроках физики в 7-9 классах

Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.

Рассматривая связи физики и биологии, необходимо показать учащимся общность ряда законов живой и неживой природы, углубить представления о единстве материального мира, взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости, ознакомить с применением физических методов при изучении биологических процессов.

На уроках физики необходимо подчеркивать, что характерной приметой нашего времени является возникновение ряда комплексных наук. Развилась биофизика – наука, изучающая действие физических факторов на живые организмы.

Привлечение биофизических примеров служит лучшему усвоению курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с программой курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники. Практически ко всем разделам курса физики можно подобрать большое число биофизических примеров, их целесообразно использовать наряду с примерами из неживой природы и из техники.

2.2. Применение биофизики на уроках в основной школе

Механика

Движение и силы.

При изучении темы «Движение и силы» в 7 классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных животных. Улитка ползает примерно 5,5 м в 1 ч. Черепаха перемещается со скоростью около 70 м/ч. Муха летит со скоростью 5 м/с. Средняя скорость пешехода около 1,5 м/с, или около 5 км/ч. Лошадь способна перемещаться со скоростью 30 км/ч и выше.

Максимальная скорость некоторых животных: гончей собаки – 90 км/ч, страуса – 120 км/ч, гепарда – 110 км/ч, антилопы – 95 км/ч.

Используя данные скоростей разных представителей животного мира, можно решать различного рода задачи. Например:

Скорость движения улитки 0,9 мм/с. Выразить эту скорость в см/мин, в м/ч.

Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300км/ч. Какой путь пролетает он за 5 с?

Известно, что средняя скорость роста дуба примерно 0,3 м в год. Сколько лет дубу высотой 6,3 м?

Масса тел. Плотность.

Масса тела и объем напрямую связаны с представителями флоры, к примеру, даны следующие задачи:

Определить массу березовой древесины, если ее объем 5 м 3 .

Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.

Определить плотность бальзового дерева, если масса его 50 т, а объем 500 м 3 .

Сила тяжести.

При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита – 70000 кг, слона - 4000 кг, носорога – 2000 кг, быка – 1200 кг, медведя – 400 кг, свиньи 200 кг, человека – 70 кг, волка – 40 кг, зайца – 6 кг. Найти их вес в ньютонах.

Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.

Давление жидкостей и газов.

На тело человека, площадь поверхности которого при массе 60 кг и росте 160 см примерно равна 1,6 м 2 , действует сила 160000 Н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?

Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении – выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут проводиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 метров). Опускание и поднимание должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.

Примеры некоторых мощностей в живой природе.

Мощность мухи в полете 10 -5 Вт.

Удар меч-рыбы 10 5 -10 6 Вт.

Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70-80 Вт, однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз. Так, человек 750 Н может за 1 с вскочить на возвышение 1 м, что соответствует мощности 750 Вт; бегун развивает мощность около 1000 Вт.

Возможна моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.

Аппарат искусственного кровообращения (АИК)

Заканчивая изучение механики, полезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.

При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения в организме (порядка 4-5 л для взрослого больного), заданную температуру циркулирующей крови.

Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: частей насоса и оксигенератора. Насосы выполняют функции сердца – они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенератор выполняет функцию легких и обеспечивает насыщение крови не ниже 95% и поддерживает парциальное давление СО 2 на уровне 35-45 мм рт. ст. венозная кровь из сосудов больного самотеком переливается в оксигенератор, располагающийся ниже уровня операционного стола, где насыщается кислородом, освобождается от избытка углекислоты и далее артериальным насосом нагнетается в кровяное русло больного. АИК на продолжительное время способен заменять функции сердца и легких.

При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.

Задача. Как объяснить с помощью физических представлений, что в бурю ель легко вырывается с корнем, а у сосны скорее ломается ствол?

Нас интересует анализ только качественной стороны вопроса. Кроме того, нас интересует вопрос о сравнительном поведении обоих деревьев. Роль нагрузки в нашей задаче играет сила ветра F В. Можно силу ветра, действующую на ствол, сложить с силой ветра, действующей на крону, и даже предположить, что силы ветра, действующие на оба дерева, одинаковы. Тогда, по-видимому, дальнейшее рассуждение должно быть следующим. Корневая система сосны глубже уходит в землю, чем у ели. За счет этого плечо силы, удерживающей сосну в земле, больше, чем у ели. Следовательно, чтобы вывернуть ель с корнем, требуется меньше момент силы и ветра, чем чтобы поломать ее. Поэтому ель чаще выворачивается с корнем, чем сосна, а сосна чаще ломается, чем ель.

Изучение теплоты и молекулярных явлений

Аппарат «искусственная почка»

Данное устройство применяется для неотложной медицинской помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почки; для лечения некоторых расстройств нервной системы (шизофрения, депрессия).

АИП представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина и мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма.

Капиллярные явления.

При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузными явлениями.

Физической моделью сердечно-сосудистой системы может служить система из множества разветвленных трубок с упругими стенками. По мере разветвления общее сечение трубок возрастает, и скорость движения жидкости соответственно уменьшается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких каналов, потери на внутреннее трение при этом сильно возрастают и общее сопротивление движению жидкостей (несмотря на снижение скорости) значительно увеличивается.

Роль поверхностных явлений в жизни живой природы очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды является для многих организмов опорой при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).

Для самостоятельной работы можно предложить такие задачи, как:

Как можно применить знания о молекулярно-кинетической теории к объяснению механизма всасывания волосками корней растений питательных веществ из почвы?

Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?

Определите высоту, на которую под действием сил поверхностного натяжения поднимается вода в стеблях растений, имеющих капилляры диаметром 0,4 мм. Можно ли считать капиллярность единственной причиной подъема воды по стеблю растения?

Верно ли, что ласточки, летающие низко над землей, предвещают приближение дождя?

Изучение колебаний и звука

Примеры периодических процессов в биологии: многие цветки закрывают венчики с наступлением темноты; у большинства животных наблюдается периодичность появления потомства; известно периодическое изменение интенсивности фотосинтеза у растений; колебания испытывают размеры ядер в клетках и т.д.

Звуки леса.

Звуки леса (шелест) возникают из-за колебаний листьев под действием ветра и трения их друг о друга. Это особенно заметно на листьях осины, так как они прикреплены к длинным и тонким черешкам, поэтому очень подвижны и раскачиваются даже самыми слабыми воздушными токами.

Лягушки обладают весьма громкими и довольно разнообразными голосами. У некоторых видов лягушек имеются интересные приспособления для усиления звука в виде больших шарообразных пузырей по бокам головы, раздувающихся при крике и служащих сильными резонансами.

Звучание насекомых вызывается чаще всего быстрыми колебаниями крыльев при полете (комары, мухи, пчелы). Полет того насекомого, которое чаще машет крыльями, воспринимается нами как звук большей частоты и, следовательно, более высокий. У некоторых насекомых, например кузнечиков, встречаются специальные органы звучания – ряд зубчиков на задних ножках, задевающих за края крыльев и вызывающих их колебания.

Рабочая пчела, вылетевшая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. Когда же она возвращается с грузом, число взмахов у нее возрастает до 280. как это отражается на звуке, который мы слышим?

Почему бесшумен полет бабочки?

Известно, что у многих лягушек имеются большие шарообразные пузыри по бокам головы, которые раздуваются при крике. Каково их назначение?

От чего зависит частота звука, издаваемого насекомыми при полете?

Изучение оптики и строения атома.

Свет.

Свет совершенно необходим живой природе, поскольку служит для нее источником энергии. Хлорофиллоносные растения, если не считать некоторых бактерий, - это единственные организмы, способные синтезировать собственное вещество из воды, минеральных солей и углекислого газа при помощи лучистой энергии, которую они превращают в процессе ассимиляции в химическую. Все остальные организмы, населяющие нашу планету – растительные и животные – прямо или косвенно зависят от хлорофиллоносных растений. Они сильнее всего поглощают лучи, соответствующие полосам поглощения в спектре хлорофилла. Их две: одна лежит в красной части спектра, другая – в сине-фиолетовой. Остальные лучи растения отражают. Они-то и придают хлорофиллоносным растениям их зеленую окраску. Хлорофиллоносные растения представлены высшими растениями, мхами и водорослями.

Глаза различных представителей животного мира.

У земноводных роговица глаза очень выпуклая. Аккомодация глаз осуществляется, как у рыб, перемещением хрусталика.

Птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение других животных. Глазное яблоко у них очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы. Глаза млекопитающих, обитающих в воде (например, китов), по выпуклости роговицы и по большому показателю преломления напоминают глаза глубоководных рыб.

Как пчелы различают цвета.

Зрение пчел отличается от зрения человека. Человек различает около 60 отдельных цветов видимого спектра. Пчелы различают только 6 цветов: желтый, сине-зеленый, синий, «пурпурный», фиолетовый и невидимый для человека ультрафиолетовый. Пчелиный «пурпурный» цвет – это смесь желтых и ультрафиолетовых лучей спектра, видимых пчелой.

Для самостоятельной работы по этому разделу можно предложить такие задачи:

Для чего нужны два глаза?

Сетчатка глаза человека и орла примерно одинакова, однако диаметр нервных клеток (колбочек) в глазу орла в центральной его части меньше – всего 0,3 – 0,4 мк (мк = 10 -3 мм). Какое имеет значение такая структура сетчатки глаза орла?

С наступлением темноты зрачок глаза расширяется. Как это отражается на резкости изображения окружающих предметов? Почему?

Хрусталик рыбьего глаза имеет сферическую форму. Какие особенности среды обитания рыб делают такую форму хрусталика целесообразной? Подумайте, каким может быть механизм аккомодации глаз у рыб, если кривизна хрусталика не изменяется.

2.3. Блицтурнир «Физика в живой природе»

Для организации самостоятельной практической деятельности для учащихся 7 класса можно предложить блицтурнир «Физика в живой природе».

Цель урока : повторение материала по теме «Обобщающий урок за весь курс»; проверка знаний, сообразительности, умения логически мыслить.

Правила игры

Вопросы подбираются по всему курсу 7 класса.

Урок идет в быстром темпе.

Во время урока можно пользоваться любой справочной литературой, включая учебник.

Ход урока

Учитель зачитывает вопрос. Игрок, готовый к ответу, поднимает руку; первому поднявшему руку предоставляется слово. Правильный ответ оценивается в 1 балл. Участники, набравшие меньше всех баллов, выбывают из игры.

Вопросы:

Выходя из воды, животные встряхиваются. Какой физический закон используется при этом? (Закон инерции).

Какое значение имеют упругие волосы на подошве ног зайца? (Упругие волосы на подошве ног зайца удлиняют время торможения при прыжке и поэтому ослабляют силу удара).

Для чего некоторые рыбы при быстром движении прижимают к себе плавники? (Чтобы уменьшить сопротивление движению).

Осенью около трамвайных путей, проходящих вблизи садов и парков, иногда вывешивают плакат: «Осторожно! Листопад». Каков смысл этого предупреждения? (Упавшие на рельсы листья уменьшают трение, поэтому при торможении вагон может пройти большой путь).

Каков предел прочности человеческой кости на сжатие? (Бедренная кость, например, поставленная вертикально, может выдержать давление груза в полторы тонны).

Для чего ботинки водолаза делают с тяжелыми свинцовыми подошвами? (Тяжелые свинцовые подошвы ботинок помогают водолазу преодолеть выталкивающую силу воды).

Почему человек может поскользнуться, наступив на твердую сухую горошину? (Трение способствует перемещению человека. Сухая горошина, являясь как бы подшипником, уменьшает трение между ногами человека и опорой).

Почему в реке с илистым дном мы больше вязнем на мелком месте, чем на глубоком? (Погружаясь на большую глубину, мы вытесняем больший объем воды. По закону Архимеда на нас в этом случае будет действовать большая выталкивающая сила).

Подведение итогов.

Учитель выставляет оценки.

Заключение

К. Д. Ушинский писал, что некоторые учителя, кажется, только и делают что повторяют, а на самом деле быстро движутся вперед в изучении нового. Повторение с привлечением нового приводит к лучшему пониманию и запоминанию пройденного материала. Известно также, что лучшим способом вызвать интерес к предмету является применение полученных знаний в иных областях, чем те, в которых они получены. Организация повторения с привлечением биофизического материала является как раз таким видом повторения, когда оно происходит с привлечением нового, представляет большой интерес для учащихся и позволяет им применять законы физики к области живой природы.

Установление межпредметных связей между физикой и биологией дает большие возможности для формирования материалистических убеждений. Школьники приучаются иллюстрировать законы физики не только примерами из техники, но и примерами из живой природы. С другой стороны, рассматривая жизнедеятельность растительных и животных организмов, они используют физические закономерности, физические аналогии.

Повторение и закрепление пройденного с привлечением биофизического материала дает возможность учителю познакомить учащихся с последними достижениями в области биофизики и бионики, приохотить их к чтению дополнительной литературы.

Организационно урок может быть построен по-разному: в виде лекций учителей, в виде докладов, подготовленных учащимися под руководством учителей физики и биологии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики для втузов – 3-е изд. – М.: ООО «Издательский дом «Оникс 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003 – 384 с.: ил.

Зорин Н.И. Элективный курс «Элементы биофизики»: 9 класс. – М.: ВАКО, 2007. – 160 с. – (Мастерская учителя).

Электив 9: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов (Межпредметных и предметно-ориентированных): Для организации предпрофильной подготовки учащихся в 9 классе: В 2-х книгах. Кн. 1 / Дендебер С.В., Зуева Л.В., Иванникова Т.В. и др. – М.: 5 за знания, 2006. – 304 с. – (Электив).

Электив 9: Физика. Химия. Биология: Конструктор элективных курсов (Межпредметных и предметно-ориентированных): Для организации предпрофильной подготовки учащихся в 9 классе: В 2-х книгах. Кн. 2 / Дендебер С.В., Зуева Л.В., Иванникова Т.В. и др. – М.: 5 за знания, 2006. – 176 с. – (Электив).

Марон А.Е. Сборник качественных задач по физике: для 7-9 кл общеобразоват. учреждений / А.Е. Марон, Е.А. Марон. – М.: Просвещение, 2006. – 239 с.: ил.

Лукашик В.И. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений / В.И. Лукашик, Е.В. Иванова. – 22-е изд. – М.: Просвещение, 2008. – 240 с.: ил.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики / Кн. для учителя: из опыта работы. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1988. – 159 с.: ил.

Волков В.А., Полянский С.Е. Поурочные разработки по физике. 7 класс – 2-е изд. – М.: ВАКО, 2007. – 304 с. – (В помощь школьному учителю: к учебным комплектам А.В. Перышкина, С.В. Громова, Н.А. Родиной).

Одной из самых древних наук является, безусловно, биология. Интерес людей к процессам, происходящим внутри них самих и окружающих существ, возник за несколько тысяч лет до нашей эры.

Наблюдения за животными, растениями, природными процессами составляло важную часть жизни людей. С течением времени знаний накопилось очень много, усовершенствовались и развились методы изучения живой природы и механизмов, в ней происходящих. Это привело к возникновению множества разделов, составляющих в общей сложности комплексную науку.

Биологические исследования в разных областях жизни позволяют получать новые ценные данные, важные для понимания устройства биомассы планеты. Использовать эти знания для практических целей человека (освоение космоса, медицина, сельское хозяйство, химическая промышленность и так далее).

Многие открытия позволили сделать биологические исследования в сфере внутреннего строения и функционирования всех живых систем. Изучен молекулярный состав организмов, их микростроение, выделены и изучены многие гены из генома человека и животных, растений. Заслуги биотехнологии, клеточной и позволяют получать несколько урожаев растений за сезон, а также выводить породы животных, дающих больше мяса, молока и яиц.

Изучение микроорганизмов позволило получить антибиотики и создать десятки и сотни вакцин, позволяющих побеждать множество болезней, даже те, что раньше целыми эпидемиями уносили тысячи жизней людей и животных.

Поэтому современная наука биология - это безграничные возможности человечества во многих отраслях науки, промышленности и сохранении здоровья.

Классификация биологических наук

Одними из самых первых появились частные разделы науки биологии. Такие, как ботаника, зоология, анатомия и систематика. Позже стали формироваться более зависимые от технического оснащения дисциплины - микробиология, вирусология, физиология и так далее.

Существует ряд молодых и прогрессивных наук, сформировавшихся только в XX-XXI столетии и играющих большую роль в современном развитии биологии.

Существует не одна, а несколько классификаций, по которым можно ранжировать биологические науки. Список их довольно внушительный во всех случаях, рассмотрим одну из них.

Биология	Частные науки	Ботаника	занимается изучением внешнего и внутреннего строения, физиологических процессов, филогенеза и распространения в природе всех существующих на планете растений (флора)	Включает следующие разделы: альгология; дендрология; систематика; анатомия; морфология; физиология; бриология; палеоботаника; экология; геоботаника; этноботаника; размножение растений.
		Зоология	занимается изучением внешнего и внутреннего строения, физиологических процессов, филогенеза и распространения в природе всех существующих на планете животных (фауна)	Дисциплины, входящие в состав: Дисциплины: топографическая анатомия; сравнительная; систематическая; возрастная; пластическая; функциональная; экспериментальная.
		Антропология	ряд дисциплин, в комплексе изучающих развитие и формирование человека в биологической и социальной среде	Разделы: философская, судебная, религиозная, физическая, социальная, культурная, визуальная.
		Микробиология	изучает самые мелкие организмы живой природы, от до бактерий и вирусов	Дисциплины: вирусология, бактериология, медицинская микробиология, микология, промышленная, техническая, сельскохозяйственная, космическая микробиология
		Общие науки	Систематика	в задачи входит разработка основ для классификации всего живого на нашей планете с целью строгой упорядоченности и идентификации любого представителя биомассы
	Морфология		описание внешних признаков, внутреннего строения и топографии органов всех живых существ	Разделы: растений, животных, микроорганизмов, грибов
	Физиология		изучает особенности функционирования той или иной системы, органа или части организма, механизмы всех процессов, обеспечивающих его жизнедеятельность	Растений, животных, человека, микроорганизмов
	Экология		наука о взаимоотношениях живых существ друг с другом, средой обитания и человеком	Геоэкология, общая, социальная, промышленная
	Генетика		изучает геном живых существ, механизмы наследственности и изменчивости признаков под влиянием различных условий, а также исторические изменения в генотипе в течение эволюционных преобразований
	Биогеография		рассматривает расселение и распространение отдельных видов живых существ по планете
	Эволюционное учение		раскрывает механизмы исторического развития человека и других живых систем на планете. Их происхождение и становление
	Комплексные науки, возникшие на стыке друг с другом	Биохимия	изучает процессы, происходящие в клетках живых существ с химической точки зрения
		Биотехнология	рассматривает возможности использования организмов, их продуктов и или частей для нужд человека
		Молекулярная биология	изучает механизмы передачи, хранения и использования наследственной информации живыми существами, а также функции и тонкое строение белков, ДНК и РНК.	Смежные науки: генная и клеточная инженерия, молекулярная генетика, биоинформатика, протеомика, геномика
		Биофизика	это наука, изучающая все возможные физические процессы, происходящие во всех живых организмах, от вирусов до человека	Разделы данной дисциплины будут рассмотрены ниже

Таким образом, мы постарались охватить основное разнообразие, которое представляют собой биологические науки. Список этот с развитием техники и методов изучения расширяется, пополняется. Поэтому единой классификации биологии не существует на сегодняшний день.

Прогрессивные бионауки и их значение

К самым молодым, современным и прогрессивным наукам биологии относятся такие, как:

биотехнология;
молекулярная биология;
космическая биология;
биофизика;
биохимия.

Каждая из этих наук сформировалась не ранее XX века, а потому по праву считается молодой, интенсивно развивающейся и наиболее значимой для практической деятельности человека.

Остановимся на такой из них, как биофизика. Это наука, появившаяся приблизительно в 1945 году и ставшая важной частью всей биологической системы.

Что такое биофизика?

Чтобы ответить на этот вопрос, в первую очередь следует указать на ее тесный контакт с химией и биологией. В некоторых вопросах границы между этими науками настолько тесные, что сложно разобрать, какая из них конкретно задействована и в приоритете. Поэтому рассматривать биофизику стоит как комплексную науку, изучающую глубокие физические и химические процессы, происходящие в живых системах на уровне как молекул, клеток, органов, так и на уровне Биосферы в целом.

Как и любая другая, биофизика - наука, имеющая свой объект изучения, цели и задачи, а также достойные и значимые результаты. Кроме того, эта дисциплина плотно коррелирует с несколькими новыми направлениями.

Объекты исследования

Ими для биофизики являются биосистемы на разных организационных уровнях.

вирусы, одноклеточные грибы и водоросли).
Простейшие животные.
Отдельные клетки и их структурные части (органеллы).
Растения.
Животные (в том числе человек).
Экологические сообщества.

То есть биофизика - это исследование живого с точки зрения физических процессов, в нем происходящих.

Задачи науки

Первоначально задачи биофизиков были в том, чтобы доказать наличие физических процессов и явлений в жизнедеятельности живых существ и изучить их, выяснив природу и значение.

Современные задачи данной науки можно сформулировать так:

Изучить структуру генов и механизмы, сопровождающие их передачу и хранение, видоизменения (мутации).
Рассмотреть многие аспекты клеточной биологии (взаимодействие клеток друг с другом, хромосомные и генетические взаимодействия и другие процессы).
Изучить в комплексе с молекулярной биологией молекулы полимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов).
Выявить влияние космогеофизических факторов на течение всех физических и химических процессов в живых организмах.
Более глубоко вскрыть механизмы фотобиологии (фотосинтез, фотопериодизм и так далее).
Внедрить и разработать методы математического моделирования.
Применить результаты нанотехнологии для изучения живых систем.

Из этого списка очевидно, что биофизика изучает очень много значимых и серьезных проблем современного общества, и результаты деятельности этой науки имеют важное значение для человека и его жизни.

История формирования

Как наука биофизика зародилась сравнительно недавно - в 1945 году, когда издал свой труд "Что такое жизнь с точки зрения физики". Именно он первым заметил и обозначил, что многие законы физики (термодинамические, законы квантовой механики) имеют место быть именно в жизнедеятельности и работе организмов живых существ.

Благодаря трудам этого человека наука биофизика начала свое интенсивное развитие. Однако еще ранее, в 1922 году, в России создается институт биофизики, которым руководит П. П. Лазарев. Там основную роль отводят изучению природы возбуждения в тканях и органах. Результатом стало выявление значение ионов в этом процессе.

Гальвани открывает электричество и его значение для живых тканей (биоэлектричество).
А. Л. Чижевский - отец нескольких дисциплин, изучающих влияние космоса на Биосферу, а также ионизационное излучение и электрогемодинамику.
Подробная структура белковых молекул была изучена только после открытия метода РСА (рентгено-структурного анализа). Это было сделано учеными Перуц и Кендрю (1962 год).
В этом же году открыта трехмерная структура ДНК (Морис Уилкинс).
Неэр и Закман в 1991 году сумели разработать метод локальной фиксации электрического потенциала.

Также ряд других открытий позволил науке биофизике встать на путь интенсивной и прогрессивной модернизации в развитии и становлении.

Разделы биофизики

Существует целый ряд дисциплин, составляющих эту науку. Рассмотрим самые основные из них.

Биофизика сложных систем - рассматривает все сложные механизмы саморегуляции многоклеточных организмов (системогенез, морфогенез, синергогенез). Также данной дисциплиной изучаются особенности физической составляющей процессов онтогенеза и эволюционного развития, уровней организации организмов.
Биоакустика и биофизика сенсорных систем - изучает сенсорные системы живых организмов (зрение, слух, рецепция, речь и другие), способы трансляции различных сигналов. Выявляет механизмы преобразования энергии при восприятии организмами внешних воздействий (раздражений).
Теоретическая биофизика - включает ряд поднаук, занимающихся изучением термодинамики биологических процессов, построением математических моделей структурных частей организмов. Также рассматривает кинетические процессы.
Молекулярная биофизика - рассматривает глубокие механизмы структурной организации и функционирования таких биополимеров, как ДНК, РНК, белки, полисахариды. Занимается построением моделей и графических изображений этих молекул, прогнозирует поведение и формирование их в живых системах. Также данная дисциплина строит надмолекулярные и субмолекулярные системы с целью определения механизма построения и действия биополимеров в живых системах.
Биофизика клетки. Изучает самые важные клеточные процессы: дифференцирование, деление, возбуждение и биопотенциалы мембранной структуры. Особое внимание уделяется механизмам мембранного транспорта веществ, разности потенциалов, свойствам и структуре мембраны и окружающих ее частей.
Биофизика метаболизма. Основные рассматриваемые соляризация и адаптация к ней организмов, гемодинамика, теплорегуляция, метаболизм, влияние ионизационных лучей.
Прикладная биофизика. Состоит из нескольких дисциплин: биоинформатика, биометрия, биомеханика, исследование эволюционных процессов и онтогенеза, патологическая (медицинская) биофизика. Объекты изучения прикладной биофизики - опорно-двигательный аппарат, способы движения, способы распознавания людей по физическим чертам. Особого внимания заслуживает медицинская биофизика. Она рассматривает патологические процессы в организмах, способы реконструкции поврежденных участков молекул или структур или их компенсацию. Дает материал для биотехнологии. Имеет большое значение в предупреждении развития заболеваний, особенно генетического характера, их устранении и объяснении механизмов воздействия.
Биофизика среды обитания - изучает физическое воздействие как местных сред обитания существ, так и влияние ближних и дальних субъектов космического пространства. Также рассматривает биоритмы, влияние погодных условий и биополей на существа. Разрабатывает приемы мероприятий по профилактике негативных воздействий

Все эти дисциплины вносят колоссальный вклад в развитие понимания механизмов жизнедеятельности живых систем, влияния на них биосферы и различных условий.

Современные достижения

Можно назвать несколько самых значительных событий, которые относятся к достижениям биофизики:

вскрыты механизмы клонирования организмов;
изучены особенности превращений и роли окиси азота в живых системах;
установлена взаимосвязь малых и матричных РНК, что в будущем позволит найти решение многих медицинских проблем (устранения заболеваний);
открыта физическая природа автоволн;
благодаря работам молекулярных биофизиков изучены аспекты синтеза и репликации ДНК, что повлекло за собой возможность создания целого ряда новых лекарств от серьезных и сложных заболеваний;
созданы компьютерные модели всех реакций, сопровождающих процесс фотосинтеза;
разработаны методы ультразвукового исследования организма;
установлена связь между космогеофизическими и биохимическими процессами;
предсказано изменение климата на планете;
открытие значения фермента урокеназы в предупреждении заболеваний тромбозов и устранения последствий после инсультов;
также сделан ряд открытий по структуре белка, кровеносной системе и другим частям организма.

Институт биофизики в России

В нашей стране существует им. М. В. Ломоносова. На базе этого учебного заведения действует факультет биофизики. Именно он осуществляет подготовку квалифицированных специалистов для работы в этой области.

Очень важно дать качественный старт будущим профессионалам. Их ждет сложная работа. Биофизик обязан разбираться во всех тонкостях процессов, происходящих в живых существах. Кроме того, студенты должны разбираться и в физике. Ведь это комплексная наука - биофизика. Лекции строятся таким образом, чтобы объять все дисциплины, связанные и составляющие биофизику, и охватить рассмотрение вопросов как биологического, так и физического характера.