Основы биофизики - Курс лекций

Министерство образования Российской Федерации Рязанская государственная радиотехническая академия Кафедра микроэлектроники Курс лекций Основы биофизики проф. Вихрова С.П. по направлению 653900 Биомедицинская техника Лекции составлены по книге Медицинская биофизика / Под редакцией В.О. Самойлова. 1986 г. Общие сведения и задачи курса Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. По природе объектов исследования, биофизика является типичной биологической наукой, а по методам изучения и анализа результатов исследования является своеобразным разделом физики. Биофизические методы созданы на основе физических и физико-химических методов изучения природы. Высокая чувствительность. 2. Большая точность. Этим требованиям не удовлетворяют полностью никакие методы, однако, наиболее широкое применение получили для биофизических исследований следующие методы: - оптические; - радиоспектроскопия - ультразвуковая радиоскопия; - электронно-парамагнитная резонансная спектроскопия (ЭПР); - ядерная магнитная резонансная спектроскопия. Необходимо отметить, что любые исследования требуют, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс, однако, трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности организма к любым воздействиям на него. Воздействия не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции, разнообразные в различных органах и в различных условиях. Для лучшего понимания области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления исследований в биофизике: 1) молекулярная и квантовая биофизика изучают физическую структуру и свойства биологически важных молекул, физические процессы, которые обеспечивают их функционирование, а также исследуют термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантово-механические особенности их строения; 2) биофизика клетки связана с физическими и физико-химическими свойствами клеточных и субклеточных структур, закономерностями их деления, с особенностями их обмена веществ (метаболизмом), а также, с биофизическими механизмами специальных функций клеток; 3) биофизика органов чувств скрывает физические и физико-химические механизмы восприятия раздражителя рецепторами аппарата сенсорных систем человека и животных на квантовом, молекулярном или клеточном уровнях; 4) биофизика сложных систем изучает проблемы межклеточного взаимодействия, передачи информации в биологических каналах связи и управления функциями живых организмов; 5) биофизика внешних воздействий изучает механизмы воздействия на организм физических факторов среды (например, полей). 1. Биоэнергетика. Первое начало термодиамики (общие сведения) Жизненные процессы, при всем многообразии, имеют и общие черты, в частности, любой из процессов требует затрат энергии. Процессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических ресурсов, составляют предмет исследования биоэнергетики. В термодинамике объектом исследования служит система, под которой понимают совокупность объектов, ограниченных в той или иной степени от окружающей среды. Первые получили название интенсивных термодинамических параметров, к ним относятся: температура, давление и т.д. Параметры второй группы называются экстенсивными термодинамическими параметрами. Например, это объем, энергия, энтропия и т.д. Энергию системы можно представить, состоящей из двух частей: - энергия системы, как целого; - внутренняя энергии (энергия атома и т. д.). Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней энергии системы может произойти только при обмене энергией с окружающей средой. Энергетический обмен между системой и средой осуществляется двумя способами: посредством передачи тепла и (или) совершением работы. первое начало термодинамики. Знак в формуле принимает следующие образы: - положительным считают то тепло, которое получает система из окружающей среды; - работу считают положительной, когда система производит ее над окружающими телами. Рассмотрим некоторые способы совершения работы: - механическая работа. работа при перемещении заряда и разность потенциалов. изменение числа молей, - химический потенциал. ... обобщающая сила, которая вызывает работу; - обобщающая координата. , ... , Количество тепла, получаемое системой, определяется изменением внутренней энергии системы, а также суммой всех видов работы, совершенной системой. 2. Свободная и связанная эенергия Движение частиц в любом теле может быть упорядоченным и неупорядоченным. Например, у всех молекул газа (или воды), когда он течет по трубе, есть общая составляющая скорости, которая определяет движение газа, как целого. Упорядоченное движение - электрический ток, а неупорядоченное движение - тепловое движение электронов газа. Причина различия между двумя такими движениями связана с неодинаковой вероятностью каждого из них. В то же время, совершение работы всегда требует пере