вопросы (Вопросы и ответы по биофизике), страница 2

3. σ*_t – среднее квадратичное отклонение

K= n-1

4. Средняя погрешность, Δt

t_k,β – критерий Стьюдента

5. Доверительный Интервал

4. Методологические вопросы биофизики. История развития отечественной биофизики.

В биофизике выделяют 3 основных направления исследований – молекулярная, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Основными объектами исследования молекулярной биофизики являются функционально активные вещества и среди них белки и нуклеиновые кислоты. Биофизика клетки имеет дело с надмолекулярными структурами живой клетки, среди которых особое место занимают мембранные структуры клеток и субклеточных структур.

Биофизика сложных систем рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физико-математического моделирования. Объектами исследования в этом случае являются сообщества клеток, живые ткани, физиологические системы, популяции организмов. Построение моделей является одним из главных этапов биофизического исследования. Живой организм представляет собой очень сложную систему, не всегда доступную для точного физического эксперимента. В этом случае плодотворным становится использование физических, аналоговых ,математических моделей. Любое крупное открытие в биофизике получено путём применения моделей.

Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить молекулярную структуру гемоглобина миоглобина. Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое применение получили физические модели мембран в виде моно- и бимолекулярных липидных плёнок. С развитием и совершенствованием вычислительной техники моделирование получает новое развитие.

Такие науки как биология, медицина, сельскохозяйственные науки становятся всё более точными. Трудно переоценить в этом случае роль биофизики призванной исследовать явления жизни с использованием физических представлений и методов.

История развития биофизики.

Первый научно-исследовательский биофизический институт в Советской России был создан в системе Наркомата здравоохранения академиком П.П. Лазаревым, которым в 1922 году был прочитан первый курс по биофизике врачам клиники Московского университета. В 1927 г. также П.П. К концу 30-ых годов стали читать отдельные главы биофизики и в других учебных заведениях. Так началась подготовка биофизиков в нашей стране. В 1953 г. была организована первая специализированная кафедра биофизики на биолого-почвенном факультете в МГУ. В 1959 г. была создана кафедра на физическом факультете МГУ, затем были созданы специализированные кафедры биофизики в Московском физико-техническом институте, в ряде медицинских ВУЗов и университетов по всей стране. В 1982 г. в стране существовало свыше 20 кафедр биофизики. В.В. Шулейкин был сотрудником первого Биофизического института, созданного П.П. Лазаревым. По инициативе В.В. Шулейкина и при поддержке П.П. Лазарева при этом Институте была основана в Кацивелли (на Южном берегу теперь уже не российского Крыма) морская станция, которой руководил В.В. Шулейкйн, где он сделал ряд работ по физике и биофизике моря. Были получены ответы на многие вопросы, которые имели в том числе и существенное значение для создания новых образцов военно-морской техники, например, сверхскоростных сторожевых катеров на подводных крыльях.

Перечень этих вопросов был обширен: почему некоторые рыбы, например, дельфины, могут развивать большую скорость при низких энергетических затратах; как осуществляется движение летучих рыб; почему движение стай птиц или косяков рыб выгоднее, чем движение одиночной особи; как и почему морские животные чувствуют задолго до начала шторма его приближение и уходят на глубину, чтобы не разбиться о прибрежные камни и т.п. Распад СССР, конечно, повлиял на биофизику, но главная беда заключалась в резком снижении финансирования. В наше время биофизика продолжает развиваться.

5. Первичные процессы поглощения энергии ионизирующих излучений.

Действие ионизирующего излучение проявляется в несколько этапов.

1. Физическая стадия.

Энергия излучения передаётся веществу, в нём возникают ионизированные и возбуждённые молекулы, неравномерно распределённые в объёме вещества. Эти эффекты проявляются в первые 10^-16-10^-13с.

1. Физико-химическая стадия.

Эта стадия представлена различными реакциями, приводящими к перераспределению энергии между молекулами. В результате образуются активные молекулярные элементы: ионы, радикалы, сольватированные электроны. 10^-13-10^-6с.

1. Химическая стадия.

Радикалы взаимодействуют, образуя повреждения разного рода, что приводит к инактивации или нарушению функций макромолекул. 10^-6-10^-3с.

Различают два механизма радиационного повреждения макромолекул:

Прямой: Когда инактивированными оказываются молекулы непосредственно поглотившие энергию излучения.

Непрямой: Когда молекулы инактивируются в результате взаимодействия с активными реакционноспособными продуктами радиационного воздействия.

Прямое действие ионизирующего излучения исследуют при облучении сухих очищенных препаратов макромолекул. Прямое действие на ДНК выражается в одноцепочечных и двухцепочечных разрывах, межмолекулярных поперечных сшивках нуклеотидов и образовании разветвлённых цепей ДНК. Прямое действие на белки связано с изменением аминокислотного состава, нарушением третичной структуры, с разрывами АК цепей, разрывами дисульфидных связей, агрегацией молекул. Инактивация белка происходит при повреждении только определённых его групп, но его инактивация происходит даже при поглощении одного кванта излучения молекулой. Этот эффект связан с миграцией энергии в белках от места поглощения к месту проявления эффекта.

Непрямое действие при облучении растворов биологических веществ.

При этом непрямой эффект излучения проявляется значительно сильнее, чем прямой. Радиочувствительность при разбавлении возрастает в 100 раз. Повреждение органических молекул в растворе в большой мере связано с продуктами радиолиза воды. Поскольку в растворе молекул воды значительно больше, чем растворённых веществ, вероятность поглощения излучения ими значительно больше.

В процессе прохождения частицы через воду вдоль её пути образуются возбуждённые производные воды: радикал протона, гидроксирадикал, сольватированные электроны, ион гидроксония. Часть образующихся радикалов рекомбинируют с образованием нейтральных продуктов или перекиси, но часть радикалов может взаимодействовать с растворёнными органическими молекулами. В результате образуются свободные органические радикалы, которые могут вступать в дальнейшие реакции, часто имеющие цепной характер.

7. Основные особенности кинетики биологических процессов.

Особенности кинетики БС:

1. В БС в качестве переменных выступают не только концентрации, но и любые другие величины.

2. Переменные изменяются не только во времени, но и в пространстве. Скорость определяется не только константами реакции, но и диффузионными процессами.

3. БС пространственно неоднородны. Условия в разных частях системы могут отличаться.

4. БС мультистационарны. Может быть несколько устойчивых режимов функционирования.

5. Процессы в БС нелинейны. Феномен усиления и колебательные процессы.

6. Кинетические модели БС крайне сложные. Моделирование требует большого числа упрощений.

Кинетические модели БС:

1. Ряд Фибоначчи.

2. Модель Мальтуса. Экспоненциальный рост.

3. Модель роста популяции в избытке пит. веществ.

1. Модель Ферхюльста. Рост популяции, ограниченный ресурсами.

1. Модель Лотки и Вольтерра. Модель "Хищник-Жертва".

8. Общая характеристика процессов поглощения энергии различных видов ионизирующей радиации.

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений радиоактивные излучения, обр-еся в рез-те самопроизвольного радиоакт. распада атомных ядер эл-в с изм-ем физ-х и хим-х св-в последних. Эл-ты, обладающие спос-тью радиоактивного распада, наз-ся радиоактивными; они могут быть ест-ми, такие, как уран, радий, торий, и искусст-ми, для к-х радиоактивные св-ва получены искус-ым путем.

При радиоактивном распаде имеют место три осн. вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.

Альфа-частица — это «+» заряженные ионы гелия, обр-еся при распаде ядер, как правило, тяжелых ест-ных эл-тов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внеш. воздей-я достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Бета-излучение пред-т собой поток электронов, обр-хся при распаде ядер как ест-ых, так и искус-ных радиоакт. эл-тов. Бета-излучения обл-т большей проникающей спос-тью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них треб-ся более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, обр-хся при распаде некоторых искус-ых радиоакт-х эл-тов, яв-ся позитроны. Они отл-ся от электронов лишь «+» зарядом, поэтому при воздей-и на поток лучей магнитным полем они отклон-ся в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), пред-т собой жесткие электромаг-ые колебания, обр-еся при распаде ядер многих радиоакт-х эл-тов. Эти лучи обл-т гораздо большей проникающей спос-тью. Поэтому для экранирования от них необх-ы спец-е устр-ва из материалов, способных хорошо задерж-ь эти лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект дей-я гамма-излучения обусловлен в осн-м как непосред-ым расход-ем собств-й энергии, так и ионизирующим дей-м электронов, выбиваемых из облучаемого в-ва.

Рентгеновское излучение обр-ся при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок бетатронов. По хар-ру рентгенов. лучи во многом сходны с гамма-лучами и отл-ся от них происхождением и иногда длиной волны: рентгенов. лучи, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Рентгеновское изл-е при взаимодей-и с в-вом может когерентно рассеиваться (при взаимодей-и фотонов невысоких энергий с электронами внутр. оболочек.

Рентгеновское и гамма- излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов–камптон-эффект. Обр-ееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исх-го рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы и сообщение электрону кинетической энергии.

10. Математические модели. Принципы построения математических моделей биологических систем.

Методами моделирования служат методы динамической теории систем. Средства – дифференциальные и разностные уравнения, методы качественной теории дифференциальных уравнений, компьютерная симуляция.

Цели моделирования:

1.      Выяснение механизмов взаимодействия элементов системы

2.      Идентификация и верификация параметров модели по экспериментальным данным.

3.      Оценка устойчивости системы (модели). Само понятие устойчивости требует формализации.

4.      Прогноз поведения системы при различных внешних воздействиях, различных способах управления и проч.

5.      Оптимальное управление системой в соответствии с выбранным критерием оптимальности.

 Математические модели описывают целый класс процессов или явлений, которые обладают сходными свойствами, или являются изоморфными. Наука конца 20 века – синергетика, показала, что сходными уравнениями описываются процессы самоорганизации самой разной природы: от образования скоплений галактик до образования пятен планктона в океане.

1. Модель экспоненциального роста вида

примет вид: DX/DТ=(A0-BX)X

Легко видеть, что с ростом X величина A убывает и при A0-BX^*=0 или ^*=A0/B имеем DX/DT=0, т.е. скорость прироста численности равна "0". В этом случае численность популяции стабилизируется за счет отрицательных обратных связей вблизи значения X^* .

2. Модель популяционного взрыва

XN=XS+AXSDT