вопросы (Вопросы и ответы по биофизике), страница 7

30. Описать схему для электрофореза и назначение каждого элемента этой схемы.

Электрофорез - это движение дисперсной фазы по отношению к дисперсионной среде во внешнем электрическом поле.

Электрофорезом, называется потенциал оседания и состоит в том, что при оседании заряженных частиц регистрируется разность потенциалов между двумя электродами, расположенными на разной высоте. Метод электрофореза лекарственных веществ.

Основой метода электрофореза является свойство гальванического тока отталкивать от себя ионы, имеющие одинаковую полярность. Иными словами, отрицательный электрод отталкивает от себя, а, следовательно, приводит в движение, отрицательные ионы, а положительный электрод отталкивает от себя и приводит в движение положительные ионы. И именно такое перемещение ионов способствует переносу продукта или лекарства через кожу.

Источником тока служит двухполупериодный выпрямитель. Применяют для этого электроды из листового свинца толщиной 0,3-0,5 мм. Т. к. продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки. Но гидрофильную прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом кот оно обладает: анионы вводят с катода, катионы-с анода.

31. Эпизоотии в экосистемах.

Эпизоо́тия — широкомасштабное распространение инфекционной болезни среди одного или многих видов животных на определённой территории, значительно превышающее уровень заболеваемости, обычно регистрируемый на данной территории. Проще говоря, эпизоотия — это «эпидемия у животных».

Модель популяционного взрыва

В природе известны эффекты резкого возрастания численности отдельных популяций, приводящие к глобальным изменениям не только экосистем, но и эколандшафтов с геологическими изменениями. Это популяционные взрывы численности.

Пусть численность некоторого вида описывается функцией вре­мени X = X (Т). Тогда, если предположить, что скорость DX/DT при­роста численности особей X = X (Т) будет зависеть от численности осо­бей X (Т) в данный момент времени, т. е. DX/DT = AX, где А - коэффициент скорости прироста численности особей X (Т), то динамика процесса опишется функцией: Х=Х(Т) = Х0ехр(АТ) = Х0е^АТ,

где ХО - начальная численность популяции в момент времени Т = Т (0). Это означает экспоненциальный рост численности X со временем, т. е. X является показательной функцией от Т.

Моделирование внутривидовой и межвидовой конкуренции.

Реальные популяции в природе всегда существуют во взаимоотношениях (с другими популяциями). Эти взаимоотношения могут быть конкурентные или трофические (например, системы "хищник- жертва").

Положительное A1 показывает свободное размножение жертвы, а "-B1*Y"- ее поедание хищником. хищник сам по себе вымирает (-A2),но за счет численности жертвы (+B2X) может поддерживать свою численность.

Легко видеть, что существует сдвиг по фазе между кривыми.

Динамика поведения системы хищник- жертва (паразит- хозяин)

Распространение заболеваний в популяциях. Построение эпидемической кривой.

В реальных экосистемах существует множество трофических Уровней, и внешний вид организации таких уровней довольно сложен. Речь идет о болезнях, которые могут резко ограничить численность X и ниспровергнуть тео­рию Мальтуса. Это пример распространения инфекционных заболеваний, ди­намику которых в можно представить так:

DX/DT = AX-BXY

DY/DT = BXY.

Здесь производится учет появления численности заболевших («заразных») особей, которые путем контакта со здоровыми особями (слагаемое BXY) заражают последних, уменьшая их численность. Ско­рость процесса заражения DY / DT и, соответственно, прироста числен­ности заболевших Y пропорциональна числу контактов X и Y. Причем коэффициент В учитывает интенсивность контактов между здоровыми особями X и больными особями Y, т. е. со скоростью BXY здоровые X переходят в класс больных Y (скорость прироста последних растет про­порционально контактам X и Y). В реальной ситуации заболевание рас­пространяется быстро, и слагаемым АХ пренебрегаем, т. е. имеем сле­дующее рекуррентное соотношение:

XN=XS-B*XS*YS*DT

YN=YS+B*XS*YS*DT.

В действит. интерес представляет не динамика изменения X и Y, а динамика DY / DT = В * XN * YN.

Эпидемическая кривая

32. Проблемы первичного акта фотосинтеза.

Фотосинтез - уникальный процесс образования богатых энергией органических веществ в клетках зеленых растений под действием видимого света (400- 700 нм). Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид: CO2+nH2O=nC6H12O6+nO2

Процессы фотосинтеза пространственно и во времени можно разделить на 2 сравнительно самостоятельных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления углекислого газа. Обе стадии протекают у высших растений и водорослей в специализированных органеллах клеток- хлоропластах (исключение синезеленные бактерии (цианобактерии), у которых аппарат фотосинтеза не обособлен от цитоплазматических мембран).

В ходе световой стадии фотосинтеза образуется высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н2.

Фотохимическая суть процесса

Хлорофилл имеет два уровня возбуждения (с этим связано наличие двух максимумов на спектре его поглощения): первый связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона системы сопряжённых двойных связей, второй — с возбуждением неспаренных электронов азота и кислорода порфиринового ядра. При неизменном спине электрона формируются синглетные первое и второе возбуждённое состояние, при изменённом — триплетное первое и второе.

Второе возбуждённое состояние наиболее высокоэнергетично, нестабильно и хлорофилл за 10-12 сек переходит с него на первое, с потерей 100 кДж/моль энергии только в виде теплоты. Из первого синглетного и триплетного состояний молекула может переходить в основное с выделением энергии в виде света (флуоресценция) или тепла, с переносом энергии на другую молекулу, либо, поскольку электрон на высоком энергетическом уровне слабо связан с ядром, с переносов электрона на другое соединение.

Первая возможность реализуется в светособирающих комплексах, вторая — в реакционных центрах, где переходящий в возбужденное состояние под воздействием кванта света хлорофилл становится донором электрона (восстановителем) и передаёт его на первичный акцептор. Чтобы предотвратить возвращение электрона на положительно заряженный хлорофилл, первичный акцептор передаёт его вторичному. Кроме того, время жизни полученных соединений выше чем у возбуждённой молекулы хлорофилла. Происходит стабилизация энергии и разделения зарядов. Для дальнейшей стабилизации вторичный донор электронов восстанавливает положительно заряженный хлорофилл, первичным донором же является в случае оксигенного фотосинтеза вода.

Проблемой, с которой сталкиваются при этом проводящие оксигенный фотосинтез организмы, является различие окислительно-восстановительных потенциалов воды (для полуреакции H20 → O2 E0=+0,82 В) и НАДФ+ (E0=-0,32 В). Хлорофилл при этом должен иметь в основном состоянии потенциал больший +0,82 В чтобы окислять воду, но при этом иметь в возбуждённом состоянии потенциал меньший чем −0,32 В чтобы восстанавливать НАДФ+. Одна молекула хлорофилла не может отвечать обоим требованиям. Поэтому сформировалось две фотосистемы и для полного проведения процесса необходимо два кванта света и два хлорофилла разных типов.

33. Что такое реобаза и хронаксия? Как их определить экспериментально.

Реобаза это минимальное напряжение электрического тока, вызывающее при неограниченной длительности действия ответную реакцию. Она измеряется в единицах силы тока - вольтах.

Хронаксия это наименьшее время, необходимое для возникновения возбуждения при действии тока с напряжением, равным удвоенной реобазе. Хронаксия измеряется в милли/секундах.

Реобаза различных мышц человека составляет в среднем 15-30 вольт у тренированных к мышечной деятельности и 30-60 вольт у нетренированных.

Для определения двигательной хронаксии у человека в покое и после нагрузок необходима следующая аппаратура: хроноксиметр с электродами, физ. раствор, бинт, вата, спирт, гантели 3-5 кг.

Исследование проводится в 2-х группах; в одной – человек, который регулярно занимается спортом, в другой менее тренированный.

Хроноксиметр включается в сеть для 20-минутного прогревания. За это время подготовить к работе электроды и подключить их к прибору. Индифферентный электрод смочить физ раствором. Исследование начинается с определения двигательной точки. Подбирают ток, напряжение которого заведомо превышает величину реобазы и раздражают различные участки исследуемой мышцы. После нахождения этой точки активный электрод фиксируется на время всего опыта. Индифферентный электрод прибинтовывается к предплечью. Затем начинается само исследование в состоянии покоя. Затем испытуемому дают гантели весом 3- 5 кг., в каждую руку, которые он удерживает до утомления и быстро вновь определяют реобазу и хронаксию указанных выше мышц.

При определении реобазы: установить переключатель на режим(постоянный ток), ручку плавной регулировки напряжения поставить в нулевое положение. Ручку грубой регулировки напряжения поставить в положение ”30” этим обеспечивается работа на 30-вольтовой шкале. Вращая ручку 5 подающую напряжение находят величину напряжения при которой получилось сокращение мышц.

34. Первый и второй законы термодинамики в биологии. Характеристические функции и их использование в анализе биологических процессов. Энтропия.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

ΔU = Q – A.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Q = ΔU + A.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон определяет принципиальное условие жизнедеятельности материи, заключающейся в том, что она всегда должна находиться в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии (неживая материя всегда находится в неустойчивом неравновесном термодинамическом состоянии).

Опытная проверка этого закона проводилась в спец калориметрах, где измеряется теплота, выделенная организмом в процессах метаболизма, при испарениях, и вместе с продуктами выделения. Поступающие в организм питательные вещества распадаются с освобождением заключенной в них свободной Е, кот используется для жд. Опыты проводились для реакций основного обмена на коротком промежутке вр., когда не происходит накопления биомассы в рез-те роста и не совершается значительной раб. В рез-те, выделенная орг-м теплота полностью соответствует Е, поглощенной вместе с пит веществами. Справедливость I з означает, что сами по себе орг-мы не являются независимым источником к-либо новой Е.

Второй закон термодинамики был сформулирован Клаузиусом.

II з дает критерий направленности самопроизвольных необратимых процессов. Всякое изменение состояния системы описывается соответствующим изменением особой функ-и состояния – энтропии dS, кот определяется суммарной вел-й поглощенных сис-й приведенных теплот Q/Т.

Клаузиус также ввёл понятие энтропии, как функции состояния, приращение которой равно теплоте, подведённой к системе в обратимом изотермическом процессе, делённой на абсолютную температуру, при которой происходит этот процесс.

Согласно II началу терм-ки энтр сис-ы будет стремиться к max, при кот будет достигнуто равновесие и реакция прекратиться.

Второй закон термодинамики определяет, каким образом живыми системами обеспечивается устойчивость неравновесного термодинамического состояния. В соответствии с этим законом биологические системы обеспечивают устойчивость неравновесного термодинамического состояния путем непрерывных энергетических колебаний в виде циклов синтеза и расщепления АТФ в определенных пределах, совокупность которых на уровнях клеток, органов, систем и целостных организмов формируется в виде биоритмов.

Необратимые процессы, ведущие систему к увеличению энтропии, ведут систему к максимальному числу микросостояний, к ТД хаосу, равновесию.

В состоянии ТД равновесия, при максимальной энтропии, информационная структура системы нулевая. Энтропия и информация связаны, как обратные величины: уменьшение энтропии системы связано с увеличением информации этой системы.

35. Рецепция медиаторов и гормонов. Проблема клеточного узнавания. Механизмы взаимодействия клеточных поверхностей.