150872 (Роль биофизики и физики в теоретическом развитии биологии и ветеринарных дисциплин)

Введение

Физика - наука, изучающая фундаментальные, элементарные явления, свойства и формы движения материи.

Биофизика - наука, изучающая: физические явления - биотоки, ток крови, свечение, биолюминесценцию, движение, диффузию; физические свойства: электропроводность. оптическую плотность, поверхностное натяжение, теплоемкость; первичные физико-химические процессы - ионные, электронного возбуждения, свободнорадикальные. происходящие в тканях и клетках живых организмов и в биосубстратах.

История биофизики изучает обмен энергии, т.е. трансформацию в тканях друг в друге различных форм энергии, в отличие от биохимии, изучающей обмен веществ.

Значение биофизики и физики в познании свойств живых организмов, применение физических законов и биофизических методов в диагностике и физиотерапии.

Роль биофизики и физики в теоретическом развитии и методическом вооружении: физиологии, биохимии, цитологии, ветеринарно-санитарной экспертизе, клинической диагностике, ветеринарной хирургии, зооинженерии, экологии и биотехнологии.

1. Термодинамика и биоэнергетика

Законы термодинамики. Открытые и закрытые системы, стационарное неравновесное состояние. Изолированные системы, термодинамическое равновесие.

Первое начало термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия.

Второе начало термодинамики. Трение и КПД. Рост энтропии. Обратимые и необратимые процессы. Графическое изображение изопроцессов: изобары, изохоры. изотермы. Циклический процесс. Термодинамические потенциалы: внутренняя энергия, свободная энергия, химический потенциал. Энтропия, ее статистический смысл.

Живые организмы как стационарные, неравновесные, открытые системы. Принцип Пригожина для стационарного состояния. Применение линейной термодинамики в биологии. Нелинейная термодинамика.

Энергетический баланс в живом организме. Закон Гесса. Теплопродукция при окислении и окислительное фосфорилирование в митохондриальных ферментативных электрон-транспортных цепях.

Удельная теплопродукция жиров, белков, углеводов и превращение различных типов энергии друг в друга в организме.

Явление переноса в терморегуляции организма и в биотехнологии. Теплопроводность, конвекция, испарение; равновесное тепловое излучение, люминесценция и спонтанная биохемилюминесценция.

Энергетика солнечного спектра. Удельная поверхность и теплопотери организма.

Криоконсервирование живых клеток и тканей. Оптимальные режимы охлаждения, замораживания, оттаивания и нагревания. Защитное влияние биоантиокислителей и веществ, стабилизирующих структурную температуру.

Блок-схема установки для вакуум-сублимационной сушки.

Вакуум-сублимационная сушка (быстрая - с разрушением и медленная - с сохранением клеток и мембран). Самозамораживание и быстрый термоперенос. Критерий окончания сушки.

2. Механика и биомеханика

Кинематика. Механическое движение. Определение кинематики. Системы отсчета. Средняя скорость прямолинейного движения. Мгновенная скорость. Обобщение понятия скорости для некоторых процессов (скорость химической реакции, скорость переноса тепла и др.) как производных соответствующих физических величин во времени. Ускорение как производная скорости по времени. Обратная задача кинематики: вычисление скорости по ускорению и пути по значению скорости.

Понятие о градиенте физической величины. Интенсивность переноса физической величины через поверхность.

Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Применение понятий интенсивности и градиента в этих процессах.

Перенос веществ при диффузии. Закон Фика. Значения коэффициентов диффузии в газах, жидкостях и твердых телах. Диффузионные процессы в почве, легких, в клеточных мембранах и др.

Теплопроводность, ее физический механизм и ее отличие от конвекции. Закон Фурье. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых веществ и биологических тканей. Перенос тепла в живых организмах.

Внутреннее трение (вязкость). Перенос импульса при внутреннем трении. Закон Ньютона для вязкой жидкости. Динамический коэффициент вязкости и его значения для некоторых жидкостей.

Вращательное движение. Кинематика вращательного движения. Равномерное вращение. Угловая скорость, период и частота вращения. Переменное вращательное движение. Угловое ускорение. Линейная скорость и тангенциальное ускорение; связь их с угловой скоростью и угловым ускорением. Равнопеременное вращательное движение.

Динамика вращательного движения абсолютно твердого тела, Понятие об абсолютно твердом теле (АТТ). Основное уравнение вращательного движения АТТ. Момент инерции и его физический смысл. Вычисление моментов инерции некоторых тел правильной геометрической формы. Опытная проверка основного закона вращательного движения АТТ. Кинетическая энергия вращающегося АТТ. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Вращательное движение в локомоторном аппарате живых организмов.

Механические колебания. Понятие о колебательном движении. Гармонические колебания. Линейный гармонический осциллятор. Уравнение гармонических колебаний. Циклическая частота. Период колебаний пружинного маятника. Скорость и ускорение гармонического осциллятора. Энергия гармонического осциллятора. Связь между колебательным и вращательным движениями.

Затухающие колебания, их уравнения и графики. Циклическая частота затухающих колебаний.

Вынужденные колебания, их уравнение; амплитуда вынужденных колебаний. Явление резонанса, резонансная кривая. Примеры явлений, связанных с резонансом.

3. Действие вибраций на живой организм

Сложные колебания. Волны. Сложные колебания. Сложение двух гармонических колебаний, происходящих вдоль одной прямой с одинаковыми частотами. Сложение двух гармонических колебаний, происходящих вдоль одной прямой с разными частотами. Биения. График биений и применение этого явления.

Разложение сложных негармонических колебаний в гармонический спектр. Теорема Фурье. Основная частота и обертоны. Применение гармонического анализа колебаний в медицине и ветеринарии.

Волны. Механизм образования волн, их типы и свойства. Длина волны и ее вычисление. Скорости волн в твердых телах, в жидкостях и газах. Вычисление скорости волны в твердых телах и в газах.

Уравнение волны. Волновое число. Бегущие и стоячие волны. Уравнение стоячей волны, ее узлы и пучности. Объемная плотность энергии волны. Интенсивность потока энергии волны. Волновые процессы в живых организмах.

Твердые тела, жидкие кристаллы и полимеры. Кристаллические тела и их анизотропия. Основные типы кристаллических решеток. Физические свойства кристаллов и аморфных тел.

Жидкие кристаллы и их типы: немагики. смекгики. холестерики. Их свойства.

Полимеры и их типы. Условия для полимеризации и деполимеризации. Основные состояния полимеров: вязкотекучее. высокоэластичное, частично - кристаллическое, стеклообразное. Полимерные волокна. Полимерные надмолекулярные образования. Полимерные материалы в медицине и ветеринарии.

Биополимеры и их физические свойства на примере коллагена, эластина и резилина.

Механические свойства твердых тел. Виды деформаций. Понятие напряжения и единицы ею измерения. Напряжение нормальное и тангенциальное.

Упругие деформации. Закон Пука. Модуль упругости. Энергия упругой деформации. Статические испытания материалов. Диаграмма зависимости между напряжением и деформацией на примере растяжения для пластических и хрупких материалов. Деформация сдвига, кручения и изгиба.

Энергия упругих деформаций в живых тканях. Физическое обоснование последствий гиподинамии биологических тканей и значение этого явления в промышленном животноводстве.

Механические свойства биологических тканей. Биореология. Вязкоупругие материалы. Ползучесть. Моделирование вязкоупругих свойств с помощью различных комбинации упругих и вязких элементов.

Механические свойства некоторых тканей. Костная ткань и ее структурные корни. Модуль упругости и пределы упругости и прочности для костей некоторых животных. Действие электрического поля на костную ткань. Кожа и мышцы, их механические свойства. Связь между деформацией и напряжением в мышцах. Изотоническое и изометрическое сокращение в мышцах. Ткани кровеносных сосудов и их механические свойства.

4. Акустика

Звук. Природе звука, его интенсивность и акустическое давление. Параметры звуковой волны, определяющие громкость. высоту и тембр звука. Источники и приемники - детекторы звука в технике и в биологии. Трансформация механического звукового сигнала в электрический сигнал в рецепторных волосковых клетках кортиевого органа внутреннего уха. Уровни интенсивности порога слышимости и болевого порога. Среднее ухо как трансформатор интенсивности в восприятие - слышимость по логарифмическом} закону Вебера-Фехнера. Бел и децибел. Кривая равной слышимости. Уровни интенсивности некоторых звуков. Шум как стресс-фактор и его влияние на продуктивность сельскохозяйственных животных.

Инфразвук и ультразвук. Физические характеристики. Источники инфразвука и его затухание. Биологическое действие инфразвука. Источники и приемники ультразвука. Пьезоэффект. Кавитация, электризация, точечный нагрев, механический удар и вызываемые ими процессы в биологических объектах. Ультразвуковое свечение. Использование в ветеринарии, медицине, биотехнологии эффектов: отражения ультразвука - УЗИ, эффекта Допплера и повышения проницаемости клеточных мембран. Модулированные звук и ультразвук в биологии: речь человека; эхолокация летучих мышей; сигнализация дельфинов. Фокусированный ультразвук.

5. Гидродинамика и гемодинамика

Законы гидродинамики. Несжимаемые идеальные и реальные жидкости. Текучесть. Сжимаемость. Единицы давления. Молекулярные явления в жидкости.

Поверхностное натяжение. Поверхностно-активные вещества в крови м тканях. Асфиксия. Смачивание в капиллярах и его влияние на возникновение эмболии в кровеносных сосудах и удержание паров (влаги) в капиллярах почвы.

Стационарность. Закон неразрывности потока. Распределение скоростей течения крови в артериях и капиллярах.

Сердце как механический насос. Уравнение Бернулли.

Законы гемодинамики. Работа и мощность сердца. Сила трения - закон Ньютона. Коэффициент вязкости. Закон Стокса. Обьемный расход жидкости. Формула Пуазейля. Гидравлическое сопротивление. Влияние скорости потока на тип течения: ламинарное, турбулентное. Число Рейнольдса. Физические основы измерения кровяного давления. Шумы при турбулентном движении крови в артериях как критерий при бескровном методе измерения давления.

Перераспределение энергии в эластичных стенках кровеносных сосудов. Затухающая пульсовая волна. Определение скорости кровотока с применением эффекта Допплера. Распределение давлений в системе разветвляющихся сосудов. Скорость звука, пульсовой волны и тока крови в артериях и капиллярах.

6. Электричество и магнетизм

Электродинамика и физические основы электрофизиотерапии и диагностики.

Электростатические поля. Происхождение электрического поля. Электрический заряд. Основные характеристики электрического поля - напряженность и потенциал. Поле одиночного заряда. Поле диполя и мультиполя. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Поляризационные явления в диэлектриках и их физические характеристики. Электроемкость, конденсатор, электрическое поле внутри конденсатора. Пьезоэлектрический эффект. Энергия электрического поля.

Постоянное электрическое поле организма. Трибозаряды и их происхождение. Стекание электростатических зарядов.

Действие постоянного электрического поля. Прямое и опосредованное действие •электростатического поля на живой организм. Ионизация воздуха, образование положительных и отрицательных аэроионов. Максимум и минимум объемной плотности электрического заряда воздуха - физические критерии степени ионизации воздуха.

Физические основы электротерапии. Классификация явлений и методов электротерапии. Контактное и неконтактное воздействия. Физические процессы, лежащие в основе физиотерапевтических методов: статдуша, аэроионотерапии, электроаэрозольтерапии.

Постоянный электрический ток. Законы Ома и Кирхгофа. Элементарные электрические цепи. Плотность и величина электрического тока. Электродвижущая сила источников тока (ЭДС). Электрический ток в металлах, полупроводниках и электролитах. Электрический разряд в газах. Ионизация газов. Плазма. Электрический разряд в воздухе. Аэроионы.

Действие постоянного электрического тока на живую ткань, живой организм. Закон Ома для постоянного электрического тока в живой ткани. Первичный физический механизм действия электрического тока на живую клетку и живую ткань. Ионные токи. Электрическая поляризация клеточных и тканевых мембран. Электропроводность тканей. Электрофорез лекарственных веществ. Гальванизация. Физические процессы, лежащие в основе методов поиска биологически активных точек (БАТ). Электронаркоз.

Постоянное магнитное ноле. Индукция магнитного поля. Закон Ампера. Контур с током в магнитном поле. Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренца. Закон Савара-Лапласа. Напряженность магнитного поля. Магнитное поле соленоида. Магнитные свойства вещества. Движение электрона в магнитном и электрическом полях. Электронные линзы.

Действие постоянного магнитного поля на организм. Основные биологические эффекты и гипотезы магнитобиологии. Магнитотерапия. Извлечение инородных тел с помощью постоянных магнитов (зонд Коробова).