Лекции (Лекции по биофизике. Доц. Тибрина (901 каф))

Биофизика

Литература:

• Самойлов В.О. «Медицинская биофизика». СПб.: Спец лит., 2004;

• Владимиров Ю.А. Биофизика, М.: Медицина;

• Антонов В.Ф. Биофизика, М: ВЛАДОС, 2000;

• Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, М.: Дрофа, 2007;

• Губанов Н.И. Медицинская биофизика;

к лабораторным:

• Современные методы биологических исследований. Практикум по биофизике под ред. Рубина;

• Блохина М.Е. и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике;

Глава 1. Введение

§1.1. Предмет биофизики

Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах.

Основная задача – показать каким образом физические и физико-химические процессы в организме переходят в физиологические.

Направления биофизики:

• молекулярная биофизика (исследуются вопросы свойств, строения главным образом биологических белков, биологических молекул), термодинамика и кинетика;

• биофизика клетки (структура клетки, физические и физико-химические особенности), проявление биологической активности;

• биофизика органов чувств (трансформация энергии внешнего воздействия ощущения живых существ);

• биофизика сложных систем (проблемы регулирования многоклеточных систем, термодинамические и кинетические особенности, наследственность, изменчивость);

• биофизические основы экологии (первичные реакции биологических систем (человека), внешние воздействия (радиация, электромагнитные поля и пр.)

Глава 2. Термодинамика биологических систем

§2.1. Основные понятия термодинамики

Существование живого организма связано с преобразованием в нем энергии.

Термодинамика – наука о законах превращения энергии из одного вида энергии в другой. Не исследует механизмы явлений, а дает только ответ на вопрос, возможно ли это явление с энергетической точки зрения.

Система – совокупность материальных объектов, выделенных каким-либо образом из среды. В зависимости от характера взаимодействия со средой, различают системы:

• изолированная (не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией)

• замкнутая (обменивается с окружающей средой только энергией)

• открытая система (может обмениваться и веществом и энергией)

Энергия системы может быть представлена из:

• энергия как целого (зависит от положения системы)

• внутренняя энергия (энергия тепловая, химическая, ядерная)

W=W_цел+U

§2.2. I закон термодинамики и живые организмы.

Первый закон термодинамики – одна из форм закона сохранения энергии (сформулирован Майером, Джоулем, Гельмгольцем):

Тепло, подведенное к системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и совершаемую ей работу:

Q=ΔU+A (подведенная Q «+»)

Применительно к биологическим системам:

Энергия усваиваемой пищи затрачивается на увеличение ее внутренней энергии, тепло, которое отдается организмом, и на работу, которая биологическая система совершает:

W_пищи=ΔU+Q+A (отведенная Q «+»)

В тепловой машине происходит преобразование химической энергии топлива в тепло, которая преобразуется в механическую работу.

Человеческий организм во многом схож с химическим источником тока, то есть химическая энергия преобразуется в электрическую или механическую энергию (нет процесса сжигания топлива).

§2.3. Виды работ, совершаемых организмом, источники их энергии

Виды работ:

• химическая

• механическая

• концентрационная

• электрическая

Под химической работой понимают работу по созданию (синтезу) ВМС.

Механическая работа - работа которая совершается мышцами при их сокращении.

Электрическая работа – работа по созданию разности потенциалов.

Концентрационная – работа по перемещению атомов и молекул от одной области концентрации к другой (более большой)

Источник работы – энергия пищи.

Непосредственно энергия пищи редко преобразуется в работу. Пища окисляется, образуя молекулы макроэнергии, в которых хранится энергия (АТФ). Энергия из АТФ в АДФ выделяется при гидролизе под действием фермента:

АТФ+H₂O АДФ+H₃PO₄+E₁

§2.4. Тепловой баланс организма. Химическая и физическая терморегуляция

Выделяют два вида теплообразования:

• первичное тепло (выделяется при биологическом окислении в процессе синтеза АТФ);

• все остальное теплообразование, происходящее при синтезе молекул, создании концентраций, называют вторичным.

О₂

W

Углеводы, белки, жиры

организм ч-ка

продукты расщепления

фотосинтез → → → →

СО₂ Н₂О

Σ 90 Вт – основной обмен.

Тепловой баланс:

Q_выдел.=Q_отвед.

Механизмы отвода тепла:

• теплопроводность (через одежду)

• конвективный перенос тепла (свободный и вынужденный):

Q=α(t -t_{возд .})·S

S – поверхность, с которой происходит перенос тепла

• излучение:

Q=Σσ₀T"·S

• испарение воды с поверхности тела:

(если t_окр.ср.>36º, то работает только испарение)

Q=mL

L – удельная теплота испарения.

Физическая и химическая терморегуляция:

• Химическая терморегуляция заключается в том, что происходит изменение протекания реакции биологического окисления.

• Физическая терморегуляция – изменяется размер (диаметр) кровеносных сосудов, ⇒ изменяется объемная скорость кровотока ⇒ изменяется количество тепла, которое отводится от внутренних органов к кожным покровам.

§2.5. Понятие энтропии

Энтропия – функция состояния системы, т.е. определяющаяся параметрами система в том состоянии, в котором она находится, независимо от пути, которым она пришла в это состояние.

Изменение энтропии замкнутой системы при элементарном обратимом процессе:

dQ – количество тепла, которое подводится из вне к системе.

dS – изменение энтропии.

Обратимый процесс – процесс перехода 1→ 2, если можно совершить обратный процесс из 2 в 1 через все промежуточные состояния так, чтобы после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не произошло изменений.

В природе обратимых процессов не существует.

(но обратимый)

Если процесс не элементарный, то:

По Больцману энтропия связана с термодинамической вероятностью системы (W):

S=klnW S – энтропия

k – постоянная Больцмана

Термодинамическая вероятность (W) какого-то макросостояния системы представляет собой количество микросостояний возможного в пределах данного макросостояния системы.

Рассмотрим пример: четыре молекулы, образующих изолированную систему, находясь в сосуде, который мысленно разделим на две половины, и рассмотрим вероятность их нахождения в сосуде.

№ макросост-я	Варианты размещения молекул		Число микросост-й (термодинамическая вероятность), W	Мат. вер-ть	Энтропия сост-я, S=klnW
	в лев. полов.	в прав. полов.
1	2	3	4	5	6
1	a, b, c, d	–	1	1/16	S=kln1=0
2	a, b, c	d	4	1/4	S=kln4=1,4k
	a, b, d	c
	a, c, d	b
	b, c, d	a
3	a, b	c, d	6	3/8	S=kln6=1,8k
	a, c	b, d
	a, d	b, c
	b, c	a, d
	b, d	a, c
	c, d	a, b
4	a	b, c, d	4	1/4	S=kln4=1,4k
	b	a, c, d
	c	a, b, d
	d	a, b, c
5	–	a, b, c, d	1	1/16	S=kln1=0
			Σ=16=N

N – общее количество микросостояний.

Математическая вероятность рассмотренного макросостояния:

§2.6. Формулировка II-го закона термодинамики для изолированных и замкнутых систем

II-й закон термодинамики для изолированных систем: