Учебное пособие: Роль биофизики и физики в теоретическом развитии биологии и ветеринарных дисциплин
Учебное пособие: 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4 |