Биофизика. Экзаменационные вопросы. 2. Об основных разделах биофизики.

Биофизика. Экзаменационные вопросы.
1. Предмет биофизики, ее значение для медицины и сельского хозяйства.
2. Об основных разделах биофизики.
3. Термодинамика биологических систем. Что за наука термодинамика.
4. Определение «системы» с точки зрения термодинамики. Примеры.
5. Типы термодинамических систем. Примеры.
6. Изолированная термодинамическая система и ее основные свойства. Примеры.
7. Замкнутая термодинамическая система и ее основные свойства. Примеры.
8. Открытая термодинамическая система и ее основные свойства.
9. Энергия и виды энергии. Характеристика видов энергии.
10. Работа и виды работы. Примеры.
11. Первый закон термодинамики. Применимость первого закона термодинамики к живым
системам.
12. Математическая формулировка первого закона термодинамики.
13. Общая схема превращения энергии в организме.
14. Выведение первичной теплоты из организма и ее биологическая роль. Примеры.
15. Выведение вторичной теплоты из организма и ее биологическая роль. Примеры.
16. Что вы понимаете под универсальным горючим клеток и где она образуется?
17. Какая связь существует между первичной теплотой и интенсивностью обменных
процессов и КПД биопроцессов?
18. О механизмах регуляции теплопродукции у теплокровных животных.
19. Закон Гесса и его применимость к биопроцессам.
20. Второй закон термодинамики. Суть второго закона термодинамики.
21. Обратимые термодинамические процессы. Примеры.
22. Необратимые термодинамические процессы. Примеры.
23. Энтропия. Характеристика энтропии. Примеры.
24. Негэнтропия. Характеристика негэнтропии. Примеры.
25. Внутренняя энергия системы. Характеристика внутренней энергии системы.
26. Свободная энергия системы и ее характеристика.
27. Связанная энергия системы и ее характеристика.
28. Что вы понимаете под термодинамическим равновесием? Примеры.
29. Коэффициент Л. Больцмана и математическая вероятность состояния системы.
30. Коэффициент полезного действия биологических процессов. Примеры.
Балжан 31. Устойчивое стационарное состояние организма. Примеры.
Балжан 32. Принцип И. Пригожина.
Шынар 33. Принцип Ле-Шателье-Брауна.
Шынар 34. Неустойчивое стационарное состояние организма. Примеры.
Гаухар 35. Различие между термодинамическим и стационарным равновесием. Примеры.
Гаухар 36. Термодинамическая концепция Э. С. Бауэра.
Кеша 37. Электропроводность клеток и тканей. Биологическое значение электропроводности.
Кеша 38. Электропроводность биообъектов для постоянного тока.
Райхан 39. Закон Ома для биообъектов.
Райхан 40. Виды поляризации и их характеристика.
Сабина 41. Электропроводность биообъектов для переменного тока.
Сабина 42. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов.
Мг 43. Виды дисперсии и их характеристика.
Мг 44. Применение метода измерения электропроводности в биологических и медицинских
исследованиях.
Дина 45. Физика ионизирующих излучений и их источники.
Дина 46. Биологическое действие ионизирующих излучений.
Лена 47. Развитие лучевого эффекта во времени.
Лена 48. Зависимость биологического эффекта действия излучения от дозы излучения.
Катя 49. Зависимость биологического эффекта действия излучения от температуры и
кислорода.
Катя 50. Химическая защита от лучевого поражения.
Саша 51. Теории, объясняющие механизм действия радиоактивных излучений.
Саша 52. Действие ультразвука на клетки. Применение ультразвука в биологии и медицине.
Айнур 53. Характеристика лазерного излучение. Применение оптического квантового
генератора в биологии, медицине и сельском хозяйстве.
Айнур 54. Основные виды фотобиологических процессов.
Тумашбаева 55. Об основных стадиях фотобиологических процессов.
Тумаш 56. Митогенетическое излучение. Лучи А. Г. Гурвича.
Юрикова 57. Временная организация биосистем. Примеры.
Юрикова 58. Десинхроноз и о причинах десинхроноза. Примеры.
Тумаш 59. Электромагнитные поля внешней среды и их действие на организм
электропроводности для организма.
Лена 60. Работы А. Л. Чижевского по исследованию влияние Солнца на биообъекты.
61. Напишите уравнение второго закона термодинамики и обоснуйте его применимость его к
живым системам.
62. Задача. Приведите примеры подручной защиты от облучения альфа-частицами.
63. Задача. Дайте физическое объяснение тому, что жители Средней Азии носят летом ватные
стеганые халаты?
64. Задача. Объясните с позиции термодинамики, почему мелкие млекопитающие вынуждены
постоянно питаться и какие физические факторы это определяют?
65. Дайте характеристику электрокардиограммы как метода диагностики заболеваний сердца.
Надпишите все зубцы кардиограммы.
66. Приведите схему реакции радиолиза воды.
67. Задача. Объясните, почему в сумерках изображения, воспринимаемые глазом человека,
теряют резкость?
68. Задача. Объясните, почему ионизирующее излучение, имея небольшое тепловое действие,
обладает большим биологическим эффектом?
69. Задача. Всегда ли увеличение количества выделяемого пота приводит к увеличению
теплоотдачи? Объясните физический механизм.
70. Приведите примеры применения лазеров в медицине и обоснуйте, на каких свойствах
лазерного излучения оно базируется.
71. Приведите примеры применения инфразвука в медицине и обоснуйте, на каких его
свойствах оно базируется.
72. Применение метода электрофореза в исследованиях и медицине. Нарисуйте общую схему
ионоэлектрофореза.
73. Задача. Ежедневно с потребляемой пищей работник физического труда получает окло 17
МДж. В течение дня он выполняет работу 10 МДж. Какая доля получаемой с пищей энергии
превращается в полезную работу?
74. Приведите схему и обоснуйте принцип работы фотоэлектрокалориметра.
75. Задача. Приведите обоснование независимости спектра фотолюминисценции пигментов
от длины волны возбуждающего света?
Кеша 76. Задача. Объясните, почему снижение парциального давления кислорода во время
облучения уменьшает радиочувствительность живых организмов?
Гаухар 77. Задача. Во сколько раз поперечное сечение аорты меньше суммарного
поперечного сечения капилляров, если скорость крови в капиллярах 0,5 мм/с, а в аорте 40
см/с.
Сабина 78. Обоснуйте применимость закона Ома в биологии. Приведите эквивалентные
схемы.
Дина 79. Задача. Света падает под углом полной поляризации на границу раздела двух сред.
Какой угол образуют между собой отраженный и преломленный лучи? Нарисуйте ход лучей.
ЭДС поляризации.
Айнур 80. Задача. ЭДС поляризации при действии постоянного тока. Нарисуйте график
коэффициента дисперсии поляризации.
Оксана 81. Задача. Приведите общую схему фотобиологических процессов. Приведите
примеры.
Мг 82. Приведите схему и объясните принцип действия гелий-неонового лазера.
Балжан 83. Задача. Какие методы используют врачи для того, чтобы продлить
продолжительность периода клинической смерти? Обоснуйте ответ.
Саша 84. Распределение ионов на клеточных мембранах. Напишите формулу для равновесия
Доннона.
Катя 85. Электромагнитные поля внешней среды и их спектр. Приведите схему спектра.
Райхан 86. Задача. Укажите признаки лучевой болезни, возникающие у человека при
действии радиации.
Тумаш 87. Задача. Предложите методы реабилитации при гиподинамии у человека.
Лена 88. Задача. Приведите примеры открытых биофизических (термодинамических) систем
в природе.
Лена 89. Задача. Приведите примеры закрытых биофизических (термодинамических) систем
в природе.
Шынар 90. Приведите дипольную структуру молекул воды и раскройте роль гидрофобных
взаимодействий на мембране.
1.Предмет биофизики, ее значение для медицины и сельского хозяйства.
Биофизика – это наука, изуч.физ.и физ-хим.процессы, кот-ые протекают в биол.системах на
разных уровнях организации и яв-ся основой физиол.актов. Биофизика, исследуя физ.и физхим.процессы в организмах на молек.уровне, позволяет вскрыть механизмы
физиол.процессов и объяснить причины наблюд.биол.явлений. Биофизика позволяет понять
сущность биол.явлений значительно глубже, чем класс.биол., и этим создает физ-хим.базис
для физиологии. Основная задача биофизики заключ.в том, чтобы на конкретном
биол.материале показать, каким образом физ., физ-хим. и хим.процессы, протек.в живом
организме, переходят в качественно новые, уже физиол.явления. Биофизика окончательно
изгоняет из биологии виталистические и метафиз.концепции, показывая, что ничего
мистического и непознаваемого в явлениях жизни нет, что в основе физиол.процессов лежат
сложным образом скоординированные и организованные физ.и хим.процессы, кот.в
совокупности образуют сопряженную саморегулирующуюся систему.
Биофизика оказывает заметное влияние на развитие теоретической и практической медицины.
К наст.времени стал формироваться опред.круг вопросов, кот.можно охарактеризовать как
мед.биофизику. Одна из основных задач мед.биофизики – это выявление физ.и физхим.параметров, кот.можно было бы использовать для объективной диагностики
функционального состояния организма. О нарушении жизненных процессов можно прежде
всего судить по изменению этих параметров. П.: характерное св-во живых клеток - наличие
мембранного потенциала, способность удерживать ионные градиенты, способность
поляризовать электр.ток и т.д.Некот.из этих параметров медицина уже давно использует для
оценки состояния организма. Наиболее важной проблемой мед.биофизики явл.исследование
физ.и физ-хим.основ патологических процессов. Благодаря успехам биофизики в наст.время
открыта новая глава патологии – физ-хим.патология. В процессе биофиз.исследований была
выявлена роль ионных и коллоидных явлений в воспалительном процессе. Она подводит итог
изучению точных наук и служит связью между точными науками и науками биол.и мед-ими.
2.Об основных разделах биофизики.
По решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики к разделам этой
дисциплины относятся: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика органов и
чувств и сложных систем.
Молекулярная биофизика рассматривает строение и физ.св-ва биол.мол-л (главным образом
белков и нуклеиновых кислот), а также кинетику и термодинамику биол.процессов.
Биофизика клетки исследует ультраструктуру клетки, ее физ.и физ-хим.особенности, физхим.проявления функц.активности клеток: проницаемость, биоэлектр.потенциалы и пр.
Основными проблемами биофизики органов чувств явл.выяснение молекулярных физхим.механизмов рецепции, изучение процессов трансформации энергии внешних стимулов в
специфич.реакции нервных клеток и механизмов кодирования информации в органах чувств.
Биофизика сложных систем исследует проблемы регулирования и саморегулирования сложно
устроенных многоклеточных систем, а также термодинамические и кинетические
особенности их функционирования. В этом разделе биофизика смыкается с
биол.кибернетикой, предметом кот-ой яв-ся процессы управления и регулирования в
биол.системах.
Биофизика изучает механизмы возникновения сигналов, а биокибернетика определяет
значение этих сигналов в деятельности сложных динамических систем. Биокибернетика дает
общую формальную схему регулирования в биол.системе, а биофизика наполняет эту схему
конкретным физ-хим.содержанием.
Иногда выделяют еще один раздел биофизики, в кот.исследуются первичные стадии действия
физ.факторов на организмы. Данный раздел в наст.время имеет особенно важное значение
для медицины, поскольку многие из этих факторов оказывают поражающее действие на
живые организмы. От первичных реакций в организме, кот.наблюдаются в момент действия
фактора и явл.по своей природе физ.или физ-хим.,зависит дальнейшее развитие
патологического процесса.
3. Термодинамика биологических систем. Что за наука термодинамика.
Т\д - это наука о превращении энергии из одного вида в другой. Предметом т\д яв-ся
рассмотрение общих закономерностей превращения энергии при ее переносе в форме
теплоты и работы между телами. В т\д различают три вида систем: Изолированная система,
которая не обменивается с окр. средой ни энергией, ни веществом. Замкнутая система
обменивается с окр. средой энергией, но не веществом. Открытая система обменивается с
окр. средой и энергией и веществом, живые организмы относятся к открытым т\д системам.
Т\д разделяют на обратимые и необратимые. Т\д процесс считается обратимым, если
обратный переход системы в первоначальное состояние не требует дополнительной затраты
энергии извне, при этом процессе возвращение системы в исходное состояние происходит без
к-либо изменений в окр. среде. П. движение груза, подвешенного на нити, около положения
равновесия будет обратимым процессом, если при движении не возникает сил трения. В
процессе колебания груза происходит поочередное превращение потенциальной энергии в
кинетическую и наоборот.
Т\д процесс яв-ся необратимым, если обратный переход системы в исходное состояние связан
с необратимостью затраты энергии извне. П. падение тела с некоторой высоты. находясь на
определенной высоте, тело обладает запасом потенциальной энергии. которая в процессе
падения превращается в кинетическую энергию движения тела. при ударе тела о землю его
кинетическая энергия превращается в тепловую энергию хаотического движения частиц тела
и земли. Обратный процесс не происходит т.к. тепловая энергия не может самопроизвольно
превратиться в механическую. Законы т\д носят название начал т\д. Первый з-н т\д - з-н
сохранения энергии в применении к процессам преобразованиям теплоты. Работа,
совершаемая т\д системой, равна разности между количеством теплоты, переданной системе
и изменением ее внутренней энергии. А = Q - U Первое начало т\д может иметь и другую
формулировку, например: Q = U + А Кол-во теплоты, переданной системе, идет на изменение
внутренней энергии системы и на совершение ею работы. Из первого определения следует,
что работа может совершаться за счет изменения внутренней энергии или за счет сообщения
системе некоторого кол-ва тепла, но в живых системах работа может совершаться только за
счет изменения внутренней энергии. Простейшие расчеты показывают, что для совершения
мех. работы мышцей с К.П.Д. 30% за счет тепловой энергии первоначальная температура
мышцы должна быть порядка 174С.
Второй з-н т\д указывает, что все реальные процессы (в том числе в биологических системах),
сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Все формы энергии (мех,
хим, электр и т.п.) могут быть превращены в теплоту без остатка. Но сама теплота не может
превращаться полностью в другие формы энергии, состояние системы может описано особой
функцией –энтропией S. Второе начало т\д определяет закономерности перехода энергии из
одного состояния в другое. Основное положение второго начала т\д сводится к тому, что
например:
Невозможно передавать тепло от более холодного тела (системы) к более горячему без
одновременных изменений в обеих системах или в окр. среде.
Следствием этого положения яв-ся утверждение, что самопроизвольно могут протекать
процессы, связанные с передачей энергии от более высокого уровня к более низкому, т.е. по
градиенту. Т\д биолог. систем-раздел биофизики, изучающий закономерности превращений
энергии, их связь с круговоротом вещества, механизмы эволюции и устойчивости биолог.
систем. Экспериментально подтверждена применимость 1-го (закон сохранения энергии) и 2го (протекание и направление процессов в сторону уменьшения свободной энергии и
возрастания энтропии) законов т\д к живым организмам (системам организмов).
4. Определение «системы» с точки зрения термодинамики. Примеры.
Система это совокупность материальных объектов, ограниченных к-либо образом от окр.
среды. В зависимости от характера взаимодействия с окр. средой т\д системы делятся на три
типа. Если система не обменивается с окр. средой ни веществом, ни энергией, то она наз-ся
изолированной. Замкнутая система – система, кот-я может обмениваться с окр. средой лишь
энергией и не может обмениваться веществом. Открытой наз-ся такая система, кот-ая
обменивается с окр. средой и энергией и веществом. Живые организмы яв-ся открытыми
системами. Состояние любой т\д системы характеризуется двумя группами параметров:
Интенсивными т\д параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или
числа частиц в системе; Экстенсивными т\д параметрами (общая энергия, энтропия,
внутренняя энергия), зависящими от массы или числа частиц в системе. Изменение
параметров т\д системы наз-ся т\д процессом. Энергию системы (W) можно представить как
совокупность двух частей: зависящую от движения и положения системы как целого (Wц) и
не зависящую от этих факторов (U). W=Wц+ U Для описания т\д системы вводят так
называемые т\д величины — набор физ.величин, значения которых определяют т\д состояние
системы. Если т\д состояние системы не меняется со временем, то система находится в
состоянии равновесия. Процессы, протекающие в системе и изменяющие ее состояние, могут
быть равновесными (обратимые) - протекают в системе т. о., что вызванные ими изменения в
состоянии системы могут произойти в обратной последовательности без дополнительных
изменений в окр. среде, и неравновесными (необратимые) - процессы вызывают обязательные
изменения в окр. среде. Любая т\д система может совершать работу лишь тогда, когда в ней
есть градиент. Живой организм представляет собой открытую т\д систему, которая находится
в стационарном состоянии. Для живого организма характерно постоянство параметров
состояния во времени которое в биологии наз-ся гомеостазом . Если биологическая система
испытывает небольшое внешнее воздействие, то уровень стационарного состояния
сохраняется. Организм состоит из ряда простых систем –физиолог. систем такие, как
нервная, сердечно сосудистая, пищеварительная и др. Под функциональной системой
понимается совокупность разнородных органов и тканей обеспечивающих выполнение
определенной функции организма. примером функциональной системы яв-ся система
регулирования температуры тела.
5. Типы термодинамических систем. Примеры
Термодинамическая система – нек-рое кол-во микрочастиц, к-рые каким – либо образом
ограничены от окружающей среды. Существует 3 вида термодинамических систем в
зависимости от их взаимодействия с окружающей средой:
1. Изолированная система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни вещ-м. Если
система не обменивается ни энергией, ни вещ-м, то она будет существовать вечно. Но такая
система не развивается, не эволюционирует, не растет и не модифицируется. Эта система не
существует, но имеется в теории.
2. Замкнутая система обменивается со средой энергией, но не вещ-м. Замкнутая система
способна надолго сохранять биоинформацию. К замкнутой термодинамической системе
можно отнести: вирусы, споры и также можно условно привести такой пример, как
«космический корабль».
3. Открытая система обменивается с внешней средой, как энергией, так и вещ-м. Все живые
существа относятся к открытым термодинамическим системам.
Состояние любой т\д системы характеризуется двумя группами параметров: Интенсивными
т\д параметрами (давление, температура и др.), не зависящими от массы или числа частиц в
системе; Экстенсивными т\д параметрами (общая энергия, энтропия, внутренняя энергия),
зависящими от массы или числа частиц в системе. Изменение параметров т\д системы наз-ся
т\д процессом.
6.Изолированная термодинамическая система и ее основные свойства. Примеры
Изолированная система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни вещ-м. Если
система не обменивается ни энергией, ни вещ-м, то она будет существовать вечно. Но такая
система не развивается, не эволюционирует, не растет и не модифицируется. Мы знаем,
ничего вечного не существует. В термодинамике постулируется (как результат обобщения
опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического
равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).
Изолированная система применяется только в теории, но в природе ее не существует.
7. Замкнутая термодинамическая система и ее основные свойства. Примеры.
Замкнутая система – система, которая может обмениваться с окружающей средой лишь
энергией и не может обмениваться веществом. Ее основная цель сохранение биоинформации.
Такая система не развивается, не эволюционирует, не растет, не модифицируется. Может
существовать долго. Пример: закрытый термос с налитым в него чаем, газ, заключенный в
цилиндре под поршнем, внешняя среда – окружающий воздух, герметично упакованные
продукты (бутылки с газированной водой, пакеты с чипсами), вирусы, споры.
8. Открытая термодинамическая система и ее основные свойства. Примеры.
Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и энергией и
веществом. Такая система имеет возможность расти, модифицироваться, размножаться, но
они не вечны. Все живые существа относятся к открытым системам: люди, животные,
растения, водоемы. Для живого организма характерно постоянство параметров состояния во
времени которое в биологии наз-ся гомеостазом . Если биологическая система испытывает
небольшое внешнее воздействие, то уровень стационарного состояния сохраняется. Организм
состоит из ряда простых систем –физиолог. систем такие, как нервная, сердечно сосудистая,
пищеварительная и др. Под функциональной системой понимается совокупность
разнородных органов и тканей обеспечивающих выполнение определенной функции
организма. примером функциональной системы яв-ся система регулирования температуры
тела. Элементы живой системы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих процессов
положительна (возникает неупорядоченность). Для компенсации распада (компенсации
неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме процессов синтеза
элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа яв-ся процессом с
отрицательной энтропией (такие процессы наз-ют негэнтропийными, а отрицательную
энтропию – негэнтропией). Негэйнтропийный процесс противодействует увеличению
энтропии системы, которое связано с процессом распада, и создает упорядоченность.
9.Энергия и виды энергии. Характеристика видов энергии.
Энергия - это общая скалярная (не зависящая от направления, не вектора) мера различных
форм движения материи. Все виды энергии превращаются в тепло, кот-ое, переходя к более
холодным телам, в итоге рассеивается в окружающей среде, излучаясь затем в мировое
пространство. Если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во
времени. Это - закона сохранения энергии (энергия не возникает из ничего и никуда не
исчезает, она может только переходить из одного вида в другой).
Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль. Тепловая энергия (энергия хаотического
движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может
превращаться в другие виды энергии без потерь(энтропия).Виды энергии. Механика
различает потенциальную энергию и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма полная энергия. Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, харак-щая
способность некоего тела (или материальной точки) совершать работу за счет его нахождения
в поле действия сил. Яв-ся характеристикой взаимодействия нескольких тел или тела и поля.
Любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией.
Потенциальная энергия упругой деформации характеризует взаимодействие между собой
частей тела. Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависит от скоростей
движения её точек. Кинетическая энергия - разность между полной энергией системы и её
энергией покоя; т.о., кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная
движением. Тепловая энергия — форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или
других частиц, из которых состоит тело, суммарная кинетическая энергия структурных
элементов вещества. Тепловая энергия системы плюс потенциальная энергия межатомных
взаимодействий называется внутренней энергией системы. Выделятся благодаря химическим
реакциям (горение), ядерным реакциям (деление ядра, ядерный синтез), механическим
взаимодействиям (трение). Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре,
освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в
последнем случае ее называют термоядерной. Химическая энергия – энергия системы из
двух или более реагирующих между собой веществ. Высвобождается в результате
перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.
Электромагнитная энергия -энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же
относятся частные случаи чистого электрического поля и чистого магнитного поля.
Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его
формах. Внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и
молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В частности, внутренняя
энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в
непрерывном и беспорядочном тепловом движении.
10. Работа и виды работы. Примеры.
Работа - это мера превращения энергии из одной формы в другую. Численно работы равна
изменению энергии. В живых организмах совершаются различные виды работы. Основными
видами работ в организме являются химическая, механическая, осмотическая и
электрическая. Хим. работа - работа, совершаемая при синтезе высокомолекулярных
соединений из низкомолекулярных, а также при протекании химических реакций. Синтез
высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) требует
затраты энергии, поэтому данные процессы протекают с изменением энергии и совершением
работы. П., при реакции гликолей с дикарбоновыми кислотами образуется
бифункциональный эфир, способный к дальнейшей реакции с исходными мономерами и
образованию высокомолекулярного полимера.
Механическая работа - работа по перемещению частей и органов тела против механических
сил. П., работа также совершается мышцами при их сокращении. Осмотическая работа работа по переносу различных веществ через мембраны или мембранную оболочку из
области низкой концентрации этих веществ в область более высокой концентрации. Перенос
осуществляется механизмами активного транспорта против сил диффузии и требует затраты
энергии. П., перенос через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О2,
стероиды, тиреоидные гормоны. Электрическая работа - это работа по переносу заряженных
частиц (ионов) в электрическом поле. В организме электрическая работа совершается при
генерировании клетками биопотенциалов и проведении возбуждения по клеткам. Особенно
большой величины этот вид работы достигает у животных, имеющих электрический орган, с
помощью которого они могут поражать свою жертву. Электрический угорь например,
генерирует ток 0,2 А при напряжении 10000 В. Некоторые животные могут светиться в
темноте. Все ткани живых организмов также испускают сверхслабое электромагнитное
излучение, которое можно зарегистрировать чувствительными приборами. Свечение
биологических объектов происходит за счет химической энергии клеток, поэтому данный
процесс можно назвать работой по высвечиванию.
11. Первый закон термодинамики. Применимость первого закона термодинамики к
живым системам.
Первый закон термодинамики яв-ся законом сохранения энергии. Он указывает, что общая
энергия в изолированной системе - величина постоянная и не изменяется во времени, а лишь
переходит из одной формы другую. Когда в системе происходит некоторый процесс, сумма
всей энергии, переданной через границу системы (теплотой или работой), равна общему
изменению энергии этой системы. Первый закон термодинамики связывает изменение
внутренней энергии системы dU, теплоту ΔQ, переданную системе, и работу ΔA ,
совершённую системой:
ΔQ= ΔU+ ΔA Это уравнение является математическим выражением первого закона
термодинамики. При передаче теплоты в систему ΔQ положительно, при передаче теплоты
системой ΔQ отрицательно. Работа, совершённая системой считается положительной
(работа, совершённая над системой - отрицательна). П.: газ, закрытый в цилиндре с
установленным подвижным поршнем. Если добавить теплоту к газу, но не допустить
перемещения поршня, внутренняя энергия и температура газа возрастёт. Внутренняя энергия
газа может быть повышена при его сжатии поршнем. Если при нагревании газа позволить ему
расширяться (не удерживать поршень), теплота, кот-ую сообщили газу, частично расходуется
на увеличение его внутренней энергии, а частично - на совершение внешней работы, в
результате которой поршень будет подниматься. Поступление пищи обеспечивает энергию,
кот-ая исп-ся для выполнения разл. функций организма или сохраняется для последующего
использования. Энергия высвобождается из пищевых продуктов в процессе их
биологического окисления, которое является многоступенчатым процессом. Энергия
пищевых продуктов используется в клетках первоначально для синтеза макроэргических
соединений - п., аденозинтрифосфорной кислоты (ATФ). ATФ может использоваться как
источник энергии почти для всех процессов в клетке. С другой стороны, в конечном итоге вся
энергия, поступившая в организм, превращается в теплоту. Также при образовании АТФ
лишь часть энергии запасается, большая - рассеивается в форме тепла. При использовании
энергии ATФ функциональными системами организма большая часть этой энергии также
переходит в тепловую. Оставшаяся часть энергии в клетках идёт на выполнении ими
функции, однако, в конечном счёте, превращается в теплоту. П., энергия, используемая
мышечными клетками, расходуется на преодоление вязкости мышцы и других тканей. Вязкое
перемещение вызывает трение, что приводит к образованию тепла.
12. Математическая формулировка первого закона термодинамики.
Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием
внешних воздействий, т.е. в результате сообщения системе количества теплоты Q и
совершения над ней работы (А): Q= A+∆U (11).
Это выражение представляет собой закон сохранения энергии в применении к
макроскопическим системам и является математической формулировкой I-го начала
термодинамики: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней
энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами. Если в
изолированной системе (Q = A = 0) не происходит никаких превращений энергии, кроме
теплообмена между телами, входящими в эту систему, то количество теплоты, отданное
охлаждающимися при этом телами, равно количеству теплоты, полученному телами, которые
нагреваются. Суммарная внутренняя энергия системы при этом не меняется.
Уравнение наз-ся уравнением теплового баланса.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем передачи теплоты и путем
совершения работы. При теплопередаче молекулы более нагретого тела передают часть своей
энергии хаотического движения молекулам более холодного тела. Переданное количество
теплоты является мерой изменения внутренней энергии каждого из тел: ∆U = Q.
Принято считать, что Q > 0, если тело получает энергию, и Q < 0, если тело отдает свою
энергию. При совершении механической работы должно происходить направленное
перемещение тел под действием сил,П., перемещение поршня в цилиндре с газом. Если газ
расширяется, то сила давления газа на поршень совершает положительную работу (A > 0) за
счет внутренней энергии газа. Если внешние силы больше силы давления газа, то газ
сжимается и работа газа будет отрицательной (A < 0), при этом внутренняя энергия
увеличивается. В обоих случаях будет справедливо уравнение ∆U = – A. Если система
одновременно совершает работу и получает или отдает теплоту, то изменение ее внутренней
энергии
∆U = Q – A. Уравнение ∆U = Q – A называется первым законом термодинамики (или первым
законом термодинамики). Этот закон говорит о том, что любая машина (любой двигатель)
может совершать работу только за счет получения извне некоторого количества теплоты или
уменьшения своей внутренней энергии. Многие изобретатели пытались построить машины,
которые совершали бы работу, не тратя никакой энергии. Эти машины назывались вечными
двигателями первого рода. Вечный двигатель первого рода не возможен – таков вывод из
первого закона термодинамики.
13.Общая схема превращения энергии в организме
Энергия-это количественная мера опред. вида движения материи при ее превращении из
одного вида в другой. Определяет способность системы совершать работу.Сущест-т неск-ко
видов энергии:1)Механическая эн.-форма эн.,характ-ая движение макротел и способность
совершать механич. работу по перемещению тел. Мех.эн. дел-ся на кинетическую,
определяется скоростью движения тел, и потенциальную, определяется расположением
макротел относительно друг друга 2)Тепловая эн.-сумма кинетич. эн. хаотического движения
всех атомов и молекул в-ва. Показателем теплового движения частиц выступает температура .
Тепловая эн. самый деградированный, обесцененный вид эн. 3)электрическая эн.-эн.
взаимодействия электрически заряженных частиц , вызывающая движение этих частиц в
электрическом поле.4)Химическая эн.-эн. взаимодействия атомов в молекуле. По существу
всякая хим. эн.-это эн. электронов, движущихся по внешним орбитам атомов и молекул.
Энергетические превращения в организме происходят в пределах этих 4 видов энергии.
Первичным
источником
эн.всех
видов
яв-ся
хим.
эн.
пищевых
в-в
(белков,жиров,углеводов),выдел-ся при окислении. Для растений первичным источником эн.
яв-ся эн. солнечого излучения, запасаемая в процессе фотосинтеза. Эта же энергия исп-ся
животными, поедающими растения. Эн. солнечн. излуч-я ,эн, выделяющаяся при окислении
пищевых в-в не исп-ся для совершения работ в организме. Вначале эта эн. трансформ-ся в эн.
макроэргических связей некоторых в-в(главный из них-АТФ).Затем АТФ диффундирует в
соотв-щие образования клетки, где ее эн. исп-ся для соверш-я всех видов работ. В
биосистемах соверш-ся след основные виды работ: хим-ая, механ-ая, осмотич-ая, электр-ая,
работа по высвечиванию. За счет эн. АТФ происх-т мышечное сокращение, перенос в-в через
мембрану различн. «насосами» клеток(осмотич. работа), синтез в-в путем фосфорилирования
начальных и промежут-х продуктов реакции, электрич. работа клеток и различные виды
пассивного транспорта осущ-ся в результате реализации энергии градиентов клеток,
возникающих за счет активных переносов в-в(с исп-м АТФ).Энергия макроэргич связи АТФ
выд-ся при гидролизе АТФ(переносе фосфатной группы НРО3 на молекулу воды). В процессе
обмена в-в происходит пост выделение тепла. Различ-т первичную и вторичную теплоту. При
поглощении эн. пищи или эн. светового излучения, часть эн. необратимо рассеив-ся в виде
тепловой энергии - первичная теплота, а часть затрачив-ся на синтез АТФ. Запасенная
энергия АТФ, затрачиваемая на производство всех видов работ в организме, в конечном счете
превращ-ся в теплоту. Напр:эн.,затрачиваемая сердцем на передвижение крови по сосудам
расход-ся на преодоление сил трения в сосудах и превращ-ся в теплоту. Электр. эн. расх-ая на
преодоление электр. сопротив-я тканей при протекании тока превр-ся в теплоту. Эта эн назся вторичной теплотой. В рез-те соверш-ия физ. работы, часть энергии не превращается во
вторичную теплоту,а выд-ся в окруж. среду. Образование первичной теплоты
пропорционально интенсивности обменных процессов и обратно пропорционально их КПД.
Образов-е вторичной теплоты пропорционально активности ткани. Все виды работ в
конечном счете превр-ся в теплоту. Общая схема превращения в организме Q_1-первичная
теплота Q_2-вторичная теплота
14. Выведение первичной теплоты из организма и ее биологическая роль.Примеры.
В живом организме на протяжении всей жизни происходит образование тепловой эн. Условно
различают 2 типа тепла, выделяемого организмом: первичная(основная) и
вторичная(активная) теплота В физиологических условиях оба вида теплоты находятся в
относительном равновесии. Первичная теплота выд-ся как результат неизбежного
рассеивания тепловой эн. в ходе обмена в-в из-за необратимо протекающих биохим-х и
биофиз-х процессов. Образование первичной теплоты - результат протекания всех процессов
в организме с КПД меньше 100%. Например: не вся поглощаемая энергия Солнца и энергия
пищи используется для синтеза АТФ -часть эн. рассеив-ся в виде тепла. Образование
первичной теплоты, пропорционально
интенсивности обменных процессов и обратно
пропорционально их КПД. Ее количество является показателем интенсивности основного
обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов. Первичная теплота
непрерывно рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает
температуру тела. При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за
счет увеличения доли вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и
особенно при появлении непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).Организм
работает как химическая машина. Первичная теплота сохраняет организм от перегрева и
переохлаждения.
15. Выведение вторичной теплоты из организма и её биологическая роль. Примеры.
Аккумулированная в АТФ энергия используется в дальнейшем для механической работы,
химических, транспортных, электрических процессов и в конечном счете тоже превращается
в теплоту, обозначаемую вторичной теплотой..Вторичная теплота - это та часть Е, ктр-я
выдел-я после совершенной работы. Её также называют активной, т.к. выд-я лишь при
активной работе, совершаемой организмом, когда запасенные ранее богатой Е соед-я
реализуются в ходе активного процесса, например, при мышечном сокращении. В норм-х
условиях в орг-ме сущес-т равновесие м/у первичной и В. теп-й, т.е. уменьшение перв-й теп-ы
сопровождается возрастанием втор-й и наоборот. Например, у теплокровного жив-го,
постоянство выд-го тепла под-ся 2-я путями. Один из них закл-я в увел-и теплоты,т.е.
усиления сокр-я мыщц(дрожь). 2-ой путь – повышение теплопродукции организмом без
дрожи, когда в клетках адаптированных жив-х наблюдается преимущественное выделение
первичной теплоты
16. Что вы понимаете под универсальным горючим клеток и где она образуется?
Клетка — это отдельный микромир, имеющий четкие границы, внутри которых существует
непрерывная химическая активность и непрерывный поток Е. В переносе Е от
энерготдающих хим-х реа-й к процессам, идущим с потреблением Е (которые собственно и
составляют работу клетки), принимает участие АТФ, выпол-ий очень важную роль носителя
энергии в био-х сис-х. Био-е окис-е происходит в митохондриях – особых внутриклеточных
образ-ях, ктре я-я энергетическими станциями клетки. Митохондрии имеют вид
шарообразных или вытянутых пузырьков размером от одного до нескольких десятков
микрон. В митохондриях – то как раз и происходят окислительно – восстановительные
реакции. В результате этих реакций высвобождается Е. Самое большое количество
митохондрий можно увидеть в печеночных и мышечных клетках – там, где энергия наиболее
интенсивно синтезируется и потребляется. В клетках печени, например, митохондрии могут
занимать до 22% всего объема, и в каждой клетке их можно насчитать больше тысячи. АТФ –
это универсальное топливо всех живых клеток. Аккумуляция Е в виде АТФ просто
необходима, т.к. энергия выделяется в одно время, а исп-я в другое, вырабатывается в одном
месте, а потребляется в другом. АТФ как аккумулятор энергии позволяет организму
использовать полученную Е в различных органах и в любое время, вне зависимости от
создавшейся ситуации. При больших и сверхмаксимальных нагрузках выработка энергии
осуществляется уже с помощью кислорода. Суть окис. – вос-х ре-й, протекающих в
митохондриях с выходом Е кратко можно выразить следующим образом: карбоновые к-ты
окисляются О2 воздуха до углерода с Н2, отщепленным от карбоновых к-т. Окисление Н2
кислородом – это реакция гремучего газа: О2+2Н2О. Если бы такая реакция происходила в
живой клетке одномоментно, клетка погибла бы в результате выделения слишком большого
количества энергии. Она бы попросту сгорела. Мудрая природа сделала процесс выделения
энергии в клетке поэтапным. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления
энергия откладывается впрок и особым образом консервируется.
17. Какая связь существует между первичной теплотой и интенсивностью обменных
процессов и КПД биопроцессов?
При окислении белков, жиров и углеводов одна часть энергии используется для синтеза АТФ,
другая превращается в теплоту. Теплота, выделяющаяся непосредственно при окислении
питательных веществ, получила название первичной теплоты. Обычно на этом этапе большая
часть энергии превращается в тепло (первичная теплота), а меньшая используется на синтез
АТФ и вновь аккумулируется в ее химических макроэргических связях. Так, при окислении
углеводов 22,7% энергии химической связи глюкозы в процессе окисления используется на
синтез АТФ, а 77,3% в форме первичной теплоты рассеивается в тканях. П.т (основная) воз-т
как результат неизбежного рассеивания Е в ходе обмена в-в из – за необратимо протекающих
биохим-х реа-й. Выделение этого тепла происходит сразу же после поглощения организмом
О2 и продуктов питания. П.т. – эта та часть Е, ктр-я выд-ся до работы. П.т. постоянно
высвобождается в ходе клеточного метаболизма, вне зависимости оттого, совершается
внешняя работа или нет. Ее количество является показателем интенсивности основного
обмена, обеспечивающего функционирование жизненно важных органов. П.т. непрерывно
рассеивается в окружающую среду, даже если её температура превышает температуру тела.
При переохлаждении количество первичной теплоты обеспечивается за счет увеличения доли
вторичной теплоты вследствие усиления двигательной активности, и особенно при появлении
непроизвольной дрожи (дрожательный термогенез).
П.т. прямо пропорциональна уровню обмена в-в, и обратно пропорциональна КПД.
18. О механизме регуляции теплопродукции у животных.
У человека и теплокровных животных температура «ядра» тела поддерживается на
относительно постоянном уровне. Это достигается с помощью процессов эндогенной
терморегуляции, результатом которой является устойчивое равновесие между количеством
продуцируемого в организме в единицу времени тепла (теплопродукцией) и количеством
тепла, рассеиваемого организмом за то же время в окружающую среду (теплоотдачей).
Суммарная теплопродукция в организме состоит из первичной и вторичной теплоты.
Первичная теплота (п.т.) выделяется как результат неизбежного теплового рассеивания в ходе
обмена веществ из-за необратимо протекающих процессов. Образование п.т. яв-ся рез-том
того, что все процессы в организме протекают с КПД меньше 100%. Вторичной наз-ют
теплоту, в кот. превращается энергия всех процессов в организме. Образование в.т
пропорционально активности тканей. Основная ч. в.т. обр-ся в рез-те мышечной
деятельности. Метаболические процессы осуществляются с неодинаковой интенсивностью в
различных органах и тканях, поэтому вклад в общую теплопродукцию организма отдельных
органов и тканей неравнозначен. Наибольшее количество тепла образуется в скелетных
мышцах при их тоническом напряжении или сокращении. Образование тепла,
наблюдающееся в мышцах при этих условиях, получило название сократительного
термогенеза (сократительной теплопродукции), кот-ый является наиболее значимым
механизмом теплообразования у взрослого человека. У новорожденных, а также у мелких
млекопитающих животных имеется механизм ускоренного теплообразования за счет
возрастания метаболической активности в других тканях и, прежде всего, в буром жире.
Окисление жирных кислот в митохондриях бурой жировой ткани осуществляется без
значимого синтеза макроэргов и с максимально возможным образованием теплоты. Этот
механизм
получил
название
несократительного
термогенеза
(несократительной
теплопродукции).
19. Закон Гесса и его применимость к биопроцессам.
При химических превращениях следствием первого закона термодинамики является закон
Гесса. Он гласит: тепловой эффект химического процесса, развивающегося через ряд
промежуточных стадий, не зависит от пути превращения, а определяется лишь начальным и
конечным состоянием химической системы. Схема:
Закон Гесса позволяет вычислить тепловые эффекты таких реакций, к-е совсем не протекают
в условиях опыта, а также таких, для к-х невозможно измерить тепловой эффект. П.,
неизвестен тепловой эффект реакции окисления углерода до окиси углерода, т.к. при реакции
всегда образуется некоторое кол-ва СО2. Но известны тепловые эффекты окисления С до
СО2 и СО до СО2:
С+О2=СО2+97 ккал/моль,
СО2+1/2О2=СО2+68 ккал/моль.
Производя вычитание второго уравнения из первого, получаем:
(С+О2)-(СО+1/2О2)=(97-68) ккал/моль или С+1/2О2=СО+29 ккал/моль т.е. величина
теплового эффекта этой реакции равна 29 ккал/моль. Биохимические реакции в организме
очень сложны и имеют много промежуточных стадий, которые не всегда известны. Однако на
основании з-на Гесса, зная начальные и конечные продукты реакции, можно рассчитать
тепловой эффект сложной биохим. реакции. З-н Гесса также используется для вычисления
калорийности пищевых продуктов. Хотя питательные вещества претерпевают в организме
сложные превращения, энергетический эффект их равен тепловому эффекту
непосредственного сжигания в калориметрической бомбе, поскольку в обоих случаях
начальное и конечное состояние реагирующих в-в одинаковы.
20.Второй закон термодинамики. Суть второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики заключается в том, что все процессы превращения энергии
протекают с рассеиванием части энергии в виде тепла. Параллельно со всяким рабочим
процессом изображено некоторое кол-во энергии Q1, превращающейся в тепло. Это
рассеивание энергии в виде тепла является необратимым, т.е. в последующем это кол-во
тепла не может быть израсходовано для совершения работы. Рассеивание энергии в тепло
обусловлено тем, что тепло не может быть полностью превращено в другие виды энергии,
которые напротив, могут полностью переходить в тепло. Это происходит потому, что
тепловая энергия явл. наиболее деградированным видом энергии, обусловленным
хаотическим движением. Термодинамические процессы разделяют на обратимые и
необратимые. Термод. процесс считается обратимым, если переход системы в
первоначальное состояние не требует дополнительной затраты извне. Под обратимом
процессе возвращение системы в исходное состояние происходит без каких-либо изменений в
окружающей среде (например, движение груза, подвешенного на нити, около положения
равновесия будет обр. процессом, если при движении не возникает сила трения). Термод.
процесс считается необратимым, если обратный переход системы в исходное состояние
связан с необходимостью затраты энергии извне (пример, падение тела с некоторой
высоты).Примерами необратимых процессов являются диффузия, растворение в-в, процессы
во всех технических механизмах и т.д. При необратимом процессе возвращение системы в
исходное состояние всегда сопровождается изменениями в окружающей среде. Чем больше
энергии переходит в тепло, тем более необратимым является процесс. Возможность
протекания термодинамических процессов, их направление и предел могут характеризовать
такие параметры состояния системы, как энтропия и свободная энергия. Под энтропией S
понимается отношение тепла Q, производимого в обратимом изотермическом процессе, к
абсолютной температуре T, при котором протекает процесс: S= Q/ T, или, если брать
изменении энтропии dS= -dQ/T. Отсюда: dQ= TdS. Подставляя значение dQ в уравнении
первого закона термодинамики, получим dU=dA+ TdS. Член dA обозначает совершенную
работу и называются изменением свободной энергии. Обозначив его ч/з dF, получим: dU=
dF+ TdS, или, если брать не приращения, а абсолютные величины: U=F+ TS. Внутренняя
энергия U системы равна сумме свободной энергии F и связанной энергии TS. Свободная
энергия – это та часть внутренней энергии системы, к-я может быть использована для
совершения работы. Связанная энергия-та часть внутренней энергии, к-я не используется для
совершения работы, а бесполезно рассеивается в виде тепла. Связанная энергия TS
определяется энтропией, если процессы идут при постоянной температуре. Чем больше
энтропия, тем больше кол-во связанной энергии. Чем больше в системе связанной энергии,
тем интенсивнее рассеивание энергии в тепло и тем более необратимым является процесс.
Т.о., энтропия –это мера рассеивания, деградации энергии, а также мера необратимости
процесса.
21.Обратимые термодинамические процессы. Примеры.
Термодинамические процессы разделяют на обратимые и необратимые. Термодинамический
процесс считается обратимым, если обратный переход системы в первоначальное состояние
происходит без каких-л. изменений в окружающей среде. Н-р, движение груза, подвешенного
на нити, около положения равновесия будет обратимым процессом, если при движении не
возникает сил трения. В процессе колебания груза происходит поочередное превращение
потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Превращение энергии осуществляется в
эквивалентных количествах: потенциальная энергия маятника в крайнем положении равна
кинетической энергии в положении равновесия. Такой маятник может колебаться
неограниченно долго. В природе в термодинамической системе обратимых процессов не
бывает. Все обратимые процессы являются равновесными. Для того чтобы процесс был
обратимым, он должен быть столь медленным, чтобы его можно было рассматривать как
непрерывный ряд равновесных состояний, т. е. он должен быть медленным по сравнению с
процессами установления равновесия термодинамического в данной системе. Строго говоря,
обратимый процесс характеризуется бесконечно медленным изменением термодинамических
параметров (плотности, давления, температуры и др.), определяющих равновесие системы.
Такие процессы называются также квазистатическими или квазиравновесными. Обратимость
квазиравновесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состояние есть
состояние термодинамического равновесия и поэтому оно не чувствительно к тому, идёт ли
процесс в прямом или обратном направлении. Обратимый процесс - одно из основных
понятий равновесной макроскопической термодинамики. Реальные процессы в природе
протекают с конечной скоростью и сопровождаются рассеянием энергии (из-за трения,
теплопроводности и др. аналогичных причин), поэтому они являются необратимыми
процессами. Обратимый процесс есть идеализация процессов природы, протекающих столь
медленно, что необратимыми явлениями для них можно пренебречь. Т. о., обратимые
процессы характеризуются отсутствием перехода энергии в тепло, а необратимые протекают
с рассеиванием части энергии в тепло. Чем больше энергии переходит в тепло, тем более
необратимым является процесс. Строго обратимых процессов в природе нет. В примерах
обратимого процесса всегда фигурирует какое-либо недостижимое условие (например,
отсутствие трения
при колебании маятника). Следовательно, обратимый процесс
представляет собой такой крайний случай, к которому можно приближаться, но достичь
которого никогда не удается. Следует отметить, что термодинамический критерий
обратимости процессов не совпадает с биохимическим. В биохимии процесс наз. обратимым,
если он может осуществляться в обратном направлении, несмотря на то, что возвращение
системы в исходное состояние сопряжено с некомпенсированными потерями энергии.
22.Необратимые термодинамические процессы. Примеры.
Термодинамический процесс является необратимым, если обратный переход системы в
исходное состояние связан с необходимостью затраты энергии извне. Рассмотрим, например,
падение тела с некоторой высоты. Находясь на определенной высоте, тело обладает запасом
потенциальной энергии, которая в процессе падения превращается в кинетическую энергию
движения тела. При ударе тела о землю его кинетическая энергия превращается в тепловую
энергию хаотического движения частиц тела и земли. Обратный процесс, т. е. подъем тела на
исходную высоту, не происходит, т. к. тепловая энергия не может самопроизвольно
превратиться в механическую. Упорядоченное движение может самопроизвольно
превратиться в неупорядоченное, а обратный процесс может происходить только в
сопровождении других процессов - процессов передачи энергии из внешней среды в систему.
Принципиально мы можем вообразить, что все молекулы тела и земли начнут движение в
одну сторону и тело вновь поднимется на ту высоту, с которой упало. Однако вероятность
совершения такого процесса настолько мала, что практически он никогда не будет
наблюдаться. Примерами необратимых процессов являются диффузия, растворение веществ,
процессы во всех технических механизмах и т. д. При необратимом процессе возвращение
системы в исходное состояние всегда сопровождается изменениями в окружающей среде.
Среда при этом получает тепло и отдает какую-либо энергию более упорядоченного вида. П.,
чтобы поднять тело на исходную высоту (в вышеприведенном примере), внешней среде
необходимо затратить механическую энергию. Т. о., обратимые процессы характеризуются
отсутствием перехода энергии в тепло, а необратимые протекают с рассеиванием части
энергии в тепло. Чем больше энергии переходит в тепло, тем более необратимым является
процесс. Строго обратимых процессов в природе нет. В примерах обратимого процесса всегда
фигурирует какое-либо недостижимое условие (например, отсутствие трения при колебании
маятника). Сл-но, обратимый процесс представляет собой такой крайний случай, к которому
можно приближаться, но достичь которого никогда не удается. Следует отметить, что
термодинамический критерий обратимости процессов не совпадает с биохимическим. В
биохимии процесс наз. обратимым, если он может осуществляться в обратном направлении,
несмотря на то, что возвращение системы в исходное состояние сопряжено с
некомпенсированными потерями энергии.
23. Энтропия. Характеристики энтропии. Примеры.
Энтропия — это неупорядоченное состояние внутренней энергии (которая не способна
производить работу). По второму закону т/д: «Физические и химические процессы в
замкнутой системе происходят таким образом, что энтропия системы стремится к
максимуму». =>, энтропия — это мера хаотичности или неупорядоченности. Т.к., почти все
превращения энергии сопровождаются потерей некоторого кол-ва тепла, обусловленной
беспорядочным движением молекул, эн-я окр.среды при этом повышается. Живые организмы
и составляющие их клетки высокоорганизованны и поэтому их эн-я невелика. Они сохраняют
это «низкоэнтропийное» состояние за счет повышения эн-пии внешней среды. Например,
когда мы едим конфеты и превращаем содержащуюся в них глюкозу в двуокись углерода и
воду, которые выделяются во внешнюю среду, мы повышаем энтропию среды. Стремление к
состоянию с максимальной энтропией — движущая сила всех процессов. Выделение
организмом тепла или поглощение тепла из окружающей среды приводит систему организм
— среда к состоянию с максимальной энтропией. Также имеется так называемая свободная
энергия. Ее можно рассматривать как ту часть общей энергии сис-ы, которая способна
производить работу в изотермических условиях. Энтропия и свободная энергия связаны
известной зависимостью; увеличение энтропии при необратимом процессе сопровождается
уменьшением количества свободной энергии. Все физические и химические процессы
протекают с уменьшением свободной энергии до тех пор, пока не достигается состояние
равновесия, при котором свободная энергия системы минимальна, а энтропия максимальна.
Свободная энергия — это полезная энергия, а энтропия служит мерой энергии, которую уже
нельзя использовать.
dS=dQ/T ≥ 0 – мера изменения энтропии.
Энтропия как мера рассеяния энергии при необратимых процессах. Чем больше возрастание
энтропии при каком-либо процессе, тем более необратим данный процесс. Энтропия как мера
возможности процесса. Самопроизвольно могут протекать только такие процессы, при
которых эта функция или увеличивается(необратимые), или остается постоянной(обратимые).
Процессы, при кот-х энтропия уменьшается самопроизвольно, протекать не могут.
Термодинамический энтропийный критерий определяет скорость протекания того, или иного
процесса. Но в биосис-х протекают процессы в результате кот-х энтропия уменьшается,
например работа актив.транспорта, биосинтез орг.сое-й. Это стало возможным благодаря
существованию системы энергетического сопряжения, т.е. возможная с точки зрения
энтропийного критерия реакция сопрягается с реакцией термодинамически невозможной и
дает для нее энергию. По принципу энергетического сопряжения работают компоненты
участвующие в процессах окислительного и фотосинтетического фосфорилирования.
Энтропия как мера упорядоченности системы. Энтропия отражает ту часть энергии си-ы, ко-я
равномерно рассеялась в виде тепла=> чем меньше порядка в системе, т.е. чем меньше ее
градиенты, тем больше энтропия. Формула Планка-Больцмана связывает энтропию с
термодинамической вероятностью. S=klnW, где S - энтропия, k – постоянная Больцмана
1,38*10-23 Дж*К-1, W – термодинамическая вероятность(число способов к-ми достигается
данное состояние с-мы). = чем больше упорядоченность си-ы, тем меньше энтропия, и т.о.
меньше ее вероятность.
24. Негэнтропия. Характеристики негэнтропии. Источники негэнтропии.
Восполнение свободной энергии происходит за счет постоянного поступления в организм
питательных веществ, а выведение энтропии осуществляется за счет удаления из организма
конечных продуктов обмена и теплоты. При этом считается, что в организме постоянно
продуцируется (+) энтропия, а из окружающей среды в организм поступает (-) энтропия.
Негэнтропия=свободная энергия поступающая с пищей, т.е. поглощая пищу организм
извлекает не запас упорядоченности, а запас свободной энергии, кот-ю затем тратит на
собств.нужды в процессе жизнедеятельности. В процессе пищеварения поглощенная (-)
энтропия сразу обесценивается. Упорядоченность процессов жизнедеятельности создается
организмом за счет расхода поглощенной свободной энергии в соответствии со своими
задачами, определяемыми биологическими условиями существования организма, на основе
особых механизмов, обеспечивающих постоянство реакций.Энтропия в организме может
оставаться на опр. уровне, может увеличиваться, или даже уменьшаться, если поток (-)
энтропии из среды больше энтропии (+), образующейся в организме.
25. Внутренняя энергия и ее характеристики.
Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядоченном
движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для
движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном
уровне. Т.е. внутренняя энергия термодинамической системы включает в себя энергию
микроскопического движения и взаимодействия частиц системы, а так же их
внутримолекулярную и внутриядерную энергии. Внутренняя энергия U как функция
состояния вводится первым законом термодинамики, согласно которому разность между
теплотой Q, переданной системе, и работой W, совершаемой системой, зависит только от
начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода.
Полная энергия системы (и внутренняя энергия)
в механике может быть определена с точностью до произвольной константы. Поэтому, если
любые макроскопические движения в системе и взаимодействия её с внешними телами
отсутствуют, можно принять "макроскопические" составляющие кинетической и
потенциальной энергий равными нулю и считать внутреннюю энергию системы равной её
полной энергии. Такая ситуация имеет место в случае, когда система находится в состоянии
термодинамического равновесия. Характеристикой состояния термодинамического
равновесия яв-ся температура. Она же яв-ся функцией внутренней энергии системы. Эта
функция обычно растёт с ростом внутренней энергии. Теплопередача также характер-т
внутр.эн-ю. Это передача энергии от одного тела к другому без переноса вещества и
совершения механической работы. Если между телами, находящимися в тепловом контакте
друг с другом, теплопередача отсутствует, то тела имеют одинаковые температуры и
находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом. Если в изолированной
системе, состоящей из двух тел, эти тела находятся при разных температурах, то
теплопередача будет осуществляться таким образом, чтобы энергия передавалась от более
нагретого тела менее нагретому. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока
температуры тел не сравняются, и изолированная система из двух тел не достигнет состояния
термодинамического равновесия.
26. Свободная энергия и ее характеристики.
Свободная энергия – эта та часть внутренней энергии, которая может быть использована для
совершения работы, при этом св.энергия не является особым видом эн-гии. Если в системе
совершается работа, то она совершается за счет изменения свободной энергии и равна ее
изменению: A=dF=dU-TdS. В случае необратимого процесса, работа будет меньше, чем
изменение свободной энергии в связи с энтропией. Т.о. любой необратимый процесс ведет к
изменению и уменьшению свободной энергии. Свободная энергия может увеличиваться
только за счет поступления энергии из внешней среды. Свободная энергия может переходить
в любой вид энергии, включая тепловую, и не всегда расходуется на совершение работы.
Именно из этих свойств следуют такие понятия как КПД и термодинамическое равновесие.
Термодинамическое равновесие наступает при максимальной энтропии и, соответственно,
постоянной минимальной внутренней энергии. КПД определяется тем, сколько свободной
энергии было потрачено на работу, а сколько деградировало в виде тепла и рассеялось в
окружающую среду.
27. Связанная энергия системы и ее характеристика
Связанная энергия – та часть внутренней энергии, которая не используется для работы.
Связанная энергия – та часть внутренней энергии, которая не может быть превращена в
работу, – это обесцененная часть внутренней энергии. При одной и той же температуре
связанная энергия тем больше, чем больше энтропия. Чем больше в системе связанной
энергии, тем интенсивнее рассеивание энергии в тепло и тем более необратимым является
процесс. Исходя из формулы внутренней энергии: dQ=TdS+dA, TdS это связанная энергия. Т
– абсолютная температура, dS – энтропия.
Поскольку мерой связанной энергии является энтропия, то при необратимых процессах
энтропия системы будет увеличиваться. Математически это будет выглядеть так: dS= dQ/T
>0. Знак больше относится к необратимым процессам, а знак равенства к обратимым.
28. Что вы понимаете под термодинамическим равновесием? Примеры
Термодинамическое равновесие – состояние системы, при котором свободная энергия равна
нулю, а энтропия максимальна. Это полностью стабильное состояние, в котором система
может находиться в течение неограниченного периода времени. Термодинамическое
равновесное состояние характеризуется:1) Энтропия максимальна;2) Для поддержания такого
состояния система не нуждается в дополнительном получении энергии из вне;3) Система в
таком состоянии не обменивается веществом с окружающей средой;4) В данном состоянии
работоспособность и свободная энергия равны нулю;5) Отсутствует градиент. П.: труп,
закрытый сосуд с водой и ПАВ.
В состоянии равновесия температура, давление,
концентрации веществ, электрические и магнитные поля одинаковы во всех точках системы.
Нет причин для возникновения потоков тепла, диффузии, электрического тока и т.д.
Достигнуто равновесие во всех химических реакциях, т.е. скорость каждой реакции в прямом
направлении сравнялась со скоростью реакции обратной. Состояние равновесия выделяется
среди других возможных состояний системы. В изолированной системе состояние равновесия
соответствует максимуму энтропии. Это – одно из следствий II закона термодинамики.
Согласно II закону термодинамики, самопроизвольные процессы в природе идут в сторону
равновесия. Самопроизвольный переход системы из равновесного состояния в неравновесное
невозможен. П., изолированная система способна только увеличивать свою энтропию,
двигаться в сторону её максимума и т.д. II закон, однако, ничего не говорит о скорости
движения к равновесию. С точки зрения человека, эта скорость может практически равняться
нулю. Так, в системе состоящей из моля углерода при комнатной температуре и нормальном
давлении, равновесие отвечает полному превращению всего углерода в графит. Но
существуют, алмазы, которые не спешат превращаться в грифели. Алмаз – неравновесное
состояние системы, он обязан превращаться в графит, но скорость такого превращения при
комнатной температуре и нормальном давлении чрезвычайно мала. В природе есть
множество систем, существующих в неравновесном состоянии. Одна из них – организм
человека.
29. Коэффициент Больцмана и математическая вероятность состояния системы.
Суть 2-го з. термодинамики в том, что все процессы в природе протекают в направлении
уменьш. свободной эн. и увел. энтропии. Энтропия, являясь мерой рассеивания энергии,
также явл-ся мерой вероятности состояния системы. Больцман первым увидел связь между
энтропией и вероятностью и связал их. По Больцману S = k In W. Коэффициент
пропорциональности k яв-ся постоянной Больцмана. Число возможных различных
микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называют термодинамической
вероятностью W макросостояния. Все состояния, определяющие термодинамическую
вероятность, имеют одинаковую математическую вероятность. Мат. вероятность равна
отношению термодинамической вероятности на количество микросостояний.Р=W/N. =>м/у
термодинамической и математической вероятностью имеется линейная зависимостьР всегда
меньше 1, т.е. в системе не все микрочастицы обладают свободной эн., за счёт этого в системе
сущ-ют «вакантные места». В случае когда Р равна 1, то система взрывается.
30. Коэффициент полезного действия в биологических системах.
Особенностью биосистем является то, что в них нет обратимых процессов. Все процессы,
которые в них протекают, носят необратимый характер, т.е. сопровождаются увеличением
энтропии. Сл-но, в биосистемах не вся затрачиваемая при данном процессе свободная энергия
переходит в полезную работу. Часть ее рассеивается в виде тепла. Отношение количества
совершенной работы к количеству затраченной на нее свободной энергии наз-ся
коэффициентом полезного действия биологического процесса. Так, мышечное сокращение
совершается с КПД ~ 30%, гликолиз ~ 36% и т.д. Потери свободной энергии при этих
процессах весьма велики. Несколько выше КПД в процессе клеточного дыхания в кристах
митохондрий – до 55%, фотосинтез до 75%. Встречаются такие процессы, которые близки к
обратимым, то есть КПД которых высок. Например, свечение некоторых тропических
насекомых имеет КПД 98-99%, разряд электрических рыб - 98%. Причина такого
высокоэффективного использования свободной энергии пока не совсем ясна. В случае
биолог.систем КПД не может =1, т.к. это подразумевает обратимость процесса. КПД не
может быть >1, т.к. это условие предполагает получение энергии из ниоткуда. След-но, КПД
в биологических системах может быть только <1 или 100%.
31.Устойчивое стационарное состояние. Примеры.
Особенностью биосистем является то, что они не просто открытые системы, но системы,
находящиеся в стационарном состоянии. При стационарном состоянии приток и отток
энтропии происходят с постоянной скоростью, поэтому общая энтропия системы не меняется
во времени (dS / dt = 0). Благодаря стационарному состоянию за счет непрерывного обмена
энергией с внешней средой биосистемы не только сохраняют свою работоспособность, но и
поддерживают во времени постоянство своих параметров. Стационарное состояние обладает
таким свойством, как устойчивость. В качестве примера поддержания стационарного
состояния можно привести терморегуляцию организма. Постоянство температуры
обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и теплоотдачи. В результате
температура тела поддерживается неизменной, несмотря на колебания внешней температуры.
Под устойчивостью стационарного состояния системы понимают её невосприимчивость к
случайным флуктуациям, то есть случайным кратковременным изменениям значений
управляющих параметров системы (концентраций компонентов, температуры окружающей
среды, скорости протока реагентов и т.п.).
Если стационарное состояние достаточно устойчиво, то после не очень сильного отклонения
от него, вызванного каким-либо возмущающим воздействием, система может вновь вернуться
в исходное положение. Если же стационарное состояние неустойчиво, тогда под
воздействием случайных флуктуаций система самопроизвольно перейдёт в качественно новое
состояние.
Пример устойчивости - содержание глюкозы в крови человека. Как известно, оно достаточно
постоянно, но это постоянство поддерживается за счет непрерывного притока и оттока
глюкозы. Если ввести в кровь какое-то количество этого углевода, то его содержание
увеличится. Однако через некоторое время содержание глюкозы в крови вернется к
исходному уровню. Также известно постоянство артериального кровяного давления у
человека.
Причина устойчивости стационарных состояний была вскрыта Пригожиным: если система не
очень удалена от состояния термодинамического равновесия, diS / dt в уравнении при
стационарном состоянии сохраняет свое положительное значение, но стремится к минимуму.
32.Принцип И.Пригожина.
И.Пригожин на основе изучения открытых систем сформулировал основное свойство
стационарного состояния: в стационарном состояний скорость возрастания энтропий,
обусловленного протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное
значение.
Энтропия является мерой рассеивания свободной энергий. Т.е. при стационарном равновесий
рассеивание
свободной энергий бывает минимальным. Система
для поддержания
стационарного состояния требует минимального значения притока свободной энергий. Если
система по каким-то причинам отклонится от стационарного состояния, то в результате
стремления энтропий к минимальному значению, произойдут изменения в системе, которые
будут приближать систему к стационарному состоянию.
Стационарное состояние- состояние системы, при котором параметры ее со временем не
изменяются, но происходит обмен веществ и энергией с окружающей средой.
dSi −dSe
=
(уравнение стационарного состояния):
dt
dt
скорость производства энтропий внутри системы = скорости поступления отрицательной
энтропий из среды в систему.
Стационарное состояние открытой системы имеет сходство с термодинамическим
равновесием, поскольку оба состояния характеризуются устойчивостью характеризующих их
параметров состояния. Но стационарное состояние существенно отличается от состояния
равновесия, поскольку обменивается энергией с окружающей средой: количество свободной
энергии в системе необходимо поддерживать. Энтропия системы в стационарном состоянии стабильная, но не максимальная. Градиенты и потоки сохраняются в системе.
Постоянство параметров в термодинамическом состояний идет за счет отсутствия
направленных процессов, а в стационарном состояний - в результате того, что скорости и
направления этих процессов постоянны и взаимно уравновешены.
Примеры стационарного состояния: живой организм (постоянство параметров состояния во
времени - гомеостаз), горящая свеча и др.
33. Принцип Ле- Шателье- Брауна.
Живой организм представляет собой открытую термодинамическую систему, которая
находится в стационарном состоянии. Для живого организма характерно постоянство
параметров состояния во времени, которое в биологии называется гомеостазом. По существу,
гомеостаз- это стационарное состояние организма. Организм стремится работать на более
высоком энергетическом уровне. Это свойство имеет большое значение для поддержания
устойчивости стационарного состояния. Если система почему-либо отклоняется от
стационарного состояния, то в силу стремления системы к минимальному производству
энтропии в ней наступят внутренние изменения, которые будут приближать систему к
стационарному состоянию. Это свойство стационарного состояния называется
аутостабилизацией, а высказанное положение вытекает из принципа Ле-Шателье-Брауна. Он
представляет собой расширение принципа Ле- Шателье на необратимые реакции. Принцип Ле
Шателье-Брауна: Если на систему, находящуюся в устойчивом термодинамическом
равновесии, воздействуют внешние факторы, стремящиеся вывести её из этого состояния, то
в системе возникают процессы, стремящиеся уничтожить изменения, вызываемые внешними
воздействиями. Например, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения
(например, химические реакции, растворение сахара в воде, растворение соли в воде и др.),
идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении — изменения, приводящие к выделению
теплоты. Рассмотрим пример применения принципа Ле-Шателье-Брауна. Пусть имеется
смесь льда и воды, находящаяся в состоянии устойчивого равновесия. Если этой смеси
сообщить некоторое количество теплоты, то лед начнет таять, что будет препятствовать
повышению температуры смеси. То есть, протекающий в системе процесс таяния льда будет
ослаблять изменения, вызываемые подводом теплоты. Принцип Ле Шателье – Брауна
является одним из следствий второго начала термодинамики и применим к любым
макроскопическим системам, находящимся в состоянии истинного равновесия. Стационарное
состояние организма поддерживается с помощью механизмов ауторегулирования, имеющих
отрицательную обратную связь. Работа таких механизмов у млекопитающих хорошо
известна. Так, например, повышение температуры внешней среды, действуя на механизмы
теплопродукции, приводит к уменьшению организмом теплопродукции и к увеличению
теплоотдачи. За счет этого температура тела гомойотермных животных поддерживается
постоянной в широком интервале изменений температуры внешней среды. Вдыхание
воздуха, содержащего повышенное количество углекислого газа, не приводит к стойкому
увеличению его напряжения в крови. Углекислый газ, действуя на хеморецепторы, усиливает
возбуждение дыхательного центра и интенсивность газообмена, что приводит к снижению
напряжения углекислого газа в крови до нормы. Поступление в организм с пищей большого
количества солей не изменяет заметным образом осмотическое давление крови, поскольку
почки в этом случае начинают выводить гипертоническую мочу и компенсируют избыточное
поступление солей.
34. Неустойчивое стационарное состояние организма. Примеры.
Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, называют диссипативными. В
таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного
хаотического движения, в тепло. Если замкнутая система (гамильтонова система), выведенная
из состояния равновесия, всегда стремится вновь придти к максимуму энтропии, то в
открытой системе отток энтропии может уравновесить ее рост в самой системе и есть
вероятность возникновения стационарного состояния. Если же отток энтропии превысит ее
внутренний рост, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня
крупномасштабные флюктуации, а при определенных условиях в системе начинают
происходить самоорганизационные процессы, создание упорядоченных структур.
Неустойчивое стационарное состояние организма характеризуется максимальной скоростью
приращения энтропии. Для того чтобы неустойчивое стационарное состояние оставалось
стационарным, необходим значительный приток свободной энергии для компенсации в
системе энтропии с максимальной величиной прироста. Для устойчивого стационарного
состояния характерно наличие в системе отрицательной обратной связи, а для неустойчивогоналичие механизма усиления самоусиления, работающего по типу положительной обратной
связи. Внешние воздействия вызывают в неустойчивом стационарном системе нарастающие
изменения, в результате которых система переходит в устойчивое стационарное состояние,
или в состояние термодинамического равновесия. Примером неустойчивого стационарного
процесса является диффузия ионов через возбудимую мембрану при ее критической
деполяризации. Деполяризация мембраны приводит к усилению диффузии натрия, что в свою
очередь еще больше изменяет мембранный потенциал. Процесс развивается с ускорение до
достижения равновесного по натрию мембранного потенциала. Другими примерами
неустойчивых стационарных процессов являются аутокаталитические реакции и выделение в
кровь адреналина при стрессе. Под устойчивостью стационарного состояния физикохимической системы понимают её невосприимчивость к случайным флуктуациям, то есть
случайным кратковременным изменениям значений управляющих параметров системы
(концентраций компонентов, температуры окружающей среды, скорости протока реагентов
через реактор и т.п.). Если стационарное состояние системы является устойчивым, то
случайные флуктуации не будут оказывать существенного воздействия на поведение
системы. Если же стационарное состояние неустойчиво, тогда под воздействием случайных
флуктуаций система самопроизвольно перейдёт в качественно новое состояние.
35. Различие между термодинамическим и стационарным равновесием. Примеры.
Термодинамическое равновесие является состоянием системы, в к-м параметры состояния не
изменяются во времени. Это полностью стабильное состояние, в к-м система может
находиться в течение неограниченного периода времени. Если изолированная система
выведена из равновесия, она стремится возвратиться к этому состоянию самопроизвольно.
Например, если в термос, заполненный горячей водой, температура которой в каждой точке
одинакова, бросить кусочек льда, то температурное равновесие нарушится и появится
различие температур в объёме жидкости. Известно, что передача тепла будет происходить из
области с более высокой температуры в область с более низкой температурой, пока
постепенно во всём объёме жидкости не установится одинаковая температура. Таким
образом,
разница
температур
исчезнет,
и
равновесие
восстановится.
Другим примером является концентрационное равновесие. Предположим, что в
изолированной системе существует различие концентрации некоторого вещества. Оно
вызывает перемещение вещества, которое продолжается до тех пор, пока не установится
состояние равновесия, при котором концентрация вещества в пределах всей системы будет
одинаковой.
Термодинамическое равновесное состояние:
1. значение энтропии имеет максимальное значение.
2. Для поддержания термодинамического равновесия данная система не нуждается в
получении энергии извне.
3. Не обменивается веществом с окружающей средой.
4. Работоспособность системы и своб.эн.равна нулю.
5. В таких системах отсутствует градиент.
В отличие от термодинамического равновесия стационарная система характеризуется
1. значение энтропии имеет немаксимальное значение.
2. Для поддержания стационарного состояния данная система нуждается в получении энергии
извне.
3. Обменивается веществом с окружающей средой.
4. Работоспособность системы и своб.эн.больш нуля.
5. В таких системах присутствует градиент.
Состояние системы называется стационарным, если величина энтропии не изменяется во
времени, то есть dS = 0. Это возможно, когда производство энтропии в системе полностью
компенсируется
энтропией,
выходящей
из
системы
(dSi
=
dSe).
Стационарное состояние открытой системы имеет сходство с термодинамическим
равновесием, поскольку оба состояния характеризуются устойчивостью характеризующих их
параметров состояния. Основная хар-ка стационарного состояния определена теоремой
Пригожина, согласно к-й пр-во энтропии в стационарном состоянии минимально (dS=min).
Многие физиологические параметры являются достаточно стабильными. Их стационарный
уровень регулируют специальные физиологические механизмы. В качестве примера
поддержания стационарного состояния можно привести терморегуляцию организма.
Постоянство температуры обеспечивается поддержанием баланса теплопродукции и
теплоотдачи. В результате температура тела поддерживается неизменной, несмотря на
колебания внешней температуры. Механизмы, с помощью которых живые организмы
поддерживают гомеостаз, то есть статические условия своей внутренней среды, изучает
физиология.
36. Термодинамическая концепция Э. С. Бауэра.
Бауэр Эрвин Симонович (1890 – 1937). Биолог-теоретик. Родился в Венгрии. В 1925 году
переехал в СССР, где позже и был репрессирован.
«Э.С. Бауэр - последовательный и оригинальный сторонник термодинамической специфики
живых организмов. При этом он полагал, что особое термодинамическое состояние присуще
самим молекулам «живого белка», а не особым свойствам границы раздела фаз. Главный труд
Э. С. Бауэра - «Теоретическая биология» - основан на представлении об особом
термодинамическом состоянии молекул «живого белка». Жизнь - следствие этого «устойчиво
неравновесного» состояния особых молекул. Принципиальным научным достижением Э.
Бауэра в этой работе является неопровержимое доказательство того, что живые организмы
могут находиться только в устойчивом неравновесном термодинамическом состоянии. Э.
Бауэром был сформулирован «Всеобщий закон биологии» в следующей редакции:
«Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей
свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и
химии при существующих внешних условиях»
По существу этот закон является Первым законом термодинамики биологических систем.
Э. Бауэром также был сформулирован «Принцип устойчивого неравновесия живых систем»:
«Для живых систем характерно именно то, что они за счет своей свободной энергии
производят работу против ожидаемого равновесия».
Позже теория Э. Бауэра была полностью подтверждена работами И. Пригожина, Г. Хакена и
Р. Тома. Как утверждает И. Пригожин: «…и биосфера в целом, и ее различные компоненты,
живые или неживые, существуют в сильно неравновесных условиях. В этом смысле жизнь,
заведомо укладывающаяся в рамки естественного порядка, предстает перед нами как высшее
проявление происходящих в природе процессов самоорганизации »
37. Электропроводность клеток и тканей. Биологическое значение электропроводности
Электропроводность биологических систем, обусловлена наличием в них ионов и подвижных
полярных молекул. Биологическая ткань состоит из клеток и межклеточного пространства,
заполненного веществом — электролитом с удельным сопротивлением около 100 ом·см.
Внутреннее содержимое клетки отделено от межклеточного пространства мембраной,
эквивалентная электрическая схема которой представляет собой параллельное соединение
сопротивления и ёмкости. Поэтому Электропроводность биологических тканей зависит от
частоты проходящего тока и формы его колебаний. Удельное сопротивление и ёмкость
мембраны клетки составляют величины порядка 1 ком·см2 и 1 мкф/см2. Некоторые
биологические ткани способны отвечать возбуждением на проходящий ток; в этом случае их
электропроводность нелинейно зависит от амплитуды тока. Если возбуждения не возникает,
то токи распространяются в ткани в соответствии с импедансом её компонентов. Клеточные
мембраны представляют относительно большое сопротивление для токов низкой частоты (£ 1
кгц), поэтому их основная часть проходит по межклеточным щелям. Амплитуда
низкочастотных токов пропорциональна объёму межклеточного пространства (например,
просвету кровеносных сосудов) и концентрации электролитов в нём. Измерение
электропроводности биологических тканей на таких низких частотах используют в биологии
и медицине для определения кровенаполнения различных органов, выявления отёка органов,
в которых набухшие клетки уменьшают межклеточное пространство. Электропроводность
биологических тканей, измеренная на частотах, больших 100 кгц, пропорциональна общему
количеству электролитов, содержащихся в ткани между электродами, т. к. в этом случае
клеточные мембраны уже не препятствуют распространению электрического тока. Измерение
электропроводности на таких высоких частотах используют в биологии и медицине для
регистрации малых изменений объёма органов, связанных с притоком или оттоком крови от
них. Знание электропроводности биологических систем необходимо не только для оценки их
структуры, но и для адекватного конструирования приборов, во входные или выходные цепи
которых включены биологические ткани.
Изменение состояния клеток и тканей, их возбуждение, изменение интенсивности
метаболизма и других функций клеток приводит к изменению электропроводности
биологических систем. В этой связи изменение электропроводности используют для
получения информации о функциональном состоянии биологических тканей, для выявления
воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов
при патологии или действии на организм различных факторов, для оценки кровенаполнения
сосудов органов и тканей и др. Дисперсия электрических свойств тканей, обусловленная
состоянием заряженных частиц, играет важную роль в действии на организм лечебных
физических факторов, в особенности переменных токов, электромагнитных полей и их
составляющих. Они определяют их проникающую способность, селективность и механизмы
поглощения энергии факторов, первичные механизмы их действия на организм.
38. Электропроводность биообъектов для постоянного тока.
При пропускании постоянного тока через живые ткани наблюдалось , что сила тока не
оставалась постоянной во времени, хотя при этом не изменялось напряжение, которое
прикладывалось. Сила тока после наложения разности потенциалов начинает непрерывно
уменьшаться и через некоторое время устанавливается на определенном уровне . При этом
сила тока уменьшается в сотни и даже в тысячи раз по сравнению с исходным значением. И
следовательно, получается отклонение от закона Ома, согласно которому при постоянной
разности потенциалов ток в проводнике должен быть постоянным. Уменьшение тока во
времени объясняется явлением поляризации , проходящим в живых тканях.
При
прохождении постоянного через биологические объекты в ней возникает нарастающая до
некоторого предела электродвижущая сила
противоположного направления – ЭДС
поляризации , которая уменьшает приложенную к биообъекту эффективную ЭДС , что и
приводит к уменьшению тока. ЭДС поляризации P(t) является функцией времени . В этом
случае закон Ома для биообъектов принимает вид:
V – P(t)
I=
R
Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать
заряды при прохождении тока через них , т.е. с емкостными, диэлектрическими свойствами
биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации.
39. Закон Ома для биообъектов.
Электроповодность L- это величина, обратная сопротивлению R проводника: L=1\ R.
Сопротивление выражается формулой: R=ρ*l/S, где ρ- удельное сопротивление, l- длина
проводника, S- сечение проводника.
Сопротивление является коэффициентом пропорциональности между разностью потенциалов
V и током l (закон ОМА): V= l * R
При пропускании постоянного тока через живые ткани было установлено, что сила тока не
остается постоянной во времени, но прикладываемое напряжение не изменяется. Сила тока
после наложения разности потенциалов начинает непрерывно уменьшатся и через некоторое
время устанавливается на постоянном уровне. При этом она уменьшается в сотни и даже
тысячи раз по сравнению с исходным значением (рис б).
Получается отклонение от закона Ома согласно которому при постоянной разности
потенциалов ток в проводнике тоже должен быть постоянным. Если бы в данном смысле
биологически объект подчинялся закону Ома, то график был бы представлен прямой линей
(рис.а). Уменьшение тока во времени обусловлено явлениями поляризации, проходящими в
ткани. При похождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает
нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления – ЭДС
поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что и приводит
к уменьшению тока. ЭДС поляризация Р(t) является функцией времени. Тогда закон Ома для
биологического объекта:
I= V-P(t)/R
Возникает ЭДС поляризация связано со способностью живой клетки накапливать заряды при
похождении через них тока т.е. емкостными, диэлектрическими свойствами биообъектов,
обусловленными явлениями поляризации.
40. Виды поляризации и их характеристика.
Процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование
вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля наз.
поляризацией. Виды поляризации:
Электронная поляризация- смещение электронов на своих орбитах относительно
положительно заряженных ядер в атомах и ионах. В результате такого смещения атом или
ион превращается в индуцированный, наведенный диполь с направлением, противоположным
внешнему полю. Время возникновения Э.П. после мгновенного наложения поля наз. время
релаксации равняется 10-15 – 10-14с.
Ионная поляризация – смещение иона относительно кристаллической решетки. Вследствие
возникает дипольный момент с направлением, противоположным внешнему полю. Время
релаксации равняется 10-14 – 10-12с.
Дипольная (ориентационная) поляризация. Если вещество содержит полярные молекулы и эти
молекулы свободны, то под действием внешнего поля они ориентируются в соответствии с
эти полем. Время релаксации 10-13 – 10-7с.
Макроструктурная поляризация - возникает под действием электрического поля вследствие
неоднородности электрических свойств вещества. Для ее возникновения необходимо наличие
слоев с различной электропроводностью. Под действием поля свободные ионы и электроны,
содержащиеся в проводящихся субстанциях, перемещается в пределах каждого включения до
границы проводящего слоя. Дальнейшее перемещение свободных зарядов невозможно т.к.
низкая проводимость соседних слоев. Время релаксации 10-8 -10-3с.
Поверхностная поляризация – происходит на поверхностях, имеющий двойной электрически
слой. При наложении внешнего поля происходит перераспределение ионов диффузной части
двойного электрического слоя: частицы дисперсной фазы смещаются в одну сторону, а ионы
диффузионного слоя в другую. В результате этого частицы дисперсной фазы с
противоионами диффузионного слоя превращается в наведенные диполи. Время релаксации
10-3 - до 1с.
Электролитическая поляризация – возникает между электродами, опущенными в раствор
электролита, при пропускании через них электрического тока. В случае электролитической
поляризации появление ЭДС поляризации обусловлено смещением зарядов, которое в данном
случае проявляется как изменение концентрации ионов в приэлектродной зоне. Время
релаксации 10-4 – 102с.
41. Электропроводность биообъектов для переменного тока.
Более полную информацию о биологическом объекте можно получить при измерении
его электропроводности на переменном токе, поэтому в настоящее время изуче ние
электрических свойств биологических систем обычно производится на пере менном
токе. Так как биологические системы способны накапливать электрические заряды при
прохождении через них тока, то их электрические свойства недостаточно описы вать с
помощью омического сопротивления. Необходимо пользоваться также понятием
электрической емкости.
Емкость является коэффициентом пропорциональности между зарядом и потенциалом
и определяется как отношение изменения заряда проводника к измене нию его
потенциала:
Электрическая емкость при равных условиях геометрии объекта определяется его
диэлектрической проницаемостью, т. е. явлениями поляризации. Для плоского
конденсатора она определяется по формуле:
где S — площадь пластин; d — расстояние между ними.
Измеряемая емкость биологического объекта определяется поляризационной
емкостью, которая возникает в момент прохождения тока.
К поляризационной емкости биологического объекта присоединяется значительная по
величине статическая емкость мембран (1 мкФ/см2). Величина поляризационной
емкости зависит от времени действия поля и может на низких частотах превышать
величину статической емкости. На более высоких частотах (порядка 10 кГц)
статическая емкость на несколько порядков выше поляризационной.
Так как биологические объекты обладают как проводимостью , так и емкостью, то
они будут характеризоваться как активным, так и реактивным сопротивлением.
Суммарное сопротивление объектов называется импедансом. Импеданс объектов
изменяется при изменении частоты тока, на котором производится измерение: при
увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается.
Изменение импеданса с частотой обусловлено также зависимостью поляризации от
периода действия переменного тока. Если время, в течение которого электрическое
поле направлено в одну сторону, больше времени релаксации какого-либо вида
поляризации, то поляризация достигает своего максимального значения и вещество
будет характеризоваться определенным постоянным значением эффективной
диэлектрической проницаемости и проводимости. До тех пор пока полупериод
переменного тока больше времени релаксации, эффективная диэлектрическая
проницаемость и проводимость объекта не будут изменяться с частотой. Если же при
увеличении частоты полупериод переменного тока становится меньше времени
релаксации, то поляризация не успевает достигнуть максимального значения. После
этого диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться с частотой, а
проводимость — возрастать. При значительном увеличении частоты данный вид
поляризации практически будет отсутствовать и диэлектрическая проницаемость и
проводимость снова станут постоянными величинами. Электрические свойства тканей
и клеток изучают с помощью мостовых схем. Обычно емкость и сопротивление тканей
измеряют с помощью металлических электродов. При этом на электродах происходят
электрохимические реакции, которые эквивалентны включению последовательно с
объектом дополнительного импеданса, что искажает результаты измерения.
42. Эквивалентные электрические схемы биологических объектов.
Электрическая модель биологического объекта может быть представлена в виде
различных комбинаций емкостей и сопротивлений — в виде различных эквивалентных
схем. Наиболее простыми являются эквивалентные схемы с последовательным(1) и па раллельным (2)соединением С и R .
Т а к ж е с у ще с т в у е т э к в с х е м ы с о с м е ж н ым с о е ди н е н и е м :
Так как биологические объекты обладают как проводимостью, так и емкостью, то
они будут характеризоваться как активным, так и реактивным сопро тивлением.
Суммарное сопротивление объектов называется импедансом. Наличие реак и акт
свойств импеданса можно моделировать, используя элект эквив схемы.
43. Виды дисперсии и их характеристика.
При изучении частотных зависимостей сопротивления и емкости биологических объектов
обнаружено 3 области дисперсии. С увеличением частоты ε уменьшается, образуя 3 зоны
дисперсии: α, β и γ.
α-Дисперсия занимает область низких частот звукового диапазона до 1кГц. В этой области
уменьшение диэлектрической проницаемости биологических систем обусловлено только
уменьшением эффекта поляризации поверхности клеток, поскольку электрический ток с
частотой до 1кГц протекает практически по межклетникам, т.к. сопротивление клеток для
токов низкой частоты велико.
По мере увеличения частоты переменного тока эффект поверхностной поляризации
уменьшается, что проявляется как уменьшение диэлектрический проницаемости и
сопротивления ткани.
β-Дисперсия занимает более широкую область частот: 103-107 Гц. В прошлом для объяснения
дисперсии диэлектрической проницаемости и сопротивления в данной области частот
обращались к теории дипольной поляризации. Согласно этой теории, крупные молекулы
органических веществ обладают дипольными моментами большой величины. Ориентация
дипольных молекул под действием электрического поля обуславливает большие значения
диэлектрической проницаемости в данной области частот. При увеличении частоты тока
диполи не успевают поворачиваться вслед за полем, что приводит к уменьшению ε. При
высокой частоте дипольная поляризация совсем не будет иметь места и диэлектрическая
проницаемость снова станет стабильной.
Наиболее полно электрические свойства биологических объектов в области β-дисперсии
описываются теорией макроструктурной поляризации. Согласно этой теории, емкость и
проводимость биологических объектов в данной области частот определяется
макроструктурной поляризацией, обусловленной гетерогенностью структуры – в первую
очередь наличием мембран.
γ-Дисперсия диэлектрической проницаемости тканей наблюдается на частотах выше 1000
МГц. Уменьшение диэлектрической проницаемости в данном диапазоне обусловлено
ослаблением эффекта поляризации, вызываемой диполями воды. Величина γ-дисперсии будет
зависеть от содержания свободной воды в исследуемых тканях. В области 400МГц величина ε
для тканей (кроме жировой, костной и мозговой) лежит в пределах 40-60 а зависимости от
содержания свободной воды.
44. Применение метода измерения электропроводности в биологических и медицинских
исследованиях.
Метод измерения электропроводности широко применяется в биологических и медицинских
исследованиях. Удобство в применении данного метода заключается в том, что используемые
напряжения не вносят существенных изменений в физико-химические процессы,
происходящие в биологических объектах и не повреждают его.
Метод широко применяется при изучении процессов, происходящих в живых клетках и
тканях при изменении физиологического состояния, при патологических состояниях, при
действии повреждающих факторов: Т, излучения, ультразвука и т.д.
Большое распространение метод электропроводности получил для оценки действия
различных повреждающих факторов. При действии повреждающих факторов, а также при
отмирании ткани происходит увеличение проницаемости мембран и увеличения ионов
потоков – ослабление эффекта поляризации границ раздела, что приводит к падению
сопротивления и емкости объекта на низких частотах. На высоких частотах поляризация
границ раздела практически отсутствует, поэтому высокочастотное сопротивление не
меняется.
При действии повреждающих факторов и при отмирании ткани дисперсия ее электрических
параметров снижается. При полной гибели ткани дисперсия отсутствует.
Также метод электропроводности применяется для оценки кровенаполнения органов. При
увеличении наполнения органа кровью во время систолы сердца его сопротивление
уменьшается, т.к. кровь обладает меньшим удельным сопротивлением, чем клетки. При
диастоле сердца сопротивление органа увеличивается. Метод регистрации измерений
сопротивления органов, обусловленных изменением кровенаполнения, называется
реографией.
Широкое применение в клинике получил метод реоэнцефалографии, который позволяет
исследовать мозговое кровообращение и имеет большое значение в диагностике ряда
заболеваний.
С помощью метода электропроводности можно изучать процессы связывания ионов
молекулами белков или других органических соединений. Если в раствор электролита
добавить белок, то электропроводность раствора понизится.
Метод электропроводности позволяет определять степень гидратации белковых молекул.
Если измерить диэлектрическую проницаемость раствора белков на низких частотах, то ее
значение будет выше значения для воды.
45. Физика ионизирующих излучений и их источники.
Ионизир изл/я мы не видим, не осязаем, но оно вызывает большие «сдвиги» в орг-ме.
Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к
образованию в этом веществе ионов разного знака. Ионизирующее излучение может
представлять собой поток заряженных или незаряженных частиц, а также фотонов.
К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения: γ-лучи и
рентгеновское излучение с длиной волны менее 1 нм. и корпускулярные излуч/я: ускоренные
частицы и ядра различ. элементов, сила излучения из ядер изотопов.
За единицу энергии иониз изл/я принимается электрон-вольт (эВ). 1эВ- это энергия,
приобретаемая одним электроном, который двигается в постоянном поле с разностью
потенциалов в один вольт.
Фотонное излучение с энергией от 50 эВ до 500 кэВ называют рентген. излучением, а при
более высоких энергиях принято говорить о гамма-излуч/и.
Термин «корпускуляр. излучение» применяют к любым частицам с ненулевой массой. К
этому виду излучений относят электроны, позитроны, нейтроны, альфа-частицы, протоны,
ускоренные ионы, и осколки деления ядер.
К электронному излучению относят бета-частицы (электроны с энергией 0,002-2,3 МэВ,
возникающие при распаде радиоактивных ядер) и ускоренные электроны, которые создаются
ускорителями электронов (с энергией от кэВ до сотен МэВ).
Ядра атома гелия называются альфа-частицами, когда они образуются при распаде
некоторых радионуклидов и несут энергию до ~10 МэВ.
Наиболее интенсивные потоки нейтронов получают при делении ядер урана и плутония в
ядерном реакторе, а также в нейтронных генераторах. Нейтроны деления имеют широкий
спектр энергий с максимумом при 1—2 МэВ.
Чтобы выбить электрон из внеш. орбиты надо иметь силу хотя бы 11 эВ, а если же меньше 10
эВ, то электроны только возбуждаются, не покидая орбиты → ионы не образуются.
Следовательно, если ионизирующ. излуч/е имеет энергию меньше 10 эВ – то такое излуч.
можно не рассматривать в кач/ве ионизир излуч/я, а если же больше 10 эВ- это собственное
ионизир излуч/е.
Источники
излучений.
Природные
источники
ионизирующего
излучения:
Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов. Термоядерные реакции, например
на Солнце. Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро
высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер. Космические лучи.
Искусственные источники ионизирующего излучения: Искусственные радионуклиды.
Ядерные реакторы. Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных
частиц, а также тормозное фотонное излучение). Рентгеновский аппарат как разновидность
ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение
46. Биологическое действие ионизирующих излучений
Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к
образованию в этом веществе ионов разного знака. Ионизирующее излучение может
представлять собой поток заряженных или незаряженных частиц, а также фотонов. При
действии иониз. радиации в орг-мах протекают первичные физико-химич. процесс, к-рые
заключаются в образовании высокоактивных в химич. отношении соединений.
Возникновение этих соединений возможно как в водной фазе, так и в неводной. Учитывая,
что в живом организме имеется больш. кол-во воды (от 60 до 90%) следует предположить,
что процесс радиолиза воды имеет большое значение в развитии лучевого поражения.
Таким образом, первичные процессы, происходящие в организмах непосредственно в момент
действия излучения, заключаются в образовании возбужденных молекул, ионов, радикалов,
перекисей.
Эти соединения вступают в реакции со сложными биохимич. системами жив орг-ма, что
приводит к нарушениям биохимич. процессов и структуры клеток, а следовательно, и к
нарушениям функций на уровне целостного орг-ма.
Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных
радикалов.
Свободные
радикалы
вызывают
разрушения
целостности
цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к
массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены
воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые,
также эмбриональные) клетки.
Существует 3 пути поглощения и излуч. биообъектами, веществами:
1 путь- фотоэлектрический эффект. При слабом излучении (при силе излучения от 1000эВ до
100кэВ), то эти излучения поглощ. только фотоэффектом, при этом обр-ся фотон, либо
электрон. Эта та сила, к-рая может выбивать из внеш. орбиты электрон.
2 путь- комптон эффект. Если мощность излучений станет больше (более 100-1000кэВ) - эти
излучения будут поглощ. и фотоэффектом и ч/з комптон эффект, при комптон эффекте
образуются электроны и обр-ся квант излучения (но они слабее чем первичный квант)
3 путь- образование электрон-позитрон пар. Это сверхмощное (до неск-ко десятков МэВ)
излучение. При нем и электроны, и протоны, и нейтроны выбиваются. Протоны выбиваются
из ядер.
Если объект под лучом воздействия не погибает, то он проходит 3 стадии. Помимо этого
также выделяют 4 и 5 стадию.
47. Развитие лучевого эффекта во времени.
Если организм не облучен очень большой дозой, вызывающей так называемую смерть под
лучом, то процесс поражения имеет три фазы. Первая — фаза первичных изменений. Для нее
характерны реакции, аналогичные реакциям возбуждения, сопровождающиеся изменением
некоторых биохимических процессов и нарушением физиологических функций. Затем
наступает фаза мнимого благополучия. В этой фазе почти все изменения, характерные для
первой фазы, проходят и отклонений от нормы у пораженных животных не наблюдается.
Длительность второй фазы колеблется в широких пределах в зависимости от: видов
организмов и от дозы облучения: у простейших она может составлять несколько часов, у
моллюсков — несколько месяцев, у высших животных и человека — 5—21 сут. Третья фаза
— фаза лучевой болезни. При этом происходит быстрое нарастание биохимических и
физиологических изменений и возникают патологические явления. Тяжесть этих нарушений
находится в прямой зависимости от дозы облучения. При малых дозах животное выживает,
при больших — погибает. У человека лучевое поражение характеризуется следующими
признаками и проявлениями: первая фаза — потеря аппетита, слабость, головокружение,
тошнота, лейкоцитоз и др.; вторая фаза — слабость, временами головокружение, лейкопения
и др.; третья фаза — общая слабость, помрачение сознания, резкое уменьшение числа
лейкоцитов, эритропения, повышенная температура, тахикардия, выпадение волос,
кровоизлияния в кишечнике и легких и др. Если после третьей фазы человек выживает, то
наступает постепенное улучшение состояния и возвращение показателей к норме. При
исследовании гибели организмов во времени было обнаружено два пика смертности. Опыты
проводились на дрожжах, гидрах, мышах. Наличие двух пиков смертности некоторые авторы
объясняют тем, что в тканях живого организма возникают две независимые реакции, каждая
из которых может привести к гибели организма.
48. Зависимость биологического эффекта действия излучения от дозы излучения.
Биологический эффект действия излучения зависит от дозы облучения. Очень большие дозы
вызывают смерть под лучом. Например, при облучении мышей дозой 100 000 Р они погибают
через 1 — 2 ч. Несколько меньшие дозы вызывают лучевое заболевание, приводящее к
смерти через несколько дней. При действии еще меньших доз часть животных через некоторое время погибает, а часть выздоравливает. Для изучения зависимости биологического
эффекта от дозы облучения прибегают к помощи графиков. По одной оси откладывают
величину дозы облучения, по другой — смертность организмов (процент погибших
животных). При действии на одни объекты получают экспоненциальную зависимость
смертности от дозы, при действии на другие объекты — S-образную.
Радиочувствительность различных тканей, клеток и частей клеток неодинакова. Например,
наиболее радиочувствительны из тканей организма костный мозг, селезенка, лимфатические
узлы и эпителий кишечника. Еще в 1906 г. Бергонье и Трибондо сформулировали правило:
чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна их пролиферативной
активности и обратно пропорциональна степени их дифференцировки. Клетки опухолей
относятся к числу интенсивно делящихся: они обычно менее дифференцированы, чем клетки
ткани, где развивается опухоль, поэтому во многих случаях опухоль более чувствительна к
облучению, чем окружающие ее нормальные ткани. На зависимость гибели организмов от
дозы облучения оказывают влияние изменения внешних условий: температуры, парциального
давления кислорода, pH и т.д.
49. Зависимость биологического эффекта действия излучения от температуры и
кислорода.
Радиомодифицирующие агенты - факторы, способные изменять (ослаблять или усиливать)
радиочувствительность клеток, тканей и организма в целом. Радиосенсибилизаторысредства, применяемые для усиления биологического действия ионизирующего излучения
Наиболее универсальным радиосенсибилизатором является Кислород. Существенно меняет
радиочувствительность организма концентрация кислорода в окружающей среде и тканях в
момент облучения. Понижение концентрации кислорода в момент облучения ниже
атмосферной уменьшает биологическое действие излучения. Изменение концентрации
кислорода в окружающей среде до и после облучения не влияет на биологическое действие
облучения. Любые биологические объекты в бескислородной среде имеют минимальную
радиочувствительность. С увеличением парциального давления кислорода в среде их
радиочувствительность увеличивается, подчиняясь определенной закономерности.
Увеличение радиобиологического эффекта при облучении в присутствии кислорода носит
название кислородного эффекта. Кислородный эффект отличается универсальностью и
проявляется при действии радиации почти на все виды живой материи. Кроме того,
кислородный эффект используется как метод изучения первичных звеньев механизма
биологического действия ионизирующей радиации.
Влияние температуры. Если Т менять до облучения, то она не повлияет на его
биологическое действие. Если Т изменить во время облучения, то изменения будут совсем
незначитеьными. Если же после облучения Т повысится, то эффект биологического действия
излучения усилится, если Т окружающей среды понизиться, то и эффект излучения
понизится.
50.Химическая защита от лучевого поражения.
Химическая защита от ионизирующего излучения — вид радиационной защиты, ослабление
результата воздействия ионизирующего излучения на организм путем введения в него
химических веществ, называемых радиопротекторами.
Основные свойства радиопротекторов: Действие при однократном кратковременном
облучении, Эффективность при введении до облучения, Узкое терапевтическое действие,
Применение в токсических или субтоксических дозах, Эффективность при внутривенном
введении, Вызывание сильных физиологических и биохимических сдвигов в организме.
Основные группы радиопротекторов: Серосодержащие (цистамин, меркаптопропиламин,
аминоэтилизотиуроний, глутатион, цистеин), Индолалкиламины (триптамин, серотонин,
мексамин), Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК, нуклеозиды, нуклеотиды), Азотсодержащие
(амигдалин,
малононитрил,
цианистый
натрий),
Аминофеноны
(пара-,
орто-,
метааминофенон), Галлаты (этилгаллат, пропилгаллат, галловая кислота). Разного
химического
строения:
спирты,
колхицин,
резерпин,
берберин,
наркотики,
комплексообразователи, инертные газы.
Средства, повышающие естественную резистентность (сопротивляемость организма к
воздействию различных факторов)организма: витамины, ферменты, гормоны.
Механизмы действия некоторых радиопротекторов.
Радиопротекторы, вызывающие снижение концентрации кислорода в тканях.
Такие вещества различными путями создают временную тканевую гипоксию. Локальное
снижение концентрации свободного кислорода в тканях вызывает уменьшение возможности
образования радикалов в момент облучения, снижение реакции возбужденных молекул с
кислородом и снижение реакции образования первичных перекисей.
Вещества, вызывающие инактивацию свободных радикалов - защитный механизм этих РП
обусловлен их конкуренцией за радикалы, в результате чего суммарный радиобиологический
эффект оказывается сниженным.
SH-протекторы. Они вызывают увеличение эндогенных сульфгидрильных соединений. Эти
соединения лабильны и могут реагировать с образующимися в процессе облучения
радикалами, поэтому общий радиобиологический эффект понижается.
Нуклеиновые кислоты.
- восстановление поврежденной структуры ДНК фрагментами экзогенной ДНК
- нейтрализация действия активированных облучением ядерных нуклеаз
- нейтрализация повреждающего действия свободных гистонов
- дерепрессия хромосом, стимуляция ДНК-зависимого синтеза РНК и белка, стимуляция
митотической активности клеток
- пополнение клеточного фонда субстратов, необходимых для синтеза ДНК.
51. Теории, объясняющие механизм действия радиоактивных излучений.
Радиоактивное излучение - это поток элементарных частиц различных энергий, которые при
прохождении через вещество производят ионизацию в нем. Человек подвергается облучению
двумя способами. Космические лучи и радиоактивные вещества (радионуклиды) облучают
человека снаружи - внешнее облучение. Или же радиоактивные вещества вместе с воздухом,
пищей или водой попадают внутрь организма и облучают его изнутри. Сущ-т три типа
ионизирующих излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц (ядер гелия)), бетаизлучение (поток бета-частиц (электронов)), гамма-излучение (поток гамма-квантов
(фотонов)). Теория "мишени или попаданий" поставила во главу угла представления о
прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы). В биологических
объектах имеются особо чувствительные объёмы — «мишени», поражение которых приводит
к поражению всего объекта. Мишень — формальное обозначение того микрообъема
(например, ДНК), в котором должны произойти одна или несколько ионизаций (попаданий),
приводящих к изучаемой реакции. Распределение по клеткам отдельных элементарных
повреждений происходит случайно и подчиняется статистическим закономерностям. Исходя
из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо
пропорциональным дозе облучения. Количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы
уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы. Стохастическая гипотеза является
дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки
зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер. Суть заключалась в том, что взаимодействие
излучений с клеткой происходит по принципу вероятности и что зависимость "доза-эффект"
обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и
состоянием биологического объекта как динамической системы. Б.И. Тарусовым и Ю.Б.
Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии
радиации и в неводных средах - в липидных слоях биомембран. Эта теория получила
название "теории липидных радиотоксинов". Своеобразной интегральной теорией,
объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений, является структурнометаболическая теория. Автор этой теории А.М. Кузин считает, что нарушения под
действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул,
цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.
52. Действие ультразвука на клетки. Применение ультразвука в биологии и медицине.
Ультразвук является разновидностью механической энергии и представляет собой
механические колебания упругой среды частотой более 16 кГц, которые не воспринимаются
человеческим ухом. Ультразвук обладает различными воздействиями на клетки.
Механическое воздействие при облучении обычной интенсивности, хотя и производится
микромассирующее воздействие на клетки, его эффект незначителен. С повышением
интенсивности ультразвука механическое воздействие может привести к повреждению ткани.
Это явление применяют в ультразвуковой нейрохирургии, где с помощью фокусированного
излучения интенсивностью 1000 Вт/см2 разрушают больные нервные ткани, опухоли.
Тепловое воздействие. Т.к. поглощение ультразвука в тканях человека характеризуется
коэффициентом 0,33 (т. е. 33% на 1 см), то одна треть энергии ультразвука, преобразуется в
тепло, а две трети проникает дальше, чтобы вызвать в более глубоких слоях механический и
тепловой эффект. При ультразвуковом облучении имеет место и химическое воздействие.
Есть уверенность в том, что облучение ультразвуком ускоряет процессы диффузии в клетках,
способствует деполимеризации крупномолекулярных белков, ускоряет процессы
биохимического окисления и т. д. Раньше ультразвуковые излучатели делали из кристалла
кварца. Но так как для возбуждения кварца нужно высокое напряжение, в настоящее время
перешли к применению керамики из титаната бария. Для возбуждения колебаний
преобразователи из этого материала требуют напряжения до 100 В. Недостатком таких
преобразователей является то, что их свойства начинают изменяться при температуре 120130°С. Поэтому головку из титаната бария необходимо охлаждать. По расположению
головки, излучающей ультразвук, различают три способа лечения.
1.При контактном лечении колеблющуюся поверхность слегка прижимают к коже так, чтобы
головка прилегала всей поверхностью. Воздушный слой между поверхностью тела и
головкой перед процедурой заполняют какой-либо передающей жидкостью, иначе
ультразвуковые колебания отразятся на граничной поверхности преобразователь—воздух.
2. Если из-за неровности поверхности тела ультразвуковую головку нельзя прижать всей
поверхностью к телу (например, на пальцах или щиколотке) или если размещение головки
причинило боль, то контактное лечение нельзя применять. В таких случаях прибегают к
лечению в водяной ванне. Облучаемая часть тела опускается в воду, нагретую до
температуры тела и дегазированную кипячением. 3.
При лечении некоторых частей тела (например, глаз, уха, зубов) следует применять
различные вспомогательные средства (заполненную водой резиновую трубку, которая
передает ультразвуковые колебания в нужную часть тела).
53.
Характеристика лазерного излучения. Применение оптического квантового
генератора в биологии, медицине и с/х.
Лазерное излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона, источником
которого являются оптические квантовые генераторы – лазеры. Для объяснения сущности и
принципов получения лазерного излучения можно воспользоваться планетарной моделью
атома, предложенной Э. Резерфордом, атомы представляют собой квантово-механические
системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго
определенное, дискретное энергетическое положение.
Получение лазерного излучения базируется на свойстве атомов под влиянием внешнего
воздействия переходить в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво, и спустя
некоторое время атом может самопроизвольно или вынужденно под влиянием внешней
электромагнитной волны перейти в состояние с меньшим запасом энергии, излучая при этом
квант света (фотон). При определенных условиях может происходить процесс
лавинообразного увеличения числа квантов за счет вынужденных переходов.
Лавинообразный переход атомов из возбужденного состояния, совершаемый за очень
короткое время, и приводит к образованию лазерного излучения. Свойства лазерного
излучения: монохроматичность, когерентность, поляризованность и изотропность.
Когерентность– свойство двух или более колебательных волновых процессов,
определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга.
Монохроматичность–излучение одной определенной частоты или длины волны.
Поляризация – симметрия
в распределении ориентации вектора напряженности
электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее
распространения.
Направленность – важное свойство лазерного излучения. Под направленностью лазерного
пучка понимается его свойство выходить из лазера в виде светового луча с чрезвычайно
малой расходимостью.
Основными характеристиками лазерного излучения являются длина волны и частота, а также
энергетические параметры. Все они являются биотропными характеристиками,
определяющими
действие
лазерного
излучения
на
биологические
системы.
Длина волны – расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний. От
длины волны зависит отражение, глубина проникновения, поглощение и биологическое
действие лазерного излучения.
Частота, являясь величиной обратной длине волны, указывает на число колебаний,
совершаемых в единицу времени. Принято выражать в герцах (Гц). Чем больше частота, тем
выше энергия кванта света. Мощность излучения – средняя мощность электромагнитного
излучения, переносимая через какую-нибудь поверхность. Измеряют в Вт.
Низкоэнергетическое лазерное излучение обладает физиологическим и лечебным действием.
Оно зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются длина волны
используемого излучения и длительность воздействия. В настоящее время наиболее
востребованными являются биостимулирующий эффект лазеротерапии. Основное звено в
биостимулирующем эффекте лазеротерапии – активация ферментов. Низкоэнергетическое
лазерное излучение является неспецифическим биостимулятором репаративных и обменных
процессов в различных тканях. При лазерном облучении стимулируется регенерация костной
ткани, что послужило основанием для использования его при переломах костей. Под
влиянием лазерного низкоэнергетического излучения происходит увеличение количества
эритроцитов и ретикулоцитов, наблюдается усиление митотической активности клеток
костного мозга, активируется противосвертывающая система, снижается СОЭ. Весьма
своеобразная область использования лазерного излучения – лазерная косметология. В
косметологии наиболее часто пользуются углекислыми и эрбиевыми лазерами. К другим
возможным областям применения лазеров в медицинских целях можно отнести
стоматологию, нейрохирургию, дезинфекцию небольших участков,
зараженных
бактериями. Описаны технологические приемы использования лазерного излучения для
вегетативного размножения растений, предпосевной обработки зерна, облучения плодов и
ягод в послеуборочный период.
54. Основные виды фотобиологических процессов.
К фотобиологическим относят процессы,
начинающиеся с поглощения кванта света
биологически важной молекулой и заканчивающиеся какой-либо физиологической реакцией
(позитивной или негативной) на уровне организма. К таким процессам относятся:
Фотосинтез - синтез органических молекул за счет энергии солнечного света;
Фототаксис - движение организмов, например бактерий, к свету или от света;
Фототропизм - поворот листьев или стеблей растений к свету или от света;
Зрение - превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в
аналогичных фоторецепторах;
Действие ультрафиолетовых лучей (бактерицидное или бактериостатическое действие на
микроорганизмы, мутагенное действие, канцерогенное действие, образование витамина D
из провитаминов,
эритемное действие на кожу,
образование загара, терапевтические
эффекты).
К фотобиологическим процессам также может быть отнесена биохемилюминесценция
(сверхслабые свечения,
биолюминесценция). Здесь,
наоборот,
определенные
биохимические реакции сопровождаются появлением электронно-возбужденного продукта с
последующим испусканием кванта люминесценции. Фотобиологические процессы весьма
разнообразны. Каждый из них состоит из многих стадий, начиная с акта поглощения кванта
света и кончая физиологическими реакциями на уровне целого организма. Условно всякий
фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий:
1) поглощение кванта света,
2) внутримолекулярные процессы размена энергией ;
3) межмолекулярные процессы переноса энергии возбужденного состояния;
4) первичный фотохимический акт;
5) темновые реакции, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов;
6) биохимические реакции с участием фотопродуктов;
7) общефизиологический ответ на действие света.
55. Об основных стадиях фотобиологических процессов.
Процессы , происходящие в биологических системах при поглощении лучистой энергии,
называются фотобиологическими. Все фотобиологические процессы делятся на на три
основных группы. К первой группе относятся процессы фотосинтеза биологически важных
соединениий за счет поглощаемой организмом солнечной энергии (н-р фотосинтез углеводов,
происходящий у зеленых растений, бактерий и водорослей).
Ко второй группе
фотобиолгических процессов можно отнести процессы, не связанные с увеличением энергии
системы и химическим синтезом (н-р зрение живтоных, фототаксис, фототропизм и
фотопериодизм растений). К третьей группе относится такие процессы, результатом которых
является поражение живой структуры, деструкция биологически важных соединений. Как
следствие деструктивных изменений происходит подавление жизнедеятельности организма.
В основе всех биологических процессов лежат фотохимические реакции. К основным
фотохим-м реакциям относят: фотоионизация- выбивание электрона квантом излучения за
пределы молекулы. При фотоионизации образуются ионы или свободные радикалы.
Фотовосстановление и фотоокисление – перенос электрона с одной молекулы на другую.
Одна молекула при этом окисляется, а другая восстанавливается. Фотодиссоциация – процесс
распада молекулы на ионы под действием кванта излучения. Фотоизомеризация- изменение
пространственной конфигурации молекулы под действием света, изменение структуры
молекулы. Фотодимеризация- образование химической связи между мономерами при
действии фотонов света. Фотохимическая реакция может быть связана либо с потерей
электрона молекулой, либо с его приобретением, либо с деструкцией молекулы. Любая
фотохим-я р-ция протекает в две стадии. Первая стадия- световая. Идет физический процесспоглощение кванта излучения молекулой. Вторая стадия фотохимической реакции
называется темновой. Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислителирадикалы- содержат неспаренные электроны на внешних орбитах и поэтому обладают
высокой химической активностью. Всякий фотобиологический процесс можно представить
следующей схемой: поглощение квантов- фотохимические реакции – химические и
биохимические реакции- физиологический акт. Так же, энергия возбужденной молекулы
может расходоваться еще по нескольким направлениям, кроме основного: 1) высвечиваться
(люминесценция); 2) переходить в тепло; 3) передаваться другой молекуле (миграция
энергии); 4) молекула может переходить в триплетное состояние.
56. Митогенетическое излучение. Лучи А.Г. Гурвича.
Митогенетические лучи, митогенетическое излучение, явление, впервые обнаруженное А. Г.
Гурвичем (1923). Это одно из крупных в современной биологии открытий явилось
завершением многолетних исследований автора о причинах деления клеток. В известном
опыте с двумя луковичными корешками он показал: 1) что растительный организм является
источником выделения особого рода лучистой энергии и 2) что это само по себе крайне
слабое излучение обладает специфическим для клеток эффектом—способностью возбуждать
их деление. Отсюда—и обозначение «митогенетические», т. е. вызывающие митозы. М. л.
организма являются продуктом ферментативных реакций его клеток и тканей. Часть
освобождающейся при этом энергии приобретает характер излучения. Это имеет место при
целом ряде процессов обмена, в частности при оксидации (окислительных процессах),
протеолизе и аутолизе (процессах переваривания белков), гликолизе (распаде углеводов) и др.
В ряде случаев излучение может быть искусственно воспроизведено и вне организма с
заведомо мертвыми орган. веществами. Даже нек-рые из простейших неорган. реакций и в
частности реакций катализа являются источником М. л.
По своей физич. природе М. л. соответствуют ультрафиолетовой части спектра с длиной
волны от 1.900 до 2.500 А. Данные спектрального анализа показали, что излучение
организмов немонохроматично и в каждом отдельном случае является комбинацией
различных полос в пределах указанного диапазона спектра. Метод спектрального анализа
рисует чрезвычайно обширные перспективы в деле изучения метаболизма живой ткани, т. к.
позволяет констатировать те или иные хим. процессы, не нарушая нормального хода ее
жизнедеятельности. Среди различных способов обнаружения митогенетического эффекта
наибольшее распространение получил метод «дрожжевых культур». Он основан на принципе
одновременной экспозиции против предполагаемого источника излучения двух участков
одной и той же культуры, с заведомо одинаковым темпом почкования (размножения) в
каждом. Так, напр., до начала опыта на каждые 1.000 клеток любого участка приходилось 100
молодых почек, что составляет 10%. Одна часть культуры экранируется от источника
излучения пластинкой кристаллич. кварца, непроходимого для летучих хим. веществ и
свободно пропускающего ультрафиолетовые лучи. Другая, контрольная часть закрывается
стеклом, задерживающим и хим. вещества и излучение. В случае положительного эффекта
статистич. подсчет устанавливает в дальнейшем увеличение процента почкований в той
культуре, где стимулирующее действие излучения не было устранено. Модификациями этого
метода являются подсчет абсолютного количества дрожжевых клеток, измерение объемов
культур в мицетокритах и т. д. Интенсивность М. л. крайне ничтожна, порядка 100—1.000
квант см\1 сек. Модификация счетчика Гейгера позволила чисто физич. способом
подтвердить излучение нек-рых биологич. объектов (напр., корешка лука, раковой опухоли,
сокращенной мышцы, реакций протеолиза и т. д.).
57. Временная организация биосистем. Примеры.
Одним из условий сохранения устойчивости, эволюции и образования «живых» клеток
явилась их временная организация. Уже первичная клетка должна была обладать высокой
помехоустойчивостью к случайным внешним ритмам и к ритмам, не имеющим
биологического сигнального значения. В то же время такая клетка должна была сохранять
высокую чувствительность к биологически значимым внешним ритмам. К одним ритмам
клетка должна была выработать повышенную чувствительность и использовать их для
коррекции своих биологических часов, для преднастройки и координации процессов
жизнедеятельности. К другим внешним ритмам клетка должна снижать чувствительность как
к помехам.
Временная организация биологической системы – это комплекс биологических ритмов,
который характеризуется механизмами регуляции, связями с внешней средой и самими
взаимосвязями между ритмами.
Временная организация биосистемы делится на:
1. часть, осуществляющую регуляцию временной организации;
2.часть, воспринимающую сигналы регуляции;
3.часть, включающую в себя «рабочую», эффекторную функцию временной организации;
4.часть, связывающую временную организацию биосистемы с внешней средой и другими
биологическими системами.
Приведенная общая структура временной организации свойственна всем биосистемам вне
зависимости от сложности их строения. С другой стороны, о временной организации
биосистемы можно говорить при наличии указанных выше частей и связей между ними. В
течение миллионов лет эволюционного развития по пути постоянного усложнения и
совершенствования одновременно шли два процесса: процесс структурной организации
живых систем и процесс их временной организации. Чем сложнее биологическая система,
тем сложнее её временная организация и тем успешнее адаптируется организм к постоянно
изменяющимся условиям окружающей среды. Но эта адаптация обеспечивалась не одной
какой-то системой, а скоординированными во времени и пространстве и соподчиненными
между собой несколькими специализированными функциональными системами. Поэтому в
настоящее время методологические принципы биоритмологии проникают в исследования
всех уровней организации живого – от молекулярного до уровня целостного организма.
Исследования временной организации биосистем помогают ответить на вопросы,
возникающие при изучении эколого-физиологических механизмов адаптации к новой среде
обитания. С их помощью изыскиваются научно обоснованные средства коррекции
нарушений, появляющиеся при воздействии на организм различных неблагоприятных
факторов.
Пример
58 Десинхроз и о причинах десинхроза. Примеры
Термином десинхроз специалисты обозначают временное нарушение упорядоченности
биологических ритмов.
Биологические ритмы – это периодически повторяющиеся изменения интенсивности и
характера процессов жизнедеятельности биологических систем. Биологические ритмы
обнаружены на всех уровнях организации живой природы – от одноклеточных до биосферы.
Это свидетельствует о том, что биоритмика – одно из наиболее общих свойств живых систем.
Биологические ритмы признаны важнейшим механизмом регуляции функций организма,
обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы адаптации в
биологических системах.
Для того, чтобы заработать десинхроз достаточно выйти из колеи привычного режима,
загрузить себя делами сверх меры. Десинхроз бывает внутренним и внешним:
Внутренний – это нарушение согласования биоритма внутри организма, например изменение
ритма питания по отношению к обмену веществ, разсогласование ритмов сна и
бодрствования, приводящих к раздражительности, бессонице, плохому самочуствию,
нарушению ритма труда и отдыха, связанного с оптимизацией жизнедеятельности , и т.д.
Внешний десинхроз возникает при рассогласовании внутренних биоритмов и условий
внешней среды. Это – переезд из одного часового пояса в др., сезонная десинхронизация.
Рассогласование и перестройка биологических ритмов проявляется в объективных и
субъективных показателях. К первым отросится изменение артериального давления,
нарушение сна, плохой аппетит, ко вторым – раздражительность, упадок сил. По
длительности десинхроз делится на острый и хронический, по силерассогласования – на
явный и скрытый, по объему проявления – на частичный и тотальный.
Десинхронизация биологических ритмов – сигнал неблагополучия. Любое заболевание
является результатом нарушения той или иной функции организма и изменения ее суточной
ритмичности. В связи с этим возникает необходимость организации режима
жизнедеятельности в строгом соответствии с ритмическими особенностями организма.
Ососбое внимание нужно уделять профилактике сезонных нарушений, организации работы
при многосменной деятельности. Не следует забывать об оптимизации умственных и
физических нагрузок. Сильным десинхронизатором является алкоголь После приема
алкоголя, только на 3 сутки происходит восстановление суточных ритмов физической
работоспособности и работы гормональной системы. Кроме того, десинхроз, вызываемый
спиртными напитками, усугубляет общий фон негативных изменений в организме.
Первый в истории сбой биологических часов был зафиксирован в 1931 году. Имя больного –
Вилли Пост: американский летчик, облетевший вокруг света за 8 суток.
Синхронизация биоритмов — залог здоровья. Один из главных ритмов организма – ритм
сна и бодрствования. Мы должны бодрствовать, когда светло, и отдыхать, когда темно. Это
очень важно, особенно с учетом современных реалий нашей жизни — частых нарушениях
биоритмов человека.
Десинхроноз вызывают следующие обстоятельства:
• изменение временных отношений между датчиками времени и внутренними циклическими
процессами организма;
• устранение датчиков времени;
• заболевания, стрессовые воздействия, утомление.
Известно также, что перемещение против часовой стрелки вызывает более острый
десинхроноз. Это объясняется тем, что человек вынужден ложиться и вставать раньше, чем
обычно, а при перемещении на запад – позднее.
59. Электромагнитные поля внешней среды и их действия на организм
электропроводности для организма.
Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с
электрически
заряженными
телами,
представляющее
собой
совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых
условиях порождать друг друга. В зависимости от длины волны электромагнитное
излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и
ультрафиолет),
рентгеновское
излучение и гамма-излучение.
Человек
постоянно
подвергается воздействию электромагнитного излучения (ЭМИ), которое может быть как
полезным, так и вызывающим неблагоприятные изменения в организме. Биологическое
действие ЭМИ зависит от многих причин, при этом наиболее чувствительным к воздействию
ЭМИ являются система кроветворения, центральная нервная и нейроэндокринная системы.
При действии ЭМИ на глаза возможно образование катаракты, имеются данные об
образовании и злокачественных новообразований (в первую очередь опухолей кроветворной
ткани и лейкозов). Биологическим объектам присуще пассивное электрические свойства:
сопротивление и емкость. Биологические объекты обладают свойствами, как проводников,
так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает
проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства биологических объектов и величина
диэлектрической проницаемости определяется структурными компонентами и явлениями
поляризации. Электропроводность L-это величина, обратная сопротивлению R проводника :
Сопротивление выражается формулой :
где p-удельное сопротивление; lдлина проводника; S- сечение проводника. Сопротивление является коэффициентом
пропорциональности между разностью потенциалов V и током I( закон Ома ): V=I*R
При пропускании постоянного тока через живые клетки было установлено, что сила тока не
остается постоянной во времени, хотя прикладываемое напряжение не изменяется. Сила тока
после напряжения разности потенциалов начинает непрерывно уменьшаться и через
некоторое время устанавливается на постоянном уровне. Уменьшение тока во времени
обусловлено явлениями поляризации, проходящими в ткани. При прохождении постоянного
тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС
противоположного направления - ЭДС поляризации, которая уменьшает приложенную к
объекту эффективную ЭДС, что и приводит к уменьшению тока. ЭДС поляризации P(t)
является функцией времени. Тогда закон Ома для биологического объекта :
.
Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать
заряды при прохождении через них тока, т.е. емкостными, диэлектрическими свойствами
биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации. Виды поляризации :
электронная- представляет собой смещение электронов на своих орбитах относительно
положительно заряженных ядер в атомах и ионах.(10-16-10-14 с); ионная- смещение иона
относительно кристаллической решетки.(10-14-10-12 с); дипольная или ориентационная – если
вещество содержит полярные молекулы и эти молекулы свободны, то под действием
внешнего поля они ориентируются в соответствии с этим полем (10-13-10-7 с) ;
макроструктурная возникает под действием электрического поля вследствие неоднородности
электрических свойств вещества. (10-8-10-3 с); поверхностная происходит на поверхностях,
имеющих двойной электрический слой. (10-3 до 1 с); электролитическая возникает между
электродами, опущенными в раствор электролита, при пропускании через них электрического
тока. (10-4-10-2 с).
60. Работы А.Л Чижевского по исследованию влияния Солнца на биообъекты.
Все события, все явления человеческой жизни, как индивидуальной, так и коллективной,
протекают в физико-химической среде, окружающей нашу жизнь со всех сторон. В организм
постоянно внедряются вещество и энергия, подвергаются в нем различным превращениям и
оттекают вновь. В свете современной науки жизненные процессы могут быть разложены на
ряд физических и химических явлений. В своей книге “Земное эхо солнечных бурь”
Чижевский проанализировал большой исторический материал и обнаружил корреляцию
максимумов солнечной активности и массовых катаклизмов на Земле. Своей многолетней
экспериментальной и теоретической работой русский учёный показал и доказал, что жизни на
нашей планете небезразличны периодические возмущения, поступающие извне, особенно со
стороны солнца, а одиннадцатилетние циклы процессов преобразования на его поверхности
отражаются в таких же периодах вспышек массовых заболеваний людей, животных и
растений.
В 1931 году А.Л. Чижевский написал книгу «Земля в объятиях Солнца» В ней впервые
отмечено воздействие солнечной активности - на биологические и социальные явления:
изменение численности животных и их активности, возникновение эпидемий и даже начало
войн и революций. А.Л. Чижевский выяснил, что организм человека, коллоидная система
которого претерпевает постоянные изменения, обладает утонченной чуткостью ко всяким
внешним воздействиям и колебаниям. Испытывая эти колебания, нарушающие равновесие,
организм принужден непрерывно затрачивать известную энергию на восстановление этого
равновесия. Ученый впервые убедительно показал, что жизнь на планете отзывается на
периодические возмущения, приходящие извне – в частности, со стороны Солнца.
61. Напишите уравнение второго закона термодинамики и обоснуйте его применимость
к живым системам.
Возможность протекания т\д процессов, их направление и предел могут характеризовать
такие параметры состояния системы, как энтропия и свободная энергия. Под энтропией S
понимается отношение тепла Q, производимого в обратимом изотермическом процессе, к
абсолютной температуре T, при котором протекает процесс: S=Q/T, или если брать
изменение энтропии: dS= -dQ/T. Второй з-н т\д гласит: любой самопроизвольный процесс в
изолированной системе приводит к уменьшению свободной энергии, если процесс
необратим: если же процесс обратим то свободная энергия системы не изменяется. Все
процессы протекающие в живых организмах, с точки зрения т\д яв-ся необратимыми. Второй
з-н т\д утверждает, что в изолированной т\д системе энтропия никогда не может уменьшаться.
Она равна нулю при обратимых процессах и может только увеличиваться при необратимых
процессах. Увеличение энтропии соответствует переходу системы из более упорядоченного в
менее упорядоченное состояние. Физический смысл энтропии - все процессы,
самопроизвольно протекающие в природе, необратимы и способствуют переходу системы в
равновесное состояние, которое всегда характеризуется тем, что в процессе этого перехода
всегда безвозвратно выделяется некоторая энергия, и для совершения полезной работы она
использована быть не может; в равновесном состоянии элементы системы характеризуются
наименьшей упорядоченностью. Отсюда следует, что энтропия яв-ся как мерой рассеяния
энергии, так и мерой неупорядоченности системы. Применение второго закона т\д к живым
системам без учета того, что это открытые системы, приводит к противоречию. Энтропия
должна всегда возрастать, т. е. должна расти неупорядоченность живой системы, все живые
системы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и
поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана
работоспособность живых систем. В процессе развития каждого организма (онтогенеза), так
же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза), все время образуются новые
структуры, и достигается состояние с более высокой упорядоченностью. А это означает, что
энтропия (неупорядоченность) живой системы не должна возрастать. Т.о., второй з-н т\д,
справедливый для изолированных систем, для живых систем, являющихся открытыми,
неприменим. Элементы живой системы постоянно подвергаются распаду. Энтропия этих
процессов положительна (возникает неупорядоченность). Для компенсации распада
(компенсации неупорядоченности) должна совершаться внутренняя работа в форме
процессов синтеза элементов взамен распавшихся. А это означает, что эта внутренняя работа
яв-ся процессом с отрицательной энтропией (такие процессы наз-ют негэнтропийными, а
отрицательную энтропию – негэнтропией). Негэйнтропийный процесс противодействует
увеличению энтропии системы, которое связано с процессом распада, и создает
упорядоченность.
62. Привести примеры подручной защиты от облучения а-частицами.
Альфа-частица (или α-частица) – ядро атома гелия, состоящее из связанных вместе двух
протонов и двух нейтронов. α -частицы самопроизвольно испускаются при распаде многих
тяжёлых ядер. Возникающий при этом вид распада (радиоактивности) атомных ядер носит
название альфа-распада или альфа-радиоактивности. Проникающая способность α - частиц
мала: пробег α - частиц от естественных радионуклидов в воздухе не превышает 9 см, а в
биологической ткани - 100 мкм. Т.о., как внешние облучатели альфа - активные
радионуклиды практически не опасны. Слой воздуха 9-10 см, верхняя одежда, резиновые
перчатки, марлевые повязки и другие средства индивидуальной защиты полностью
защищают организм от внешних потоков альфа - частиц. Для предотвращения внутреннего
заражения следует избегать употребления возможно зараженной пищи и воды.
63. Задача: дайте физическое объяснение тому, что жители Ср. Азии носят летом
стеганные ватные халаты?
Вата обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, т.к. создает воздушную
прослойку. Воздух обладает плохой теплопроводностью, вследствие чего позволяет
сохранить температуру тела, не давая быстро ему нагреваться. Относительная изоляция также
не позволяет горячему воздуху нагревать организм. Этим объясняется то, что жители
СР.Азии одевают стёганные ватные халаты.
64. Обоснуйте с позиции термодинамики, почему мелкие млекопитающие должны
питаться больше и чаще, чем крупные.
В теле животного при окислении пищевых продуктов высвобождается то же количество
энергии, как и просто при сжигании такого же количества вне организма. Но, только около
трети этой энергии идет на мышечную энергию, большая часть затрачивается на поддержание
постоянной температуры тела, обновление тканей, питание и отложение жировых запасов.
Любое превращение энергии в организме в конечном итоге ведет к выделению тепла, таким
образом, устанавливается тепловой баланс между организмом и окружающей средой.
Образование тепла более или менее равномерно распределяется в зависимости от площади
тела. Т. е. с уменьшением размеров животного интенсивность образования тепла и
интенсивность его потери возрастают. Т. к. потерянное тепло восстанавливается с помощью
окисления поступающих в организм пищевых продуктов, следовательно, мелкие животные
должны много есть.
65. Дайте характеристику электрокардиограммы как метод диагностики заболеваний
сердца. Напишите все зубцы кардиограммы.
Электрокардиографией наз-ся метод регистрации разности потенциалов с поверхности тела
человека, возникающий во время сокращения сердца и отражающий электрические процессы,
возник-ие в нем и его физиологическое состояние. Электрокардиограмма – это кривая,
которая отражает биоэлектрическую работоспособность сердца (отражение электрической
активности, характеризующей такие параметры сердечной деятельности, как ритм и силу
сердечных сокращений, проведение импульса по проводящей системе сердца,
кровоснабжение сердечной мышцы и др.) Для регистрации ЭКГ используют различные
схемы наложения электродов — отведения ЭКГ. Обычно к ним отн-ся следующие 12
отведений: 3 стандартных (двухполюсные от конечностей), 3 усиленных (однополюсные от
конечностей), 6 грудных (однополюсные от грудной клетки). При использовании
двухполюсных (биполярных) отведений электроды регистрируют разность потенциалов
между двумя точками тела, потенциал каждой из которых меняется в течение сердечного
цикла. Электроды электрокардиографа клеят на липучки. Электроды по этой схеме
накладываются на обе руки и левую ногу, образуя три так называемых стандартных
отведения, обозначаемых римскими цифрами I, II, III .I отведение: правая рука (—), левая
рука (+); II отведение: правая рука (—), левая нога (+); III отведение: левая рука (—) —левая
нога (+).По теории Эйтховена сердце рассматрив-ся как генератор электрич. токов, кот.
возникают в момент сокращения мышцы и постепенно охватывают его полностью. Любая
ЭКГ состоит из зубцов, сегментов и интервалов. ЗУБЦЫ - это выпуклости и вогнутости на
электрокардиограмме. 3 положит. зубца(направленных вверх(Р,R,T)) и 2 отрицат-х (направл-х
вниз(Q,S))отражают процесс возбуждения серд. мышцы. Расслабление сердечной мышцы
записывают как прямую между зубцами T и P. Зубец Р или предсердный комплекс, яв-ся
алгебраической суммой потенциалов, возник-х в правом и левом предсердии(правое+,левое-).
Сегментом на ЭКГ наз-т отрезок прямой линии (изолинии) между двумя соседними зубцами.
Наибольшее значение имеют сегменты P-Q и S-T. П., сегмент P-Q образуется по причине
задержки проведения возбуждения в предсердно-желудочковом (AV-) узле. Интервал состоит
из зубца (комплекса зубцов) и сегмента: интервал = зубец + сегмент. Самыми важными яв-ся
интервалы P-Q и Q-T. Из-за массивной стенки и межжелудочковой перегородки миокарда
желудочков распространение возбуждения в нем характеризуется появлением сложного
комплекса QRS на ЭКГ. Зубцом R называют любой положительный (направленный вверх)
зубец, вход-ий в комплекс QRS. Если зубцов несколько, последующие зубцы обозначают
штрихами: R, R’, R” и т. д. Отрицательный (направленный вниз) зубец комплекса QRS,
находящийся перед зубцом R, обозначается как Q, а после — как S. Если же в комплексе QRS
совсем нет положительных зубцов, то желудочковый комплекс обозначают как QS. Важное
диагностическое значение имеют временные и амплитудные характеристики составляющих
электрокардиограммы. Во втором стандартном отведении в норме амплитуда зубца R
составляет 0,8—1,2 мВ, а амплитуда Q не должна превышать 1/4 этой величины.
Длительность интервала P—Q в норме составляет 0,12—0,20 с, комплекса QRS— не более
0,08 с, а сегмент S—T— 0,36—0,44 с.
66.Приведите схему реакции радиолиза воды.
Вода была первым соединением,
с радиационно-химическими превращениями
кот.столкнулись на практике. Когда были построены первые мощные ядерные реакторы, для
отвода избыточного тепла использовали воду. Под действием излучений вода разлагалась.
Основной продукт разложения воды - гремучий газ (смесь двух объемов водорода и одного
объема кислорода) - огромной силы взрывчатое вещество. Эта особенность радиолиза воды
создала большие трудности при ее использовании в реакторе. Однако было нежелательно
отказаться от воды - она являлась наиболее удобным охладителем из всех известных в то
время.
В наст.время радиационная химия воды и разл.водных р-ров в основ.чертах выяснена. При
прохождении излучения через в-во образуются ионы и возбужденные молекулы: Н2 → H2O+
+ е, H2Oо.
Появляющийся ион Н2O+ и свободный электрон реагируют с молекулами воды.
Н2O+ + H2O → H3O+ + OH
e + H2O → H2О- → H + OH-.
Т.о., в рез-те превращения первоначально неустойчивых ионов образ.радикалы Н и ОН и
новые, устойчивые в воде ионы - ионы гидроксония Н3О+ и гидроксила ОН-. Атомарный
водород и радикал гидроксил неустойчивы. Радикалы Н и ОН успевают вступают во
взаимодействие
Н + Н → Н2, ОН + Н → Н2О,
НО + ОН → Н2О2.
В рез-те этих реакций вновь образ.вода и появл.новые, уже устойчивые соединения молекулярный водород и перекись водорода.
Происходящие при радиолизе воды процессы можно представит в виде цепочки
последов.превращений: вода ==> ионы (Н2О+, е) -> радикалы (Н и ОН) -> молекулярные
продукты (Н2, Н2О2).
Молекулярные продукты при облучении очень чистой воды накапливаются в очень малой
концентрации, т.к. образ.соединения разрушаются радикалами Н и ОН
Н2О2 + Н → Н2О + ОН
Н2 + ОН → Н2О + Н,
Т.о.: вода -> продукты радиолиза -> вода.
Молекулярные продукты превращаются не только в воду. Кроме приведенных выше реакций
протекают еще две
Н2О2 + ОН → Н2О + НО2,
НО2 + НО2 → Н2О2 + О2.
В рез-те этих превращений в воде остается малое количество молекулярного кислорода и
молекулярного водорода.
67. Объясните, почему в сумерках изображения воспринимаемые глазом человека
теряют резкость?
Человеческий глаз содержит два вида светочувствительных рецепторов: палочки и колбочки.
Палочки обеспечивают черно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью.
Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже.
Сумеречное зрение обеспечивается палочками, которые расположены по периферии поля
зрения. Иннервация осуществляется так: несколько палочек на один нейрон, и поэтому
четких границ нет. Дневное зрение обеспечивается колбочками. Здесь иннервация
осуществляется так: одна колбочка на один нейрон, поэтому зрение более четкое. Для
палочек излучения с разной длиной волны отличаются только яркостью, поэтому при низкой
освещенности, не различая самих цветов, можно все же определить, что светлее, а что
темнее. Существует три типа колбочек, чувствительных к свету с разной длиной волны.
Первый тип воспринимает световые волны с длиной от 400 до 500 нм, второй - от 500 до 600
нм и третий - от 600 до 700 нм
68. Почему ионизирующее излучение, имея небольшое тепловое воздействие, обладает
большим биоэффектом.
Ионизирующее излучение отличается тем, что вызывает отрыв электрона от атома
(ионизация). В процессе ионизации происходит разрушение молекул вещества, образуются
«свободные радикалы» и сильные окислители с высокой химической активностью.
Получающиеся в процессе радиолиза воды (в биологической ткани 60—70% по массе
составляет вода) свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической
активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка и других структурных
элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в
организме. В рез. нарушаются обменные процессы, замедляется и прекращается рост тканей,
возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к
нарушению жизнедеятельности организма в целом. Специфика действия ионизирующего
излучения на биологические объекты заключается в том, что производимый им эффект
обусловлен не столько количеством поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той
формой, в которой эта энергия передается (индуцированные свободными радикалами
химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не
затронутых излучением).
Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим
объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает
ионизирующее излучение.
Например, смертельная доза ионизирующего излучения для человека, равная 600 рад (600
бэр), соответствует поглощенной энергии излучения 6·104 эрг/г. Если эту энергию подвести в
виде тепла, то она нагрела бы тело едва ли на 0,001°C. Это тепловая энергия, заключенная в
стакане горячего чая. Именно ионизация и возбуждение атомов и молекул обусловливают
специфику действия ионизирующего излучения.
69. Задача. всегда ли увеличение количества выделяемого пота приводит к увеличению
теплоотдачи. Объясните физический механизм.
Нет. Охлаждающий эффект дает не выделение пота, а его испарение. Если пот выделяется
очень обильно, он стекает по коже, не успевая испариться. То есть испарение влаги
увеличивает теплоотдачу, а если пот стекает по коже, то теплоотдачи не происходит. Отдача
тепла происходит за счет траты энергии на испарение воды. Различают два вида испарения,
или перспирации: неощущаемую и ощущаемую перспирацию.
а)неощущаемая перспирация — это испарение воды со слизистых дыхательных путей и воды,
которая просачивается через эпителий кожного покрова (тканевой жидкости).
б)ощущаемая перспирация (отдача тепла путем испарения пота).
Эффективность испарения во многом зависит от среды: чем выше температура и ниже
влажность воздуха (насыщенность воздуха водяными парами), тем выше эффективность
потоотделения как механизма отдачи тепла. При 100% насыщения воздуха парами воды
испарение невозможно.
70. Приведите примеры применения лазеров в медицине и обоснуйте на каких
свойствах лазерного излучения оно базируется.
Излучение лазеров отличается рядом замечательных особенностей, не характерных для
других источников излучения включая Солнце. Лазерный свет обладает временной и
пространственной когерентностью, строгой монохроматичностью, большой мощностью
излучения, малой расходимостью светового пучка. Развитие лазерной медицины идет по трем
основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Широкое
применение лазеров в медицине обусловлено следующими факторами:
- отсутствие прямого контакта инструмента с биотканью при проведении хирургического
вмешательства с помощью луча лазера резко снижает опасность инфицирования
оперируемых органов;
- излучение лазера убивает патологическую микрофлору и опухолевые клетки в зоне
операционного разреза, чем уменьшает вероятность послеоперационных осложнений;
- лазерное излучение герметизирует кровеносные сосуды в зоне воздействия, позволяя
получить практически бескровный разрез и сохранить операционное поле сухим и чистым;
- лазерное излучение, сфокусированное до нескольких десятков микрон, оказывает
минимальное термическое воздействие на биоткань, близлежащую к зоне операционного
вмешательства;
- возможность управления параметрами лазерного излучения позволяет оптимизировать
воздействие в зависимости от вида биоткани и формы патологии.
Лазеры применяются в хирургии, стоматологии, офтальмологии, косметалогии, для
диагностики и т.п. Для каждого конкретного вида применения лазеров в медицине
решающую роль играют параметры лазерного излучения. В частности, для диагностики могут
использоваться маломощные лазеры ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра, а
также лазеры средней мощности ближнего инфракрасного диапазона спектра, для терапии —
маломощные лазеры с длинами волн, которые находятся в окне прозрачности тканей
(полупроводниковые лазеры), лазеры средней мощности видимого и ближнего ИК диапазона.
Для хирургии, где фактически механический режущий инструмент заменяется на
бесконтактный и менее травматичный лазерный инструмент, необходимы лазеры мощные.
Если же нужно разрезать ткани и при этом заваривать кровеносные сосуды, чтобы избежать
значительных потерь крови, необходимо применять мощные непрерывные или импульсные
инфракрасные лазеры. Их работа основана на тепловом механизме, проявляющемся в
значительном увеличении температуры. С помощью лазерного луча выполняются процедуры,
лечатся заболевания, которые нельзя выполнить другими методами и инструментами. П.,
лечения отслоения сетчатки глаза. Отслоившиеся ткани припекаются сфокусированным
лазерным излучением и т.о. негативный процесс останавливается. Другой пример —
вторичная катаракта, т.е. помутнение передней капсулы хрусталика. Путем острой
фокусировки можно удалять тонкие помутневшие слои ткани. Для этих целей используются
лазеры видимого (зеленого) диапазона спектра.
71. Приведите примеры применения инфразвука в медицине и обоснуйте на каких
свойствах оно базируется.
В основном используют при лечении рака (удаление опухолей), в микрохирургии глаза
(лечение заболеваний роговицы) и в некоторых других областях. Впервые при лечении
заболеваний роговицы был применен инфразвук и инфразвуковой фонофорез. Подведение
лекарственных веществ к роговице с помощью инфразвука позволило не только ускорить
процесс выздоровления, но и способствовало рассасыванию стойких помутнений роговицы, а
также снизить количество рецидивов заболевания. Высокая устойчивость организма к
воздушному инфразвуку, близость его к биоритмам, малое затухание инфразвука создали
возможность использовать его в медицине, в частности в офтальмологии. Многочисленные
исследования здоровых тканей глаза после инфразвукового воздействия показали, что они
обладают большой к нему устойчивостью. Патологических изменений в тканях глаза и нервах
роговицы при воздействии определенных параметров не было обнаружено. Гистохимические
исследования тканей глаза свидетельствуют, что инфразвуковое воздействие способствует
накоплению РНК в клетках, отвечающей за хранение и передачу наследственной
информации, что приводит к улучшению синтеза нуклеопротеидов. Особенно значительно
происходит синтез белка в ганглиозных клетках сетчатой оболочки.
72. Применение метода электрофореза в исследованиях и медицине. Нарисуйте общую
схему метода ионэлектрофореза.
Электрофорез— это электрокинетическое явление перемещения частиц в жидкой или
газообразной среде под действием внешнего электрического поля. В биохимии и
молекулярной биологии электрофорез используется для разделения макромолекул — белков
и нуклеиновых кислот. Различают множество разновидностей этого метода. Этот метод
находит широкое применение для разделения смесей биомолекул на фракции или
индивидуальные вещества и используется в биохимии, молекулярной биологии, клинической
диагностике, популяционной биологии и др.
Электрофорез в медицине. Лечебное вещество наносится на прокладки электродов и под
действием электрического поля проникает в организм через кожные покровы (в терапии,
неврологии, травматологии и др.) или слизистые оболочки (в стоматологии, ЛОР,
гинекологии и др.) и влияет на физиологические и патологические процессы непосредственно
в месте введения. Электрический ток также оказывает нервно-рефлекторное и гуморальное
действие.
73.Ежедневно с потребляемой пищей работник физического труда получает около 17
МДж. В течение дня он выполняет работу 10 МДж. Какова доля получаемой с пищей
энергией превращается в полезную работу?
Дано:
А1=17МДж
А2=10МДж
Найти: долю получаемой с пищей энергией превращающуюся в полезную работу.
Решение: Отношение произведенной работы к изменению свободной энергии,
израсходованной на эту работу, называется КПД. КПД= 10МДж/17МДж*100%=0,58*100% =
58%
74.Приведите схему и обоснуйте принцип работы фотоэлектроколориметра.
Фотоэлектроколориметр - прибор для определения концентрации вещества в растворе по
величине поглощения монохроматического света; в биологии и медицине используется,
напр., для качественного и количественного анализа биологически активных веществ и
лекарственных средств. Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении
светового потока, прошедшего через растворитель или контрольный раствор, по отношению к
которому производится измерение, и потока, прошедшего через исследуемую среду.
Световые потоки фотоприемниками преобразуются в электрические сигналы, которые
обрабатываются микро-ЭВМ колориметра и представляются на цифровом табло в виде
коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации, активности.
Колориметр состоит из колориметрического (1) и вычислительного (2)
блоков и блока питания. В колориметрический блок входят: осветитель, узел оптический,
светофильтры, кюветное отделение, кюветодержатель, устройство фотометрическое с
усилителем постоянного тока и элементами регулирования. Светофильтры в световой пучок
вводятся ручкой. В кюветодержатель устанавливаются кюветы с исследуемым раствором и
контрольным раствором. Ввод в световой пучок одной или другой кюветы осуществляется
поворотом ручки до упора влево или вправо. В фотометрическое устройство входят
фотоэлемент, фотодиод, светочувствительная пластина, усилитель. Переключение
фотоприемников осуществляется с помощью ручки 5.
75. Задача: Приведите обоснование независимости формы спектра фотолюминесценции
пигментов от длины волны возбуждающего света?
Люминесценция — нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им
энергии возбуждения. Фотолюминесценция — люминесценция, возбуждаемая светом. Форма
спектра фотолюминесценции пигментов
совершенно независима от длины волны
возбуждающего света, так как она зависит от свойств молекул, а именно допустимого уровня
поглощения молекулами света. Спектр фотолюминесценции - функция распределения
излучаемой веществом энергии по частотам или длинам волн. Подобно спектрам поглощения,
интенсивность и форма спектров фотолюминесценции у различных веществ различны.
Исходя из, этого можно сказать, что форма спектра фотолюминесценции не зависит от длины
волны возбуждающего света.
76. Объясните, почему снижение парциального давления кислорода во время облучения
уменьшает радиочувствительность живых организмов?
Это явление связано с кислородным эффектом.
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ в радиобиологии, защитное действие пониженного содержания
кислорода (гипоксии) в тканях и клетках при облучении живых организмов ионизирующей
радиацией. К. э. проявляется у всех живых организмов (растений, животных, грибов,
бактерий) и на всех уровнях их организации (субклеточном, клеточном, тканевом, органном и
органиэменном), значительно ослабляя все радиобиол. реакции (биохим.- нарушения,
мутации, угнетение роста и развития) и повышая выживаемость облучённых организмов.
Механизм защитного действия гипоксии объясняется тем, что при облучении в присутствии
О2 образуются перекисные радикалы, усиливающие действие излучений на жизненно важные
макромолекулы и структуры клеток или ослабляющие эффективность внутриклеточных
защитных веществ. Величина К. э. зависит от вида радиации и условий облучения.
Наибольший К. э. наблюдается при действии рентгеновских и гамма-лучей; с ростом
плотности ионизации К. э. уменьшается, а при действии наиб, плотно ионизирующих
излучений (напр., альфа-лучей) практически отсутствует. В нормально обводнённых активно
жизнедеятельных биол. объектах ослабление лучевого поражения имеет место только при
гипоксии во время облучения, в сухих объектах (покоящиеся семена растений, споры
бактерий) — и при гипоксии после облучения, во время перехода облучённых объектов к
активной жизнедеятельности (напр., при проращивании семян). К. э. находит применение в
лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и создавая гипоксические
условия в окружающих тканях, можно усиливать лучевое поражение опухолевых клеток,
одновременно уменьшая повреждение здоровых тканей.
77. Задача. Во сколько раз поперечное сечение аорты меньше суммарного поперечного
сечения капилляров, если скорость крови в капиллярах 0,5 мм/с, а в аорте 40 см/с.
78. Обоснуйте применимость закона Ома в биологии. Приведите эквивалентные схемы.
Биообъектам присущи пассивные электрические свойства, засчет сопротивления и емкости.
Акт электр. св-ва засчет проводимости.
З-н Ома: V=I*R
Электропроводность L — это величина, обратная сопротивлению R проводника:L=1/R;
Сопротивление выражается формулой: R = ρ* l/S;
где ρ — удельное сопротивление; l — длина проводника; s —сечение проводника.
При пропускании постоянного тока через живые ткани было установлено, что сила тока не
остается постоянной во времени, хотя прикладываемое напряжение не изменяется. Сила тока
после наложения разности потенциалов начинает непрерывно уменьшаться и через некоторое
время устанавливается на постоянном уровне.
Получается как бы отклонение от закона Ома, согласно которому при постоянной разности
потенциалов ток в проводнике тоже должен быть постоянным. Если бы в данном смысле
биологический объект подчинялся з-ну Ома, то наш график был бы представлен прямой
линией.
Уменьшение
тока во времени обусловлено явлениями поляризации, проходящими в
ткани.
При прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает
нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления — ЭДС
поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что и приводит
к уменьшению тока. ЭДС поляризации P (t) является функцией времени. Тогда закон Ома для
биологического объекта следует записать: I = V-P(t)/R
Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток-накапливать
заряды при прохождении через них тока, т. е. с емкостными, диэлектрическими свойствами
биологических объектов, обусловленными явлениями поляризации.
Так как биологические объекты обладают как проводимостью, так и емкостью, то
они будут характеризоваться как активным, так и реактивным сопротивлением.
Суммарное сопротивление объектов называется импедансом. Импеданс объектов
изменяется при изменении частоты тока, на котором производится измерение: при
увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается.
Электрическая модель биологического объекта может быть представлена в виде
различных комбинаций емкостей и сопротивлений — в виде различных эквивалентных
схем. Наиболее простыми являются эквивалентные схемы с последовательным(1) и па раллельным (2)соединением С и R .
Т а к ж е с у ще с т в у е т э к в с х е м ы с о с м е ж н ым с о е ди н е н и е м :
79. Задача: свет падает под углом полной поляризации на границу раздела двух сред.
Какой угол образуют между собой отраженный и преломленные лучи? Нарисуйте ход
лучей. ЭДС поляризации.
Степень поляризации отраженного пучка зависит от угла: при нормальном падении свет
полностью не поляризован, а при падении под углом, который называется углом полной
поляризации в, отраженный свет поляризован на 100%. Угол полной поляризации связан с
показателями преломления сред по обе стороны границы их раздела соотношением tg в =
n1/n2. где п1 - показатель преломления среды, в которой распространяется луч, а n2 показатель преломления среды, лежащей по другую сторону отражающей границы. Угол
полной поляризации называют также углом Брюстера. при данном угле падения отраженный
и преломленный лучи образуют прямой угол. На рисунке ниже изображено отражение луча
света, падающего под углом Брюстера .
т.е. Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха
и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется в распространяется во второй среде.
Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин),
убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при
поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и
ослабевает (полного гашения не наблюдается!). в отраженном луче преобладают колебания,
перпендикулярные плоскости падения (на рис. они обозначены точками), в преломленном —
колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).
ЭДС поляризации.
Процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование
вследствие этого ЭДС, направленной против внешнего поля наз. поляризацией.
где а- значение тока при отсутствии поляризации, б- при поляризации
Уменьшение тока со временем обусловлено явлениями поляризации, проходящ в ткани. при
прохождении пост тока ч/з биосистему в ней возникает нарастающая до некоторого предела
ЭДС противополож направления- ЭДС поляризации, к-рая уменьшает приложенную к
объекту эффективн ЭДС что и приводит к уменьшению тока. ЭДС Р(t) поляризации является
функцией времени.Р (t)
- ЭДС поляризации, которая возникает в результате
поляризационных явлений как на электродах, так и внутри ткани на полупроницаемых
и непроницаемых для ионов перегородках. ЭДС поляризации со временем возрастает, а
ток в тканях уменьшается и при длительном воздействии становится равным нулю
Возникновение ЭДС поляризации связано со способностью живых клеток накапливать
заряды при прохождении ч/з них токи .
80. Задача: ЭДС поляризации при действии постоянного тока. Нарисуйте график
коэффициента дисперсии поляризации.
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ – это свойство живого тела
пропускать электрический ток под воздействием электрич. поля. Обусловливается наличием в
теле носителей тока — электрический зарядов, способных к передвижению. Биологич. ткань
состоит из клеток и межклеточного пространства, заполненного электролитом. Она способна
оказывать высокое сопротивление электрич. току, имеет небольшую электропроводность за
счет эффекта поляризации, т. е. возникновения в тканях под влиянием тока вторичной
электродвижущей силы обратного знака. Живая ткань ведет себя как конденсатор,
заряжающийся при прохождении тока. Это происходит в основном благодаря наличию
большого количества полупроницаемых мембран, по обе стороны которых находятся
свободные ионы. Под действием тока часть ионов накапливается с одной из сторон
мембраны, и возникает поляризация. Поэтому живые ткани можно отнести к типу
полупроводников или диэлектриков. Сопротивление живых тканей складывается из
омического и емкостного сопротивлений и называется импедансом. Явление поляризации
наиболее выражено при измерении сопротивления на постоянном токе. В начальный момент
оно небольшое, затем резко увеличивается. При измерении сопротивления на переменном
токе с увеличением частоты пропускаемого тока поляризация уменьшается. При этом часть
заряженных частиц, способных к движению или ориентации в зависимости от частоты,
успевает поворачиваться или передвигаться, тем самым участвуя в проведении тока и
накоплении зарядов; омическое сопротивление практически не меняется. На очень высокой
частоте поляризация полностью исчезает. Таким образом, с уменьшением частоты
уменьшается и импеданс.
Дисперсия электропроводности - это явление зависимости полного (удельного)
сопротивления живой ткани от частоты переменного тока. Количественно оценка дисперсии
проводиться по коэффициенту дисперсии (К). Коэффициент дисперсии это безразмерная
величина, равная отношению низкочастотного (102) полного (или удельного) сопротивления к
высокочастотному (106 Гц).
Z1 – полное сопротивление на частоте 102 Гц
Z2 – полное сопротивление на частоте 106 Гц
r1, r2 - удельное сопротивление на этих частотах
При отмирании тканей поляризация исчезает, коэффициент поляризации становится равным
примерно 1. С помощью этого коэффициента можно оценивать степень обратимых и
необратимых нарушений в организме.
там где скачки – α,β,γ соответственно
81 Задача: Приведите общую схему фотобиологических процессов. Приведите примеры.
Процессы, происходящие в биологических системах при поглощении лучистой энергии,
называются фотобиологическими. Все фотобиологические процессы делятся на 3 основные
группы:
1.Процессы фотосинтеза биологически важных соединений за счет поглощаемой организмом
солнечной энергии. Пример – фотосинтез у растений. Фотосинтез углеводов является
единственным биологическим процессом, при котором происходит увеличение свободной
энергии всей биологической системы.
2. Процессы, не связанных с увеличением энергии системы и химическим синтезом.
Примеры:
Зрение у животных - превращение световой энергии в энергию нервного импульса в
сетчатке глаза или аналогичных фоторецепторах,
Фототаксис – движение организмов, например бактерий , к свету или от него.
Фототропизм – поворот листьев или стеблей растений к свету или от него.
3. процессы, результатом которых является поражение живой структуры, деструкция
биологически важных соединений.
В основе всех ф.п. лежат фотохимические реакции. Основные:
Фотоионизация – выбивание электрона квантом излучения за пределы молекулы. Образуются
ионы и своб.радикалы.
Фотовосстановление и фотоокисление – перенос электрона с одной молекулы на другую.
Одна молекула при этом окисляется, а др. – восстанавливается.
Фотодиссоциация – процесс распада молекулы а ионы под действием кванта излучения
Фотоизомеризация – измененме пространственной конфигурации молекулы под действием
света.
Фотодимеризация – образование хим.связи между мономерами при действии фотонов света.
Любая фотохим. Р-я протекает в 2 стадии:
1.Световая – поглощение кванта молекулой. Молекула переходит в возбужденное состояние
A + hv → A* (A в возбужденном состоянии), где А – молекула вещ-ва, поглощающая свет
(напрм – молекула пигмента), A* - та же мол-ла в возбужд.состоянии.
2.Темновая. Образовавшиеся первичные восстановители и первичные окислители – радикалы
–содержат неспаренные электроны на внешн.орбитах и обладают высокойхим.активностью.
Т.о., всякий фотобиологический процесс можно представить следующей схемой: поглощение
квантов – фотохим. Р-и – хим. и биохим.р-и – физиологический акт. В качестве физиол.актов
можно назвать следующие: выделение кислорода при фотосинтезе, движение листьев
навстречу солнцу, реакция животного на освещение.
82. Задача: Приведите схему и объясните принцип действия гелий-неонового лазера.
Гелий-неоновый лазер — лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона.
Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.
Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1,
находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением. Энергия накачки подаётся от двух
электрических разрядников с напряжением около 1000В, расположенных в торцах колбы.
Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной
стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на
выходной стороне устройства.
Принцип действия
В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбуждённые атомы обоих элементов.
При этом оказывается, что энергии метастабильного уровня гелия 1S0 и излучательного
уровня неона 2p55s ² оказываются примерно равными. Передача возбуждения между двумя
этими состояниями происходит в следующем процессе: He* + Ne + ΔE → He + Ne*
и её эффективность оказывается очень большой (где (*) показывает возбуждённое состояние,
а ΔE — различие энергетических уровней двух атомов.) Недостающие 0.05 эВ берутся из
кинетической энергии движения атомов. Заселённость уровня неона 2p55s² возрастает и в
определённый момент становится больше чем у нижележащего уровня 2p53p². Наступает
инверсия заселённости уровней — среда становится способной к лазерной генерации.
При переходе атома неона из состояния 2p55s² в состояние 2p53p² испускается излучение с
длиной волны 632.816 нм. Состояние 2p53p ² атома неона также является излучательным с
малым временем жизни и поэтому это состояние быстро девозбуждается в систему уровней
2p53s а затем и в основное состояние 2p6 — либо за счёт испускания резонансного излучения,
либо за счёт соударения со стенками.
При правильном выборе зеркал резонатора можно получить лазерную генерацию и на других
длинах волн: тот же уровень 2p55s² может перейти на 2p54p² с излучением фотона с длиной
волны 3.39 мкм, а уровень 2p54s², возникающий при столкновении с другим метастабильным
уровнем гелия, может перейти на 2p53p², и спустя при этом фотон с длиной волны 1.15 мкм.
Также возможно получить лазерное излучение на длинах волн 543,5 нм (зелёный), 594 нм
(жёлтый) или 612 нм (оранжевый).
Полоса пропускания, в которой сохраняется эффект усиления излучения рабочим телом
лазера, довольно узка, и составляет около 1,5 ГГц, что объясняется наличием допплеровского
смещения. Это свойство делает гелий-неоновые лазеры хорошими источниками излучения
для использования в голографии, спектроскопии, а также в устройствах считывания штрихкодов.
83.Задача. Какие методы используют врачи
для того чтобы продлить
продолжительность периода клинической смерти.
Клиническая смерть — это период после прекращения сердечной деятельности и дыхания,
когда еще жива кора головного мозга, или другими словами, когда еще можно достигнуть
полного восстановления всего организма. На продолжительность клинической смерти может
влиять ряд факторов, таких, как общее состояние организма, температура окружающей
среды и т. д.
Наиболее разработанным современным методом продления клинической смерти является
охлаждение тела, т.е. снижение температуры тела ниже постоянной. Температуру снижают
максимум на 2 градуса, т.е. мах до 34 градусов.
Холод оказывает спасительное действие на человека. Т.е. охлаждают помещение при помощи
вентиляций, прикладывают лед на тело, охлаждают оборудования. При понижении
температуры обмен веществ замедляется, а значит, уменьшается и потребление кислорода в
тканях (известно, что некоторые клетки организма долго существовать без кислорода не
могут, следовательно при снижений температуры потребность кислорода в этих клетках
уменьшается), и клиническая смерть может длиться намного дольше.
Также кроме охлаждения применяют другие методы: искусственное дыхание,
кровообращение, но основным является – метод охлаждения. Но большую роль играет
аппараты жизнеобеспечения.
84. Задача: Распределение ионов на клеточных мембранах. Напишите формулу для
равновесия Доннона.
В состоянии покоя внеклеточная концентрация ионов Na+ и Cl— выше внутриклеточной,
тогда как ионы K+ и А— (органические ионы) имеют более высокую концентрацию внутри
клетки. Органические анионы никогда не покидают внутриклеточной области, а ионы Cl — в
большинстве нейронов относительно свободно проходят через мембрану. Распределение
ионов по обеим сторонам клеточной мембраны определяется действием трех факторов.
1. это относительная проницаемость мембраны для каждого вида ионов.
2. это градиент концентрации каждого вида ионов
3. это электродвижущая сила, создаваемая разделением зарядов. Т.к. внутренняя область
клетки отрицательно заряжена относительно ее наружной поверхности имеет место низкая
внутриклеточная концентрация Na+. Катионы натрия хлынули бы в клетку, будь ее мембрана
легко проницаемой для Na+. Но в состоянии покоя Na+ проникает в клетку, потому что
концентрация ионов натрия выше снаружи, чем внутри клетки, а электродвижущая сила,
создаваемая внутриклеточным отрицательным потенциалом относительно наружной
поверхности мембраны, ускоряет движение этих катионов внутрь. Однако таких каналов,
через к-рые могли бы пройти ионы Na+, крайне мало, а те катионы, к-рым удается попасть
внутрь клетки, активно изгоняются обратно. Катионы калия стремятся покинуть
внутриклеточную область, следуя их градиенту концентрации, но электродвижущая сила
противодействует этому перемещению. Множество ионов K+, покидающих клетку,
возвращаются во внутриклеточную область благодаря работе Na+— K+ насоса.
Малочисленность открытых мембранных каналов и работа насоса обеспечивают поддержание
избытка внеклеточных ионов натрия и внутриклеточных ионов калия. Обозначим кол-во
веществ, перешедших в клетку X, тогда после перераспределения электролита: в клетке: [R-]
= C1; [Na+] = C1+X; [Cl-] = X. Вне клетки: [Na+] = C2 – X; [Cl-] = C2 – X. Переход ионов
электролита осуществляется до тех пор пока установится ионное равновесие, т.е.
произведения конц-ий ионов по обе стороны мембраны должны быть равны: [Na+]кл. [Cl-]кл.
= [Na+]вне кл. [Cl-]вне кл. (C1 + X) X = (C2 – X)( C2 – X), откуда
мембранного равновесия Доннана.
— уравнение
85. Задача: Электромагнитные поля внешней среды и их спектр. Приведите схему
примера.
Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в
пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть,
взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).
Электромагнитное излучение подразделяется на радиоволны, инфракрасное излучение,
видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и жесткое (гаммаизлучение)
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В
вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел, поглощающих или испускающих
электромагнитные волны) электромагнитное излучение распространяется без затуханий на
сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в
пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).
86. Задача: Укажите признаки лучевой болезни, возникающие у человека при действии
радиации.
Лучевая болезнь возникает в результате воздействия на организм человека ионизирующего
излучения.
Клинические проявления болезни зависят от суммарной дозы излучения, а также от ее
распределения во времени и в теле человека. В зависимости от характера пространственного
распределения дозы различают лучевую болезнь, вызванную равномерным, местным и
неравномерным облучением, а по распределению дозы во времени — острую и хроническую
лучевую болезнь. Развитие болезни может быть обусловлено как внешним облучением, так и
воздействием радионуклидов, поступивших в организм.
Острая лучевая болезнь у человека развивается при кратковременном (от нескольких минут
до 1—3 дней) облучении всего тела в дозе, превышающей 1 Гр. Может возникать при
нахождении человека в зоне действия излучения или выпадения радиоактивных осадков,
использовании общего облучения в лечебных целях.
Основные проявления острой лучевой болезни определяются поражением кроветворения с
развитием аплазии костного мозга и обусловленными цитопенией осложнениями —
геморрагическим синдромом, инфекционными поражениями органов, сепсисом; потерей
белка, тяжелой интоксикацией вследствие массивной деструкции радиочувствительных
тканей (костного мозга, тонкой кишки, а также кожи — при обширном поражении
слабопроникающим внешним бета-излучением); непосредственным поражением ЦНС с
нарушением ее функций, особенно центральной регуляции кровообращения и дыхания. В
соответствии с этим выделяют костномозговую, кишечную, токсемическую, нервноцеребральную и переходные между ними формы острой лучевой болезни, возникающие
соответственно после общего облучения в следующих диапазонах доз: 1 — 10, 10 — 50, 50—
100 и более 100 Гр.
Острая лучевая болезнь легкой (I) степени возникает при воздействии ионизирующего
излучения в дозе 1—2,5 Гр. Умеренно выраженная первичная реакция (головокружение,
редко—тошнота) отмечается через 2 —3 ч после облучения. Латентная фаза продолжается
25—30 сут.
Острая лучевая болезнь средней (II) степени развивается при воздействии ионизирующего
излучения в дозе 2,5 — 4 Гр. Первичная реакция (головная боль, тошнота, иногда рвота)
возникает через 1 —2 ч. Возможно появление эритемы кожи. Латентная фаза продолжается
20 — 25 сут.
Острая лучевая болезнь тяжелой (III) степени наблюдается при. воздействии ионизирующего
излучения в дозе 4 — 10 Гр. Первичная реакция возникает через 30 — 60 мин и резко
выражена (повторная рвота, повышение температуры тела, головная боль, эритема кожи).
Длительность скрытой фазы не превышает 10 —15 дней. В разгаре болезни отмечаются
выраженная лихорадка.
Острая лучевая болезнь крайне тяжелой (IV) степени возникает при воздействии
ионизирующего излучения в дозе более 10 Гр. Симптоматика обусловлена глубоким
поражением кроветворения
Хроническая лучевая болезнь может возникать при мощности дозы более 0,005 Гр в день и
накоплении за относительно короткий срок суммарной дозы излучения.
87. Предложите методы реабилитации при гиподинамии у человека.
Гиподиномия (пониженная подвижность)— нарушение функций организма (опорнодвигательного аппарата, кровообращения, дыхания, пищеварения) при ограничении
двигательной активности, снижении силы сокращения мышц. Распространённость
гиподинамии возрастает в связи с урбанизацией, автоматизацией и механизацией труда,
увеличением роли средств коммуникации. Гиподинамия является следствием освобождения
человека от физического труда, её ещё иногда называют «болезнью цивилизации». Особенно
влияет гиподинамия на сердечно-сосудистую систему — ослабевает сила сокращений сердца,
уменьшается трудоспособность, снижается тонус сосудов. Негативное влияние оказывается и
на обмен веществ и энергии, уменьшается кровоснабжение тканей. В результате
неполноценного расщепления жиров кровь становится «жирной» и лениво течёт по
сосудам, — снабжение питательными веществами и кислородом уменьшается. Следствием
гиподинамии могут стать ожирение и атеросклероз. При гиподинамии, вызванной острым
или хроническим заболеванием, необходимо прибегнуть к медицинской помощи. В клиниках
нервных болезней и ортопедии проводится комплексное восстановление организма после
периода гиподинамии, — при участии невролога, ортопеда, диетолога, массажиста и
инструктора лечебной физкультуры (ЛФК). Индивидуальные занятия ЛФК, в сочетании с
аппаратной физиотерапией, массажем, программа питания, — помогают восстановить
мышечный тонус, способствуют нормализации массы тела, стабилизируют работу
внутренних органов.
88. Задача: Приведите примеры открытых биофизических (термодинамических) систем
в природе.
Открытой называется система, которая свободно обменивается энергией и веществом с
окружающей средой. Примеры открытых систем — люди, животные, растения, водоемы.
89. Задача: Предложите примеры закрытых биофизических (термодинамических)
систем в природе.
Закрытая система- это система, которая обменивается с окружающей средой только
энергией. Эта система применима к биологич. системам. Примером этой системы являются
герметично упакованные продукты, а также в природе цисты.
90. Задача: Приведите дипольную структуру молекул воды и раскройте роль
гидрофобных взаимодействий на мембране.
Каждая молекула воды имеет 4 водородных связи между соседними молекулами. Это рыхлая
структура. Существует несколько моделей структуры воды:
I. Разработана Айзенбергом и Кауцманом. Особое внимание обращается на масштаб времени
наблюдения за структурой. Удалось обнаружить 3 структуры воды:
1)если сделать снимок с длительностью экспозиции намного меньше, чем период колебаний
молекул воды (<<кол=2*10., –13c), то мы регистрируем М-структуру, которая
характеризуется малой упорядоченностью.
2) если продолжить >>кол., но намного меньше времени вращения тел диффузии t=10 –5 с, то
удается пронаблюдать К-структуру. Она характеризуется упорядоченным расположением
молекул воды, но случайностью ориентации.
3)при >>периода вращения диффузии получается Д-структура. Она характеризуется
регулярным расположением молекул воды и их правильной, закономерной ориентацией.
II. Кластерная модель Шерага. Жидкая вода состоит из отдельных молекул и структурно
связанных кластеров. Кластеры постоянно распадаются и возникают вновь. Это создает
усредненное окружение для каждой отдельно взятой молекулы воды, - слабо учитывает
молекулы воды в молекулярных группах.
III. Модель Самойлова: рассматривает структурные изменения воды при различных
температурах. Предположим, что во время таяния льда, оторвавшаяся молекула воды
заполняет пустоты кристаллической решетки, при этом увеличивается удельный вес.
Максимальный удельный вес воды наблюдается при +40С, при более высокой t0 происходит
увеличение амплитуды колебаний молекул воды, увеличение занимаемого ею объема и
снижению плотности. Гидрофобное взаимодействие - неспецифическое притяжение,
возникающее в молекуле белка между радикалами гидрофобных аминокислот - вызывается
силами Ван-дер-Ваальса и дополняется выталкивающей силой воды. Неполярный участок
препятствует образованию водородных связей между молекулами воды. Это приводит к
уменьшению энтропии в системе и увеличению свободной энергии, так как происходит
уменьшение числа степеней свободы у молекул воды, находящихся в контакте с неполярным
участком. Далее происходит самопроизвольный процесс сближения гидрофобных участков
для уменьшения поверхности их соприкосновения с молекулами воды. Таким образом,
гидрофобные взаимодействия обусловлены эволюцией белка к стационарному состоянию с
минимальной площадью контакта гидрофобной части с молекулами воды. В белках наиболее
гидрофобные остатки образуют "гидрофобное ядро", окружённое гидрофильными остатками.
Гидрофобные взаимодействия играют существенную роль в формировании биоструктур,
представляя собой один из основных факторов их стабилизации. В самом деле, эффект
взаимодействия полярных групп белка с полярными молекулами воды связан с
преобладанием полярных аминокислотных остатков на поверхности белковой глобулы.
Однако наряду с этим возможно и взаимодействие посредством водородных связей полярных
пептидных связей (NH---OC), принадлежащих разным участкам цепи внутри глобулы. Так
как энергия водородных связей между пептидными связями в белке и между ними и водой
примерно одинакова, это должно было бы приводить к рыхлой структуре макромолекулы в
водном растворе. Однако реально существующая структура упорядочена и компактна и в
основном определяется именно гидрофобными взаимодействиями. групп.