Роль биофизики и физики в теоретическом развитии биологии и ветеринарных дисциплин

Введение

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

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

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

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

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

1. Термодинамика и биоэнергетика

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

Первое начало термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия.

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

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

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

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

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

Энергетика солнечного спектра. Удельная поверхность и теплопотери организма.

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

Блок-схема установки для вакуум-сублимационной сушки.

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

2. Механика и биомеханика

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Действие вибраций на живой организм

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

4. Акустика

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

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

5. Гидродинамика и гемодинамика

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

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

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

Сердце как механический насос. Уравнение Бернулли.

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

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

6. Электричество и магнетизм

Электродинамика и физические основы электрофизиотерапии и диагностики.

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

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

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

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

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

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

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

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

Электромагнитная индукция. Основной закон электромагнитной индукции. Взаимная индукция. Самоиндукция. Вихревые токи. Энергия магнитного поля.

Действие переменного магнитного поля. Индукция вихревых токов в живой ткани и физические характеристики явлений, ее сопровождающих. Физические основы индуктотермии.

Переменный электрический ток. Параметры. Синусоидальные и несинусоидальные токи. Индуктивность и емкость в цепях переменного тока. Полное сопротивление цепи. Резонанс токов и напряжений. Электрический фильтр.

Действие переменного электрического тока на живую ткань, живой организм. Действие импульсного тока. Характеристика электрических импульсов. Закон Дюбуа-Реймона. Первичный механизм раздражающего действия импульсного тока. Уравнение Вейса-Лапика. Методы электротерапии с использованием импульсных токов (физические основы методов): электростимуляция, диадинамические токи.

Действие переменного синусоидального тока. Отличия первичного физического механизма действия синусоидального тока от действия постоянного тока. Электрические свойства живой ткани в зависимости от частоты тока. Тепловое и раздражающее действия тока.

Физические основы диаметрии, дорсанвализации, диатермогомии, диатермокоагуляции.

Поражающее действие электрического тока и его первичный биофизический механизм. Значение величины тока и его частоты. Критерии поражающего действия тока: порог ощутимого тока и порог неотпускающего тока.

Электромагнитные колебания и волны. Свободные электромагнитные колебания. Понятие о теории Максвелла. Ток смещения. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных излучений.

Действие электромагнитного поля на живую ткань. Корректность раздельного рассмотрения действия магнитной и электрической составляющих электромагнитного поля.

Действие переменного электрического поля. Тепловые и специфические эффекты и их зависимость от частоты поля. Поляризационные явления и диэлектрические потери в живой ткани. Физические основы УВЧ-терапии и импульсной УВЧ-терапии.

Действие электромагнитного поля. Особенности совместного действия обеих составляющих электромагнитного поля. Физические принципы СВЧ-, ДЦВ - и КВЧ - терапии.

Электромагнитные поля организма млекопитающего. Электромагнитные поля организма и их источники. Классификация явлений. Излучение в СВЧ - и ИК-диапазонах. длинноволновая и коротковолновая части теплового излучения организма. Энергетический спектр теплового излучения тела млекопитающего. Тепловизоры. Перспективы использования тепловидения в ветеринарной медицине.

СВЧ-радиометрия. Магнитные поля организма и проблемы их изучения. Магнитоэнцефалография и магнитография.

Низкочастотные электрические поля организма. Биопотенциалы. Клеточные биопотенциалы и способы их регистрации. Потенциал покоя и потенциал действия. Тканевые биопотенциалы. Электрические параметры биопотенциалов.

Электрография. Методы электрографии: электрокардиография, регистрация кожно-гальванических потенциалов, электроретинография.

Общие физические принципы методов электрографии. Аналоговое моделирование работы электрических активных органов. Понятие об "эквивалентном электрическом генераторе". Эквивалентный токовый генератор и эквивалентный токовый электрический диполь и их реальная физическая модель. Потенциалы поля и изопотенциальные линии токового диполя.

Физические основы электрокардиографии. Теория отведений В. Эйнтховена. Интегральный электрический вектор сердца. Треугольник Эйнтховена. Электрокардиограмма, ее параметры, их физический смысл.

Физические основы электроэнцефалографии. Принципы регистрации электрической активности мозга. Виды электрической активности. Физические параметры альфа - и бета-ритмов, их первичное происхождение.

7. Свободнорадикальные процессы

Физика свободных радикалов. Открытие свободных радикалов Гомбергом в 1900 г. Зеемановское расщепление как механизм первичного действия постоянного магнитного поля. Эффект Е. Завойского - парамагнитный резонанс как механизм первичного действия электромагнитных излучений ММ - и СМ - диапазона. Законы Н.И. Семенова: о неуничтожимости валентности и разветвления цепных химических реакций горения и взрыва. Работы Н.М. Эмануэля по изучению цепных реакций в жидкой фазе.

Свободные радикалы в биологии. Открытие Э. Михаэлисом одноэлектронных переходов и свободнорадикальных ферментативных процессов. Открытие Б.Н. Тарусовым (1954) неферментативного свободнорадикального окисления ненасыщенных жирных кислот в тканях живых организмов. Иерархия прочностей связей и этапы неферментативного свободнорадикального окисления ненасыщенных жирных кислот. Свободнорадикальные патологии: катаракта, отечная болезнь, авитаминоз Е. лучевое поражение. Обнаружение-А. Журавлевым-в--1961 г. системы тканевых биоантиокислителей и суммарной антиокислительной активности (АОА) тканей животных. Физико-химические тесты и клинические симптомы свободнорадикальной патологии. Генерация супероксиданион радикала в дыхательной цепи и его роль при фагоцитозе.

Влияние интенсивности свободнорадикального окисления на скорость роста, пролиферацию, ожирение, старение, воспроизводительную способность, его роль при стрессе.

8. Оптика

Природа света. Геометрическая оптика. Основные фотометрические величины. Природа света. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение и использование этого явления в оптических приборах. Световоды и их применение в ветеринарии. Рефрактометры. Тонкие линзы. Сферическая и хроматическая аберрации линз, астигматизм, дисторсия. Основные фотометрические величины: световой поток; сила света; освещенность; яркость; светимость. Единицы измерения фотометрических величин в системе СИ. Фотометрия в животноводстве и ветеринарии.

Волновая оптика. Интерференция и дифракция света. Интерференция. Принцип Гюйгенса-Френеля. Когерентные источники света. Опыт Юнга. Кольца Ньютона. Интерференция в тонких пленках. Дифракция света. Дифракция на круглом отверстии, на щели и на дифракционной решетке. Опытное определение длины световой волны. Разрешающая способность оптических приборов.

Дисперсия света. Дисперсия. Спектр. Ход лучей в дифракционном призменном спектрофотометре. Спектроскоп. Типы спектров, эмиссионные и абсорбционные; линейчатые, полосатые и непрерывные как отражение состава вещества. Спектры поглощения различных форм гемоглобина. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения; источники, спектральные диапазоны и энергии квантов. Биологическое действие различных спектральных зон. Физические и биологические единицы измерения интенсивности, мощности и дозы облучения. Светофильтры, фотоэлементы, дозиметры.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Законы Брюстера и Малюса. Оптическая анизотропия. Двойное лучепреломление. Кристаллы-поляризаторы, призма Николя. Поляризационные светофильтры, поляроиды. Прохождение света через систему поляризатор-анализатор. Вращение плоскости поляризации света. Дихроизм. Круговой поляриметр. Оптически активные вещества. D - и L-изомеры. Сахарометрия. Поляризационный микроскоп. Анизотропные кристаллоподобные структуры в биополимерах.

Квантово-оптические явления. Тепловое излучение. Лучеиспускательная и лучепоглощательная способности тела. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Спектр излучения абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина. Квантовая теория излучения. Формула Планка. Теплоизлучение тела животного. Тепловизоры и приборы ночного видения.

Действие света на вещество и квантовая природа света. Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Вакуумный фотоэлемент. Фотоэлектронный умножитель.

Фотоэффект в полупроводниках. Полупроводниковые фотоэлементы и их применение. Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в биологии и ветеринарии.

Элементы фотобиологии. Основные стадии фотобиологического процесса. Поглощение света. Закон Бугера. Закон Бера. Понятие о колориметрии. Спектры поглощения. Люминесценция и ее виды. Фотолюминесценция. Правило Стокса. Сверхслабое свечение живых тканей. Люминесцентный анализ. Фотобиологические реакции.

Восприятие света. Оптическая система глаза. Разрешающая способность глаза, его спектральная чувствительность. Адаптация. Цветное зрение. Недостатки оптической системы глаза и их исправления.

9. Квантовые явления. Спонтанная биохемилюминесценция

Открытие Б.Н. Тарусовым в 1%1 г. прижизненного спонтанного сверхслабого свечения клеток, органов и тканей животных. Создание Л. Кубецким фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Блок-схема установки для измерения сверхслабых световых потоков классификация установок по чувствительности. Обнаружение А.И. Журавлевым в 1961 г. спонтанной хемилюминесценции липидов. Синтез электронных возбужденных состояний при распаде перекисей. Определение концентрации ЭВС и скорости распада

перекисей по значениям квантовых выходов: фотокатода, возбуждения, излучения органических соединений и доли квантов, попадающих на фотокатод из объекта. Тушители. Модели: для изучения спонтанной биохемилюминесценции; с активаторами Р.Ф. Васильева; двухфазная и вакуумная модели. Детекторы и первичные механизмы в терапевтическом действии магнитных и квантовых электромагнитных полей. Появление термина "Квантовая медицина". Биохемилюминесценция при фагоцитозе. Инициированная хемилюминесценция в хемилюминесцентных методах.

10. Элементы атомной физики

Рассеяние альфа-частиц и постоянство линейчатых спектров излучения и поглощения атомов, не взаимодействующих друг с другом, как основа планетарной модели Э. Резерфорда и постулатов Бора. Полная энергия электрона в атоме водорода. Главное квантовое число, определяющее отношение радиусов орбиталей и их энергетические уровни. Множественность квантованных энергетических состояний (уровней) и линий в спектрах, определяемых 4 квантовыми числами. Принцип исключения Паули. Люминесценция (hv = W) - W; =ДЕ) как проявление квантованности электронных уровней и выражение закона сохранения энергии. Типы спектров в зависимости от структуры вещества линейчатые, полосатые, непрерывные; и от энергетических уровней: электронные, колебательные, вращательные. Световое давление. Закономерности теплового излучения абсолютно черного тела по интенсивности - закон Стефана-Больцмана и по длине волны - закон Вина.

11. Основы ядерной физики

Свойства прогонов и нейтронов. Ядерные силы. Изотопы. Открытие Беккерелем естественной радиоактивности, а-, р- и у-излучения, их энергия и проникающая способность. Период полураспада. Осуществление Э. Резерфордом искусственной ядерной реакции. Кюри - единица активности радиоактивного элемента.

Энергия связи. Дефект массы атомного ядра. Реакция деления. Критическая масса. Реакция синтеза - термоядерная реакция. Критическая температура. Принципы методов регистрации радиоактивных излучений: фотоэмульсии, сцинтилляции, ионизации. Ядерная энергетика. Применение радиоактивных изотопов. Стимулирующее действие низких интенсивностей ионизирующей радиации. Стерилизующее и поражающее действие в биотехнологии и хирургии. Летальные и полулетальные дозы для животных (Грей. Рентген).