История научных институтов биологического профиля в России идет с конца ХIХ века и начинается с укусов бешеных собак. Под впечатлением от успеха прививок от бешенства, разработанных Пастером , в конце ХIХ века в Санкт-Петербурге был создан Институт экспериментальной медицины.

Биофизика в Советской России стала на какое-то время «баловнем судьбы». Большевики были одержимы обновлениям в обществе и демонстрировали готовность поддерживать новые направления в науке. Позже именно из этого Института вырос Институт физики Российской Академии наук.

В Советском Союзе власти были заинтересованы в проведении научных исследований «широким фронтом». Нельзя было пропустить ни одного из перспективных направлений, которые могли бы сулить в будущем военные или экономические преимущества. До начала 90-х годов государственная поддержка обеспечивала приоритетное развитие молекулярной биологии и биофизики. В 1992 году новые власти послали ученым недвусмысленный сигнал: зарплата научного сотрудника стала меньше прожиточного минимума. Многим биофизикам, не помышляющим прежде об эмиграции, пришлось уехать на Запад.

В первое время российская биофизика от «экономической» эмиграции пострадала незначительно. Развитие таких средств коммуникации, как электронная почта и интернет, позволило сохранить связи ученых с коллегами. Многие стали оказывать помощь своим институтам реактивами и научной литературой, продолжили исследования по «своим» темам. Из-за невозможности прожить на академическую зарплату уменьшился приток студентов в науку. Возник разрыв поколений, который теперь, после 15 лет перемен, начинает сказываться все сильнее: средний возраст сотрудников в некоторых лабораториях Академии наук уже превышает 60 лет.

Достижения и открытия

Российская биофизика не утратила ведущих позиций в ряде направлений, которые возглавляют ученые, получившие образование в 60-80-е годы ХХ века. Значительные открытия в науке сделаны именно этими учеными. Так, в качестве примера можно привести создание в последние годы новой науки - биоинформатики , основные достижения которой связаны с компьютерным анализом геномов . Основания этой науки были заложены еще в 60-е годы молодым биофизиком Владимиром Туманяном , который первым разработал компьютерный алгоритм анализа последовательностей нуклеиновых кислот .

Биофизик Анатолий Ванин еще в 60-е годы открыл роль оксида азота в регуляции клеточных процессов . Позже оказалось, что оксид азота имеет важное медицинское значение. Оксид азота является основной игнальной молекулой сердечно-сосудистой системы с. За исследование роли оксида азота в этой системе была присуждена Нобелевская премия в 1998 году. На основе оксида азота был создан самый популярный в мире лекарственный препарат для повышения потенции «Виагра».

Многие достижения в области биофизики связаны с открытой еще советскими учеными автоколебательной реакцией Белоусова-Жаботинского . Эта реакция дает пример самоорганизации в неживой природе, она послужила основанием для многих моделей модной ныне синергетики. Олег Морнев из Пущино недавно показал, что автоволны распространяются по законам оптических волн . Это открытие проливает свет на физическую природу автоволн, что также может считаться вкладом биофизиков в физику.

Одно из самых интересных направлений современной биофизики - анализ связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей белки. Это связывание лежит в основании явления «РНК-интерференции» . Открытие этого явления было отмечено в 2006 году Нобелевской премией. Мировое научное сообщество возлагает огромные надежды на то, что это явление позволит бороться со многими заболеваниями.

Важнейшим направлением молекулярной биофизики является изучение механических свойств одиночной молекулы ДНК . Развитие тонких методик биофизического и биохимического анализа позволяет следить за такими свойствами молекулы ДНК, как жесткость, способность к растяжению, изгибу и прочность на разрыв .

Традиционно сильны позиции российских биофизиков в области теории. Георгий Гурский и Александр Заседателев разработали еорию связывания биологически активных соединений с ДНК т. Они предположили, что в основании такого связывания лежит феномен «матричной адсорбции». Исходя из этой концепции, они предложили оригинальный проект синтеза низкомолекулярных соединений. Такие соединения могут «узнавать» определенные места на молекуле ДНК и регулировать активность генов.

Александр Заседателев успешно применяет свои разработки для создания отечественных биочипов , которые позволяют диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. Под руководством Владимира Поройкова был создан комплекс компьютерных программ , позволяющих предсказывать биологическую активность химических соединений по их формулам.

Если судить по финансовым показателям, то «пальму первенства» за наибольшие достижения следует отдать биофизику Армену Сарвазяну , который создал ряд уникальных разработок в области исследования организма человека с помощью ультразвука . Эти исследования щедро финансируются военным ведомством США: так, Сарвазяну принадлежат открытия связи между гидратацией тканей (степенью обезвоживания) и состоянием организма.

Мировоззренческие потрясения сулят открытия Симона Шноля : он обнаружил влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций . Речь идет о том, что известный закон Гаусса, или нормального распределения ошибок измерений. В реальности все происходящие процессы обладают определенными «спектральными» характеристиками, обусловленными анизотропией пространства.

Наиболее значимыми для всех людей, живущих на нашей планете, могут оказаться исследования биофизика Алексея Карнаухова . Его климатические модели предсказывают, что нас ожидает глобальное похолодание, которому будет предшествовать потепление . Течение Гольфстрим, которое согревает Северную Европу, перестанет приносить тепло из Атлантики из-за того, что встречное ему лабрадорское течение из-за таяния ледников и увеличения стока северных рек будет опресняться, благодаря этому станет легче и перестанет «подныривать» под Гольфстрим.

Исследования Роберта Бибилашвили из Кардиологического центра привели к значительным результатам в вопросах излечения ряда заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми. Оказалось, что своевременное вмешательство (впрыскивание в участки мозга больных, пораженных инсультом, фермента урокиназы) способно полностью снять последствия даже очень тяжелых приступов! Урокиназа - это фермент, который образуется клетками крови и сосудов и является одним из компонентов системы, препятствующей развитию тромбозов.

Из последних достижений зарубежных ученых можно отметить два: во-первых, группа американских исследователей из Университета Мичиган под руководством С.Дж. Вайса открыла один из генов, ответственных за «трехмерность» развития биологической ткани , во-вторых, ученые из Японии показали, что механические напряжения помогают создать искусственные сосуды. Японские ученые поместили стволовые клетки внутрь полиуретановой трубки и пропускали через трубку жидкость под переменным давлением. Параметры пульсирования и структуры механических напряжений были примерно теми же, что и в реальных человеческих артериях. Результат обнадеживает - стволовые клетки «превратились» в клетки выстилки кровеносных сосудов.

Биофизика (БФ), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов. Возникновение БФ -это прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. БФ – с лекции – это физическая химия; это химическая физика биолог. систем. Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте.

Живые огранизмы

Точки зрения: 1) эволюционисты (редукционисты): все био проц. можно свести к законам физики и химии; 2) антиэволюц. (антиредукционт.): нельзя свести.

Физ. методы достаточно грубые и ведут к разрушению биосист. (напр: воздействие током) => необходимо проникновение ч/з химию.

Методы: 1) Микроэлектронный. Для изуч. биоэлектр-ого потенциала. Принцип: отбир. объект (аксон кальмара). 2) Метод моделирования био мембран. Исп. искусственные мембраны: а) липосомы, б) бислойные био мембраны, в) протеолипосома. Изуч. процесс транспорта и св-ва биомембран. 3) оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.

Задачи БФ (проблемы) :

1. изучение вопросов связанных с возникнов., обменом, передачей Е в живых сист.

2. исслед. роли микроскопич. единиц, физ.-хим. структур в функционировании биосистем.

3. возн. и проведение нервн. импульсов.

5. действие ионизирующего излучения (на м-лы, органы, организмы).

7. проблема проницаемости кл. и тканей.

8. изуч. биолог. мембран: характер молек. мембран; возникнов. потенциала.

9. изуч. высокомол-ных соединений с т.зр. физики.

10. изуч. м-мов хранения и передачи насл. инфо.

11. автономность.

Разделы биофизики :

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем.

История: 1892- начали смотреть на био. с т.зр физики. Прорыв в конце 30х гг – первый институт БФ в СССР (лучистая Е и биосист., возникн. и провед. импульсов, биоэлектричество). 1953 – кафедра БФ в МГУ. 1974 – кафедра БФ в БГУ.

Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.

Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.

Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте; мышечное сокращение объяснялось работой пьезо элементов; рост клетки. Первоначально физика проникла в химию - необходимость объяснить как разл. соединения взаимод-ют в организме - физическая химия и химическая физика.

Сущ 2 лагеря современ. физики:

1) Редукционисты: Любой био процесс происх. в жив организме можно свести к суме хим., физ. и механич. процессов. Объяснение сложного ч/з более простое, непонятное ч/з известное. Зная св-ва отдельных элементов, сост. систему и особенности их взаимод-вия, можно вывести все свойства этой системы. Обр. более сложного уровня - это результат усложнения более простых. Иногда: попытки заменить исследова­ние реального объекта его упрощенной моделью. Достижение: предсказание существования планеты Нептун. Но как метод мышления не является универсальным. Неудача в биологии: не могут объяснить с этой т.зр. феномен жизни.

2) Антиредукционисты: Принцип качественной несводимости или био антиред., т.е. невозможность свести законы и принципы, управляющие живой материей к элементарной сумме физико-хим и мех. процессов процесс жизнедеятельности. Т.е. физико-матем. модели не м.б. адекватными, если в них не сод-ся элементы функциональной организации живых систем. Т.е. существует предел, после которого физические представления перестают быть самодостаточ­ным средством познания, а дальше определяющим фактором становятся некоторые био истины, без кото­рых уже не обойтись.

Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов.

Разделы биофизики : (и уровни такие же… наверно))))

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул, биополимеров и надмол-ных систем.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем. БФ мембранных процессов – св-ва био мембран и их частей; БФ фотобиол. процессов - воздействия внешних источников света на живые системы; радиационная БФ: влияния ионизирующего излучения на организм.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем - преобразования Е в живых структурах.

Современная БФ стремительно развивается, ее достижения способствуют переходу биологии на качественно более высокий молекулярный уровень исследования.

Не знаю, что сюда ещё, из Википедии, можно как направления: математическая БФ. Прикладная БФ: биоинформатика (хотя не является собственным разделом БФ, но очень тесно связана с ней); биометрия; биомеханика (функции и структура опорно-двигального аппарата и физ. движения биосистем); БФ эволюционных процессов; медицинская БФ; экологическая БФ.

Био объекты очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, кот. зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, кот. описываются законами ТД, электродинамики, квантовой и классической механики. С пом. корреляции физ. данных с биол-ми можно получить более глубокое понимание процессов в био объекте. Для получения инфо в био системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.

4. Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи. Практическое значение ТД в БФ исследованиях.

ТД – это н. о превращения Е. ТД - это н., изуч. наиболее общие закономерности превращения различных видов Е в системе.

Предмет ТД: Е; возникновение Е в живых сист.; взаимодейств. жив. сист. с окруж. средой. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют ТД параметры только в исходном и конечном состоянии.

Методы: статистический (но не даёт представление о процессе).

Направления: 1) изуч. и расчёт Е в состоянии покоя и при совершении работы. Изуч-ся и опр-ся КПД разл биол процессов. 2) изуч. динамических процессов в живых сист. (транспорт в-ва).

Значение: Позволяет оценить энергетические изменения, происх. в результате биохим. р-ций; рассчитать Е разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмот. давление по обе стороны полупрониц. мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в р-ре на растворимость макром-л. Применяется для описания процессов, происх. в электрохим. ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.

Предмет: изучение изменения баланса в системе живой организм - окружающая среда.

Выделяют 2 осн. направления использования термодинамики:

а) расчёт Е превращения в живом орг-ме и в отд системах орг и в состоянии покоя и при совершении работы. Определение КПД разл биол процессов.

б) Исследование живых организмов как отрытых т\д систем.

Термодинамика биологических процессов

1. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.

2. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле

Что такое биофизика

Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях человек опирается на науку и технику. Громадные радиотелескопы услышали "голос" далеких галактик, прочные батискафы помогли открыть на дне океана новый мир с невиданными животными, мощные ракеты вышли из сферы земного притяжения и открыли дорогу в космос...

Есть в окружающей нас природе еще одна "крепость". Это сама жизнь. Да, жизнь, живой организм, живая клетка - невидимый глазом комочек протоплазмы (или цитоплазмы) с ядром, заключенный в оболочку,- одно из самых загадочных явлений в мире. И эта "крепость" должна сдаться, мощное оружие - ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых клеток, проникая в самую сущность жизни.
Изучение человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки старых наук. Например, физика - одна из наиболее важных наук о природных явлениях - развилась так широко, что возникла потребность выделить новые, самостоятельные области - квантовую физику, ядерную, физику твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Процесс расширения и углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и таких разделов наук, которые изучают процессы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знания.
Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии, является биофизика, играющая особую роль в изучении свойств живой материи.
Биофизика - это наука о физических и физико-химических процессах и их регулировании в живом организме.
От биофизики в свою очередь отпочковываются новые науки, расширяющие горизонты человеческих знаний. Так выделилась радиобиология - наука о действии различных видов радиации на живые организмы; космическая биология - наука, изучающая особенности жизни в космосе; механохимия, исследующая взаимное превращение химической и механической энергии, происходящее в мышечных волокнах; совсем недавно возникла бионика, изучающая живые организмы с целью использовать принципы их работы для создания новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов.
Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах - молекулярной биофизике, клеточной и биофизике процессов управления.
Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей - теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом, взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия. Теоретическая биофизика изучает первичные явления и процессы, происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят ученые, веществах, т. е. на выделенных из живого организма или искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают основные процессы фотосинтеза, природу биопотенциалов, биолюминесценцию и другие явления.
Экспериментальная же (прикладная) биофизика изучает работу организма в целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической биофизики (биофизика движения, зрения, регулирования физиологических функций).
Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется молекулярной биофизикой. Этот отдел изучает свойства биологических молекул, физико-химические процессы, происходящие в чувствительных клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание уделяется при этом изучению свойств ферментов - белков, обладающих свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых организмах.
Благодаря успехам молекулярной биофизики люди узнали много нового о том, как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит передвижение молекул и ионов, как идет синтез белков, как запасается энергия в живых клетках. Молекулярная биофизика помогает в изучении фотосинтеза.
Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавливающие ее, создающие с ее помощью органическое вещество и тем самым дающие жизнь всему живому на Земле.
Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в клетках листа, - хлоропластах, содержащих растительные пигменты - хлорофилл и каротиноиды.
Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а затем и протон используется для восстановления углекислого газа до углеводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом по частям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же воды (его называют гидроксилом) разлагается особыми ферментами, образуя кислород, которым дышит все живое.
Мы рассказали очень сжато о фотосинтезе. На самом деле превращение световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в химическую энергию веществ, синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконечную цепь молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с одних молекул на другие, образуются и распадаются молекулы соединений, обладающие большой энергией, происходят сотни тысяч реакций.
Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и выяснению его деталей мы обязаны молекулярной биофизике.
Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист - это как бы миниатюрный "завод", вырабатывающий вещества, составляющие основу питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения потребляют в год громадные количества углекислого газа - 150 000 000 000 г! Если ученые разгадают до конца великую тайну зеленого листа, человечество получит самый быстрый и самый экономичный способ получения питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня дают человеку зеленые растения.
Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают в животных организмах, например в их органах чувств.
Одна из таких удивительных и необычайных страниц молекулярной биофизики - изучение запаха. Химики создали около 1 млн. органических соединений, и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может различать несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно исключительно малых количеств, чтобы их ощутить, - всего миллионные и миллиардные доли миллиграмма на литр воды (например, таких веществ, как скатол, тринитробутилтолуол, [достаточною-7-Ю-9 мг/л).
Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например, различают около полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно собаки-ищейки) чувствовать нужный запах, даже если он ничтожно слаб. Стоит человеку только чуть-чуть прикоснуться к предмету - и собака уже может определить, кто это сделал. Известны случаи, когда натренированные собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под землей на глубине 2-3 м.
Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают пахучее вещество при его неизмеримо малом содержании-10" мг/л. Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. м3 воды! Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких километров. Расчеты показывают, что в таком случае бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 мг воздуха. Как это происходит, остается пока загадкой. Некоторые ученые предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные волны, энергия которых воспринимается чувствительными клетками насекомых и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях.
Недавно внимание биофизиков привлекла необычная способность некоторых видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапками какого-либо вещества, мгновенно производит точный химический анализ. Механизм этого явления неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках определяют "вкус" вещества электромагнитным путем!
Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различия в чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных, рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установлено, что имеется несколько основных (6-7) запахов, сочетаниями которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятельных клеток, воспринимающих запах. В клетках есть молекулярные по размерам углубления строго определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих веществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса - диска и т. д.). Попадая в "свое" углубление, молекула раздражает нервные окончания и создает ощущение запаха.
Даже из краткого рассказа видно, что существует тесная связь между изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологических молекул, а также те системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая исследует свойства и функционирование клеток - выделительных, сократительных, обонятельных и др.
Развитию биофизики клетки, о которой мы сейчас расскажем, во многом способствовало изобретение электронного микроскопа. Применение электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о их внутреннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом сразу открылся новый мир ультрамикроскопических (самых мельчайших) клеточных структур. Электронные микроскопы позволили увидеть различной толщины мембраны, мельчайшие трубочки, в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, канальцы. Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры - митохондрии, хлоропласты - тоже имеют довольно сложное строение. Стало ясно, что любая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно.
Особенно поразило исследователей многообразие структурных элементов. Например, в нервной клетке находится до 70 тыс. частиц - митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотни тысяч самых мелких частиц - рибосом, создающих белковые молекулы.
Самое удивительное то, что в любой маленькой клеточке живого организма происходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых веществ и выделение ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим клетки выполняют специальные функции: клетки сетчатки глаза определяют силу и качество света, клетки слизистой оболочки носа определяют запах веществ, клетки различных желез выделяют особые вещества - ферменты, способствующие пищеварению, и гормоны, помогающие росту и развитию организма.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки сообщают нервными электрическими импульсами в головной мозг - главный координирующий центр. Как клетки получают необходимые сведения из окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах-импульсах, как образуются биологические потенциалы в клетках, какова связь с головным мозгом - все эти и многие другие вопросы изучает биофизика клетки.
Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно известно, что многие живые организмы обладают способностью к свечению - люминесценцией. Сильно свечение многих обитателей морей - рыб, губок, звезд и т. д. Но оказывается, клетки любых организмов обладают люминесценцией - так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь ничтожен, что обнаружить его могут лишь особые приборы - фотоэлектронные умножители, способные в миллионы раз усиливать падающий световой поток. Сверхслабое свечение наблюдается в корешках и листьях растений, в клетках различных органов животных. Сверхслабое свечение присуще всем клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических реакций, протекающих в клетках.
Ученые выяснили, что сверхслабое свечение имеет свои особенности у различных групп животных, насекомых и растений. По интенсивности сверхслабого свечения биофизики уже сейчас могут определить засухо- и морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем самым помочь селекционерам и физиологам растений в выведении нужных сортов.
Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них реакции, несмотря на их сложность, протекают с удивительной правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма изучает возникший совсем недавно отдел науки - биофизика процессов управления и регуляции.
Расскажем о работе этого отдела на следующем примере. Каждый орган человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа - так называемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка занимает площадь не более 4 с но содержит чуть ли не 500 млн. обонятельных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., и далее в мозг. Отделы мозга - полушария головного мозга - содержат 2 1010 клеток, а в мозжечке их еще больше-10й. Даже] трудно себе представить, какой поток информации получает мозг каждую секунду от всех органов и тканей.
Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов, должны быть правильно расшифрованы, затем необходимо принять соответствующие "решения" и передать ответные сигналы - указания о том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы в целом в определенных условиях. Ясно, что в центральную нервную систему поступают тысячи разнообразных сигналов из внешней среды в виде звуков, света, запахов и пр. Таким образом, | мы видим, насколько сложны взаимосвязи в любом организме, как сложна работа по управлению клетками, регулированию их состояния, контролю за согласованностью всех жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на законы, открытые другой наукой - кибернетикой. Пользуясь ее методами, биофизики, изучающие процессы управления и регулирования, разработали электронные модели живых организмов, органов, клеток и даже отдельных процессов, происходящих в этих клетках. Такие электронные модели (например, электронная черепаха, электронная нервная клетка, электронная модель процесса фотосинтеза) облегчают изучение всех | сложных явлений регуляции в живом организме.
Биофизики, изучающие регуляцию и управление в живом организме, выяснили, что как клетки, так и органы живых организмов представляют собой систему, обладающую удивительным свойством. Клетки и органы, как говорят биофизики,- это САМО-регулирующиеся, САМОорганизующиеся, САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы, т. е. вся их работа, необычные качества и свойства, характеризующие их, постоянство состава среды внутри них и выполняемой ими работы - все обусловлено процессами, протекающими в них самих.
Чтобы немного подробнее представить себе работу биофизиков, расскажем об одном интересном направлении, возникшем на основе биофизики и уже оформившемся в самостоятельную биофизическую науку - бионику.
Это наука, которая изучает живые организмы для создания совершенных искусственных систем, машин и приборов. Результаты исследований биоников показали, что инженерам-конструкторам всех специальностей есть чему поучиться у природы. Вот несколько примеров.
В конструкцию современных электронных вычислительных машин входит большое количество различных деталей (полупроводниковые диоды, триоды, сопротивления, конденсаторы и т. д.). Размеры электронных вычислительных машин зависят от того, сколько таких деталей (элементов) находится в 1 см3 машины. Чем больше рабочих элементов в 1 см3 (так называемая плотность монтажа), тем более емка "память" машины, больше возможностей проводить нужные операции, лучше работа. Оказывается, что если наивысшая плотность монтажа в технических схемах машин достигает 2000 элементов в 1 слг3, то плотность монтажа элементов мозга в 50 тыс. раз больше: 100 ООО ООО элементов в 1 см3.

Отличие живых организмов от самых сложных современных машин и приборов проявляется не только в строении, но и в свойствах. Возьмем, к примеру, органы зрения. Глаза у животных не только разной величины - от микроскопически малых у муравья (0,1 мм) до гигантских (20-30 см) у кальмаров, - но отличаются и другими свойствами.
Оказывается, глаз рыбы-мечехйоста способен усиливать контраст между краем видимого изображения и общим фоном, так что предмет становится резко очерченным - подобно тому как это делают на экране телевизора, усиливая или ослабляя контраст. Интересным свойством обладает также глаз обыкновенной болотной лягушки. Известно, что лягушка питается только движущейся пищей - мухами, мошками, жучками. Но если насекомое не движется, лягушка никогда не найдет свою пищу и останется голодной: ее глаз воспринимает лишь движущиеся предметы, оставляя без внимания фон.
Давно было известно, что ночные лесные птицы (филин, сова) отлично видят в темноте, но совсем недавно выяснилась необычайная способность некоторых животных (лягушки, мыши) видеть даже "невидимые" ионизирующие лучи - рентгеновскую и космическую радиацию.
Природа оказалась исключительным конструктором, достигшим необычайных высот мастерства и в области слуха. Опыты показали, что человеческое ухо по своей чувствительности способно воспринимать звуки, ничтожно малую интенсивность которых даже трудно себе представить. Ее можно сравнить разве что с "шумом", с которым происходит тепловое движение молекул! Не менее поразителен слуховой орган кузнечика, расположенный у него на ножке. Этот орган позволяет кузнечику чувствовать колебания, размах которых (амплитуда) составляет половину диаметра атома водорода! Чувствительность слуха кузнечика настолько высока, что, находясь в Москве, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие в районе Дальнего Востока.
Бионика стремится познать все необычные свойства живых организмов и применить полученные данные для создания машин и приборов. Например, ученые разрабатывают прибор, который даст возможность слепым читать книги, набранные обычным типографским шрифтом. Уже создана модель искусственной руки, управляемой мыслью человека, точнее говоря, биопотенциалами, возникающими в мышцах. На основе изучения глаз пчелы и стрекозы (у них, кстати, очень большой угол зрения - 240-300°) конструкторы создали прибор - небесный компас, используемый при движении судов, самолетов. Изучение медузы помогло сконструировать прибор, предупреждающий о наступлении шторма почти за 15 часов. Список приборов, разработанных биониками, весьма большой, и даже простое их перечисление заняло бы много времени.
Но бионики не только копируют функции и строение отдельных органов животных. Они исследуют и используют особенности передачи информации у насекомых, птиц, рыб. Результаты этих работ очень интересны. Так, недавно стало известно, что комары поддерживают между собой связь с помощью электромагнитных волн миллиметрового диапазона (13-17 мм), причем дальность действия комариной "радиостанции" - 15 м\ Записаны звуки, издаваемые комарами при "испуге", "страшной опасности" (например, при появлении летучей мыши). Ученые работают над созданием ультразвуковых аппаратов, отпугивающих вредных насекомых и привлекающих полезных. (О бионике также см. ст. "Что такое техническая кибернетика и бионика".)

Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше как в области изучения молекул, клеток, так и организма в целом. Наш век - это время великих свершений во всех областях знания, в том числе в познании живой природы.

А.П. Дубов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

ВВЕДЕНИЕ

«Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей».
К. Д. Уминский

В этом пособии, представляющем описание опыта работы, сделана попытка рассмотреть основные направления и особенности связи школьных курсов физики и биологии и наметить возможные пути и формы усиления этой связи.
Основные направления этой работы следующие: ознакомить учащихся с физическими методами исследования и воздействия, которые находят широкое применение в биологии и медицине, с физикой живой природы, с некоторыми элементами бионики.
Практически ко всем разделам курса физики можно подобрать большое число биофизических примеров (что и сделано нами, см. приложение), однако целесообразно их использовать лишь частично, наряду с техническими примерами и с примерами из неживой природы.
Основная цель привлечения биофизических примеров - добиться лучшего усвоения курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с программами курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники.
Можно указать три основных направления отбора биофизического материала.
Первое направление имеет цель - показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики и к живому организму.
Второе направление соответствует ознакомлению с физическими методами воздействия и исследования, широко применяемыми и в биологии, и в медицине. В курсе физики средней школы учащихся знакомят только с оптическими приборами (лупа, микроскоп), с применением рентгеновских лучей и «меченых атомов». Однако уже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма - измеряется кровяное давление, регистрируются биопотенциалы сердца и т. д., которые в школе не рассматривают.
Третье направление предполагает ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики. Например, при изучении колебаний учащимся сообщают, что слуховой орган моли воспринимает звуковые колебания в пределах частот от 10 до 100 кгц и позволяет обнаруживать приближение летучей мыши (для нее моль - любимая пища) на расстоянии 30 м. Эти «достижения» живой природы выше результатов, полученных в области эхолотов, ультразвуковых локаторов, дефектоскопов и даже радиолокаторов. Таких примеров можно привести много. Следует, однако, подчеркнуть, что бионика ставит целью не слепое подражание биологическим системам, а раскрытие принципов их построения.

Глава I
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА УРОКАХ ФИЗИКИ

Пути ознакомления учащихся с биофизическим материалом принципиально не отличаются от путей ознакомления их с элементами техники. Физика - основа техники; с другой стороны, физика широко применяется для исследований в биологии и помогает понять особенности строения, жизнедеятельности биологических объектов.
Уже на самых первых уроках ребята узнают о том, что все естественные науки используют законы физики. Эту мысль надо пояснить и расширить. При первом знакомстве с учебным предметом - физикой желательно показать учащимся приложимость ее законов к жизнедеятельности человека и растений, птиц, рыб и т. п. Для этого можно сравнить полет птиц, насекомых и самолетов, рассказать о локации в животном мире в области неслышимых звуков. Можно, к примеру, рассказать о том, что изучение строения тела крота помогло инженерам создать землеройную машину, а наблюдения за дельфинами и рыбами помогают совершенствовать подводные лодки. Известны классические наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и конструкцией их крыльев и использование этих идей современными инженерами при конструировании самолетов, махолетов и ракет. Важно, чтобы в умах учащихся с первых уроков запечатлелась идея, что физика - ключ к пониманию явлений как неживой, так и живой природы.
При сообщении нового материала по физике иллюстративные биофизические сведения целесообразнее всего излагать самому учителю. Это могут быть и числовые данные, характеризующие живые организмы, и описание методов исследований, применяемых в биологии, и краткие данные о медицинской или биологической аппаратуре.
Изложение нового материала можно чередовать с беседой, особенно в младших классах. Учитель обращается к жизненному опыту учащихся, к тем сведениям, которые они получили при обучении в начальной школе, на уроках ботаники, географии и других смежных дисциплин. Большую роль в ознакомлении с элементами биофизики может играть решение задач по физике живой природы. Например, при помощи таблицы спортивных рекордов по бегу, бегу на коньках и т. д. можно находить средние скорости, упражняться в переводе единиц скоростей из одной системы в другую.
При повторении пройденного также можно привлекать биофизический материал. Мы применяли такую форму работы после изучения некоторых тем, в конце учебного года и при повторении перед выпускными экзаменами. Назовем некоторые темы обзорного повторения: механика в живой природе, электричество и живая природа, оптика н жизнь, влияние электромагнитных полей на животные и растительные организмы.
Целый ряд биофизических вопросов целесообразно излагать с использованием фрагментов из некоторых кино- и диафильмов, рисунков, схем и таблиц, а также наглядных пособий, имеющихся в кабинете биологии.
Чаще всего учителя физики могут получить в кабинете биологии лишь весьма ограниченный ассортимент оборудования (микроскоп, модели глаза, уха; соответствующие таблицы). Между тем это далеко не все имеющееся в кабинетах биологии оборудование, которое может быть с пользой применено при изучении физики. Уже при проведении нашего первого биофизического вечера «Физика и медицина» мы применяли следующее оборудование кабинета биологии: аппарат для измерения жизненного объема легких, аппарат для измерения кровяного давления, модели глаза и уха, динамометры для измерения силы мышц.
Позднее в практике своей работы, знакомя учащихся с элементами биофизики, мы также старались использовать для этой цели оборудование кабинета биологии: «Таблицы по анатомии и физиологии человека» А. Н. Кабанова, «Мнр животных» - серия из многокрасочных таблиц А. А. Яхонтова, гербарии и коллекции бабочек, стрекоз, жуков, черепах и т. п. Полезно также показать некоторые учебные фильмы и диафильмы по биологии.
В дальнейшем мы будем указывать, где и какие наглядные пособия и технические средства можно применить, а также, какие наглядные пособия могут изготовить сами учащиеся.

§ 1. Элементы биофизики при изучении механики

Движение и силы
При изучении темы «Движение и силы» в VI классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных живых существ. Улитка проползает примерно 5,5 м в 1 ч. Черепаха перемещается со скоростью около 70 м/ч.. Муха летит со скоростью 5 м/сек. Средняя скорость пешехода около 1,5 м/сек, или около 5 км/ч. Пехотная воинская часть может перемещаться со скоростью до 7 км/ч. Лошадь способна перемещаться со скоростью от 6 до 30 км/ч и выше.
Из животных средней полосы быстрее всех бегает заяц-русак, скорость его достигает 50 - 60 км/ч. Немногим уступает ему волк, который может бегать со скоростью до 45 км/ч. ;
Многие рыбы перемещаются со средней скоростью около 4 км/ч, однако некоторые из них способны развивать и гораздо большие скорости: так, например, меч-рыба может развивать скорость до 90 км/ч.
Интересно также рассмотреть, цифры, приведенные в таблице скоростей движения рыб.
Здесь очень важно обратить внимание на оценку скоростей рыб в сантиметрах в секунду, а также в длинах тела в секунду. По этим данным самой быстроходной оказывается форель, хотя абсолютное значение ее скорости сравнительно невелико.
Используя данные скоростей разных представителей животного мира, можно решать различного рода задачи. Приведем некоторые из них.
Скорость движения улитки 0,9 мм/сек. Выразить эту скорость в см/мин, в м/ч.
Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300 км/ч. Какой путь пролетает он за 5 сек?
1 Скорость многих живых существ выражают особой величиной, равной числу длин их тела, на которое они перемещаются в секунду
Скорость полета почтового голубя 1800 м/мин. Выразить эту величину в км/ч. Какой путь пролетает голубь за 3 ч полета? Можно ли догнать голубя на автомобиле, имеющем среднюю скорость 60 км/ч?
Известно, что средняя скорость роста дуба примерно 30 см/год. Сколько лет дереву высотой в 6,3 м?
Советский спортсмен Владимир Куц пробежал 5000 м за 815 сек. Определить его скорость в км/ч.

Масса тел. Плотность
При знакомстве с понятием «масса тела» и при составлении задач на определение плотности вещества и занимаемого телом объема мы использовали некоторые дополнительные табличные данные (табл. 2).
Пример. Определить массу березовой древесины, если объем ее 5 м3.
Пример. Какова масса льняного масла, занимающего объем 5 л?
Пример. Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.

Сила тяжести. Вес тела
При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита - /0000 кг, слона - 4000 кг, носорога - 2000 кг, быка - 1200 кг, медведя - 400 кг, свиньи - 200 кг, человека - 70 кг, волка - 10 кг, зайца - 6 кг. Найти их вес в ньютонах.
Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.
Можно попутно сообщить еще некоторые интересные сведения.
Самые крупные животные относятся к классу млекопитающих, из них особенно поражает размерами и весом синий кит. Например, один из добытых китов достигал в длину 33 м и весил 1500 кн, что соответствовало весу 30 слонов или 150 быков. Самая крупная современная птица - африканский страус, достигающий 2,75 м в высоту, 2 л в длину (от кончика клюва до конца хвоста) и имеющий массу 75 кг. Самые мелкие птицы - колибри. Колибри одного из видов имеют массу около 2 г, размах крыльев 3,5 см.
Силы трения и сопротивления.

Трение в живых организмах
Большой биофизический материал может быть привлечен при изложении вопроса о силах трения. Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения (масло, деготь и др.), всегда обладают значительной вязкостью. Также и в живом организме: жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.
Кровь, например, - жидкость, более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением и трением о поверхности сосудов. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови.
Малое трение в суставах объясняется их гладкой поверхностью, смазкой их синовиальной жидкостью. Роль смазки при проглатывании пищи играет слюна. Трение мышц или сухожилий о кость уменьшается благодаря выделению специальной жидкости сумками, в которых они расположены. Число таких примеров можно продолжить.
Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное «сцепление» между движущимся телом и «опорой». Сцепление достигается либо заострениями на конечностях (когти, острые края копыт, подковные шипы), либо мелкими неровностями, например, щетинками, чешуйками, бугорками и т. п. Необходимо значительное трение и для хватательных органов. Интересна их форма: это либо щипцы, захватывающие
предмет с двух сторон, либо тяжи, огибающие его (по возможности, несколько раз). В руке сочетается действие щипцов и полный охват со всех сторон; мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатостями предметов, которые надо удержать.
У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных и др.). Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения коэффициента трения (рис. 1).
Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим - при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении - головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.
Изменение сопротивления при движении в разных направлениях наблюдается и у многих водоплавающих. Например, плавательные перепонки на лапках уток или гусей используются подобно веслам. При движении лапки назад утка распрямленной перепонкой загребает воду, а при движении вперед утка сдвигает пальцы - сопротивление уменьшается, в результате чего утка продвигается вперед.
Лучшие пловцы - рыбы, дельфины. Скорости многих рыб достигают десятков километров в час, например, скорость голубой акулы около 36 км/ч. Такую скорость рыбы могут развивать благодаря обтекаемой форме тела, конфигурации головы, обусловливающей малое лобовое сопротивление1.
1 Уменьшение сопротивления за счет обтекаемой формы тела рыб можно проиллюстрировать на чучелах окуня, щуки; можно также показать таблицу «Акула» из серии А. А. Яхонтова «Мир животных».
Интерес специалистов привлекла способность дельфинов двигаться в воде без особых усилий с большой скоростью (вблизи носа корабля 55 - 60 км/ч, свободно плывущие - 30 - 40 км/ч). Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное).
Исследования позволили установить, что секрет «антитурбулентности» дельфина
скрыт в его коже. Она состоит из двух слоев - внешнего, чрезвычайно эластичного, толщиной 1,5 мм, и внутреннего, плотного, толщиной 4 мм.
Между этими слоями имеются выросты, или шипы. Ниже располагаются густо сплетенные волокна, пространство между которыми в несколько сантиметров заполнено жиром.
Такой кожный покров действует как превосходный демпфер. Кроме того, на коже дельфина постоянно имеется тонкий слой специальной «смазки», вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому уменьшается сила трения.
С 1960 г. изготовляются искусственные демпфирующие покрытия, подобные по своим свойствам «дельфиньей коже». И уже первые опыты с торпедой и катером, обшитыми такой кожей, подтвердили возможность снижения сопротивления воды па 40 - 60%.
Известно, что рыбки перемещаются косяками. Мелкие морские рыбки ходят стайкой, похожей по форме на каплю, при этом сопротивление воды движению стайки наименьшее.
Многие птицы во время далеких перелетов собираются в цепочку или косяк. В последнем случае более сильная птица летит впереди, ее тело рассекает воздух подобно тому, как киль корабля - воду. Остальные птицы летят таким образом, чтобы сохранить острый угол косяка; они поддерживают правильное расположение относительно ведущей птицы инстинктивно, так как оно соответствует минимуму сил сопротивления.
Планирующий полет. Планирующий полет довольно часто наблюдается как в растительном, так и в животном мире. Многие плоды и семена снабжены либо пучками волосков (одуванчик, хлопчатник и др.), действующими наподобие парашюта, либо поддерживающими плоскостями в форме отростков и выступов (хвойные растения, клен, береза, липа, многие зонтичные). Некоторые плоды и семена, снабженные «планерами», показаны на рисунке 2, а.
Растительные планеры во многих отношениях даже совершеннее созданных человеком. Они поднимают сравнительно со своим весом гораздо больший груз, кроме того, они обладают большей устойчивостью.
Интересно строение тела белок-летяг, шерстокрылов и летучих мышей (рис. 2, б). Они пользуются своими перепонками для того, чтобы совершать большие прыжки. Так, белки-летяги могут перепрыгивать расстояния до 20 - 30 м с верхушки одного дерева к нижним ветвям другого.

Давление жидкостей и газов
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов.
На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте 160 см, примерно равна 1,6 м2, действует сила в 160 тыс. н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?
Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.
С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется, с одной стороны, деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении - выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут производиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 м). Опускание и поднятие водолазов должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.
Интересно далее разобрать подробнее принцип работы органов, действующих за счет атмосферного давления.
Работа органов, действующих за счет атмосферного давления. Механизм сосания. Мышечным усилием (сокращением мышц языка, нёба и др.) создается отрицательное давление (разрежение) в ротовой полости, и атмосферное давление вталкивает туда порцию жидкости.
Механизм действия разного рода присосок. Присоски имеют форму либо полушарообразной чаши с липкими краями и сильно развитой мускулатурой (края прижимаются к добыче, затем объем присоски увеличивается; примером могут служить присоски пиявок и головоногих), либо состоят из ряда с кладок кожи в виде узких карманов. Края прикладываются к поверхности, на которой надо держаться; при попытке оттянуть присоску глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и атмосферное давление (для водных животных давление воды) сильнее прижимает присоску к поверхности. Например, рыба-прилипала, или ремора, обладает присоской, которая занимает почти всю длину головы. Эта рыбка присасывается к другим рыбам, камням, а также к лодкам и кораблям. Она присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить, благодаря этому она может служить своеобразным рыболовным крючком.
На рисунке 3 показана булава - конец одного из двух самых длинных ловчих щупалец кальмара, она густо усажена разнокалиберными присосками.
Подобным же образом устроены присоски свиного цепня, при помощи которых этот ленточный червь прицепляется к стенке кишечника человека.
Строение этих присосок можно показать на влажном препарате цепня, который имеется в кабинете биологии.
Ходьба по вязкой почве. Влияние атмосферного давления сказывается весьма заметно при ходьбе по вязкой почве (засасывающее действие болота). При поднятии ноги под нею образуется разреженное пространство; избыток внешнего давления препятствует поднятию ноги. Сила давления на ногу взрослого человека Рис. 3.
может достигать 1000 к. Особенно сильно это видно при ходьбе лошади, твердое копыто которой действует подобно поршню.
Механизм вдоха и выдоха. Легкие расположены » грудной клетке и отделены от нее и от диафрагмы герметичной полостью, называемой плевральной. С увеличением объема груд ной клетки объем плевральной полости увеличивается, а давление воздуха в ней уменьшается, и наоборот. Так как легки* эластичны, то давление в них регулируется только давлением в плевральной полости. При вдохе объем грудной клетки увеличивается, за счет чего давление в плевральной полости уменьшается (рис. 4,6); это вызывает увеличение объема легких по-, чти на 1000 мл. При этом давление в иих становится меньше атмосферного, и воздух через воздухоносные пути устремляется в легкие. При выдохе объем грудной клетки уменьшается (рис. 4,в), за счет чего давление в плевральной полости увеличивается, что вызывает уменьшение объема легких. Давление воздуха в них становится выше атмосферного, и воздух из лег ких устремляется в окружающую среду.
При обычном спокойном вдохе вдыхается около 500 мл воз духа, столько же выдыхается при обычном выдохе, а полный объем воздуха, находящегося в легких, около 7 л1.
1 Для пояснения механизма вдоха - выдоха может быть использована модель-схема грудной полости, имеющаяся в кабинете биологин. Здесь жи может быть продемонстрирован водяной спирометр, который служит для измерения жизненной емкости легких. Кинофильм «Строение и функции органов дыхания», выпущенный Ленинградской студией учебных фильмов в 1964 г., также может быть показан при изучении этой темы.
Сердце - насос.
Сердце представляет собой удивительный насос, работающий безостановочно всю жизнь человека.
Оно перекачивает за I сек 0,1 л крови, за минуту - б л, за 1 ч - 360 л, за одни сутки - 8640 л, за год - более 3 млн. л, а за 70 лет жизни - около 220 млн.,л.
Исли бы сердце не перегоняло кровь по замкнутой системе, а накачивало бы в какой-либо резервуар, то можно было бы заполнить бассейн в 100 м длиной, ПК) м шириной и 22 м глубиной.
Иглобрюх в борьбе за существование. Интересно «применение» газовых законов в жизни своеобразной рыбки - иглобрюха. Она обитает в Индийском океане и Средиземном море. Тело ее густо усеяно многочисленными шипами - видоизмененной чешуей; в спокойном состоянии они более или менее плотно прилегают к телу. При возникновении опасности иглобрюх тотчас же устремляется к поверхности воды и, загла-п.1иая воздух в кишечник, превращается в раздутый шар; шипы при этом приподнимаются и торчат во все стороны (рис. 5). Рыба держится у самой поверхности, опрокинувшись вверх брюшком, причем часть тала выступает над водой. В таком положении иглобрюх защищен от хищников как снизу, так и сверху. Когда минует опасность, иглобрюх выпускает воздух, и тело его принимает оомчную форму.
Гидростатические аппараты в живой природе. Любопытные I пдростатические аппараты существуют в живой природе. Например, головоногие моллюски из рода наутилусов живут в раковинах, разделенных перегородками на отдельные камеры (рис. 6). Само животное занимает последнюю камеру, а остальные заполнены газом. Чтобы опуститься на дно, моллюск наполняет раковину водой, она становится тяжелой и легко опускается. Чтобы всплыть на поверхность, наутилус нагнета-« I газ в отделения раковины; газ вытесняет воду и раковина н илыпает.
Жидкость и газ находятся в раковине под давлением, по- ному перламутровый домик не лопается даже на глубине в 4см1.сот метров.
Интересен способ передвижения морских звезд, морских ежен, голотурий, которые перемещаются за счет разности гидро-t ытических давлений. Тонкие, пустотелые и эластичные ножки морской звезды набухают при ее движении. Органы-насосы под дпнлсипем нагнетают в них воду. Вода растягивает их, они тяну ня вперед, присасываются к камням. Присосавшиеся ножки сжимаются и подтягивают морскую звезду вперед, Затем вода перекачивается в другие ножки и тс перемещаются дальше. Средняя скорость морски.ч звезд около 10 м/ч. Но зато здесь достигается полная амортизация движения!

Архимедова сила
Рыбы. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень мало отличается от плотности воды, поэтому их вес почт» полностью уравновешивается архимедовой силой. Благо даря этому водные животные не нуждаются в столь массивных, скелетах, как наземные (рис. 7).
Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это единственная часть тела рыбы, обладающая заметной сжимаемостью; сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба ме няет объем своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глу-i бину своего погружения.
Водоплавающие птицы. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого слоя перьев и пуха, не пропускающего воды, в котором содержится значительное коли чество воздуха; благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птицы, ее средняя плотность оказывается очень малой. Этим объясняется тот факт, что утки и другие водоплавающие мало погружаются в воду при плавании.
Паук-серебрянка. С точки зрения законов физики очень интересно существование паука-серебрянки. Паук-серебрянка устраивает свое жилище - подводный колокол - из крепкой паутины. Сюда паук приносит с поверхности пузырьки воздуха, задерживающиеся между тонкими волосками брюшка. В колоколе он собирает запас воздуха, который время от времени пополняет; благодаря этому паук может долго находиться под водой.
Водные растения. Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей, потому, что на концах их разветвлений заключены крупные пузыри воздуха, играет роль поплавков.
Водяной орех. Любопытное водное расте ние - чилим (водяной ррех). Растёт по заводям Волги, в озерах лиманах. Плоды его (водяные орехи) достигают 3 см в диаметре и имеют форму, похожую на морской якорь с несколькими острыми рожками или без них. Этот «якорь» служит для того, чтобы удержать на подходящем месте молодое прорастающее растение. Когда чилим отцветает, под водой начинают образовываться тяжелые плоды. Они могли бы потопить растение, но как раз в это время на черешках листьев образуются вздутия - своего рода «спасательные пояса». Тем самым увеличивается объем подводной части растений; возрастает, следовательно, выталкивающая сила. Этим достигается равновесие между весом плодов и возникающей за счет вздутий выталкивающей силой.
Плавание сифонофор. Сифонофорами зоологи называют особую группу кишечнополостных животных. Подобно медузам, это свободно плавающие морские животные. Однако, в отличие от первых, они образуют сложные колонии с очень резко выраженным полиморфизмом*. На самой вершине колонии обычно имеется особь, при помощи которой вся колония держится в толще воды и движется, - это содержащий газ пузырь. Газ вырабатывается особыми железками. Этот пузырь достигает иногда 30 см в длину.
Богатый биофизический материал этого раздела дает возможность разнообразно и интересно провести уроки с шестиклассниками.
Опишем, например, беседу в процессе изучения темы «Архимедова сила». Учащиеся знакомы с жизнью рыб, с особенностями водных растений. Они уже ознакомились с действием выталкивающей силы. Исподволь подводим их к пониманию роли закона Архимеда для вёех существ, находящихся в водной среде. Начинаем беседу постановкой вопросов: почему рыба имеет более слабый скелет, чем существа, живущие на суше? Почему водоросли не нуждаются в твердых стеблях? Почему погибает под действием собственного веса кит, оказавшийся на мели? Такие необычные на уроке физики вопросы вызывают удивление учащихся. Они заинтересованы. Мы продолжаем беседу и напоминаем ребятам, что в воде нужно приложить значительно меньшую силу, чтобы поддержать товарища, чем на берегу (в воздухе). Суммируя все эти факты, направляя учащихся на правильную интерпретацию их, мы подводим ребят к далеко идущему обобщению о влиянии физического фактора (выталкивающей силы, которая в водной среде оказывается намного большей, чем в воздухе) на развитие и особенности строения водных существ и растений.

Законы Ньютона
Некоторые проявления инерции. Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. В это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны. Такой метод распространения семян довольно часто встречается в растительном мире.
В тропических зонах Атлантического и Индийского океанов часто наблюдают полет так называемых летучих рыб, которые, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и совершают при благоприятном ветре планирующий полет, покрывая расстояния до 200 - 300 м на высоте 5 - 7 м. Рыба поднимается в воздух благодаря быстрым и сильным колебаниям хвостового плавника. Вначале рыба несется по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает ее в воздух. Распластанные длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полет рыб стабилизируется хвостовыми плавниками; рыбы движутся лишь по инерции.
Плавание и третий закон Ньютона. Легко заметить, что в процессе движения рыбы и пиявки отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а плывущая рыба - взмахами хвоста. Таким образом движение рыб и пиявок может служить иллюстрацией третьего закона Ньютона.
Полет и третий закон Ньютона. В основе полета насекомых лежит взмах крыльями (машущий полет). Управление полетом достигается почти исключительно крыльями. Меняя направление плоскости взмахов крыльями, насекомые изменяют направление движения: вперед, назад, полёт на одном месте, повороты и т. д. Одни из самых вертких в -полете насекомых - мухи. Оми часто делают крутые повороты вбок. Достигается это резким выключением крыльев одной стороны тела - движение их мл мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается поворот н сторону от первоначального направления полета.
Самой большой скоростью полетй обладают бабочки-браж-ннкп и слепни - 14 - 15 м/сек. Стрекозы летают со скоростью 10 м/сек, жуки-навозники - до 7 м/сек, пчелы - до 6 - 7 м/сек. Скорость полета насекомых в сравнении с птицами мала. Од-ннко если подсчитать относительную скорость (скорость, с котором перемещаются шмель, стриж, скворец и самолет на расстояние, равное длине собственного тела), то окажется, чтр она будет меньше всего у самолета и больше всего у насекомых.
Ганс Леонардо да Винчи изучал полет птиц в поисках путей I о шпиня летательных аппаратов. Полетом птиц интересовался н II. В. Жуковский, разработавший основы аэродинамики. Сей-чае принцип машущего полета опять привлекает внимание само-л построителей
Реактивное движение в живой природе. Некоторые животные передвигаются по принципу реактивного движения, например кальмары, осьминоги (рис. 8), каракатицы. Морской моллюск-I рсбсшок, резко сжимая створки раковины, рывками может дви-1МП.СН вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной in раковины. Приблизительно так же передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы III «мчи.
Гак как в этих случаях толчки отделены друг от друга зна-чинмн.нимн промежутками времени, то большая скорость движения не достигается. Чтобы у вел ич илась скорость дви-жения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва. Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм - в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, - и проводят возбуждение со скоростью 25 м1сек. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч).
Ускорения и перегрузки, которые способны выдерживать живые существа. При изучении законов Ньютона можно познакомить учащихся с ускорениями, с которыми сталкивается человек в разных жизненных ситуациях.
Ускорения в л и ф т е. Максимальное ускорение (либо замедление) при движении кабины лифта при нормальном режиме работы не должно превышать для всех лифтов 2 м/сек2. При остановке «стоп» максимальная величина ускорения не должна превышать 3 м/сек2.
Ускорения в авиации. Когда тело испытывает ускорение, то говорят, что оно подвергается перегрузке. Величину перегрузок характеризуют отношением ускорения движения а к ускорению свободного падения g:
k = - . g
При прыжке с парашютом возникают большие ускорения и, следовательно, перегрузки.
Если раскрыть парашют на высоте 1000 м через 15 сек после падения, то перегрузка будет около 6; раскрытие парашюта после такой же задержки на высоте 7000 м вызывает перегрузку, равную 12; на высоте 11 000 м при тех же условиях перегрузка будет почти втрое большей, чем на высоте 1000 м.
При приземлении с парашютом также возникают перегрузки, которые тем меньше, чем больше путь торможения. Поэтому перегрузка будет меньше при приземлении на мягкую почву. При скорости снижения 5 м/сек и погашении ее на пути около 0,5 м за счет сгибания коленей и туловища перегрузка равна примерно 3,5.
Максимальные, правда очень кратковременные, ускорения испытывает человек при катапультировании с самолета. При этом скорость вылета сиденья из кабины равна примерно 20 м/сек, путь разгона - -1 - 1,8 м. Максимальное значение ускорения достигает 180 - 190 м/сек2, перегрузка - 18 - 20.
Однако, несмотря на большую величину, такая перегрузка не опасна для здоровья, так как она действует кратковременно, примерно 0,1 сек.
Влияние ускорений на живые организмы. Расмотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении iivia, в том числе и головы, поступают в специальный орган - вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует и шовной мозг об изменении скорости движения, поэтому его и.пывают органом акселерационного чувства. Размещается этот пииарат во внутреннем ухе.
Характеристики пороговых величин раздражений вестибулирпого аппарата, доходящих до сознания человека, а также ретине ускорения при разных движениях приведены в таблице 3.

Легче переносятся ускорения, направленные от спины к груди, от груди к спине и от одного бока к другому. Поэтому очень важна соответствующая поза человека. Обязательным условием является общая физическая тренировка, приводящая к хорошему развитию мышц всего тела.
Кроме того, необходимо специально тренировать организм с целью увеличить выносливость к ускорениям. Такую тренировку осуществляют на специальных линейных ускорителях, в центрифугах и на других установках.
Применяются также специальные противоперегрузочные костюмы, конструкция которых обеспечивает фиксацию внутренних органов.
Интересно здесь вспомнить, что К. Э. Циолковский для повышения выносливости человека к действию ускорений предлагал помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Следует отметить, что подобная защита организма от ускорений достаточно широко распространена в природе. Так защищен зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери. К. Э. Циолковский помещал куриное яйцо в банку с раствором соли и сбрасывал ее с высоты. Яйцо при этом не разбивалось.
В настоящее время есть данные о подобных опытах с рыбами и лягушками. Помещенные в воду рыбы и лягушки выдерживали ускорения ударного характера порядка 1000 g и более.
Амортизатор меч-рыбы. В природе имеют место разнообразные приспособления, которые позволяют живым организмам безболезненно переносить перегрузки, возникающие при ускорении и торможении. Известно, что толчок при прыжке смягчается, если приземляться на полусогнутые ноги; роль амортизатора играет позвоночник, в котором хрящевые прокладки являются своего рода буферами.
Интересный амортизатор есть у меч-рыбы. Меч-рыба известна как рекордсмен среди морских пловцов. Ее скорость достигает 80 - 90 км/ч. Ее меч способен пробивать дубовую обшивку судна. Она же от такого удара не страдает. Оказывается, в ее голове у основания меча имеется гидравлический амортизатор - небольшие полости в виде сот, наполненные жиром. Они и смягчают удар. Хрящевые прокладки между позвонками у меч-рыбы очень толстые; подобно буферам у вагонов, они уменьшают силу толчка.
Простые механизмы в живой природе
В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека - кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвонок), фаланги пальцев. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб - шипы спинного плавника; у членистоногих - большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков - створки раковины.
Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.
Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Например, длинные ноги борзой и оленя определяют их способность к быстрому бегу; короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости; длинные челюсти борзой позволяют быстро схватить добычу на бегу, а короткие челюсти бульдога смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления).
Рычажные элементы встречаются в разных частях тела животного и человека - это, например, конечности, челюсти.
Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 9, а). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы, позади - сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 9, б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила R - вес всего тела - приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.
В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный рычаг - ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень. Глубоко уходящий в землю корень сосны или дуба оказывает огромное сопротивление опрокидыванию (велико плечо сопротивления), поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем. Наоборот, ели, имеющие чисто поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.
Интересные рычажные механизмы можно найти в некоторых цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах.
Рассмотрим строение лугового шалфея (рис. 10). Вытянутая тычинка служит длинным плечом А рычага. На ее конце расположен пыльник. Короткое плечо Б рычага как бы стережет вход в цветок. Когда насекомое (чаще всего шмель) заползает в цветок, оно нажимает на короткое плечо рычага. Длинное плечо при этом пыльником ударяет по спинке шмеля и оставляет на ней пыльцу. Перелетая на другой цветок, насекомое этой пыльцой опыляет его.
В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, хвост, пальцы, тело змей и многих рыб). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг,
или сочетанием элементов, сравнительно негибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации (хобот слона, тело гусениц и др.). Управление изгибанием во втором случае достигается системой продольных или косо расположенных тяг.
«Колющие орудия» многих животных - когти, рога и т. д. по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость); клину подобна и заостренная форма головы быстроходных рыб. Многие из этих клиньев - зубы, колючки (рис. 11) имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота.

Деформации
Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Инте-
ресно, что на примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни. Деформации растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; изгиба - позвоночник, кости таза, конечностей; кручения - шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т. д.
Для составления задач на деформации мы пользовались данными, приведенными в таблице 4.
Из таблицы видно, что модуль упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал.
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8-107 н/м2, предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13-107 н/м2. Соединительные ткани в связках, в легких и т. д. обладают большой эластичностью, например затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.
Конструкции, составленные из отдельных стержней (фермы) или пластин, сходящихся под углом 120°, обладают максимальной прочностью при минимальном расходе материала. Примером таких конструкций являются шестигранные ячейки пчелиных сот.
Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея птицы, тело змеи).
При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой; средние пасти заметной де-
формации не испытывают. Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает вес установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей и стебли быстрорастущих растений - злаков (рис. 12), зонтичных и т. п. У подсолнечника и других растений стебель имеет рыхлую сердцевину. Молодые, неокрепшие листья злаков всегда бывают свернуты в трубочку.
Конструкции, подобные тавровой балке, встречаются в грудине птиц, в раковинах многих моллюсков, живущих в полосе прибоя, и др. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надежные опоры, не допускающие раздвигания ее концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на ее выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки; а в организмах - череп, грудная клетка, оболочки яиц, орехов, панцири жуков, раков, черепах и т. п.).
Падение живых существ. Галилео Галилей писал: «Кто не знает, что лошадь, упав с высоты трех-четырех локтей, ломает себе ноги, тогда как собака при этом не страдает, а кошка остается невредимой, будучи брошена с восьми - десяти локтей, точно так же как сверчок, упавший с верхушки башни, или муравей, упавший на землю хотя бы из лунной сферы».
Почему мелкие насекомые, падая на землю с большой высоты, остаются невредимыми, а крупные животные гибнут?
Прочность костей и тканей животного пропорциональна площади их сечений. Сила трения о воздух при падении тел также пропорциональна этой площади. Масса же животного (и его вес) пропорциональна его объему. С уменьшением размеров тела его объем убывает значительно быстрее, чем поверхность. Таким образом, при уменьшении размеров падающего животного увеличивается сила торможения его о воздух (на единицу массы) по сравнению с силой торможения на единицу массы более крупного животного. С другой стороны, для более мелкого животного возрастают прочность костей и сила мышц (также на единицу массы).
Сравнивать прочность лошади и кошки при их падении не совсем верно, так как у них разное строение тела, в частности различны «амортизирующие» приспособления, смягчающие толчки при ударах. Более правильно было бы сравнивать тигра, рысь и кошку. Самой прочной среди этих кошачьих оказалась бы кошка!
«Строительная техника» в мире живой природы. После изучения темы «Твердое тело» полезно рассказать об аналогиях в «строительной технике природы» и технике, созданной человеком.
Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому же принципу - экономии материалов и энергии.
Издавна вызывают удивление и восторг разнообразные конструкции живой природы. Поразительна прочность и изящество сети паука, восхищает строительное искусство жилища медоносных пчел - строгая геометрия их сот, состоящих из правильных шестиугольных ячеек. Удивительны сооружения муравьев, термитов. Изумляют коралловые острова и рифы, образованные известковыми скелетами кораллов. Некоторые морские водоросли покрыты твердыми оболочками изящной формы. Например, перидинии одеты в причудливые панцири, образованные отдельными твердыми скорлупками. Они показаны при сильном увеличении на рисунке 13.
Еще разнообразнее морские радиолярии (простейшие животные), крошечные скелеты которых изображены на рисунке 14 (для сравнения под номерами - 3 показаны снежинки).
В последнее время внимание строителей занимают образцы растительного мира. К. А. Тимирязев писал: «Роль стебля, кац известно, главным образом архитектурная: это твердый остов всей постройки, несущий шатер листьев, и в толще которого, подобно водопроводным трубам, заложены сосуды, проводящие соки... Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».
Если рассмотреть поперечные разрезы стебля и современной фабричной трубы, то бросается в глаза подобие их конструкций. Назначение трубы в том, чтобы создавать тягу и отводить вредные газы подальше от земли. По стеблю растения вверх от корней поднимаются питательные вещества. Как труба, так и стебель находятся под постоянным воздействием однотипных статических и динамических нагрузок - собственного веса, ветра и т. п. Вот причины их конструктивного сходства. Обе конструкции полые. Тяжи стебля, как и продольная арматура трубы, расположены по периферии всей окружности. Вдоль стенок обеих конструкций имеются овальные пустоты. Роль спиральной арматуры в стебле играет кожица.
Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с траекториями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости человека и кривую крановую балку, работающую на изгиб под действием вертикальной нагрузки, распределенной на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.
Для современной архитектуры и строительной техники характерно внимание к лучшим «образцам» живой природы. Ведь современные требования - это прочность и легкость, которые легко могут быть удовлетворены применением в строительстве стали, железобетона, алюминия, армоцемента, пластмасс. Широкое применение приобретают пространственные решетчатые системы. Их прототипами являются «каркасы» стебля или ствола дерева, образованные из более прочной ткани, чем остальной материал растения, выполняющий биологические и изолирующие функции. Это и система прожилок листа дерева, и решетка корневых волосков. Такие конструкции напоминают корзины, проволочный каркас абажура, изогнутую решетку балкона и т. п. Итальянский инженер П. Нерви использовал принцип строения листа дерева в покрытии зала Туринской выставки, благодаря чему легкая и тонкая конструкция перекрывает без опор 98-метровый пролет. На обложке нашей книги изображено здание такого типа, похожее либо на раковину, либо на опрокинутую чашечку цветка.
Характерно применение пневматических сооружений, которые вполне соответствуют природным формам: форме фруктов, воздушных пузырей, кровеносных сосудов, листьев растений и т. п.
В целях упрочнения строительных материалов физикохимики обратились к изучению мельчайших структур и сейчас разрабатывают технологию производства сверхпрочных материалов, составленных из множества тончайших волокон, пленок и зерен по принципам, подсказанным природой. Для получения сверхпрочных конструкций, однако, недостаточно упрочнения строительных материалов. Известно, что костные конструкции иногда превосходят по ряду показателей стальные, но это происходит за счет «распределения» костного материала, по прочности уступающего стали.
Создавая ту или иную конструкцию, природа решает множество задач - учитывает необходимое сопротивление внешним механическим воздействиям и физико-химическим влияниям среды, обеспечивает растения водой, воздухом, солнцем. Все эти
задачи решаются комплексно, все подчиняется общей задаче, общему ритму жизни организма. В растениях не увидишь свободно подвешенных водопроводных капилляров, как в сооружениях человека. Помимо задачи равномерного и постоянного передвижения воды, они выполняют и механическую функцию, оказывая сопротивление внешним механическим воздействиям среды.
А если представить себе возможность самообновления конструктивного материала в период его эксплуатации, свойственную живой природе! По-видимому, и защита от вредных химических воздействий, от низких и высоких температур может быть найдена при изучении покровных тканей растений и животных.
Строительное искусство, вооруженное бионикой, создаст мир конструкций и зданий более естественный и совершенный, чем тот, к которому мы привыкли.

Мощности, развиваемые человеком
При прохождении темы «Работа и мощность» интересно сообщить некоторые сведения о мощности, которую способен развивать человек.
Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70 - 80 вт (или примерно0,1 л. с.). Однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз.
Так, человек весом в 750 к может за 1 сек вскочить на возвышение высотой в 1 м, что соответствует мощности в 750 вт. При быстром подъеме, например на 7 ступенек, каждая из которых высотой около 0,15 м, в течение 1 сек развивается мощность около 1 л. с. или 735 вт.
Недавно велогонщик-олимпиец Брайен Джолли показал на испытаниях мощность 480 вт в течение 5 мин, что составляет почти 2/з л. с.
Для человека возможна моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии, особенно в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 сек среднюю мощность около 5,2 л. с., а женщины - 3,5 а. с.

Приспособления для изменения подъемной силы
Интересные сведения о строении тела акул и осетровых рыб могут быть сообщены в связи с изучением вопроса о подъемной силе крыла самолета. Известно, что при посадке самолета, когда его скорость и, следовательно, подъемная сила невелики, необходимы дополнительные приспособления для увеличения подъемной силы. Для этой цели служат специальные щитки -
закрылки, расположенные на нижней поверхности крыла, служащие для увеличения кривизны его профиля. При посадке они отгибаются вниз.
Костные рыбы (к которым относится подавляющее большинство современных рыб) регулируют величину своей средней плотности и, соответственно, глубину погружения с помощью плавательного пузыря. Хрящевые рыбы не имеют такого приспособления. Подъемная сила у них изменяется за счет изменения профиля, подобно самолетам, например, акулы (хрящевые рыбы) меняют подъемную силу с помощью грудных и брюшных плавников.

Аппарат искусственного кровообращения (АПК)
Заканчивая изучение механики, йолезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.
При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце.
Рис. 15.
Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца - они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенатор выполняет функции легких и обеспечивает насыщение крови кислородом.
Упрощенная схема аппарата показана на рисунке 15. Поршневые насосы 18 приводятся в действие электромотором 20 через регулятор 19\ последний устанавливает ритм и величину хода поршней насосов. Давление через наполненные маслом трубки передается насосам 4 и 9, которые с помощью резиновых диафрагм и клапанов создают необходимое разрежение в венозной части (насос 4) и сжатие в артериальной части (насос 9) физиологического блока аппарата. Физиологический блок состоит из циркуляционной системы, которая с помощью полиэтиленовых катетеров сообщается с крупными сосудами в месте выхода их из сердца и оксигенатором.
Кровь всасывается через воздушную ловушку 1, электромагнитный зажим 2, уравнительную камеру 3, выполняющую функции предсердия, и с помощью насоса 4 впрыскивается в верхнюю камеру 5 оксигенатора. Здесь кровь равномерно распределяется по столбу кровяной пены, заполняющей его среднюю камеру 6. Она представляет собой цилиндр из капроновой сетки, в дне которой расположен распределитель кислорода 7. Кислород равномерно через 30 отверстий поступает в камеру через образующийся на дне камеры слой воздуха. Общая поверхность пузырьков в пенном столбе равняется примерно 5000 см2 (при объеме крови 150 - 250 см3). В оксигенаторе кровь насыщается кислородом, отдает в окружающую атмосферу углекислоту и стекает в нижнюю камеру 8, откуда через насос 9, зажим 10 и воздушную ловушку 11 поступает в артериальную систему организма. Кислород поступает в оксигенатор через счетчик газа 17 и увлажнитель 16. В верхней части оксигенатора расположены пеногаситель 12 и отверстие для выхода газа. С оксигенатором через зажим 14 сообщается сосуд 15 с запасной кровью или кровезаменяющей жидкостью. Поступление крови из оксигенатора регулируется поплавком 13, связанным индуктивно с находящейся снаружи катушкой, которая управляет включением электромагнитных зажимов прибора.

Вопросы и задачи

При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.
Рассмотрим решение нескольких задач, предлагавшихся нами учащимся.

Задача 1. Как объяснить с помощью физических представлений, что в бурю ель легко вырывается вместе с корнем, а у сосны скорее ломается ствол?
Перед решением мы зачитывали характеристики этих деревьев.
«Своими корнями, распространяющимися поверхностно, она (ель. - Ц. К.) может крепко оплетать камни, почему обладает необходимой устойчивостью и в горах, даже при очень тонком слое почвы, но так как у нее нет, как у сосны, вертикально уходящего вниз корня, то на равнинах отдельно стоящее дерево ели легко вырывается бурей вместе с корнем. Крона дерева образует огромную пирамиду».
«Сосна, растущая в лесу, образует высокий колоннообразный ствол и небольшую пирамидальную крону. Наоборот, растущая на чисто открытом месте, достигает лишь небольшого роста, зато крона ее широко разрастается».
Затем обсуждали с учащимися возможность применения правила моментов для решения задачи.
Нас интересует анализ только качественной стороны вопроса. Кроме того, нас интересует вопрос о сравнительном поведении обоих деревьев. Роль нагрузки в нашей задаче играет сила ветра FB. Можно силу ветра, действующую на ствол, сложить с силой ветра, действующего на крону, и даже предположить, что силы ветра, действующие на оба дерева, одинаковы. Тогда, по-видимому, дальнейшее рассуждение должно" быть следующим. Корневая система сосны глубже уходит в землю, чем у ели. За счет этого плечо силы, удерживающей сосну в земле, больше, чем у ели (рис. 16). Следовательно, чтобы вывернуть ель с корнем, требуется меньший момент силы ветра, чем для сосны; чтобы вывернуть сосну с корнем, требуется больший момент силы ветра, чем чтобы поломать ее. Поэтому ель чаще выворачивается с корнем, чем сосна, а сосна чаще ломается, чем ель.

KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ Лекция № 1

Предмет и задачи биофизики

Биофизика как медико-биологическая наука, изучающая механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах. Место биофизики в ряду фундаментальных биологических и медицинских дисциплин, связь с биологическими и медицинскими науками. Краткий исторический очерк развития биофизики. Методы и направления современной биофизики.

Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Существуют и более емкие определения биофизики. Например, лауреат Нобелевской премии А. Сент-Дьердьи утверждал, будто биофизика − «все то, что интересно». Термин «биофизика» закрепился в научной литературе с 1892 г., когда Карл Пирсон, автор книги «Грамматика науки», на ее страницах заявил: «...наука, пытающаяся показать, что факты биологии − морфологии, эмбриологии и физиологии образуют частные случаи приложения общих физических законов , получила название этиологии... Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой». А. Фик и вслед за ним другие немецкие ученые называли эту область знания медицинской физикой, но французский физиолог Ж. А. д"Арсонваль еще до предложения К. Пирсона предпочитал термину «медицинская физика» словосочетание «биологическая физика».

Современная биофизика исследует механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах на субмолекулярном , молекулярном, надмолекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

По природе объектов исследования, биофизика − типичная биологическая наука. По методам изучения биообъектов и анализа результатов исследований , биофизика является своеобразным разделом физики (по мнению М.В. Волькенштейна, «биофизика − физика явлений жизни»). Она идет в авангарде тех областей биологии, которые превращают эту древнейшую область человеческого знания из гуманитарной в точную науку. Внедрение физических принципов анализа биологических явлений в медицину позволяет ей стать не только искусством, но и наукой. В этом особая роль биофизики среди других медицинских теоретических дисциплин.

Зачастую о биофизике говорят как о новой, молодой науке. Так, 9 ноября 1934 г. П.Л. Капица писал: «Биофизика − совершенно новая область, она пришла вместе с биохимией на смену старой классической физиологии. Вместо того чтобы изучать физиологические процессы в целом... биофизика и биохимия изучают отдельные элементы живого существа и стараются объяснить его функцию посредством законов физики и химии». Действительно, в отдельную научную дисциплину биофизика выделилась сравнительно недавно, но зачатки биофизики возникли сразу по появлении работ в области экспериментальной физики. Так, некоторые изыскания Г. Галилея (измерение температуры тела, определение работы , совер­шаемой человеком, и т. п.) можно отнести к биофизическим исследованиям.

Стремление объяснить процессы жизнедеятельности человека и животных физическими законами было весьма характерно для творчества многих ученых XVII и XVIII вв. (Р. Бойль, Р. Гук, И. Ньютон, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье, М.В. Ломоносов и многие другие). XIX в. стал веком торжества аналитических методов в исследовании биологических явлений. Эти методы получили наибольшее развитие в физиологии, в недрах которой зародилась современная биофизика. Многие физиологические процессы, вплоть до нервной деятельности, пытались объяснить на основе физических законов. В отличие от аналогичных попыток предшественников, такие объяснения в значительной мере подтверждались экспериментально. Герман Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Эмиль Дюбуа-Реймон изучил биоэлектрогенез почти всех органов и тканей организма. Эрнст Вебер объяснил некоторые свойства гемодинамики на основе физических законов. Выдающиеся открытия были сделаны в области биофизики органов чувств − достаточно назвать хотя бы закон Вебера-Фехнера.

Вместе с тем XIX в. определил весьма характерную тенденцию в последующем развитии биофизики. Одним из первых ученых, подметивших и утвердивших эту тенденцию, был Иван Михайлович Сеченов – отец русской физиологии. С не меньшими основаниями его можно назвать основоположником отечественной биофизики. Он использовал методы математики и физической химии для исследования дыхания , установил количественные закономерности растворения газов в биологических жидкостях. В работах И.М. Сеченова прослеживается наиболее перспективный путь развития физиологии и биофизики, связанный, прежде всего с физической химией. В докторской диссертации (1860) И.М. Сеченов утверждал: «Физиолог − физико-химик, имеющий дело с явлениями животного организма».

Однако только в XX в. биофизика стала самостоятельной наукой. С этих пор она приступила к изучению фундаментальных проблем биологии: наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетики.

Большинство исследователей (биофизиков) XVII−XIX вв. рассматривали живой организм как физическую систему, причем основным методом такого изучения биологических явлений был поиск внешних аналогий. Заметим, что и сейчас подобный прием не без успеха применяется в биофизике. Например, сокращение мышцы можно моделировать обратным пьезоэлектрическим эффектом, амебовидное движение клеток – перемещениями ртутной капли в растворе кислоты , проведение нервного импульса – миграцией царапины по железной проволоке, обработанной азотной кислотой (модель Лилли), и т. п.

Познавательное значение таких моделей довольно ограниченно. Зачастую при моделировании одного и того же биологического явления они сменяют одна другую вслед за появлением новых технических устройств. Например, рефлекторная деятельность рассматривалась во времена Р. Декарта по аналогии с работой паровой машины, в начале прошлого века – телефонной станции, сейчас – электронно-вычислительной машины. Однако и подобные (феноменологические) модели нужны. Они позволяют уточнить некоторые детали уже понятых в принципе явлений, создавать бионические системы, в которых используются закономерности биологической организации для построения сложных технических устройств, например роботов. И все же это полезное направление физического моделирования не является главным в решении кардинальных биофизических задач.

Основная цель биофизического исследования состоит в выяснении интимных (внутренних) механизмов биологических процессов, а не в рассмотрении внешних аналогий. Принято считать , что живые организмы представляют собой сложные физико-химические системы. Поэтому не физическое, а физико-химическое моделирование оказалось наиболее плодотворным. Оно привело к созданию ионной теории возбуждения, вскрытию природы биоэлектрогенеза, выяснению свойств биологических мембран и т. д. На этом пути особенно значительны достижения биофизики в последние годы.

По существу, современная биофизика – это физическая химия и химическая фи зика биологических систем. Именно такое направление является ведущим в работе двух крупнейших в мире институтов биофизики РАН, которые находятся в городе Пущино под Москвой. Проблемами биофизики занимаются сейчас многие научно-исследовательские учреждения Академии наук, Академии медицинских наук, Минздрава России. Среди них – институты физической химии и химической физики РАН , Институт биофизики Минздрава России. Развитием биофизики в нашей стране занимаются также университетские кафедры биологической физики.

Биофизика – пограничная область знаний, причем границы между ней и рядом других биологических наук довольно условны. При проведении этих границ исходят из самого определения предмета биофизики – к биофизическим относятся исследования, вскрывающие физические, а также физико-химические механизмы биологических процессов. В биофизических исследованиях применяется основной принцип экспериментального изучения природы – количественный анализ реакций организма на определенные стимулы с построением функциональных зависимостей между ними. Процессы жизнедеятельности получают строгую интерпретацию в виде количественных закономерностей, представляющих собой абстрактную форму выражения функциональной зависимости реакции от стимула.

Функции организма с незапамятных времен изучает физиология. В разное время содержание физиологии изменялось. Сейчас она рассматривает функцию как форму деятельности с определенным конечным результатом, проявлением которого служат физиологические свойства (Шидловский, 1981). В их внутренние механизмы невозможно проникнуть, используя традиционные физиологические подходы к изучению функций. Эти механизмы, поскольку они имеют физическую и химическую природу , изучают биофизика и биохимия. Различие задач биофизики и физиологии в изучении функций организма можно проиллюстрировать таким примером. Исследуя биопотенциалы, биофизик интересуется, прежде всего, механизмом возникновения электромагнитных процессов в живых тканях, физико-химическими основами этого феномена, его энергетическим обеспечением, тогда как для физиолога биопотенциалы являются показателями жизнедеятельности организма, служат количественной характеристикой важнейших физиологических свойств (прежде всего – возбудимости). Так, по электрокардиограмме физиолог судит о свойствах сердечной мышцы (автоматизме, возбудимости, проводимости). Его меньше занимает физико-химическая природа электрогенеза в миокарде, это составляет основную задачу биофизического исследования электрических процессов в сердце.

Биохимия, подобно биофизике , также стремится проникнуть в механизмы физиологических явлений, но изучает их химическую природу. Понятны трудности в разграничении биофизических и биохимических исследований, но это необходимо делать. «Не подлежит сомнению, – утверждал академик Г.М. Франк (1974), – что любые проявления жизни и живые организмы в целом в конечном итоге – „химические машины". Однако, несмотря на примат химии, химический язык и химические концепции недостаточны, чтобы раскрыть материальную сущность явлений жизни. Это в первую очередь относится к путям превращения энергии, природе сил взаимодействия и разнообразным физическим процессам, таким, например, как генерация электрических потенциалов , возникновение механической энергии, механизмы управления и регуляции».

Биофизические методы создаются на основе физических и физико-химических методов изучения природы. В них должны сочетаться трудно совместимые свойства: высокая чувствительность и большая точность. Этому условию отвечают, прежде всего, достижения современной электроники. Весьма плодотворно использование оптических методов. Широко применяют различные методы спектроскопии, включая радиоспектроскопию (методы электронного парамагнитного резонанса – ЭПР и ядерного магнитного резонанса – ЯМР). Давно вошли в обиход радиоизотопные методики.

Любое исследование требует, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс. Для биофизического эксперимента соблюдение этого требования особенно актуально. Известный советский биофизик Б.Н. Тарусов считал, что в этом требовании заключена важнейшая особенность биофизических методов, отличающая их от применения аналогичных методических приемов в других областях физики. Такая несколько утрированная формулировка специфики биофизических методов имеет определенные основания. Трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности последнего к любым воздействиям на него. Они не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции , разнообразные в разных органах и в различных условиях. Искажение смысла истинных явлений может оказаться столь существенным, что становится невозможным вносить поправки в артефакты (явления, не свойственные изучаемому объекту в естественных условиях и возникающие в ходе его исследования), поскольку методы коррекции, используемые с успехом в физике и технике, зачастую бесплодны в биофизике.

Чтобы лучше понять области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления научных изысканий в биофизике. Согласно решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики, к ним относят исследования на молекулярном и клеточном уровнях, а также биофизическое изучение органов чувств и сложных систем.

Методы и направления современной биофизики. Молекулярная биофизика изучает функциональную структуру и физико-химические свойства биологически важных (биологически функциональных) молекул, а также физические процессы, обеспечивающие их функционирование , исследует термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантовомеханические особенности их организации. Эта часть молекулярной биофизики постепенно выделяется в новый раздел под названием квантовой биофизики. В целом задача молекулярной биофизики – раскрыть физико-химические механизмы биологической функциональности молекул.

Работы по биофизике клетки посвящены физическим и физико-химическим свойствам клеточных и субклеточных структур, закономерностям деления и дифференцировки клеток, особенностям их обмена веществ (метаболизма), а также биофизическим механизмам специализированных функций клеток (мышечного сокращения, секреции, нервной импульсации и др.).

Биофизика органов чувств вскрывает физические и физико-химические механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторными аппаратами сенсорных систем (анализаторов) человека и животных (на квантовом, молекулярном, клеточном уровнях).

Задача биофизики сложных систем состоит в разрешении общих физико-биологических проблем (происхождение жизни, наследственность, изменчивость и т. д.) на основе физико-математического моделирования важнейших биологических процессов.

Многие биофизики настаивают на выделении еще одного направления биофизических исследований − биофизических основ экологии. Его содержанием является выяснение механизмов воздействия на организм физических и химических факторов среды. Существует тенденция отождествления всей биофизики с молекулярной биофизикой, что нашло отражение в учебнике М.В. Волькенштейна «Биофизика», изданном для студентов биологических и физических факультетов университетов. Такое ограничение можно допустить для определения области наиболее актуальных научных изысканий современной биофизики, хотя и с этим далеко не все согласны. Так, академик Г.М. Франк еще в 1974 г. утверждал, что «центр тяжести физико-химического рассмотрения основы жизненных явлений смещается теперь в область биологии клетки», поскольку «явления жизни возникают только в системе, называемой клеткой», и, по словам Е.Б. Вильсона (1925), «ключ к каждой биологической проблеме нужно искать в клетке», а современная биофизика стала обладать методами, позволяющими сделать клетку объектом точного физического эксперимента. Это не означает, что другим направлениям биофизических исследований отводится вспомогательная роль. По мнению Г.М. Франка, в развитии биофизики должна соблюдаться «...непрерывность линии исследования от раздела , который мы обозначили как „молекулярная биофизика", далее через биофизику клетки к биофизике сложных процессов».
Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология.

Живые организмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

Задачи биофизики:

1.Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.

2.Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития , саморегуляции и самовоспроизведения.

3.Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.

4.Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов.

5.Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Разделы биофизики:

· Молекулярная – изучает строение и физико-химических свойства, биофизику молекул. Основными объектами исследования молекулярной биофизики являются функционально активные вещества и среди них белки и нуклеиновые кислоты.

· Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем. Биофизика клетки имеет дело с надмолекулярными структурами живой клетки, среди которых особое место занимают мембранные структуры клеток и субклеточных структур.

· Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем. Биофизика сложных систем рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физико-математического моделирования. Объектами исследования в этом случае являются сообщества клеток, живые ткани, физиологические системы , популяции организмов. Построение моделей является одним из главных этапов биофизического исследования. Живой организм представляет собой очень сложную систему, не всегда доступную для точного физического эксперимента. В этом случае плодотворным становится использование физических, аналоговых, математических моделей. Любое крупное открытие в биофизике получено путём применения моделей.

Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить молекулярную структуру гемоглобина и миоглобина. Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое применение получили физические модели мембран в виде моно- и бимолекулярных липидных плёнок. С развитием и совершенствованием вычислительной техники моделирование получает новое развитие.

Такие науки как биология, медицина, сельскохозяйственные науки становятся всё более точными. Трудно переоценить в этом случае роль биофизики призванной исследовать явления жизни с использованием физических представлений и методов.

История развития биофизики.
Математические модели описывают целый класс процессов или явлений, которые обладают сходными свойствами, или являются изоморфными. Наука конца 20 века – синергетика, показала , что сходными уравнениями описываются процессы самоорганизации самой разной природы: от образования скоплений галактик до образования пятен планктона в океане.
Несмотря на разнообразие живых систем, все они обладают следующими специфическими чертами, которые необходимо учитывать при построении моделей.

Все биологические системы являются сложными многокомпонентными, пространственно структурированными, элементы которых обладают индивидуальностью. При моделировании таких систем возможно два подхода. Первый – агрегированный, феноменологический. В соответствии с этим подходом выделяются определяющие характеристики системы (например, общая численность видов) и рассматриваются качественные свойства поведения этих величин во времени (устойчивость стационарного состояния, наличие колебаний, существование пространственной неоднородности). Такой подход является исторически наиболее древним и свойственен динамической теории популяций.

Другой подход – подробное рассмотрение элементов системы и их взаимодействий. Имитационная модель не допускает аналитического исследования, но ее параметры имеют ясный физический и биологический смысл , при хорошей экспериментальной изученности фрагментов системы она может дать количественный прогноз ее поведения при различных внешних воздействиях.

Размножающиеся системы (способные к авторепродукции). Это важнейшее свойство живых систем определяет их способность перерабатывать неорганическое и органическое вещество для биосинтеза биологических макромолекул, клеток, организмов. В феноменологических моделях это свойство выражается в наличии в уравнениях автокаталитических членов, определяющих возможность роста, возможность неустойчивости стационарного состояния в локальных системах и неустойчивости гомогенного стационарного состояния в пространственно распределенных системах.