Знания физики
в биологии
выполнил: преподаватель
Емельяненко Т.А.,
студент Секли Максим
курс: 2 «Д»,
специальность «Живопись (по видам)»
Соотношение между физикой и
биологией можно трактовать как
отношение общего и частичного. Знания
из биологии могут лишь расширять
знание о рамках действия физических
законов и способствовать пониманию
единства природы. Этому же
способствует рассмотрение вопросов,
связанных с использованием методов
физики в биологии.
Связь физики и биологии имеет три аспекта:
Физика в живых организмах.
При изучении разных тем на уроках физики приводятся
примеры, которые показывают роль физических процессов в
протекании биологических процессов.
Бионика.
Много принципов, реализованных в живых организмах широко
используются в современных технических устройствах, основой
которых является физика.
Экология.
Физические законы имеют отношение к процессам, которые
происходят в природе в связи с производственной
деятельностью человека. И для ликвидации негативных
влияний такой деятельности, для охраны природы нужно
использовать знание законов физики.
Биофизика
Структурная биофизика.
Структурные исследования уже дали впечатляющие
результаты. Так, с помощью рентгеноструктурного
анализа была определена структура целого ряда
белков, в том числе: белка, ответственного за
превращение нормальных клеток в раковые;
фермента, участвующего в репликации вируса
иммунодефицита (вируса СПИДа); некоторых
специфических белков, связывающихся с ДНК; одного
из ферментов, катализирующих синтез белков.
Установлена структура вирусов, вызывающих
полиомиелит и обычную простуду.
Молекулярные и клеточные системы.
Среди биологических процессов, которые можно
исследовать биофизическими методами, – восприятие
света и звука высшими организмами, мышечное
сокращение, прохождение нервного импульса, работа
мембранных каналов и рецепторов, превращение энергии
в митохондриях (клеточных органеллах),
функционирование белков, участвующих в регуляции
экспрессии генов, механизм действия ферментов.
Экспериментальные подходы к изучению всех этих
процессов различаются, но в основе любого исследования
лежит анализ энергетики процесса.
Компьютерный анализ и построение моделей.
С появлением компьютеров построение моделей
биологических систем и применение математических
методов в биофизике перешли на качественно иной уровень.
Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать
рентгеноструктурные данные, создавать сложные модели,
отвечающие всему комплексу экспериментальных данных.
Для построения адекватных моделей часто приходится
анализировать свойства больших ансамблей молекул и
частиц или поведение неравновесных систем. Строятся
модели таких сложных феноменов и процессов
организменного уровня, как научение и память, восприятие
света и звука, кровообращение, мышечное сокращение,
распределение в организме продуктов метаболизма.
Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных
последовательностей ДНК, проводящемся в рамках
международной программы «Геном человека».
Бионика
Ни для кого не секрет, что крыло самолета - это аналог
крыла птицы и летающего насекомого, а стрекоза прообраз
вертолета. Также всем давно известно, что радар построен
по принципу эхолокации летучих мышей.
Интересна история создания гидрофона. Это - подводный микрофон
или, говоря доступно, искусственное подводное ухо. Но, когда оно
было установлено под днищем корабля, то во время его хода шум
водяных струй заглушал все другие подводные звуки. И тогда люди
задались вопросом: почему же этот шум не мешает слышать,
например, тюленю, когда он движется под водой? Подробно изучив
устройство тюленьего уха, биологи обнаружили специальный
ушной обтекатель, подобием которого сейчас оснащены все
гидрофоны.
Двигатель внутреннего сгорания. С ним имеет полнейшее
сходство слюнная железа клопа: и здесь и там цилиндр,
поршень, клапаны, только в одном случае они хитиновые, а мы
привыкли иметь дело с металлом.
Воспользовавшись патентом природы, люди создали остро
необходимый морякам точно и безотказно работающий
автоматический предсказатель шторма. Тщательно изучив
особый орган медузы - инфраухо, позволяющее животному
улавливать недоступные человеку инфразвуковые колебания
частотой 8...13 Гц, являющиеся предвестниками шторма, они
сделали такой прибор. Природа в очередной раз щедро поделилась с
людьми своими изобретениями.
Существуют новые виды летательных аппаратов, которые
вторгаются в авиацию развитых стран, Это – так называемые
«летающие тарелки». Они и в самом деле похожи на корабли
инопланетян, какими их описывают фантасты и очевидцы встреч с
НЛО. Самое удивительное, что и этот вид дископланов давнымдавно используется природой в важном деле - распространении
семян. Эти легкие образования, по форме напоминающие диски, в
центре которых находятся семена или плоды. При сравнении
контура крылатки ясеня и лопастей пропеллера крупного самолета
выяснилось полное совпадение основных технических
характеристик (отношение ширины к длине и величины углов
атаки).
До сих пор Лондон гордится своим Хрустальным дворцом, но
если быть справедливым, то истинным победителем давнего конкурса
надо считать тропическую лилию. Эти тарелки с высоко
поднятыми краями, диаметром до двух метров, при незначительной
толщине способны выдерживать вес взрослого человека. Своей
высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя
поверхность представляет нечто вроде лучей, напоминающих спицы в
колесе, соединенных между собой частым забором связок.
Экология
Задача экологии заключается в
установлении причин и условий
возникновения и развития биосферных
систем различного уровня сложности,
изучение устойчивости этих систем.
Экология в этом случае понимается как
наука, изучающая процессы
самоорганизации и эволюции систем в
живой и неживой природе, а особая роль
физики в изучении важнейших проблем
экологии - хорошо видна.
Экология на современной стадии своего развития является
наукой, призванной объединить, синтезировать совокупность
научных знаний о биосфере. Этот процесс интеграции может
быть решен только на основе какого-либо общего начала.
Полагаем, что именно физика в силу сказанного выше должна
выступить в качестве такого объединяющего начала.
Часть экологических проблем, изучаемых физикой, может
быть выделена в особую отрасль экологии - экологическую
физику. Геофизика (физика Земли), изучающая, в частности,
физические процессы в литосфере, гидросфере, атмосфере, по
сути исследует физические процессы в биосфере или ее частях.
Физика вибраций и шума сегодня составляют
основу звукосферы человека и являются наиболее актуальной в
связи с использованием человеком, особенно детьми, молодежью,
плееров и мобильных телефонов .
Различные вибрации, особенно техногенного происхождения,
приводят к появлению различных патологических
состояний организма человека. Вибрационная
патология состоит на втором месте (после пылевых) среди
профессиональных заболеваний человека, как экологического
фактора.
Шум влияет на весь организм человека, на его физиологическую
активность и может вызывать, при определенных условиях влияния,
различные заболевания организма, в первую очередь к
снижению слуха человека, глухоте.
Электромагнитные
поля неионизирующего излучения
сегодня являются наиболее актуальным
исправлением в экологии человека, если
иметь в виду слабые и сверхслабые ЭМП
современной бытовой техники и различных
средств связи, включая мобильные
телефоны, компьютеры, плееры и пр.
В природе существуют ЭМ поля естественного происхождения.
Собственно в окружении природных ЭМП формировалось и
существует все многообразие видов и форм живых существ на земле.
К низкочастотным ЭМП и волн в природе относятся: атмосферное
электричество, естественный магнетизм горных пород; приливные и
отливные явления на море; воздействие «солнечного ветра» на
магнитосферу Земли; различные потоки космических частиц,
которые взаимодействуют с перемещающимися зарядами
атмосферного электричества; полярные сияния.
Человек, как биологический вид, формировался под влиянием магнитного
поля Земли, хотя человек обладает механизмами,
обеспечивающими определения того или иного ЭМ воздействия, однако у
него отсутствуют рецепторы и органы, непосредственно реагирующие
на эти поля.
Все ЭМП , действующие на человека, в основном проявляются на
его функциональное состояние, а основным внутренним фактором таких
полей является вода организма человека, которая является
весьма чувствительной средой к любым влияниям ЭМП.
Свет как экологический фактор имеет важнейшее значение потому, что
является источником энергии для процессов фотосинтеза, т.е. участвует в
образовании органических веществ из неорганических составляющих. Он
играет большую и разнообразную роль в различных жизненных процессах у
животных, что определяется его физическими свойствами.
В экологии под термином
«свет» подразумевается
диапазон солнечного
излучения,
представляющий собой
поток энергии в пределах
длин волн от 100 до 3000
нм и более. Этот поток
радиации распадается на
несколько областей,
отличающихся
физическими свойствами
и экологическим
значением для живых
организмов.
Спасибо за внимание!
