Что свободная Е не может возрастать лишь в изолированных системах, в проти-

Характеризуя рост и разв-я организмов мы говорим об усложнении их организации

С точки зрения классической термодин-ки это выглядит одновременно мы

Наблюдаем увеличение или накопление свободной энергии, дело закл-ся в том,

Что свободная Е не может возрастать лишь в изолированных системах, в проти-

воположности живые организмы как открытые системы как в процессе автотрофного

и гетеротрофного питания не получают свободную энергию с окр. Средой. 2-ое начало

термодинам-ки применительно к живым системам надо рассматривать с учетом

взаимодействия с окр. Средой. С этой точки зрения уменьшение энтропии и

увеличение свободной энергии фотосинтезирующих организмов происходит благодаря

уменьшению свободной энергии в системе более высокого порядка, в этом случае

общий баланс энтропии автотрофов соответствует 2-му началу термод-ки. Точно также

уменьшение энергии в различных частях клетки, где происходит биохимический синтез

происходит за счет избыточного увеличения энтропии в р-х диссимиляции общий

баланс энтропии увел-ся. В значительной мере процессы обмена в живом организме

зависят от скорости биохимических превращений. Общая теория роста и развития

организма была впервые сформулирована в 1946-47 гг. Пригожиным. По данной теории

в процессе роста и развития организма происходит уменьшение V – ти продуцирования

энтропии отнесенной к единице массы обьекта. Пригожин на основе изуч-я открытых систем сформулировал основное св-во стационарного состояния: в стационарном состоянии: в

стационарном состоянии при фиксир-х внешних параметрах V-ть продукции энтропии

в открытой системе обусловленная протеканием необратимых процессов постоянно во

времени и минимально по величине. D_iS/dt cтремится к мин-му. Согласно теореме Пригожина

стационарное состояние будет характер-ся мин-м рассеиванием энергии. Эти условия эквивалентны

условиям мин-го роста энтропии.

13.2. Фоторецепторы уже сравнительно хорошо изучены в настоящее время. В частности недавно открытый в пурпурной мембране (ПМ) галофильных бактерий бактериородопсин (Бр) с молекулярной массой 26 000- объект весьма пристального внимания ученых (В. Стокениус, 1971г.). Каждая молекула Бр содержит один хроматофор- ретиналь (полиеновый альдегид) в комплексе с белком (опсином), который преобразует энергию hn в перемещение Н⁺ через мембрану и синтезируется АТФ. Все это ионные и ферментативные процессы, они сходны с фотосинтезом.

Пурпурные мембраны (ПМ) содержат: 75% белка, 25% липиды (фосфо- и гликолипиды). Причем существенно, что хроматофор белка- ретиналь содержится в соотношении с белком 1:1. Важно, что максимум поглощения сдвигается после освещения светом от 560нм к 570нм с переносом протона через мембрану посредством 6-ти промежуточных состояний с участием иононового кольца.

При освещении Н⁺ освобождается и выходит во внешнюю среду. Причем поглощение света обеспечивает сдвиг электронной плотности и поляризацию белкового окружения ретиналя. Существенно, что выброс протона происходит на внешней стороне ПМ, а захват- на цитоплазматической. Таким образом внешняя среда закисляется и роль протонной помпы выполняет Бр. Одновременно установлено, что при освещении суспензии галобактерий увеличивается содержание АТФ в клетках и тормозится дыхание. Фотоиндуцированный перенос протонов через ПМ сопровождается электрогенезом, т.е. образованием на мембране фотопотенциала.

Фоторецепция позвоночных

Трансформация энергии света в фоторецепторный сигнал у позвоночных происходит в палочках и колбочках. Палочки способны генерировать сигнал в ответ на 1 квант света. Они состоят из дисков (до 1500 шт.), разделенных мембранами толщиной 15- 16нм. Мембрана образована фосфолипидным бислоем со встроенным родопсином.

Палочки обеспечивают сумеречное зрение! Родопсин- хромопротеин (М=40 000), гидрофобный фрагмент которого находится внутри рецепторной мембраны, а гидрофильный компонент (12 000)- снаружи. Хроматофор родопсина тоже ретиналь- половина молекулы b- каротина. При освещении родопсин обесцвечивается и максимум сдвигается с 500нм в коротковолновую область, в отличие от бактериородопсина.

В наружном сегменте много ненасыщенных жирных кислот, поэтому необходима защита от перекисного окисления с помощью a- токоферола. Его недостаток приводит к образованию перекисей. При освещении родопсин переходит в изородопсин (9- цис) и далее наблюдается обратное восстановление за счет биохимических реакций.

В фоторецепторной клетке на один поглощенный родопсином hn в плазматической мембране блокируется 100- 300 Na⁺- каналов (время открытия канала 200- 300мс). Одновременно внутриклеточно выделяется медиатор в цитоплазме наружного сегмента вследствие чего блокируются Na⁺- каналы. Предполагается, что существуют посредники (например Са²⁺ и циклические нуклеотиды), которые при освещении выбрасываются изнутри фоторецепторных дисков, блокируют Na⁺- каналы а затем активно "закачиваются" внутрь. По другой гипотезе нуклеотид цГМФ в темноте поддерживает Na⁺- каналы открытыми, а при освещении их закрывает. Возможный медиатор- фосфоинозитол.

13.3. Обнаружить оптическую активность в-ва (ОАВ) можно с помощью системы поляризатор-анализатор. Интенсивность света, прошедшего через такую систему зависит от угла м/у плоскостью анализатора и поляризатора φ, т. е. J=J₀cos²φ. Для твердых в-в угол поворота плоскости поляризации φ пропорционален толщине в-ва l т. е. φ=αl, где α – удельное вращение плоскости поляризации (ПП), и для различных в-в он строго определен [град/м, град/мм]. По определению α равен углу, на который поворачивается плоскость поляризации слоем ОАВ толщиной 1 м (или 1 мм). По закону Био удельное вращение α зависит от длины волны проходящего света. Вдали от полос поглащения зависимость α от λ определяется ф-лой Био φ~l/λ². Для р-ров, если растворитель нейтральный, φ зависит от концентрации растворенного ОАВ С: φ=βСl т.е. α=βС. Константа β зависит от растворенного в-ва и называется удельным вращением растворенного вещества. β = углу поворота ПП, кот вызывается слоем р-ра толщиной 1 м при конц раств-го в-ва 1кг/м³ (или 1 дцм при С=1г/см³).

График зависимости фототока I от φ будет п/с синусойду с периодом 180 град, согласно з-ну Малюса J=J₀cos²φ.

Билет №22

1) Электрохимический потенциал. Равновесие Доннана. Пассивный транспорт.

Эл. Потенциал – мера работы, необх-ой для переноса 1 моля (1 грамм-эквивалент) ионов из р-ра с данной концентрацией и данным эл. потенциалом в бесконечно удаленную точку в вакууме.эта работа складывается из затрат на преодоление сил хим-го взаимодействия μ₀ + RTln c и работы по переносу зарядов в электр-ом поле zFφ. Иногда работу по переносу ионов относят не грамм-эквиваленту, а к одному иону. В этом случаи в правую часть ур-ия вместо констант R(газовая постоянная 8,31 Дж*моль*Кл) и F(число Фарадея 9,65 * 10⁴ Кл/моль), относящ-хся к 1 молю ионов, входят постоянная Больцмана (k_Б = 1,38 * 10 ^–23 Дж* К ^-1) и заряд электрона (е = 1,6 * 10 ^–19 Кл) μ = μ₀ + k_Б T ln c + zeφ; μ_0- стандартный хим-ий потенциал, зависящий от природы растворителя, с- концентрация, Т- абсолютная температура, φ- электрический потенциал, z-валентность. Независимо от выбора определений или формулы, описывающие распределение потенциала и концентраций в равновесных и неравновесных системах, получаются эквивалентными, т.к. отношения RT/F и k_БT/е равны и составляют при температуре 20˚С примерно 25мВ.

Доннановское равновесие – вид ионного равновесия между 2мя фазами, которое возникает, если одна из фаз несет заряды, не способные перейти в др. фазу. Такое ограничение подвижности ионов м.б. обусловлено либо тем, что ионы фиксированы в объеме фазы, как, например, в ионообменных смолах, либо наличием между растворами мембраны, проницаемой для растворителя и малых ионов, но непроницаемой для ионов с размерами коллоидных частиц. Дононовское равн-е устан-ся м/у кл-й и окр. средой если клет.мемб-а хорошо прониц-а для неорг.ионов, но непрониц-а для белков и нукл.кислот и др.орг.ионов. В основе вывода уравнении опис-их распред-ие ионов в донон. с-ме, лежит усл-е электронейтральности – равенство сумм конц-ии анионов и катио-в внутри и снаружи кл-и. Донон.потенциал прямо пропорц-н конц-й белков Кл-и и обратно пропорц-н конц-й окружающего электролита. По абсолютной величине дон.потен-ы не велики.

Пассивный транспорт осущ-ся за счет диффузии, осмоса, фильтрации. Для него хар-но наличие некоторых градиентов (потенциала, концентрации, давления), энергия которых и обеспечивает направленный ток заряженных и незаряженных частиц. Пас-ый транспорт подчиняется ур-ию диффузии, которое с учетом градиента концентрации ▼С для к-го вида молекул (или ионов) и градиента ▼φ потенциала элек-го поля (численно равно напряженности ЭП-Е) имеет общий вид: .

Пассивное движение ионов происходит из области с высоким электрохим-им потенциалом в область с более низким. Движущей силой переноса ионов является градиент электрохим-го потенциала dμ/dx.

2) Основные типы сократительных и подвижных систем.

Разл-т 2 режима сократит. дея-ти: изотоническии (мышца укор-ся при неизменном внутр. напряжении) и изометрическии (мышца не укор-ся, а лишь разв-т внутр. напряжение). Разл-т 2 осн.вида мыш.сокращ-и: одиночные (возн-т при дей-й на мышцу одиночного нерв.импульса или кратк. толчка тока) и тетанические (при ритмической стимуляции моторного нерва или мышцы: при редкой стимуляции-зубчатый тетанус, при более частой-гладкий).

Дв-ие в жив. природе обес-ет приспос-сть к изм-ям в окр. среде, поддержание трофики и выживание раст-го и жив-го орг-ма. Сущ-ют различ. формы дв-ия от фототропизма до сложно организованных мышеч. lв-ый. В животном орг-е дв-ие осущ-ся за счет механохимических проц-в, кот-е обес-ся работой надмолекул. стр-р ферментов, сопровождаемых катализом и гидролизом АТФ. Рабочее тело-белок с механич. св-ми, изменяющимися за счет ферм-ых проц-в (сорбции лиганда). Такие процессы (перенос Н⁺ по градиенту эл.хим-го пот-ла) лежат в основе работы бактериальных жгутиков и работы сократ. органелы- спазмонемы (за счет переноса Са²⁺ и его связывания она укор-ся). Эти с-ы раб-т в циклическом режиме, когда рабочее тело пол-т энергию от ист-ка (претерпевает изм-я), передает её нагрузке во время рабочего хода и далее такой преобразователь возвращается в исх-е состояние.

Скелет. мышца позвон-ых сост-т из отд-х многоядерных клеток- мыш. Волокон. Волокна имеют 2 пластинки (поперечные), которые разделяют саркомеры. Нерв. импульс вызывает выброс Са²⁺ из саркоплазмат-го ретикулума и проис-т обр-ие связи миозинового мостика с белком актином. Нити скользят до тех пор, пока сила мостика не упадет до 0, после чего мостик размыкается.

Во время работы хода мостик преобр-т своб. энергию гидролиза АТФ в механическую А. При обратном ходе на обращение сост-ия мостика затраг-ся часть энергии АТФ. Осущ-ся полный цикл превращений мостика. На своб. миозине проис-т гидролиз АТФ и долгоживущий миозинпродуктный комплекс соед-ся с актином. Бол. cвоб. энергия переходов, связанных с десорбцией продуктов гидролиза АТФ от актомиозина м/б использована для совершения работы в мышце. Осн. освоб-ие своб. энергии гидролиза АТФ проис-т при десорбции фосфата.

3) Почему принято делить общий процесс фотосинтеза на световые и темновые стадии? Что делает энергетически возможным протекание темновых стадий фотосинтеза?

Фотосинтез - уникальный процесс образования богатых энергией органических веществ в клетках зеленых растений под действием видимого света (400- 700 нм). Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид:

CO2+nH2O=nC6H12O6+nO2

Процессы фотосинтеза пространственно и во времени можно разделить на 2 сравнительно самостоятельных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления углекислого газа. Обе стадии протекают у высших растений и водорослей в специализированных органеллах клеток- хлоропластах (исключение синезеленные бактерии (цианобактерии), у которых аппарат фотосинтеза не обособлен от цитоплазматических мембран).

Первый этап фотосинтеза - это поглощение энергии света молекулами пигментов: различных видов хлорофилла. Молекулы пигментов упакованы в мембраны тиллакоидов хлоропластов. Свет, поглощенный молекулами хлорофилла, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень. Энергия, выделяемая в световых реакциях, запасается в виде молекул АТФ, НAДФ-H₂, побочным продуктом световых реакций фотосинтеза является молекулярный кислород, свободно диффундирующий в окружающую среду. Не все фотосинтетические реакции требуют света. Серия реакций протекает без участия света - темновая стадия фотосинтеза. Темновые реакции осуществляются в жидком содержимом (строме) хлоропласта. Их результатом является восстановление двуокиси углерода через цикл промежуточных углеводородных форм до молекулы углевода- глюкозы. С использованием изотопных меток показано, что источником всего свободного кислорода является вода.

C(16)O2+H2(18)O=[CH2(16)O]+(18)O2 цифры в скобках – верхний коэффициент.

Важность присутствия в растения обоих ФС становится понятна на основании эффектов Эмерсона. Первый состоит в резком падении интенсивности фотосинтеза при l³700 нм (красное падение), второй состоит в неаддитивном усилении фотосинтеза при добавлении света низкой интенсивности l=650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления). Таким образом показано существование двух отдельно организованных, но взаимосвязных ФС и инициирующая роль в фотосинтезе ФС, использующей коротковолновое излучение (ФС II, l£680 нм).

АТФ в дальнейшем используется для синтеза глюкозы в темновой фазе посредством присоединения CO2 к первичному акцептору и последующими 5-ю реакциями с участием ферментов.

Билет №23

1) Потенциал покоя, его происхождение. Взаимодействие квантов с молекулами.

Неравн-ое распред-ие ионов м/у внутр. и наружн. слоями мем-ы в покоящейся кл-и обусл-т постоян. эл. заряд – ПП. Величина его колеб-ся от 50-100мВ. В поддерж-й ПП гл.роль играет К. В возникновении ПД играют роль ионы натрия. Переход ионов натрия внутрь клетки по град-у конц-й приводит к исчез-ию ПП, а затем к реверсии – перезарядке мем-н. Поток ионов К из Кл-и наружу не м/т сущ-но изм-ть стремительно идущий прочес деполяризации, т.к. ионы натрия в состоянии возбуж-я переходят внутрь Кл-и в 20 раз быстрее, чем в сост-й покоя, а выдел-е ионов К увел-ся примерно в 9 раз. Увел-ие ионов натрия при возбуж-й обус-но откр-м каналов в глобулярн.белках, встроенных в мем-у. В поляриз-ой мем-е кл-и в сост-ии покоя натриевые ворота каналов закрыты. При деполяр-й мем-ы они откр-ся. До наступ-ия критич.уровня деполяризации и быстрые и медл-е ворота поддерж-т слабый поток ионов натрия внутрь, ионов К –наружу.

Деполяр-я нарастает лавинообр-о: в нач-е дей-я раздр-ля ионная прониц-ть мем-ы меняется незнач-но. Поток ионов К из Кл-и превышает поток ионов натрия в нее. Суммарный ионный поток направлен при этом наружу. При дальн. дей-и раздр-ля увел-ся прониц-ть мем-ы для ионов натрия. Суммарный ионный поток оказ-ся направ-м внутрь кл-и. С этого момента местный потенциал перерастает в волновой ПД.

2) Первичные фотохимические реакции.

— это реакции, в которых энергия света преобразуется в энергию химических связей, и в пер­вую очередь в энергию фосфорных связей АТФ. Именно АТФ яв­ляется энергетической валютой клетки, обеспечивающей течение всех процессов. Одновременно под действием света происходит разложе­ние воды, образуется восстановленный НАДФ и выделяется, кисло­род. Энергия поглощенных квантов света стекается от сотен молекул пигментов светособирающий комплекс к одной, характеризующейся поглощением в наиболее длинноволновой части солнечного спектра. Молекула хлорофилла-ловушки, отдавая электрон акцептору, окисляется. Электрон посту­пает в электронно-транспортную цепь. Предполагается, что светособирающий комплекс состоит из трех частей: главного антенного компонента и двух фо­кусирующих, расположенных в двух фотосистемах. Комп­лекс антенного хлорофилла погружен в толщу мембраны тилакоидов хлоропластов. Совокупность светофокусирующих (антенных) молекул пигмен­тов и реакционного центра составляет фотосистему. Хлорофилл-ловушка фото­системы I поглощает свет с длиной волны 700 нм, хлорофилл-ло­вушка фотосистемы II поглощает свет с длиной волны 680 нм. По-видимому, свет поглощается раз­дельно этими двумя фотосистемами и нормальное осуществление фото­синтеза требует их одновременного участия. При циклическом потоке электроны, переданные от молекулы хлорофилла первичному акцептору, возвращаются к ней обратно. При нециклическом потоке происходит фотоокисление воды и передача электрона от воды к НАДФ. Соответственно двум типам потока электронов различают циклическое и нециклическое фотофосфорилирование. При нециклическом потоке электронов принимают участие две фотосистемы. Отличительными особенностями нециклического фотосинтетического фосфорилирования являются: 1) окисление двух молекул воды, происходящее в результате воздействия hn света, которые улавливаются двумя фотосистемами; 2) передача электро­нов от молекул воды через электронно-транспортную цепь на НАДФ. Продуктами процесса нециклического фотофосфорилирования яв­ляются восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат и АТФ. Эти соединения в дальнейшем используются в темновой фазе фотосинтеза. В этом процессе принимает участие лишь фотосистема I. Нециклическое и циклическое фотосинтетическое фосфорилиро» вание принято включать в световую фазу фотосинтеза, однако свет необходим только на первых этапах этих процессов.

3) Что такое фоновая радиоактивность и как она определяется?

При измерении числа импульсов (частиц) в минуту N с помощью счетчика Гейгера-Мюллера учитывается наличие фона, который обусловлен космическим излучением, радиоактивным загрязнением среды. Поэтому получаемое значение N Nф =Nи+Nф, N-измеренное число импульсов в единицу времени, Nи-активность источника, Nф-фоновая активность. Если источник отсутствует, то N= Nф. Величина фоновой активности зависит от времени года, места нахождения установки. СЧЕТЧИК Гейгера-Мюллера-самостоятельный газовый разряд. Он в виде стеклянной трубки, покрытой изнутри тонким слоем меди (катод) и централ-й вольфрамовой нити (анод). Частицы высоких энергий (β-, γ-) проникают через стенку датчика, для αчастиц в торце счетчика делают окошко из алюминиевой фольги. Возникающий самостоятельный разряд кратковременный т.к. разрядный ток создает падение напряжения на сопротивление R, которое велико (10⁹Ом) и напряжение между электродами счетчика уменьшается и энергии электронов или ионов уже нехватает для ионизации встречных молекул. Происх-ит быстрая рекомбинация электронов и ионов, газовый разряд прекращается. Счетчик приходит в исход.состояние. Т.о. каждая частица, попадая в счетчик, дает импульс тока и скачок напряжения на R, который может регистрировать любым счетчиком импульса.

Билет №24

1) Потенциал действия (ПД). Роль ионов Na и K в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах: роль Ca и Cl.

ПД-электр-ий импульс обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распростр-ем по нервам и мышцам волны возбуждения (одиночный нервный импульс). Реверсия мембр-го потенциала во время развития импульса вызванна тем,что на гребне спайка ПД мембрана избирательно проницаема для Na, так что отношение ионных проницаемостей = K: Na=1:20. разность потенциалов на мембране, проницаемой только для Na, выражается формулой Нернста , φNa- равновесный потенциал для Na,

2) Восстановление от радиационного поражения.

3) Основные методы регистрации радиоактивных излучений и частиц. Их характеристика.

o Ионизационная камера-герметичный сосуд с 2мя электродами, заполненным газом (H,N) при пониженном давлен. Между электродами создается разность потенциалов(100-1500 В). регистрируемая частица, попадая в счетчик вызывает ионизацию газа и появления тока в цепи. Камера работает в режиме насыщения, все электроны и ионы, образуемые частицей, достигают электродов, поэтому величина тока(J) пропорциональна числу частиц (интенсивности излучения) N, т.е. J=kN. Различные частицы могут образовывать разное число пар ионов(α частицы создают десятки тысяч пар ионов), поэтому при одинаковом числе N ток J зависит и от вида частиц. Это явление использ-ся для идентификации частиц.

o Счетчик Гейгера-Мюллера самостоятельный газовый разряд. Он в виде стеклянной трубки, покрытой изнутри тонким слоем меди (катод) и централ-й вольфрамовой нити (анод). Частицы высоких энергий (β-, γ-) проникают через стенку датчика, для αчастиц в торце счетчика делают окошко из алюминиевой фольги. Возникающий самостоятельный разряд кратковременный т.к. разрядный ток создает падение напряжения на сопротивление R, которое велико (10⁹Ом) и напряжение между электродами счетчика уменьшается и энергии электронов или ионов уже нехватает для ионизации встречных молекул. Происх-ит быстрая рекомбинация электронов и ионов, газовый разряд прекращается. Счетчик приходит в исход.состояние. Т.о. каждая частица, попадая в счетчик, дает импульс тока и скачок напряжения на R, который может регистрировать любым счетчиком импульса.

o Камера Вильсона основана на конденсации пересыщенных паров воды или спирта на цепочке ионов, образующихся вдоль траектории движения регистрируемых частиц. Цилиндр с черным подвижным дном и стеклян-ым верхом. Внутри его пары спирта или воды в смеси с аргоном. При резком сжатии пары становятся пересыщенными и образующийся трек снимают на черном фоне.

o Толстослойные пластинки основаны на действии заряжен. Частиц или их продуктов распада (взаимодействуют с в-вом подобно квантам света) при попадании в фотоэмульсию т.к. плотность последней велика, то длина треков частиц невелика и обычно такие пластинки обследуют при поперечном срезе под микроскопом.

o Пузырьковая камера рабочее тело – перегретый жидкий водород, в котором регистр-ые частицы создают центры парообразования в виде треков, как и в камере Вильсона возможно действие поперечных магнитных и эл-х полей (действуя ими можно изменить траекторию и по ее радиусу судить о скорости движения частиц).

Билет №1.

1. Биофизика - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений. Теоретические посылки и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимо­действия, на общих понятиях физической кинетики, термоди­намики, теории информации.

Биофизика, как наука, начала формироваться еще в XIX в., хотя выделение ее в самостоятельную отрасль со своими теоретическими постулатами, терминологией, экспериментами и методами произошло сравнительно недавно. Именно большая сложность и высокая подвижность живых объектов, а также изменчивость среды их обитания способствовали необходимости создания специализированных методов и приемов.

В биофизике выделяют 3 осн. Направления исследования:

1. Молекулярная-объект-функционально активные в-ва.

2. Биофизика Кл.-надмолекулярные структуры живой клетки-мембранные структуры Кл.

3. Биофизика сложных систем-рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физ.-мат. моделирования. Объект-сообщества кл.

Построение моделей-одно из главных этапов.

Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить молекулярную структуру гемоглобина. Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое приминение получили физ. модели мембран в виде моно- и биомолекулярных липидных пленок. С развитием и совершенствованиемвычислительной техники моделирование получает новое развитие.

Леонардо да Винчи-изучал проблемы движения биологических существ.

Галилео Галилей-устойчивость на сгибании деревьев.

Гарвей-гидродинамика достижения крови по сосудам.

Гермгольц-18 в.-биофизика зрения.

Теория Мейснеризма-магнетическое взаимодействие между людьми.

Магнитотронизм-влияние магнитных полей на человека.

Теория Гулича-о биологических полях.

Первый научно-исследовательский биофизический институт в России-Лазарев 1922. в 1982 в стране сущ. 20 кафедр биофизики. Франк организовал и запустил ИТЕП, институт Кл., инженерной генетики, инженер прикладной мат-ки, в. Пущино. Йоффе организовал Академию, котрой сейчас руководит Алферов-агротехнический институт им. Йоффе.

2. Дозиметрия ионизирующих излучений — раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Д. и. и. — совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин — их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений. Основной дозиметрической величиной является доза ионизирующего излучения и ее модификации. Задача Д. и. и. — описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения.

Физической основой Д. и. и. является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Многообразие условий облучения и многофакторный характер его последствий не позволяют обходиться единственной дозиметрической величиной, приспосабливая ее к изменению этих условий и факторов. Необходим целый набор дозиметрических величин, из которых в зависимости от условий облучения и поставленной задачи выбирают наиболее адекватную меру радиационно-индуцированного эффекта. Примером такой величины является введенный Международной комиссией по радиологическим единицам (МКРЕ) для целей радиационной безопасности показатель эквивалентной дозы (см. Доза ионизирующего излучения) в точке радиационного поля — максимальная эквивалентная доза внутри тканеэквивалентного шара диаметром 30 см при совмещении центра этого шара с данной точкой. Практическое применение этого показателя встречает определенные трудности, ибо проблему адекватности дозиметрии пока нельзя считать полностью решенной.

Методы Д. и. и. можно классифицировать по разным признакам. Так, в зависимости от вида регистрируемого эффекта различают ионизационный, фотографический, химический, люминесцентный, калориметрический, сцинтилляционный методы, метод следов повреждения и др. При этом имеет место однозначная количественная связь между изменением физических или химических свойств детектора излучения и поглощенной энергией. В клинической дозиметрии распространены ионизационные методы, в которых детектором служат ионизационная камера, твердотельные люминесцентные кристаллы, полупроводники. Последние привлекают малыми размерами детектора.

Билет №2.

1. Биофизика - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений. Теоретические посылки и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимо­действия, на общих понятиях физической кинетики, термоди­намики, теории информации.

Биофизика, как наука, начала формироваться еще в XIX в., хотя выделение ее в самостоятельную отрасль со своими теоретическими постулатами, терминологией, экспериментами и методами произошло сравнительно недавно. Именно большая сложность и высокая подвижность живых объектов, а также изменчивость среды их обитания способствовали необходимости создания специализированных методов и приемов.

В биофизике выделяют 3 осн. Направления исследования:

1. Молекулярная-объект-функционально активные в-ва.

2. Биофизика Кл.-надмолекулярные структуры живой клетки-мембранные структуры Кл.

3. Биофизика сложных систем-рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физ.-мат. моделирования. Объект-сообщества кл.

Построение моделей-одно из главных этапов.

Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить молекулярную структуру гемоглобина. Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое приминение получили физ. модели мембран в виде моно- и биомолекулярных липидных пленок. С развитием и совершенствованиемвычислительной техники моделирование получает новое развитие.

Леонардо да Винчи-изучал проблемы движения биологических существ.

Галилео Галилей-устойчивость на сгибании деревьев.

Гарвей-гидродинамика достижения крови по сосудам.

Гермгольц-18 в.-биофизика зрения.

Теория Мейснеризма-магнетическое взаимодействие между людьми.

Магнитотронизм-влияние магнитных полей на человека.

Теория Гулича-о биологических полях.

Первый научно-исследовательский биофизический институт в России-Лазарев 1922. в 1982 в стране сущ. 20 кафедр биофизики. Франк организовал и запустил ИТЕП, институт Кл., инженерной генетики, инженер прикладной мат-ки, в. Пущино. Йоффе организовал Академию, котрой сейчас руководит Алферов-агротехнический институт им. Йоффе.

2. Поглощение энеогии ионизирующего излучения явл. Первичным процессом, дающим начало последовательности физико-химических преобразований в облученной ткани приводящей к наблюдаемому радиационному эффекту.

Ионизирующее излучение-потоки частиц и электромагнитных квантов, образующиеся при ядерных превращениях, т.е в результате ядерных реакции или радиоактивного распада.

Любое изменение в облучаемом объекте, вызванное ионизирующем излучением-радиационно-индуцированный эффект. Пример-лучевое поражение организма в результате чрезмерных доз ионизирующей радиации.

Поглощенная энергия способна запускать цепочку заранее неизвестных событий, расстраивающих тонкий механизма жизнедеятельности. Первичными физическими процессами играющими роль спускового крючка для разнообразных нарушений, служит ионизация.

Поглощенная энергия ионизирующего излучения-не определяет однозначно то,что при одной и тои же дозе излучения и в одном и том же биологическом объекте наблюдаемый эффект оказывается различнм для разных типов радиации.

Билет №3.

1. Кинетика биологических процессов изучает поведение во времени самых раз­нообразных процессов, присущих различным уровням организации живой материи: биохимические превращения в клетке, генерацию электрического потенциала на биологических мембранах, биологические ритмы, процессы накопления биомассы или размножении вида, взаимодействия популяций живых организмов в биоценозах.

Сложный процесс в биологической системе обычно имеет характер многосту­пенчатых превращений и может рассматриваться как совокупность отдельных ста­дий (элементарных звеньев), образующих сетку сопряженных последовательных, параллельных и/или циклических реакций. В основе совокупности процессов в це­лостной клетке или организме лежат кинетические относительно простые биохими­ческие реакции и физико-химические процессы, для которых справедливы основные законы физической химии. В частности, скорости каждой из реакций существенно зависят от условий ее протекания: температуры, рН, свойств катализаторов реак­ций и т. п. В такой постановке описание кинетического поведения сложной системы сводится к построению и анализу математической модели, в которой скорости ко­личественных изменений различных составных компонентов были бы выражены через скорости отдельных элементарных реакций их взаимодействия.

Результаты моделирования составляют основу управления биологическими процессами.

Кинетическую систему можно охарактеризовать совокупностью переменных и параметров, выражаемых через измеримые величины, которые в каждый момент времени принимают определенные числовые значения.

В разных биологических системах в качестве переменных могут выступать различные измеряемые величины: в биохимии — это концентрации промежуточных веществ, в микробиологии — число микроорганизмов или их суммарная биомасса, в экологии — численность вида, в биофизике мембранных процессов — мембранные потенциалы и т. д.

При построении кинетических моделей основные переменные системы (ско­рость, концентрация, время реакции) для удобства анализа модели выражают обыч­но в безразмерных (относительных) величинах. Этот прием часто позволяет су­щественно уменьшить число параметров и тем самым упростить исследование.

2. В современной физике под радиоактивностью понимают спонтанное (самопроизвольное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп, при этом самопроизвольно изменяется состав атомного ядра, сопровождаемый испусканием ядрами элементарных частиц или других ядер (например, ядер Не- α-частиц). Эти процессы являются результатом либо сильных взаимодействий (ядерных сил), для которых характерно наличие потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), либо слабых взаимодействий (например, для β-распада). Испускание ядром гамма- излучения обусловлено квантовыми переходами между различными состояниями одного и того же ядра и не приводит к изменению состава ядер, поэтому его не относят к числу радиоактивных превращений.

При α-распаде из ядра X вылетает α-частица при этом образуется новое ядро Y с зарядом z меньшим на 2 единицы и массовым числом А меньшим на 4 единицы, т.е.

_zX^A→₂He⁴+_z-2Y^A-4

Образуется ядро химического элемента, расположенного в таблице Менделеева левее на 2 клетки от исходного X (смещение влево). Кинетическая энергия вылетающей α-частицы определяется массами ядер X, Y и α-частицы, при этом энергетический спектр α-частицы дискретный. Известно более 200 α-активных ядер, в основном, в конце периодической таблицы и 20 α-активных изотопов редкоземельных элементов, которые дают α-частицы с энергиями 4-9 Мэв и 2-4,5 Мэв соответственно.

При β-распаде происходит самопроизвольное испускание или поглощение электронов (е) или позитронов (е⁺), нейтрино (v_e) или антинейтрино (v_e), обусловленное взаимным превращением нейтронов и протонов внутри ядра. При этом образуется новое ядро Y химического элемента, расположенное в таблице Менделеева на одну клетку правее исходного или левее (позитронный распад).

Так как масса β-частицы много меньше массы составных частиц ядра протонов (р) и нейтронов (n), то они не учитываются. Далее, появление нейтрино при β- распаде было предсказано теоретически на основании закона сохранения энергии и спина, и только в 1956 г. удалось экспериментально зарегистрировать эту частицу, которая не имеет заряда, с массой покоя равной нулю, но обладает полуцелым спином, как все фермионы. При β- распаде массовое число А не изменяется, поэтому общее число протонов и нейтронов тоже сохраняется, значит должны происходить превращения n→p и p→n.

Энергетический спектр образующихся β-частиц непрерывный с выраженным максимумом, характерным для данного радиоактивного ядра.

Гамма-лучи испускаются ядрами в возбужденном состоянии. В этих состояниях (метастабильных) ядра могут существовать, в зависимости от свойств данного энергетического уровня и уровня, на который переходит ядро после излучения (спин, четность, энергия), от 10"¹⁰ сек. до нескольких лет. Довольно часто возбужденное ядро, не излучая γ-квантов, передает свою избыточную энергию электронной оболочке при этом вылетает один электрон из атома и возникает вторичное излучение рентгеновского или оптического диапазонов. Такой процесс называется внутренней электронной конверсией.

Билет №4.

1. Математическая модель - модель объекта, процесса или явления, представляющая собой математические закономерности, с помощью которых описаны основные характеристики моделируемого объекта, процесса или явления.

1. Составление математической модели начинается с выбора переменных, совокупность числовых значений которых однозначно определяет один из вариантов процесса. Эти переменные называются параметрами задачи или элементами решения.

2. После выбора переменных составляются ограничения,которым должны удовлетворять эти переменные.

3. Составляется целевая функция, которая в математической форме, отражает критерий эффективности выбора лучшего варианта, другими словами, ставится цель операции на модели, полученной во втором пункте.

В природе известны эффекты резкого возрастания численности отдельных популяций, приводящие к глобальным изменениям не только экосистем, но и эколандшафтов с геологическими изменениями. Это популяционные взрывы численности, например, леммингов на севере Скандинавии, саранчи в Африке, кроликов в Австралии и, наконец, фантастическая ситуация с «вечным хлебом» у писателя А. Беляева в его известном произведении. Как протекают эти процессы и каковы их закономерности? Попробуем ответить на эти вопросы с помощью мате­матических моделей.

Пусть численность некоторого вида описывается функцией вре­мени X = X (Т). Тогда, если предположить, что скорость DX/DT при­роста численности особей X = X (Т) будет зависеть от численности осо­бей X (Т) в данный момент времени, т. е.

DX / DT = АХ,

где А - коэффициент скорости прироста численности особей X (Т), то динамика процесса опишется функцией:

Х=Х(Т) = Х0ехр(АТ) =Х0еАТ

где ХО - начальная численность популяции в момент времени Т = Т (0). Это означает экспоненциальный рост численности X со временем, т. е. X является показательной функцией от Т.

вид этой зависимости приведен на рис. Из рисунка видно, что, имея меньшую начальную численность (ХО2), но большую скорость роста (А2), можно быстро догнать (и перегнать) в численности другую попу­ляцию (Х01). В любом случае численность нарастает неограниченно и быстро.

Процессы такого вида имеют место и при росте числа раковых клеток, когда их численность в организме ничем не ограничивается,; динамика процесса определяется только величиной коэффициента А. Облучение опухоли может резко изменить А и даже сделать А —> 0, что эграничит процесс развития опухоли. При этом хирургические операции могут только снизить X (Т), что представляется моделью-

DX/DT=AX-M

Очевидно, что при оперировании опухоли важно сделать Х0=0,т.е. удалить все раковые клетки.

2. Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), пред-ют собой жесткие электромаг-ые колебания, обр-еся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение γ-кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии γ-квантов (£100 кэв) на тяжелых элементах (Pb, U).

При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длинну волны) и направление распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1см³ вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях.

Если жнергия γ-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hν.

Рентгеновское излучение обр-ся при работе рентгеновских трубок, а также сложн. электронных установок (бетатронов). По хар-ру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отл-ся от них происхож-ем и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Рентгеновское излучение при взаимодей-ии с в-вом может когерентно рассеиваться (при взаимодей-и фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек. Рентгеновское и гамма- излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов –камптон-эффект. Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исх-го рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на соверш-ие работы и сообщение электрону кинетической энергии.

Вторичное излучение также может быть ионизирующим. Исп-ся они достаточно широко в практ-й медицине (рентгенографии, рентгеноскопии, флюорографии)

Ионизация вследствие воздей-я рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незнач-но за счет непосред-й траты собств-й энергии. Эти лучи (особ-о жесткие) также обл-т знач-ой проникающей спос-ью.

Нейтронное излучение пред-т собой поток нейтр-ых, то есть незаряж-х ч-ц нейтронов яв-хся составной частью всех ядер, за искл-ем атома водорода. Они не обл-т зарядами, поэтому сами не оказ-т ионизирующего дей-я, однако весьма знач-ый ионизирующий эффект происходит за счет взаимодей-я нейтронов с ядрами облучаемых в-в. Облучаемые нейтронами в-ва могут приобретать радиоакт-е св-ва, т.е. получать так — называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение обр-ся при работе ускорителей элем-ых ч-ц, ядер. реакторов и т. д. Нейтронное излуч-е обл-т наибольшей проникающей спос-тью. Задерж-ся нейтроны в-вами, содерж-ми в своей мол-ле водород (вода, парафин и др.).

3. DX / DT = (АО - ВХ) X

XN = XS + (AO-B*XS)*XS*DT

CLS: SCREEN 9, 1,0 I

NPUT "H0=", НО INPUT "Н05=", НЮ INPUT "H10=", H20 INPUT "Н15=",Н30 INPUT "HM=", НМ INPUT "Z0=", Z0 INPUT "d2=", d2 INPUT "S=", S INPUT "K=", К INPUT "DT=", DT

CLS: LINE (40, 250)-(40, 30), 15: LINE (40, 250)-(600, 250), 15

LOCATE3,4:PRINT"H" LOCATE 19, 62: PRTNT "Реальное время";

10dl =d2*HM

HS = H0 + (dl-d2*H0)*H0*DT

FOR i = 1 TO К

HN = HS + (dl-d2*HS)*HS*DT

Tl=DT*i

T = 40 + i*DT*S

Y = 250-HN*.5

PSET (T, Y), 14

IFTl = I0THENP = HN

IF Tl = 20 THEN Q = HN

IFT1=30THENO = HN

IF К = 19999 THEN GOTO 100

HS=HN

NEXT i

100 Zl = (P – Н10) ^ 2 + (Q - H20) ^ 2 + (О - H30) ^ 2

Z = SQR(Z1)

IF Z > Z0 THEN d2 = d2 +.0001: GOTO 10

200 LOCATE 21, 15

PRINT "Окончательные параметры модели"

LOCATE 22, 15

PRINT "d2=", d2

LOCATE23, 15

PRINT "dl=", dl

Билет №5.

1.Динамические модели строятся на методе индукции (от частного к общему).

Если в системе имеется n различных компонентов, претерпевающие метаболические превращения, то каждое i-е соединение из общего их числа n хар-ся значениями концентрации Ci(i=1,2,..,n), которое может изменяться со временем Ci=Ci(t) в рез-те взаимодействий I-го соединения с любым из остальных (n-1) в-в.

Мат. Модель-система из n дифференциальных уравнений

dc1/dt=f1(c1,…,cn)

dcn/dt-fn(c1,…,cn)

c1(t),…,cn(t)-нейзвестные функции времени описывающие переменные системы.

dci/dt-скорости изменения этих переменных.

fi-функция, зависящие от внешних и внутренних параметров системы.

Б большинсве случаях эти уравнения для линейных процессов.

Процессы, происходящие в биологических системах-нелинейны, а значит, и нелинейны модели этих процессов. Н-р, скорость простейшего биомолекулярного взаимодействия описывается математически в виде произведения концентраций реагентов.

Методы позволяют выявить важные общие св-ва модели, не прибегая к нахождению в явном виде неизвестных функции c1(t),…,cn(t)-такой подход дает хорошие результаты при исследовании моделей, состоящих из небольшого числа уравнений и отражающих важные динамические св-ва системы.

Гетерогенный характер структурно-функциональной организации биологических систем воплощается в динамически гетерогенности основных процессов метаболизма. В кинетическом отношении это положение находит свое отражение в том, что различные функциональные процессы в биологических системах и их подсистемах сильно отличаются друг от друга по характерным скоростям или времени протекающих в них процессов.

Практика мат. Моделирования показывает, что исследование упрощенных систем уравнений дает содержательное представление об общих динамических свойствах системы.

Динамические системы, описываемые системами уравнений, называются точечными системами, т.е. во всех точках такой системы значения плотности концентрации одного какого-то веш-ва равны в каждый момент времени.

2. В современной физике под радиоактивностью понимают спонтанное (самопроизвольное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп, при этом самопроизвольно изменяется состав атомного ядра, сопровождаемый испусканием ядрами элементарных частиц или других ядер (например, ядер Не- α-частиц). Эти процессы являются результатом либо сильных взаимодействий (ядерных сил), для которых характерно наличие потенциальных барьеров (кулоновского и центробежного), либо слабых взаимодействий (например, для β-распада). Испускание ядром гамма- излучения обусловлено квантовыми переходами между различными состояниями одного и того же ядра и не приводит к изменению состава ядер, поэтому его не относят к числу радиоактивных превращений.

При α-распаде из ядра X вылетает α-частица при этом образуется новое ядро Y с зарядом z меньшим на 2 единицы и массовым числом А меньшим на 4 единицы, т.е.

_zX^A→₂He⁴+_z-2Y^A-4

Образуется ядро химического элемента, расположенного в таблице Менделеева левее на 2 клетки от исходного X (смещение влево). Кинетическая энергия вылетающей α-частицы определяется массами ядер X, Y и α-частицы, при этом энергетический спектр α-частицы дискретный. Известно более 200 α-активных ядер, в основном, в конце периодической таблицы и 20 α-активных изотопов редкоземельных элементов, которые дают α-частицы с энергиями 4-9 Мэв и 2-4,5 Мэв соответственно.

При β-распаде происходит самопроизвольное испускание или поглощение электронов (е) или позитронов (е⁺), нейтрино (v_e) или антинейтрино (v_e), обусловленное взаимным превращением нейтронов и протонов внутри ядра. При этом образуется новое ядро Y химического элемента, расположенное в таблице Менделеева на одну клетку правее исходного или левее (позитронный распад).

Так как масса β-частицы много меньше массы составных частиц ядра протонов (р) и нейтронов (n), то они не учитываются. Далее, появление нейтрино при β- распаде было предсказано теоретически на основании закона сохранения энергии и спина, и только в 1956 г. удалось экспериментально зарегистрировать эту частицу, которая не имеет заряда, с массой покоя равной нулю, но обладает полуцелым спином, как все фермионы. При β- распаде массовое число А не изменяется, поэтому общее число протонов и нейтронов тоже сохраняется, значит должны происходить превращения n→p и p→n.

Энергетический спектр образующихся β-частиц непрерывный с выраженным максимумом, характерным для данного радиоактивного ядра.

Гамма-лучи испускаются ядрами в возбужденном состоянии. В этих состояниях (метастабильных) ядра могут существовать, в зависимости от свойств данного энергетического уровня и уровня, на который переходит ядро после излучения (спин, четность, энергия), от 10"¹⁰ сек. до нескольких лет. Довольно часто возбужденное ядро, не излучая γ-квантов, передает свою избыточную энергию электронной оболочке при этом вылетает один электрон из атома и возникает вторичное излучение рентгеновского или оптического диапазонов. Такой процесс называется внутренней электронной конверсией.

3. Молекулярность реакции – это минимальное число молекул, участвующих в элементарном химическом процессе. По молекулярности элементарные химические реакции делятся на молекулярные (А →) и бимолекулярные (А + В →); тримолекулярные реакции встречаются чрезвычайно редко. Если реакция протекает последовательно через несколько гомогенных или гетерогенных элементарных стадий, то суммарная скорость всего процесса определяется самой медленной его частью, а молекулярность заменяется порядком реакции – формальным показателем при концентрации реагирующих веществ. Поэтому весь процесс в целом лучше характеризует порядок реакции.

А→В

А →В+С

υ=-d[A]/dt=kx

k=l/t ln x0/x

k-константа скорости

t-время

x0-начальная концентрация

x-конечная концентрация А в момент времени.

Реакции второго порядка 2A→C+D

υ=kx^2

k=l/t (x0-x)/x*x0

Для реакции A+B→C+E

υ=k(Ca-C)(Cb-C)

k=2.303/t(Ca-Cb) lg Cb(Ca-C)/Ca(Cb-C)

Ca, Cb-начаотные концентрации веществ А и В

C-расход их к моменту времени

Для реакции 3-го порядка 3A→B+C

υ=kx^3

k=l/t ([0^2-x^2)/2x^2x0^2

Билет №6.

1. Простейшие модели этих двух систем впервые были предложены независимо А. Д. Лоткой в 1926 г. (модель химической реакции) и В. Вольтерра в 1931 г. (модель хищник - жертва).

Пусть имеется химическая реакция, протекающая по общей схеме

А→Х→Y→В- Молекулы А с некоторой постоянной скоростью ко превращаются в молекулы веще­ства X (реакция нулевого порядка). Вещество X может превращаться в вещество Y. Важная особенность состоит в том, что скорость этой реакции тем больше, чем больше концентрация вещества Y. Это означает, что превращение X зависит не только от концентрации исходного реагента X, но и от продукта превращения Y. Иными словами, скорость этой реакции зависит от концентрации обоих веществ — исходного (X) и конечного (У), а сама реакция протекает как реакция второго порядка. Такие процессы, где скорость превращения исходного вещества пропор­циональна концентрации продукта реакции, носят название автокаталитических. Молекулы Y, в свою очередь, необратимо распадаются, в результате образуется вещество В.

Экологическую модель Вольтерра. Пусть в некотором за­мкнутом районе живут жертвы и хищники, например зайцы и волки. Зайцы пи­таются растительной пищей, всегда имеющейся в достаточном количестве. Волки (хищники) могут питаться лишь зайцами (жертвами). Обозначим число зайцев х, а число волков — у. Так как количество пищи для зайцев не ограничено, мы можем предположить, что зайцы размножаются со скоростью, пропорциональной их числу.

Пусть убыль численности зайцев пропорциональна вероятности встречи их с волками, т.е. пропорциональна произведению х х у. Количество волков также на­растает тем быстрее, чем чаще их встречи с зайцами, т.е. пропорционально х х у. В химической кинетике это соответствует бимолекулярной реакции, когда вероят­ность появления новой молекулы пропорциональна вероятности встречи двух мо­лекул, т. е. произведению их концентраций. Кроме того, имеет место естественная смертность волков, причем скорость убывания численности особей пропорциональ­на их количеству.

Метод изоклин. Для качественною построения фазового портрета системы обычно используют метод изоклин. При этом на фазовой плоскости наносят линии, которые пересекают интегральные кривые под одним определенным углом.

А=Q(x,y)/P(x,y)

Давая А определенные числовые значения, получаем семейство кривых. В любой точке каждой из этих кривых угол наклона касательной к фазовой траектории, проходящей через эту точку, равен одной и той же величине, а именно величине А.

2. Под биологическим действием И. и. понимают многообразные реакции, возникающие в облучаемом биологическом объекте, начиная от первичных процессов размена энергии излучения до эффектов, проявляющихся спустя длительное время после радиационного воздействия. Знание механизмов биологического действия И. и. необходимо для экстренного принятия адекватных мер обеспечения радиационной безопасности персонала и населения при авариях на атомных электростанциях и других предприятиях атомной промышленности. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, необходимо достаточно большое количество энергии — 10—15 эВ, называемое потенциалом ионизации. Поскольку частицы и фотоны И. и. обладают энергией от десятков до миллионов эВ, что намного превышает энергию внутри- и межмолекулярных связей молекул и веществ, составляющих любой биологический субстрат, то поражающему радиационному воздействию подвержено все живое.

Максимально упрощенная схема начальных этапов лучевого поражения состоит в следующем. Вслед и по сути одновременно с передачей энергии И. и. атомам и молекулам облученной среды (физический этап биологического действия И. и.) в ней развиваются первичные радиационно-химические процессы, в основе которых лежат два механизма: прямой, когда молекулы вещества испытывают изменения при непосредственном взаимодействии с И. и., и косвенный, при котором изменяемые молекулы непосредственно не поглощают энергию И. и., а получают ее путем передачи от других молекул. В результате этих процессов образуются свободные радикалы и другие высокореакционные продукты, приводящие к изменению жизненно важных макромолекул, а в финале — к конечному биологическому эффекту. В присутствии кислорода радиационно-химические процессы интенсифицируются (кислородный эффект), что при прочих равных обстоятельствах способствует усилению биологического действия И. и. (см. Радиомодификация, Радиомодифицирующие агенты). Следует иметь в виду, что изменения облучаемого субстрата не являются обязательно окончательными и необратимыми. Как правило, конечный результат в каждом конкретном случае не может быть предсказан, т. к наряду с лучевым повреждением может произойти и восстановление исходного состояния.

Воздействие И. и. на живой организм принято называть облучением, хотя это не совсем точно, ибо облучение организма может осуществляться и любым другим видом неионизирующего излучения (видимым светом, инфракрасным, ультрафиолетовым, высокочастотным излучением и др.). Эффективность облучения зависит от фактора времени, под которым понимают распределение дозы ионизирующего излучения во времени. Наиболее эффективно однократное острое облучение при высокой мощности дозы И. и. Пролонгированное хроническое или прерывистое (фракционированное) облучение в заданной дозе оказывает меньшее биологическое действие, благодаря процессам пострадиационного восстановления.

Различают внешнее и внутреннее облучение. При внешнем облучении источник И. и. располагается вне организма, а при внутреннем (инкорпорированном) оно осуществляется радионуклидами, попавшими в организм через дыхательную систему, желудочно-кишечный тракт или через поврежденную кожу.

Биологическое действие И. и. в значительной степени зависит от его качества, в основном определяемого линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, теряемой частицей на единице длины ее пробега в веществе среды. В зависимости от значения ЛПЭ все И. и. делят на редкоионизирующие (ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм). Воздействие разными видами И. и. в равных поглощенных дозах приводит к разным по величине эффектам. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которую обычно оценивают сравнением дозы изучаемого И. и., вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного И. и., обусловливающей такой же эффект. Условно можно считать, что ОБЭ зависит только от ЛПЭ и возрастает с увеличением последней.

На каком бы уровне — тканевом, органном, системном или организменном не рассматривалось биологическое действие И. и., его эффект всегда определяется действием И. и. на уровне клетки. Детальное изучение реакций, инициируемых в клетке И. и., составляет предмет фундаментальных исследований радиобиологии. Следует заметить, что большинство реакций, возбуждаемых И. и., в том числе и такая универсальная реакция, как задержка клеточного деления, является временной, преходящей и не сказывается на жизнеспособности облученной клетки. К реакциям такого типа — обратимым реакциям — относятся также различные нарушения метаболизма, в т.ч. угнетение обмена нуклеиновых кислот и окислительного фосфорилирования, слипание хромосом и др. Обратимость этого типа лучевых реакций объясняется тем, что они являются следствием повреждения части множественных структур, утрата которой очень быстро восполняется или просто остается незамеченной. Отсюда и характерная особенность этих реакций: с увеличением дозы И. и. возрастает не доля реагирующих особей (клеток), а величина, степень реакции (например, продолжительность задержки деления) каждой облученной клетки.

Существенно иную природу имеют эффекты, приводящие облученную клетку к гибели, — летальные лучевые реакции. Под клеточной гибелью в радиобиологии понимают утрату клеткой способности к делению. Напротив, «выжившими» считаются те клетки, которые сохранили способность к размножению (клонированию).

3.

Включает 2 модели тканевых мембран с различными емкостными свойствами (С1 и С2), источника постоянного напряжения и переключателя П, нагрузочное сопротивление. Параллельное соединение Собщ=С1+С2.

Последовательное соединение 1/Собщ=1/С1+1/С2

Билет № 25

1. Скелетная мышца позвоночных состоит из отдельных многоядерных кл мышечных волокон (1- 1 мм- 50 см, d~ 0,05 мм-,1 мм). Волокна имеютпластинки (поперечные), которые разделяют саркомеры длиной в покое ~ 2,2мкм. Нервный импульс вызывает выброс Са²⁺ из саркоплазматического ретикулума и происходит образование связи миозинового мостика с белкомактином. Нити скользят до тех пор, пока сила мостика не упадет до 0, после чего мостик размыкается. Во время работы хода мостик преобразует свободную энергию гидролиза АТФ в механическую А. При обратном ходе на обращение состояния мостика также затрагивается часть энергии АТФ. Осуществляется полный цикл превращений мостика. Однако миозин плохой фермент (скорость гидролиза АТФ -0,05 сек ^-1). Актин резко (на три порядка!) ускоряет гидролиз АТФ. Причем скорость энергопродукции мышцы при сокращении с ускорением больше, чем в изометрическом режиме. На свободном миозине происходит гидролиз АТФ и долгоживущий миозинпродуктный комплекс соединяется с актином. Большая свободная энергия переходов, связанных с десорбцией продуктов гидролиза АТФ от актомиозина (более 50% свободной энергии реакции гидролиза АТФ), может быть использована для совершения работы в мышце. Основное освобождение свободной энергии гидролиза АТФ происходит при десорбции фосфата. При сопоставлении указанных свойств реакции в растворах с арактеристиками механохимического цикла мостика необходимо учитывать, термодинамические и кинетические параметры реакции в мышце должны изменяться в связи со структурными ограничениями, приводящими к деформациям белкового комплекса.

Регуляция двигательных функций осуществляется двигательными центрами ЦНС, которая представляет собой сложную многоуровневую систему. В ней можно выделить спинальный, подкорковостволово-мозжечковый и корковый уровни регуляции моторики в целом. Все игры регуляции двигательной активности составляют элементы иерархической системы, и одновременно и во всё возрастающейдействуют как партнеры. Именно на этом этапе уже проявляются принципы синергического взаимодействия в мышцах и НМС, в целом.

Нервная система выполняет главную роль в организации целенаправленной активности. Даже самое простое движение в основе своей имеет сложные механизмы контроля, поскольку степень возбудимости мотонейронов определяется процессами, протекающими на спинальном и супраспинальном уровнях. Регуляторные системы получают добавочную информацию по системам обратных связей от самого мотонейрона и от чувствительных периферических аппаратов (рецепторов).

Конечным путем, пунктом приложения управляющих воздействий со всех уровней является мотонейронный пул спинного мозга и связанная с ним биокинематическая сеть. Источником, посылающим импульсы к мышце, являются мотонейроны рогов спинного мозга и двигательные ядра черепно-мозговых нервов. Скелетные мышцы млекопитающих содержат две группы мышечных волокон, экстрафузальные и интрафузальные. В экстрафузальных мышечных волокнах выделяют белые и красные волокна, обладающие рядом качественно различных свойств, например у них не одинаковые требования к обмену веществ. Главное заключается в их регуляции: красные волокна обеспечивают тоническую активность и управляются тоническим системокомплексом фазатона мозга (ФМ), а белые волокна тесно связаны с фазической активностью ФМ. Красные волокна богаты миоглобином и митохондриями, имеют более разветвленную сеть капилляров. В них преобладают формы метаболизма в большей степени зависящие от кислорода в отличие от белых мышц Белые мышечные волокна обладают фазической, а красные – тонической системой регуляции на афферентные стимулы. Это проявляется в скорости их сокращения или продолжительности сократительного акта, и в силе и зависимости от адренергического влияния.

Существуют особенности в организации афферентного и эфферентного звена управления и регуляции тонусом красных и белых мышечных волокон и двигательных единиц, которые их объединяют. Организация фазического рефлекса (ФР) и тонического рефлекса (ТФ), Эти рефлексы обеспечивают поддержание длины мышцы (путем быстрого сокращения белых мышц) или поддержание тонуса мышц (за счет работы красных мышц).

Поиск по сайту: