Цели науки
Познание природы
Управление природой
Используются 2 подхода познания сущности –
Интуитивный подход
Научный метод
Интуиция – форма непосредственного знания – чутье, догадка, она не требует доказательств.
Атрибутами научного метода будут являться
Опыт(эксперимент) – изучение реакций на определенные стимулы.
Измерение изучаемых параметров
Математический анализ – изучение достоверности данных явлений.
Познание функций человека – одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит – дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача – как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов
Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.
Выделяют-
молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
биофизика клеток – изучение структуры клеток и физико-химические проявления – проницаемость, образование биопотенциалов
биофизика органов чувств – физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
Биофизика сложных системы – процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света
Задачи биофизика
Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм
Эйлер(1707-1783) – законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам
Лавуазье (1780) – изучал обмен энергии в организме
Гальвани(1786) – основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве
Гельмгольц(1821)
Рентген – пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов
Аррениус – законы классической кинетики для объяснения биологических процессов
Ломоносов – закон сохранения и превращения энергии
Сеченов - изучал транспорт газа в крови
Лазарев – основоположник отечественной биофизической школы
Полинг – открытие пространственной структуры белка
Уотсон и Крик – открытие двойной структуры ДНК
Ходжкин, Хаксли, Катц – открытие ионной природы биоэлектрических явлений
Пригожин –теория термодинамики необратимых процессов
Эйген – теория гиперциклов, как основа эволюции
Сакман, Неер – установили молекулярную структуру ионных каналов
Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.
Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне
Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов – радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки
Методы биофизических исследований
Рентгеноструктурный анализ – исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
Колоночная хроматография – различное распределение и анализ смесей между 2 фазами – подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом – колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
Спектральный анализ – качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания – эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения – абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию – электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
Изотопная индикация
Электронная микроскопия
Ультрафиолетовая микроскопия – исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата
Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс – регуляция и управление физиологическими функциями.
Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика – искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.
Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»
Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.
Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.
Системы – организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива – люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.
Программа – последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.
Связь – процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.
Сообщения бывают непрерывными и дискретными.
Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).
Дискретное – состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)
Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода – символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).
Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.
Сообщение и информация – это не одно и тоже, ибо по теории информации
Информация – мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.
Возможность наступления события - априорная информация.
Та вероятность события после получения информации – апостериорная информация.
Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.
Свойства информации.
Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) – «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.
Дезинформация – отрицательное значение информации.
Мера неопределенности событий – энтропия(H)
H=log2 N
Если log2 N=1, тогда N=2
Единица информации – бит(двойничная единица информации)
H=lg N (хартли)
1 хартли – количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит