BIOFIZYKA

Dr hab.n.med. Andrzej Mysiak, profesor 

nadzw.

Państwowa Wyższa szkoła Medyczna

w Opolu

  

 

 

Biofizyka zajmuje się badaniem 

funkcji organizmów żywych w 

oparciu o prawa fizyki

 

 

Homeostaza

Stałość środowiska wewnętrznego jest 

jednym z najważniejszych celów dla 

mechanizmów regulacji fizjologicznych

 

 

Homeostaza

Regulacje fizjologiczne organizmów żywych 

musza zapewniać odpowiedni dopływ substancji 

i energii z zewnątrz, aby wyrównać ich zużycie

 

 

 

Homeostaza

Regulowanie zachodzących przepływów 

substancji i energii w celu utrzymania w 

środowisku wewnętrznym stałych warunków  dla 

wielu zmiennych (Cannon)

 

 

Homeostaza



Pętle sprzężeń zwrotnych 

zapewniają utrzymywanie wielu 

parametrów w ustalonych małych 

przedziałach.

 

 

Homeostaza



1. Przebieg dowolnego procesu fizycznego (dowolnej wielkości fizycznej), 
stanowiącego nośnik informacji – sygnał



2. Układ w którym można wyróżnić sygnał wejściowy (x) i wyjściowy (y) 
element



3. System (układ) jest zbiorem elementów komunikujacych się między 
sobą  (oddziaływujących na siebie) przez wymianę energii lub informacji, 
który łącznie wykonuje pewną czynność 



4. Systemy działając zmieniają się pod względem strukturalnym 
(materialnym) – znajdują się w różnych stanach



5. Zachowanie systemu można uważać za łańcuch przekształceń jego 
stanów.



6. Informacja jest to pewne odwzorowanie (zapis) stanu istniejącego 
układu w pewnym obiekcie lub procesie fizycznym/chemicznym 



7. Skończony ( przeliczalny) zbiór wyróżnionych (dyskretnych) 
odwzorowujących dowolne stany innego układu jest nazywany zbiorem 
znaków kodowych (alfabetem kodu)

 

 

Homeostaza



8. Informacja a więc pewien zapis stanu elementów lub systemu , 
która jest przekazywana na zewnątrz systemu to wiadomość,



9. Układ w którym zachodzi przekazywanie wiadomości za pomocą 
sygnału to kanał



10. Żródłem wiadomości jest obiekt wraz z elementem badającym  



11. Im bardziej prawdopodobna jest wiadomość tym mniejsza mniejsza 
ilość zawartej informacji



12. Źródło wysyłające wiadomości trudne do przewidzenia cechuje się 
dużym stopniem nieokreśloności 



13. Nieokreśloność stanu źródła nazywana jest entropia informacyjną. 
Ilość informacji zmniejszająca ja to negentropia

 

 

Układ regulacji ze 

sprzężeniem zwrotnym



Sprzężenie zwrotne dodatnie



Sprzężenie zwrotne ujemne

 

 

Typy regulacji pojedynczej 

pętli

 



czynna 



bierna – regulacja wewnętrzna 
( np. zużycie substratu zwiększa 
jego podaż )

 

 

Sploty pętli regulacyjnych



krótkie



długie

 

 

Struktura hierarchiczna 



Realizowanie funkcji logicznych

 

 

Oprócz struktury materialnej (analog hardware’u) 
organizm zawiera 
wpisana ( zapamiętaną informację) o innych 
obiektach i możliwych działaniach ( analog 
software’u)

 

 



W górnych partiach hierachicznych struktury regulującej 
działanie organizmu informacje są przenoszone na 
dalsze odległości po aksonach neuronów w postaci 
zakodowanej impulsami elektrycznymi



Im niżej w strukturze tym bardziej wykorzystane są 
nośniki chemiczne



ostatnie piętrem hierarchii jest układ immunologiczny

 

 



Cały układ regulacji, łącznie z CUN i układem 
endokrynnym może zmieniać przepływy i 
sygnały nastawcze (poziomy homeostazy) 
jedynie w granicach dopuszczalnych przez 
logikę struktury wyznaczonej genetycznie.

 

 

ENTROPIA



II zasada termodynamiki

    Układy posiadające dużą energię swobodną 

zdolną do przekształcania się w pracę 
mechaniczną , rozpraszają ja i dlatego są 
układami dyspatywnymi (rozpraszającymi)

 

 

ENTROPIA



Układ dyspatywny w miarę upływu 
czasu przekształca się w mniej 
uporządkowany o mniejszej 
swobodnej energii 



Prawo rozpraszania energii 
wyjaśnia niemożliwość 
skonstruowania maszyny typu 
perpetuum mobile 

 

 

ENTROPIA



Nieuporządkowanie układu określa 
się ilościowo wartością zwaną 
entropią

 

 

ENTROPIA



Rozpraszanie (dysypacja) energii i 
nieuchronny wzrost entropii w 
przyrodzie określa kierunek upływu 
czasu, jego strzałkę skierowaną 
tylko w jedna stronę: od przeszłości 
do ku przyszłości  

 

 

ENTROPIA



Ewolucję biologiczną 
charakteryzuje zwiększająca się 
organizacja materii i zmniejszanie 
entropii 

 

 

ENTROPIA



W pozornym dynamicznym 
nieporządku kryje się w istocie 
głębszy porządek i tajemnica życia

 

 

ENTROPIA



Nieuporządkowane zachowanie jest 
procesem twórczym, ponieważ w 
przeciwieństwie do newtonowskich 
zjawisk liniowych, tylko ono jest 
zdolne do tworzenia nowości, 
układów całkowicie nowych



Są to tzw. właściwości emergencyjne

 

 

ENTROPIA



Żywe organizmy są strukturami 
dyssypatywnymi, dalekimi od 
równowagi termodynamicznej.



Charakteryzują się wysokim 
stopniem złożoności i malejącą w 
miarę rozwoju entropią



Są więc nietrwałe  

 

 

ENTROPIA



Struktury dyssypatywne to 
spontanicznie się 
samoorganizujące złozone 
kompleksy powstające tylko w 
stanach nierównowagi 
termodynamicznej podczas 
rozpraszania  się (dyssypacji) 
energii  

 

 

ENTROPIA



Spontaniczna samoorganizacja 
materii dokonuje się tylko w 
sytuacjach nierównowagi, 
niestacjonarności 
termodynamicznej określanej jako 
stany nieustalone 

 

 

ENTROPIA



Stany nieustalone charakteryzują 
się nieliniowymi fluktuacjami i 
wahaniami poziomów 
energetycznych, które nie rozbijają 
jednak samoorganizującego się 
złożonego układu, gdyż 
przeciwdziałają temu wewnętrzne 
regulacyjne sprzężenia zwrotne   

 

 

ENTROPIA



Żywy organizm nie mógłby nigdy 
powstać ani adaptować się do 
środowiska, gdyby nie wykazywał 
pewnego stopnia fluktuacji i 
nieregularności – pozornego 
nieporządku   

 

 

ENTROPIA



Nieregularności i pozorna 
przypadkowość zachodzą według 
pewnych reguł.



Matematyczne modele takiego 
zachowania stowrzono dzieki powstamiu 
nowego działu matematyki – chaosu 
deterministycznego  

 

 

ENTROPIA

 

 

ENTROPIA



Bez powolnego przyrostu entropii 
w otaczającym środowisku nie 
mogłyby się wyłaniać wysoko 
zorganizowane struktury 
dysypatywne, które zgodnie z II 
zasadą termodynamiki, maja swój 
początek, a tym samy przeszłość   

 

 

ENTROPIA



Jak długo regulacje fizjologiczne 
przeciwstawiają się skutecznie 
niwelującemu działaniu II prawa 
termodynamiki i chronią złożoność, 
tak długo organizm żyje

 

 

ENTROPIA



Równowaga termodynamiczna 
oznacza maksymalna entropię, 
rozpad zorganizowanej całości na 
elementy proste , nie powiązane 
czynnościowo ze sobą – życie 
organizmu dobiega końca 

 

 

ENTROPIA



Stopniowo narastające wyciszenie 
nieregularności, aż do ich 
całkowitego „uspokojenia” jest 
spokojem śmierci 

 

 

ENTROPIA



W tym momencie organizm ginie 
jako całość biologiczna chociaż 
jeszcze przez pewien czas 
utrzymują się czynności 
poszczególnych narządów czy 
komórek  

 

 

ENTROPIA



Śmierć można zdefiniować jako 
nieuniknione zwycięstwo II zasady 
termodynamiki nad życiem, czyli 
nad mechanizmami fizjologicznymi 
utrzymującymi i regulującymi 
złożoność organizmu, jego 
homeostazę i homeodynamikę