Biofizyka: Maciej Gaziecki-Lipman
Literatura:
1. Jaroszyk F. red.: Biofizyka podręcznik dla studentów, PZWL, Warszawa 2001, 2002, 2006
Pilawski A. red.: Podstawy biofizyki, PZWL Warszawa 1974, 1985, 1999
Miękisz Z., Hendrich A.: wybrane zagadnienia z biofizyki, Volumed |Wrocław 1998
Pawlicki G.: Podstawy inżynierii medycznej, oficyna wydawnicza Politechniki \Warszawskiej, Warszawa 1997
Terlecki J.: Ćwiczenia laboratoryjne z biofizyki, PZWL, Warszawa 1999
Dryński T.: ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN Warszawa 1980\
Wykład wstępny: Biofizyka jako nauka przyrodnicza. Budowa materii.
Biofizyka jako nauka przyrodnicza
Biofizyka – nauka Przydonica, która bada i opisuje układy biologiczne przy użyciu metod badawczych, zaczerpniętych z fizyki.
| Fizyka | Biologia |
|---|---|
| Przedmiotem badań jest materia nieożywiona | Przedmiotem zainteresowań jest materia ożywiona |
| Metodyka badań – ilościowy opis |
Pytanie gdzie kończy się materia nieożywiona a gdzie zaczyna ożywiona stanowi przedmiot sporów tak naukowych jak i ideologicznych. Jedna z koncepcji uważa, że zdolność związków chemicznych do reprodukcji jest pierwszym sygnałem życia.
Przypomnijmy, że mniej więcej do lat 1830 obowiązywała teoria siły życiowej, vis Witalis zakładająca, że jest ona niezbędna do syntezy związków pochodzenia naturalnego (związków org).
Mówimy że zadaniem biofizyki jest specyficzna interpretacja zjawisk życiowych oparta lkajsdfla
Biofizyka zajmuje się układami biologicznymi, stawiając sobie za cel poznanie fizycznej struktury tych układów oraz fizycznej interpretacji ich funkji, wpływem czynników fizycznych na układy biologiczne i fizyczne
Biofizyka czysta i stosowana
Podział biofizyki:
biofizyka molekularna
Biofizyka komórkowa
Biofizyka tkanek
Biofizyka narządów biofizyka organizmów
Cele nauczania biofizyki w medycynie:
Dostrzeganie zjawisk fizycznych w organizmie człowieka oraz uświadamianie sobie że procesy zachodzące można opisać kategoriami fizyki
Znajomość praw i teorii umożliwiających fizyczną interpretację funkcji poszczególnych układów i podukładów w organizmie człowieka
Zrozumienie mechanizmów oddziaływania różnych czynników fizycznych na żywe organizmy a w szczególności na organizm człowieka
Znajomość metod badania struktur molekularnych makrocząsteczkowych, komórek, tkanek i narządów oraz procesów fizjologicznych zachodzących w układach biologicznych
Znajomość podstaw fizycznych najnowszych metod obrazowania komórek, tkanek i narządów oraz technik terapeutycznych
Stella_encheva@abv.bg
Hierarchiczność budowy organizmów
Początek hierarchicznej struktury organizmu znajdujemy na poziomie uporządkowania elementarnego czyli na poziomie atomów. Atomy zbudowane są z cząstek elementarnych według zasad, które stanowią przedmiot zainteresowania fizyki atomowej
Następny poziom uporządkowania to poziom molekularny. Wiązania chemiczne łączą atomy w cząsteczki – jedne i drugie są przedmiotem badań chemii.
Kolejnym poziomem jest poziom nadmolekularnym. Strukturą cząsteczek i makrocząsteczek biologicznych (biopolimerów) ich reakcjami chemicznymi oraz funkcjami życiowymi zajmują się biochemia i biologia molekularna.
Kolejnym poziomem hierarchicznej struktury organizmu jest poziom komórkowy. Budowa (brak)
Przykłady zastosowania biofizyki na poziomie atomowym:
W zakresie niskich energii fotonów (promieniowanie miękkie), zdolność pochłaniania promieni Roentgena przez rózne pierwiastki rośnie wraz z ich liczbą atomową. Podstawowym budulcem tkanek miękkich są lekki atomy węgla (6) i wodorou (1) oraz tlenu (8), azotu (7) fosforu (15) i siarki (16). Z kolei tkanka kostna oprócz wymienionych pierwiastków zawiera znaczne ilośći wapnia (20). Umożliwia to rozróżnianie tych tkanek na obrazach rentgenowskich.
Wirując jądra atomów wodoru 1H, stanowią źródło momentu magnetycznego. W zewnętrznym polu magnetycznym moment ten może przyjąć dwie wielkości, równe co wielkości i przeciwne co do znaku. Zjawisko to zostało wykorzystane w tomografii NMR, umożliwiające uzyskiwanie map rozkładu jąder atomów wodoru w dowolnie wybranym przekroju ciała.
Tomografia NMRL Zastosowanie biofizyki na poziomie atomowym.
Dynamika żywych organizmów:
w rozumieniu biofizycznym żywy organizm jest układem dynamicznym, w którym bez przerwy zachodzą procesy fizyczne oraz reakcje chemiczne
Procesy te również zachodzą na wielu poziomach począwszy od poziomu atomowego, a skończywszy na poziomie całego organizmu
Biofizyka zajmuje się procesami i przemianami biologicznymi na każdym z tych poziomów.
Budowa materii
Dualizm światła i materii
Fale świetlne są falami elektromagnetycznymi rozchodzącymi się w próżni z prędkością c. (Maxwell)
Światło emitowane jest w sposób nieciągły, kwant energii promieniowania świetlnego E = hv, gdzie h jest stałą Planka, zaś v oznacza częstotliwość promieniowania (Planck)
Fala elektromagnetyczna – drgania pola elektrycznego i prostopadłe do niego pole magnetycznego (sprawdzić ocb)
Z każdą energią E związana jest masa m, zgodnie ze wzorem E = mc2. W tym samym roku jego odkrycie zjawiska fotoelektrycznego ugruntowało teorię kwantów Plancka. Zgodnie z równaniem Einsteina, każdy kwant energii promienistej posiada masę m=hv/c2 oraz pęd p = mc = hv/c = h/λ
Dualizm światła i materii:
począwszy od lat 1920 obowiązuje dwoistość opisu: niektóre zjawiska dotyczące promieniowania wyjaśnic ożna jedynie na gruncie teorii kwantów. Są to takie efekty jak emisjia i absorpcja promieniowania,m zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie Comptona, ciśnienie światła. Inne efekty takie jak dyfrakcja światła jego interferencja czy polaryzacja z kolei dadzą się wyjaśnić wyłącznie na gruncie teorii falowej. Dwoistość tę nazywamy dualizmem falowo-korpuskularnym promieniowania.
Materia substancjalna.
1913 – Niels Bohr: zjawisko emisji i absorpcji fotonów przy przejściach elektronowych można łatwo wyjaśnić przejmując planetarny model atomu wodoru. W modelu tym muszą być spełnione następujące postulaty; (tu postulaty Bohra, patrz podręcznik)
1924 – de Broglie: dualizm falowo-korpuskularny nie jest wyłączną właściwością promieniowania elektormagnetycznego, dotyczy on równięż materii substancjalnej. Ruch jakiejkolwiek cząstki o pędzie p można opisać ruchem fali o długości λ=h/p, a więc λ=h/mv gdzie v oznacza szybkość tej cząsteczki.
Z POWYŻSZEGO WZORU OBLICZYĆ MOŻNA DŁUGOŚĆ FALI ELEKTRONU PRZYSPIESZONEGO Różnicą potencjałów deltaV. Dla różnicy delta-10^4V, typowej dla mikroskopów elektronowych, λ=0,12 nm, co odpowiada długości fali promieniowania Roentgena. Długośta porównywalna jest z odległościami międzyatomowymi w kryształach. W tych warunkach wiązka elektronów podobnie jak promieniowanie rentgenowskie powinna wykazywać dyfrakcję po przejściu przez kryształ lub po odbiciu się od tego kryształu.
Zjawisko dyfrakcji elektronów zostało odkryte w 1927 potwaerdzając słuszność koncepcji de |Brogliea, następnie odkryto dyfrakcję innych cząsteczek materii, np. neutronów, jonów wodoru, jonów helu.
1926 Erwin Schrodinger: ruch cząstki materialnej opisać można równaniami fali przestrzennej, przyczym wielkość |Ψo|^2 wyznacza prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w pewnym obszarze przestrzeni.
1927 – Werner Hheisenberg; nie istnieje możliwość poznania dokładnością jednocześnie położenia oraz pędu cząstki. Przedstawia to nierówność deltaxdeltap z x jest większe lub równe h.
Nierówność ta oznacza że im dokładniej poznamy połóżenie cząstki czyli im mniejsza wartość delta x tym mniej dokładnie wyznaczymy pęd, czyli tym większa będzie wartość wyrażenia delta z x.
To samo ograniczenie dotyczy innych par wielkości, np. deltaEdeltatwiększa lub rózna h
Kwantowo-mechaniczny opis powłok elektronowych atomów: atom wodoru
Z równania równania Schrodingera dla atomu wodoru wynika że stan każ Ego elektronu w atomie scharakteryzowany jest przez cztery liczby kwantowe:
Gł. Liczba kwantowa n = 1..
Poboczna liczba kwantowa l=0
Magnetyczna liczba kwantowa m = -1
Spinowa liczba kwantowa, zwana spinem s poł, minus pół
Kwanto-mechaniczny opis powłok elektronowych atomów
Stan elektronu określony przestrzennym rozkładem prawdopobieństwa znalezienia tego elektronu wynikacyjm z trzech liczb kwantowy n,l oraz m nazywamy orbitalem
Zasada pauliego
w mechanice kwantowej obowiązuje zasada że im większa jest objętość w której pojawia się elektron tym mniejsza jest jego energia i odwrotnie. Zasada ta stanowi energetyczne uzasadnienie tworzenia wiązania kowalencyjnego.
Z auki o ruchu falowym wiadomo że dwie fale interferując ze soba mogą ulec wzmocnieniu lub słabieniu. Podobnie fukcja falowaslkjfalskdjfalkdf
W przypadku wzmocnienia uzyskujemy molekularny orbital wiążący
W przypadku osłabienia otrzymuje orbital antywiążący
Wiązania sigma i pi