ТЕМА 2. ПОДІБНІСТЬ І МОДЕЛЮВАННЯ В БІОЛОГІЧНИХ
Конспект лекцій
з дисципліни
"Основи біофізики
та біомеханіки"
Викладач к.т.н., доц. Загоруйко Л.В.
к.т.н., доц. Данильчук М. М.
ТЕМА 1. ВСТУП. ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ КУРСУ. ІСТОРІЯ
РОЗВИТКУ.
Предмет і завдання курсу
З часу появи свідомості і здатності аналітичного мислення, людина вивчала навколишній світ і саму себе, своє тіло, елементи якого виступали спочатку головним і єдиним знаряддям для добування їжі, облаштування якогось прихистку, виготовлення простих знарядь тощо.
Сучасна наука досягла великих успіхів у пізнанні живої природи, незважаючи на те, що жива матерія є незрівнянно складнішою від неживої.
Стає зрозумілим, що подальший прогрес у будь-якій науці стає неможливим без використання інших галузей знань. Для вивчення даного предмету необхідні знання з фізики, хімії, біології, анатомії і фізіології. Симбіоз декількох наук (математична фізика, фізична хімія, обчислювальна математика тощо) сприяє не лише глибшому пізнанню певних явищ, але й дозволяє природодослідникам оволодіти загальними знаннями, а отже, розмовляти однією професійною мовою, спільно працювати на стику наукових інтересів. У цьому розумінні не є винятком біофізика та біомеханіка.
Питання про зв'язок між фізикою, механікою і біологією дискутується протягом століть. Однак біомеханіка як галузь науки відокремилась останнім часом у результаті розвитку науково-технічного прогресу. Предмет біомеханіки вивчає прояви механічних закономірностей у біологічних системах і реакцію цих систем на механічні збудження зовнішнього середовища Поняття біофізики є більш широким ніж поняття біомеханіки і включає останнє.
|
|
|
Останніми роками роботи з біомеханіки суто пізнавального значення витісняються роботами, завдання яких пов'язані з питаннями охорони здоров'я та іншими прикладними галузями біологічних досліджень, наприклад: гемореологія, дослідження біоматеріалів, створення штучних біоматеріалів, протезування. Велике значення біомеханіка відіграє в гармонізації системи оператор-машина при створенні зразків нової техніки. Високі результати у великому спорті, спортивна медицина ґрунтуються на досягненнях сучасної біомеханіки.
Великі швидкості, прискорення, вібрації і удари, інші види механічних впливів при освоєнні космосу і глибин світового океану поставили перед людством питання про можливості людського організму і можливості його адаптації (пристосування) до екстремальних умов. Досягнення біомеханіки за останні 20-30 років (час її бурхливого розвитку) дали можливість значно поглибити знання тих процесів, які відбуваються в організмі людини, вдосконалити і запропонувати нові методи діагностики, розробити нові штучні біоматеріали, модифікувати багато видів пристроїв ортопедії, створити основи біомеханіки спорту тощо.
|
|
|
Біомеханіка як навчальна дисципліна в наведеному викладі має за мету закласти підвалини медикобіологічних знань, необхідних для розроблення та експлуатації біотехнічного та медичного обладнання.
I;
Історія розвитку
Оскільки з механікою був пов'язаний початок розвитку фізики взагалі, тому й не дивно, що біомеханічні дослідження почалися ще на ранньому етапі розвитку наук. Ці дослідження були нероздільними від перших кроків фізіології і анатомії.
Перші ідеї про біомеханіку можна знайти в роботах Аристотеля (384-370 pp. до н.е.) і Галена (210-130 pp. до н.е.)
Леонардо да Вінчі (1452-1519) зробив перші кроки у дослідженні людського тіла в русі, нотатки по механіці рухів літаючих біооб’єктів – комах, птахів, кажанів під кутом зору можливості технічного застосування.
Вивчення фізичних властивостей біологічних об'єктів і процесів, які в них відбуваються, почалося з того часу, коли були закладені основи першої фізичної науки – механіки. Це було зроблено в роботах Г. Галілея (1564-1642) і Р. Декарта (1596-1650). Засновник механіки Г. Галілей вивчав спочатку медицину, а потім – фізику. На той час фізики використовували свої теоретичні пізнання і експериментальну техніку для вивчення біологічних об'єктів і раціонального пояснення життєдіяльності (Галілей вимірював пульс серця). Французький філософ, математик, фізик і фізіолог Декарт вперше зробив спробу надати процесам життєдіяльності фізичне (механічне) пояснення. Він стверджував, що людина і тварини – це механічні машини і складаються з тих же матеріальних елементів, що і тіла неорганічної природи. Значний вклад у фізичне розуміння функціонування ока як оптичного приладу зробив Декарт у своєму трактаті "Діоптрика", опублікованому у 1637 році.
|
|
|
Найбільш відомим послідовником декартівського підходу (про причинну єдність руху в живій і неживій природі) був Італійській фізик Дж. Бореллі (1608–1679). У своїй основній праці, яка вийшла в світ у 1680 році (за 10 років до знаменитих "Принципів" І .Ньютона), "Про рух тварин", Бореллі з фізичної точки зору описує механіку ходіння, бігу, плавання і літання. Він також вивчав механіку дихальних рухів. Від Бореллі веде свою історію біомеханіка .
|
|
|
Одним з найважливіших наукових досягнень XVII століття є вчення англійського лікаря і анатома У. Гарвея (1578–1657) про кровообіг. Вчення суттєво вплинуло на розвиток фізичних пояснень життєдіяльності людини І теплокровних тварин. У своїй праці "Ананмічне дослідження руху серця у тварин" (1628) він, як писав Н. Г. Шавлов, "підглянув одну з найважливіших функцій організму – кровообіг".
Створення оптичної лінзи А. ван Левенгуком (1652–1723) стало суттєвим поштовхом, який дав змогу значно поглибити знання в області мікросвіту живої природи і життєдіяльності організмів на мікрорівні (відкриття капілярів М.Мальпігі, клітинної будови рослин Р.Гуком).
Біомеханіка, родоначальником якої вважається Бореллі, отримала подальший розвиток у XVIII столітті у зв'язку з успіхами фізичних уявлень про механічний рух. В XVIII ст. поряд із суто кінетичними принципами фізики (Декарт) і динамічним напрямом, в основі якого є сила (Ньютон), з'явився третій напрям, пов'язаний з іменами Гюйгенса і Лейбніца. Цей напрям характерний тим, що центральним поняттям механіки розглядається половина
добутку маси на квадрат швидкості – кінетична енергія. Ця величина називається живою силою. Жива сила суттєво відрізняється від ньютонівської сили і дала змогу описувати рух не лише твердих, але і рідких тіл (закони цього руху знайдені Д.Бернуллі).
Досягнення механіки для описання біологічних об'єктів використовував Л. Ейлер (1707–1783). Він заклав основу ще однієї ланки біомеханіки – руху біологічних рідин, центральною проблемою якої є гемодинаміка.
Найбільш видатною фігурою другої половини XVIII століття в області розвитку біофізики був французький фізик і хімік А. Лавуазьє (1743–1794). Він зробив передбачення, а потім разом з видатним французьким фізиком і математиком П. Лапласом (1749–1827) експериментально довів, що дихання є мехнізмом постачання кисню – необхідної складової теплоутворення. Фізіологічні дослідження Лавуазьє та його учня Ж. Сегена стосувалися процесів забезпечення постійності температури тіла, а також вивчався зв'язок між кількістю кисню у видиху, частотою пульсу і виконуваною механічною роботою. Отримані в цих експериментах результати і висновки залишаються актуальним й сьогодні.
У XIX столітті класична фізика вступила у пору своєї зрілості. В цей період були відкриті І сформульовані два принципи термодинаміки. Причому характерним є те, що пріоритетом відкриття першого принципу термодинаміки належить німецькому лікарю Р. Майеру (1814–1878), який зробив висновок про еквівалентність тепла і механічної роботи не з логіки експериментальних відкриттів, а на основі спостережень за фізіологічними змінами крові під час своєї лікарської практики. Експериментальні доведення справедливості цього закону для організмів тварин і людини були отримані лише в кінці XIX століття.
Одним Із найвидатніших вчених природознавців XIX століття можна назвати німецького фізика, математика і фізіолога Г. Гельмгольца (1821–1894). Основними досягненнями його наукової діяльності були: визначення швидкості розповсюдження нервового імпульсу та кількості тепла, яке виробляє м'яз при скороченні; він є основоположником фізіологічної оптики та фізіологічної акустики – нових напрямів біофізичної науки того часу.
Важливим здобутком XIX століття є зародження біофізики клітини. Основою цього вчення є клітинна теорія, створена Т. Шванном (1810–1882). Фізична модель клітини, яка отримала назву мембранної теорії і була започаткована В. Пфеффером (1887) і Х. де Фрізом (1884), дала загальне уявлення про будову і властивості клітини. Значний вклад у вирішення проблеми проникливості клітинних мембран вніс Р. Овертон (роботи 1895–1902 pp.).
Відкриття у 1896 році Х-променів К. Рентгеном та І. Пулюєм давали можливість досліджувати внутрішню структуру оптично-непрозорих матеріалів без їх пошкодження. Пріоритет використання Х-променів в аспекті дослідження внутрішньої будови біологічних об'єктів належить українському вченому, професору Німецької політехніки у Празі Івану Пулюю, ім'я і наукові здобутки якого незаслужено замовчуються в історії світової науки.
Це далеко не повний перелік наукових досягнень, які були базою для широкого проведення досліджень фізичних та фізико-хімічних явищ у живій природі.
Всі ці дослідження мали велике значення для пізнання життєдіяльності живих організмів з фізичної точки зору, допомогли поширенню ідеї про можливість використання принципів фізичних досліджень до процесів, які відбуваються у живій природі.
Біомеханіка
- допомагає розумінню функціонувань організмів, їх підсистем, органів та інших структурних компонентів за даних умов;
- допомагає передбаченню зміни живого організму при зміні умов і віку;
- вказує на можливості пересадження штучних тканин, частин органів і цілих органів.
За роботи у цих напрямах ряд вчених-дослідників отримав Нобелівські премії.
Альвар Гульстранд, як і його великий попередник, розробник теорії зору Герман Гельмгольц, був спочатку лікарем. Але оптична система зору настільки захопила молодого дослідника із Стокгольма, що в результаті він став одним найкрупніших спеціалістів в галузі оптики. А за роботи з діоптрики ока в 1911 році був відзначений Нобелівською премією.
Датський фізіолог Август Крог з Копенгагенського університету отримав Нобелівську премію у 1920 році за дослідження капілярного кровообігу.
Англійський дослідник Арчібалд Вівієн Хілл з Кембриджськог університету завдяки запроектованого ним прецизійного термогальванометр провів серію експериментів з вивчення термодинаміки м'язової діяльності механізмів м'язового скорочення, за які був удостоєний в 1922 рої Нобелівської премії.
Американський фізик (угорець за національністю) Дьйорді Бекеши у 1961 році отримав Нобелівську премію за великий індивідуальний внесок дослідження механізмів звукового сприйняття. У 20-ті роки він працював в угорській фірмі, де займався проблемами експлуатації телефонних ліній. Вивчаючи послідовно всі елементи системи телефонного зв'язку, які б могли бути причиною поганої якості передачі інформації Бекеши прийшов до кінцевого приймача сигналів – до органу слуху, з'ясовуючи механізм сприйняття звуку на анатомічних препаратах, він використовував свої великі переваги перед іншими дослідниками — глибокі знання в галузі фізики та електроніки. З неймовірною винахідливістю він розробив метод дослідження органа слуху, створивши для цього прилад (аудіометр Бекеши) і механічну модель внутрішнього вуха.
Історичний досвід, на прикладі наукових досягнень Бекеши (можливо найбільш характерному), як і на прикладах інших дослідників, про які вже згадувалося, наводить на декілька висновків:
по-перше, будь-які суттєві досягнення в пізнанні живої природи є тісно пов'язані із знаннями в галузях точних наук, наприклад, фізики, механіки, і з розвитком технічних засобі досліджень, а отже, і багатоплановістю знань дослідників;
по-друге, для сучасного розвитку медико-біологічних наук характерним є те, що над окремими їх проблемами працюють наукові колективи і ефективність їх досліджень значною мірою буде залежати від «взаємопроникнення» знань окремих науковців-фахівців, які працюють на межі наук (біомеханіків, біофізиків, біохіміків тощо).
Основні історичні дати становлення біомеханіки як науки нведені в табл. 1.1.
Таблиця 1.1. Основні історичні дати становлення біомеханіки як науки.
| Дата (часовий період) | Науковці | Зміст відкриття чи предмет вивчення. |
| IV–I ст. до Р. Х. | Аристотель (384-370 pp. до Р. Х.) Гален (210-130 pp. до Р. Х.) | Перші ідеї про біомеханіку можна знайти в роботах |
| Леонардо да Вінчі (1452-1519) | Перші кроки у дослідженні людського тіла в русі, нотатки по механіці рухів літаючих біооб’єктів – комах, птахів, кажанів під кутом зору можливості технічного застосування | |
| Г. Галілея (1564-1642) | Заснував механіку як науку. Вивчав медицину. | |
| 1637 | Р. Декарт (1596-1650) | Зробив спробу надати процесам життєдіяльності фізичне (механічне) пояснення. Зробив значний вклад у фізичне розуміння функціонування ока як оптичного приладу зробив Декарт у своєму трактаті "Діоптрика". |
| 1680 | Дж. Бореллі (1608–1679) | У своїй основній праці "Про рух тварин", Бореллі з фізичної точки зору описав механіку ходіння, бігу, плавання і літання. Вважається основоположником біомеханіки. |
| 1628 | У. Гарвей (1578–1657) | Одним з найважливіших наукових досягнень XVII століття є вчення англійського лікаря і анатома про кровообіг викладене у праці "Ананмічне дослідження руху серця у тварин". |
| А. ван Левенгуком (1652–1723) | Створення оптичної лінзи стало суттєвим поштовхом, який дав змогу значно поглибити знання в області мікросвіту живої природи і життєдіяльності організмів на мікрорівні (відкриття капілярів М.Мальпігі, клітинної будови рослин Р.Гуком). | |
| XVIII ст. | Гюйгенса і Лейбніца. | В поряд із суто кінетичними принципами фізики (Декарт) і динамічним напрямом, в основі якого є сила (Ньютон), з'явився третій напрям, в рамках якого центральним поняттям механіки розглядається половина добутку маси на квадрат швидкості – кінетична енергія (жива сила). |
| XVIII ст. | Л. Ейлер (1707–1783) | Заклав основу ще однієї ланки біомеханіки – руху біологічних рідин, центральною проблемою якої є гемодинаміка. |
| друга половина VIII ст | А. Лавуазьє (1743–1794), Ж. Сеген П. Лаплас (1749–1827) | Довели, що дихання є мехнізмом постачання кисню – необхідної складової теплоутворення. |
| XІХ ст. | Р.Майер (1814–1878) | Пріоритет відкриття першого принципу термодинаміки. Зробив висновок про еквівалентність тепла і механічної роботи на основі спостережень за фізіологічними змінами крові під час своєї лікарської практики. |
Продовження табл. 1.1.
| ХІХ | Г. Гельмгольца (1821–1894). | Визначення швидкості розповсюдження нервового імпульсу та кількості тепла, яке виробляє м'яз при скороченні; Є основоположником фізіологічної оптики та фізіологічної акустики – нових напрямів біофізичної науки того часу. |
| XIX ст | Т. Шванном (1810–1882). | Зародження біофізики клітини. Основою цього вчення є клітинна теорія. |
| 1887, 1884 | В. Пфеффер Х.де Фріз | Фізична модель клітини, яка отримала назву мембранної теорії. |
| 1895–1902 pp. | Р. Овертон | Вирішення проблеми проникливості клітинних мембран |
| 1896 | К. Рентген І. Пулюй | Відкриття Х-променів та |
| 1911 | Альвар Гульстранд | За роботи з діоптрики ока відзначений Нобелівською премією |
| 1920 | Август Крог | Отримав Нобелівську премію за дослідження капілярного кровообігу |
| 1922 | Арчібалд Вівієн Хілл (Кембридж. унів-т) | Спроектував прецизійний термогальванометр, провів серію експериментів з вивчення термодинаміки м'язової діяльності, механізмів м'язового скорочення, за які був удостоєний Нобелівської премії |
| 1961 | Дьйорді Бекеши | Отримав Нобелівську премію за великий індивідуальний внесок дослідження механізмів звукового сприйняття. |
ТЕМА 2. ПОДІБНІСТЬ І МОДЕЛЮВАННЯ В БІОЛОГІЧНИХ
СИСТЕМАХ
Питання про фізичну подібність явищ становить великий інтерес як у техніці, так і у фізіології, оскільки дозволяє проводити експериментальні дослідження на побудованих в певному масштабі (збільшеному або зменшеному) моделях досліджуваних систем.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 25; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!