BIOFIZIKA

1. BIOFIZIKA Uvod

2. Definicije biofizike • BIOFIZIKA je skraćenica od Biološka fizika • Uveo ga je 1892. godine britanski statističar Karl Pirson kao “naučnu oblast koja želi da poveže fiziku i biologiju jer se mnoge biološke pojave odvijaju u skladu sa fizikalnim zakonima”. • Danas se biofizika definira kao nauka koja koristi fizikalne zakone za objašnjenje pojava u biologiji ili

3. Definicije biofizike • Kao interdisciplinarna nauka koja, koristeći fizikalne zakone, metode i tehnike, ispituje fizikalne i fizikalno-hemijske osobine bioloških sistema i uticaj fizikalnog djelovanja na njih. • Biofizički sistemi, međutim, imaju i niz osobina koje se ne mogu razumjeti samo na osnovu fizikalnih zakona kao npr. reprodukcija, rast, razmjena materije itd.

4. Dijelovi biofizike • 1. Molekularna biofizika • 2. Prenos i pretvaranje energije u biološkim sistemima • 3. Biofizika ćelije i organizma • 4. Radijaciona biofizika • 5. Biomehanika • 6. Biofizika okoline

5. Osnove sistemologije • Sistem – grčka riječ, a znači sastavljeno iz dijelova • Sistem je uređeni skup međusobno povezanih objekata koji mogu utjecati jedni na druge i čije se osobine razlikuju od njegovih dijelova. • Sistem mora sadržavati 3 bitne komponente: elemente sistema, veze (kanale) među elementima, granice sistema. • (primjeri: nervni sistem, radio-aparat ....)

6. Osnove sistemologije • Univerzalni sistem – univerzum • Parcijalni sistemi • Izolovani sistemi u realnosti ne postoje svi su otvoreni • Proizvoljni skup uzajamno povezanih elemenata ne mora uvijek činiti sistem. • Dva kriterijuma : funkcija koju sistem ostvaruje i stepen međusobne povezanosti (npr. Dva atoma u molekuli kiseonika čine sistem – molekulu kiseonika. Ovaj sistem posjeduje nove osobine u odnosu na dijelove, atome kiseonika.) • Sistemi višeg i nižeg reda: svaki objekat u prirodi se može smatrati sistemom elemenata i elementom sistema.

7. Klasifikacija sistema Prema stepenu složenosti: prosti, složeni, komplikovani Prema prirodi ponašanja sistema u budućnosti: determinisani, probabilistički Kombinovano onda sistem može biti: • 1)prost sistem s determinisanim ponašanjem (takve su mehaničke mašine – pisaća mašina), • 2)Složeni deterministički sisitem, • 3)komplikovan deterministički sistem (npr. Kosmička galaksija), • 4)prost sistem sa slučajnim ponašanjem (novčić koji se baca), • 5)složen probabilistički sistem – mnogi biološki sistemi i 6)komplikovan probabilistički sistem (mozak sisara)

8. Metod “crne kutije” • Dva metodološka sistema: mikro- i makro- pristup: • Ako se prouče osobine pojedinih dijelova sistema pa se na osnovu toga traže zakoni ponašanja sistema – to je MIKROPRISTUP. Npr u molekularnoj fizici se na osnovu brzine i mase molekula idealnog gasa može doći do temperature tog gasa kao cjeline. Jasno je da jedan molekul ne posjeduje kao osobinu temperaturu, ali je temperatura vrlo važna osobina gasa kao cjeline, kao sistema. • U slučajevima gdje se osobine sistema ne mogu izvesti iz karakteristika njegovih dijelova, pribjegava se MAKRO-pristupu izučavanja sistema (ili FENOMENOLOŠKI pristup), koji se još zove “metod CRNE KUTIJE”.

9. Metod “crne kutije” • Makro pristup obično prethodi mikropristupu: tako je termodinamika kao tipična fenomenološka nauka, prethodila molekularnoj fizici (tj. Kinetičkoj teoriji gasova). • Realni sistem je uvijek OTVOREN, tj. On je sa svojom okolinom povezan ULAZIMA (x) preko kojih okolina vrši uticaj na sistem i IZLAZIMA (y) preko kojih sistem vrši utjecaj na okolinu. • DEJSTVO čini okolina na sistem, a REAKCIJA je odgovor okoline. • Da bi ispitivanje sistema bilo egzaktno, dejstva i reakcije treba da su fizikalne veličine (tj. da su to osobine sistema i okoline koje se mogu mjeriti)

10. Karakteristične veličine crne kutije Crna kutija ima 4 vrste parametara: • 1. ulazne veličine • 2. izlazne veličine • 3. parametri • 4. prenosne funkcije koje predstavljaju zakon ponašanja sistema i vežu ulazne i izlazne veličine i parametre. Primjer: • Kardio-vaskularni sistem čovjeka

11. Osnovni zadaci sistemologije • 1. Direktni zadatak: dato x(t), f i a, a traži se y(t) • 2. Indirektni zadatak prve vrste: dato je y(t), f i a, a traži se x(t) • 3. Indirektni zadatak druge vrste: dato je x(t), y(t) i f, traži se a • 4. zadatak “crne kutije” ili zadatak indukcije: dato je x(t) i y(t), traže se f i a

12. Primjer indirektnog zadatka: • Ordinacija ljekara: anamneza i etiologija bolesti =ulazni parametri, pregledom utvrđuje simptome = izlazi, i znajući kauzalne odnose između dejstva i reakcije (ulaza i izlaza) – te je f, tj. zakon ponašanja sistema i onda izvodi zaključke o vrsti i prirodi bolesti, tj. o parametrima sistema.

13. Sistem nultog reda • Fizikalni sistem sa elastičnom oprugom: • Sila x je ulaz, istezanje opruge y je izlaz • Zakon ponašanja f je Hukoov zakon : a y =x, gdje je a koeficijent elastičnosti i to je parametar sistema jer opisuje elastične osobine opruge. • Onda je : y = (1/a) x = f x • f = 1/a je prenosna funkcija sistema i predstavlja operaciju koju treba primijeniti na ulaznu veličinu da bi se dobila izlazna, tj. Ona ulaznu veličinu transformira u izlaznu. • Ako se zakon ponašanja nekog sistema može predstaviti u obliku algebarske jednačine, tj. da u njemu nema izvoda i integrala, onda je to sistem nultog reda. • Isto tako sistem y=ax2+bx je sistem nultog reda.

14. Sistem prvog reda • Prigušene oscilacije X0 = b·v0, Gdje je X0 - sila trenja v0 – brzina kretanja opruge kroz fluid b – parametar sistema koji karakteriše viskozne osobine sredine (koeficijent trenja) (F = 6¶ηrv – Stoksov zakon) Svaki sistem čiji se zakon ponašanja može predstaviti diferencijalnom jednačinom prvog reda zove se sistem prvog reda