Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)» Гомель уо «ггу им. Ф. Скорины» 2010

8.3 Энтропия и информация

В самом общем понимании информация – это совокупность сведений, уменьшающих первоначальную неопределенность наших знаний об объекте. Материальными носителями информации являются информационные сигналы, а взаимодействие между объектами, связанное с передачей-приемом (обменом) информационных сигналов, называется информационным взаимодействием.

В природе имеют место четыре фундаментальных типа взаимодействия, связанные с обменом между объектами (объектом и внешней средой) веществом-импульсом-энергией-информацией. Все прочие взаимодействия осуществляются только посредством данных взаимодействий. При этом первые три взаимодействия подчиняются законам сохранения (являются симметричными). Информационные взаимодействия отличаются тем, что объект, передавший информацию, не теряет ее, в то время как объект, участвующий в информационном взаимодействии, получает передаваемую информацию.

Очевидно, что информационные сигналы могут быть представлены такими материальными формами, как вещество и/или энергия. Определенная последовательность этих форм, используемая для передачи информации, получила название кодов. Минимальное их количество кодовых знаков (символов), необходимое для построения простейшей кодовой системы, позволяющей передать информацию, равно двум (например, точка и тире в азбуке Морзе; уровень сигнала, соответствующий нулю и единице в технике связи и т.д.) – двоичное кодирование, в котором единица информации (двоичный знак) называется “бит”. Полное количество информации (сообщение), которое можно передать/получить в двоичном коде последовательностью из N двоичных знаков равно 2^N.

С точки зрения математической статистики количество информации I (по определению положительная величина), содержащееся в сообщении объемом N бит, можно определить через вероятность случайного появления данного сообщения. В частности, если все сообщения равновероятны, то вероятность случайного появления заданной последовательности из N двоичных знаков p_N=2^N. Тогда

(8.22а)

Если сообщение формируется в коде, состоящем более чем из двух знаков, информационная емкость одного символа

, a>0, c>0,

(8.22б)

а информационная емкость всего сообщения (по К. Шеннону)

(8.22в)

где K – число символов, последовательность которых формирует сообщение; a – постоянная величина, определяемая выбором основания логарифма с. В частности, переходя к натуральному логарифму и вводя единицу информации 1 нат (1 нат = ln2 бит), получим:

(8.22г)

где p_i – вероятность появления в сообщении i-го символа кодовой таблицы. При известной плотности вероятности (функции распределения) f(x) сигналов, определенной на области , уравнение для информационной емкости сообщения представляется в общем виде типа

(8.22д)

В то же время сообщение можно рассматривать как физическую систему, состоящую из N компонент (символов), характеризуемую такой функцией состояния, как энтропия. При адекватности полученного сообщения (последовательности символов) передаваемому, состояние данной системы следует рассматривать как полностью определенное  с точки зрения термодинамики и статистической физики энтропия адекватного сообщения (основного состояния системы) S=0. При наличии сбоев (при потере и/или перестановке символов) происходит частичная потеря информации, соответствующая росту хаотичности системы, т.е. росту ее энтропии. При полной потере информации, наступающей при перестановке всех N символов сообщения, энтропия системы в таком состоянии, в соответствии с (2.20), будет определяться как

(8.23)

«Информационная» энтропия, как и энтропии «термодинамическая» и «статистическая», обладает свойством аддитивности (8.21).

Проведенное рассмотрение показывает, что выражения для количества информации (8.22) и энтропии (8.23) имеют один и тот же вид, однако информация и энтропия являются в некотором смысле антагонистами – потеря информации приводит к росту энтропии системы, а рост энтропии свидетельствует о потере информации. В предельном случае либо энтропия минимальна (S=0), либо информация отсутствует (I=0). Это позволяет сформулировать еще один своего рода закон сохранения – закон сохранения энтропии и информационной емкости системы:

(8.24)

Если иметь в виду энтропию как меру неопределенности (хаоса), а информацию как меру упорядоченности (логоса), то об информации можно говорить как о негэнтропии (негативной энтропии). Энтропия системы  это то количество информации, которого не хватает для ее полного описания.

Энтропия и демон Максвелла

Вопрос о взаимосвязанности “термодинамической”, ”статистической” и “информационной” энтропий можно рассмотреть на примере мысленного эксперимента, предложенного Дж. Максвеллом. Смысл его в следующем. Пусть имеет сосуд с N₁ “горячими” и N₂ ”холодными” молекулами газа, распределенными по объему сосуда случайным образом. Разделим сосуд пополам перегородкой с малым отверстием и будем ожидать, когда в одной части сосуда соберутся только “горячие” молекулы, а в другой только ”холодные”. Элементарный статистический расчет в приближении невзаимодействующих молекул дает вероятность такого события p=2^⁽^N¹⁺^N²⁾. Если учесть, что в одном моле вещества содержится 6·10²³ молекул, то такое событие невозможно. Однако если к отверстию в перегородке приделать дверцу и поставить “привратника” (демона Максвелла), пропускающего “горячие” молекулы только в одну стороны, ”холодные” только в другую, то такое событие наступит в течение конечного времени. В результате энтропия системы уменьшится.

Казалось бы, здесь существует противоречие, связанное с нарушением второго начала термодинамики. Однако оно существует, если рассматривать только систему, состоящую из молекул в замкнутом объеме. Если же это будет система молекулыдемон, то последний должен пропускать молекулы в требуемые части сосуда на основании информации о “степени нагретости” молекулы, а за информацию надо платить, в частности, энтропией (энергией).

8.4 Особенности термодинамики биологических систем
8.4.1 Квазиравновесные состояния и их устойчивость
Применительно к неравновесным ТДС можно говорить о стационарном состоянии K-го порядка – таком состоянии системы, в котором из N статистически независимых действующих термодинамических сил K сил остаются постоянными в пространстве и времени, и, соответственно, отсутствуют сопряженные с ними потоки:

, , , , .

(8.25а)

Стационарное состояние системы является устойчивым, если в нем система невосприимчива к флуктуациям (случайным кратковременным изменениям значений управляющих параметров системы  концентраций компонентов, температуры, скорости протока и т.п.). Если же воздействие флуктуаций приводит к спонтанному переходу системы в качественно новое стационарное состояние, то исходное стационарное состояние неустойчиво. В теории систем разработаны методы устойчивости состояний, в частности – используемый в физике открытых систем второй метод А.М. Ляпунова, основанные на анализе функций состояния системы. Признак устойчивости стационарного состояния по Ляпунову:

если для стационарного состояния физической системы, описываемого совокупностью параметров (……) найдется некоторая функция состояния (…x_i…), такая, что в окрестности (…x_i=…) она знакоопределена и принимает значение (……)=0, то такое состояние устойчиво, когда в окрестности (…x_i=…) знаки функции (…x_i…) и её производной d(…x_i…)/dt различны, т.е.

или состояние устойчиво	(8.25б)
или состояние неустойчиво

Для ТДС такой функцией состояния выступает энтропия. В частности, для адиабатически изолированной системы в состоянии термодинамического равновесия энтропия S достигает своего экстремального значения S=S₀, а флуктуация энтропии S=0. Достаточным признаком устойчивости стационарного состояния является условие S/t0.

В живом организме самопроизвольно идут только те процессы, при которых изменение свободной энергии^¹ отрицательно (экзергонические процессы). Процессы, при которых изменение свободной энергии положительно (эндергонические процессы), самопроизвольно происходить не могут  для их протекания необходим приток энергии извне^². Таким образом, биосистема в своем развитии находятся в состоянии постоянного энергетического обмена с внешней средой, поглощая свободную энергию, приток которой больше тепловых потерь системы, и проходя через ряд стационарных состояний. При этом энтропия системы изменяется как за счет обмена с внешней средой (d_extS), так посредством необратимых внутренних процессов (d_intS), т.е. (согласно Шредингеру)

, ,

(8.26а)

а скорость изменения энтропии

, ,

(8.26б)

где   локальное производство энтропии. Прирост энтропии в единицу времени в единице объема носит название функции диссипации, а системы, в которых функция диссипации отлична от нуля, называют диссипативными. В таких системах энергия упорядоченного процесса переходит в энергию процесса неупорядоченного, и, в конечном итоге, рассеивается в виде тепла.

Биосистема эволюционирует к стационарному состоянию, которое заведомо является неравновесным (в силу открытости системы) и характеризуется отличными от нуля функциями диссипации. В то же время в данном состоянии все ее термодинамические параметры, в том числе и энтропия, не зависят от времени. В биосистемах всегда d_intS>0, а условие d_intS=0 выполняется только в случае равновесного протекания обратимых процессов. Так как изменение энтропии за счет обмена энергией с окружающей средой d_e_xtS может быть как положительным, так отрицательным, общая энтропия системы может как возрастать, так и убывать. Однако общее уменьшение энтропии биосистемы возможно только в том случае, когда сопряженные процессы во внешней среде являются эндергоническими и протекают быстрее внутренних процессов. Ситуация, когда d_extS=0 соответствует случаю изолированной системы. Очевидно, что чем выше скорость возрастания энтропии биосистемы, тем более необратимы происходящие в ней процессы. Суммарное изменение энтропии в надсистеме “биообъектвнешняя среда” всегда положительно.

В соответствии с теоремой Пригожина, в стационарном состоянии при условиях, близких к термодинамическому равновесию прирост энтропии за счет внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля минимального значения. А так как в стационарном состоянии S/t=0, следовательно d_intS=d_extS, т.е. возрастание энтропии открытой неравновесной системы компенсируется потоком энтропии их внешней среды. С другой стороны, в качестве признака устойчивости стационарности состояния может рассматриваться условие

(S/t=0, d_intS=d_extS),

(8.27)

откуда следует, что если система находится в стационарном состоянии, то она не может самопроизвольно выйти из него за счет необратимых внутренних изменений, а при неизменных внешних условиях отклонения системы от стационарного состояния должны индуцировать внутренние процессы, возвращающие систему в данное состояние (саморегуляция системы). Это полностью соответствует принципу Ле-Шателье^¹.

В условиях термодинамического равновесия изменение энтропии за счет энергообмена с внешней средой d_extS=Q/T, а внутренние изменения d_intS связаны с химическими процессами и совершаемой системой работой, приводящими к изменению энергии Гиббса G (полного термодинамического потенциала G=U+PVTS):

(8.28)

8.4.2 Эволюция квазиравновесных систем
Еще раз подчеркнем, что для биосистем возможны только такие спонтанные процессы, при которых энтропия возрастает. Однако встречаются ситуации, реализация которых с точки зрения энтропийных соображений невозможна – это, например, процесс транспорта веществ, биосинтез и т.д. – в данных процессах энтропия уменьшается, а свободная энергия биосистемы увеличивается. Существование таких процессов оказывается возможным вследствие так называемого энергетического сопряжения. Суть этого явления состоит в том, что одновременно протекают две реакции, одна из которых (отдельно взятая) невозможна из термодинамических соображений. Энергетическое сопряжение возможно при соблюдении двух условий: 1 обе реакции должны иметь общий химический компонент; 2  энергия, выделяемая при термодинамически возможном процессе, должна быть больше энергии, потребляемой в термодинамически невозможном процессе.

В общем случае производство энтропии определяется соотношениями (2.12) и (2.26). В частном случае химической реакции внутреннее изменение энтропии

, , ,

(8.29)

где _l и c_l  химический потенциал^¹ и молярная концентрация l-той компоненты реакции,   химическое сродство^², _l  стехиометрические коэффициенты реакции^³, а параметр  получил название координаты химической реакции, характеризующей степень ее протекания. Величины /T имеют смысл термодинамических (химических) сил.

Если (по аналогии с механикой) ввести скорость химической реакции как v_l=d_l/dt, то локальное производство энтропии

(8.30)

Очевидно, что протекание в системе эндергонической (₁v₁<0) реакции возможно при наличии энергетически сопряженной экзергонической реакций (₂v₂0) при условии, что ₁v₁+₂v₂>0.

С точки зрения термодинамики состояние химического равновесия характеризуется равенством нулю химических сил (=0). Близость химического процесса к состоянию равновесия означает выполнение условия <<RT. Скорость химической реакции в квазиравновесном состоянии системы в виде:

Воспользовавшись соотношениями Онсагера и приведя матрицу кинетических коэффициентов L_li и тензор химических напряжений (_i/_k)_T_,_P к диагональному виду, получим:

(8.31)

где  нормальные координаты реакции (линейная комбинация координат _l; в пространстве нормальных координат учитывается корреляция попарных взаимодействий, а суммарная энергия системы равна сумме энергий ее компонент), _l  время релаксации системы. Малые отклонения _l представляют собой флуктуации координат химической реакции.

Решение уравнения (2.31) дает нам кинетику приближения системы к равновесному состоянию:

(8.32)

С другой стороны, так как согласно теореме Пригожина любая флуктуация может только уменьшать энтропию системы вблизи равновесного состояния (_l/_l0), то и внутренние флуктуации энтропии

(8.33)

Очевидно, что для открытых биологических систем в стационарном состоянии это соответствует условию (6.3).

Для локального производства энтропии , связанного с l-тыми термодинамическими силами d=_lJ_ldF_l0. Применительно к химической реакции это условие может быть записано как

(8.34)

а в условиях равновесия в стационарном состоянии все скорости химических реакций . Очевидно, что возникающие флуктуации скоростей v_l связаны с флуктуациями координат _l, а в конечном итоге – с флуктуациями химического сродства _l:

, .

(8.35)

А так как вблизи равновесного состояния системы флуктуация любых ее параметров приводит только к уменьшению энтропии.

Лекция 9 Преобразование энергии в биосистемах
9.1 Нахождение движущих сил и обобщенных скоростей биологических процессов с позиций энергодинамики.

9.2 Нахождение уравнений «пассивного транспорта» в биосис-темах.

9.3 Установление взаимосвязи химических реакций с процессами метаболизма.

9.4 Описание процессов преобразования энергии в биосистемах.

9.1 Нахождение движущих сил и обобщенных скоростей биологических процессов с позиций энергодинамики.
Объектом исследования энергодинамики являются пространственно неоднородные среды, рассматриваемые как единое неравновесное целое [8]. В таких системах наряду с процессами внешнего энергообмена (теплообмена, объемной деформации, массообмена и т.п.) происходят процессы релаксации и совершения полезной работы (внешней или внутренней, полезной или диссипативной, механической или немеханической). Эти процессы сопровождаются перераспределением экстенсивных термостатических параметров θ_i (энтропии S, масс k-х веществ m_k или числа их молей N_k, заряда θ_e, импульса и т.д.) между частями системы. Они напоминают перетекание жидкости из одной части сосуда в другую и сопровождаются удалением системы от равновесного состояния или приближением к нему даже при квазистатическом их характере. Указанное перераспределение выражается в изменении положения центра величин θ_i, определяемого радиус-вектором R_i Поэтому полная энергия неоднородной системы Е = Е(θ_i,R_i), т.е. является в действительности функцией не только 'термостатических' переменных θ_i, но и пространственных координат R_i. Частные производные от энергии системы Е по переменным θ_i определяют среднемассовые значения обобщенных потенциалов системы Ψ_i ≡ ∂Е/∂θ_i (таких как абсолютная температура системы T, давление p, химический потенциал k-го вещества М_k и т.п.), а аналогичные производные по пространственным координатам R_i - силы F_i ≡ - ∂Е/∂R_i в их обычном (ньютоновском) понимании. Поэтому полный дифференциал энергии пространственно неоднородной системы выражается в общем случае тождеством:

dЕ ≡ Σ_i Ψ_i dθ_i - Σ_i F_i∙dR_i , (9.1)

где i =1,2,...,n - число независимых форм энергии системы.

Производные Ψ_i ≡ ∂Е/∂θ_i в выражении (9.1) находятся в условиях постоянства R_i, т.е. в отсутствие процессов перераспределения. Это означает, что потенциалы Ψ_i в таких процессах изменяются в одинаковой мере во всех частях системы (как и в однородных системах). Такого рода изменения состояния напоминает равномерное выпадение осадков на неровную поверхность. Частным их случаем являются равновесные (обратимые) процессы теплообмена и массообмена системы, работа всестороннего сжатия или расширения системы, а также работа ввода свободного заряда или вещества в данную область системы с определенной температурой, давлением, химическим и т.п. потенциалом. Таким образом, в частном случае однородных систем выражение (9.1) переходит в объединенное уравнение 1-го и 2-го начал классической термодинамики открытых систем в форме соотношения Гиббса.

Вторая сумма (9.1), напротив, обязана своим происхождением пространственной неоднородности исследуемых систем. Ее члены также характеризуют элементарную работу. Она определяется, как и в механике, произведением результирующей силы i - го рода F_i на вызванное ею перемещение dR_i объекта ее приложения (в данном случае величины θ_i). Однако эта работа отлична от работ, входящих в первую сумму (9.1). Поскольку производные F_i ≡ - ∂Е/∂R_i находятся в условиях постоянства параметров θ_i, такая работа состоит лишь в их перераспределении по объему или массе системы, т.е. в переносе некоторой их части из одной области системы в другую. Тем самым энергодинамика вводит в рассмотрение новый класс процессов переноса, носящих векторный (направленный, упорядоченный) характер.

Специфика уравнения (9.1) состоит в том, что его члены уже не определяют теплоты или работы процесса, как это было в случае обратимых процессов. Напротив, с самого начала признается, что параметры θ_i и R_i могут изменяться в общем случае как вследствие внешнего энергообмена, так и при протекании внутренних самопроизвольных процессов. Это находит отражение в уравнениях баланса этих величин, которые аналогичны по смыслу уравнениям баланса энтропии. Такой подход означает отказ от расчета внешнего энергообмена системы по изменению параметров θ_i и R_i, и переход к непосредственному измерению потоков энергоносителя через границы системы.

Понятия термодинамической силы Х_i и потока J_i в энергодинамике вводятся на основе понятия обобщенной скорости какого-либо i-го процесса переноса v_i ≡dR_i/dt. В таком случае выражению (9.1) можно придать вид:

dЕ/dt ≡ Σ_i Ψ_i dθ_i/dt - Σ_i Х_i∙ J_i . (9.2)

Отсюда следует, что термодинамические силы Х_i = F_i/θ_i , т.е. имеют смысл силы F_i, отнесенной к единице переносимой ими величины θ_i , а потоки J_i = θ_iv_i - смысл произведения этой величины на скорость ее переноса v_i. Таким образом, понятие силы становится в энергодинамике единым для всех технических дисциплин, а понятия потока и обобщенной скорости процесса приобретают, напротив, различный смысл. Одновременно устраняется свойственный ТНП произвол в выборе движущих сил и обобщенных скоростей процессов переноса. Так, если в первую сумму (9.1) входит член TdS, характеризующий в объединенном уравнении 1-го и 2-го начал классической термодинамики обратимый теплообмен, то во 2-й сумме (9.2) появится слагаемое Х_s∙J_s, где Х_s = - gradТ - удельная термодвижущая сила, J_s = Sv_s - поток энтропии. Аналогичным образом, если в первую сумму (9.1) входит член p_i dV, характеризующий обратимую работу расширения, то во 2-й сумме (9.2) появится дополнительный член Х_v∙J_v, характеризующий процесс сжатия одних и расширения других частей системы, например, желудочка и предсердия (Х_v = -gradp, J_v = - объемный поток). Точно так же, если в первую сумму (9.1) входит, член М_kdN_k, характеризующий обратимый перенос k-го вещества через границы системы, то во 2-й сумме (9.2) появится слагаемое Х_к∙J_к, характеризующее, работу разделения этого вещества в клеточной мембране или в диализаторе (Х_к = - gradM_k, J_к =N_kv_k - поток k-го вещества). Подобным же образом могут быть найдены движущие силы в так называемых 'сложных' системах, совершающих помимо работы расширения другие виды работ. Так, если в 1-ю сумму (9.1) включить член φdθ_е, характеризующий обратимую работу ввода электрического заряда θ_е в область со средним электрическим потенцииалом φ, то во второй сумме (9.2) появится член Х_е∙J_е, характеризующий элементарную работу разделения зарядов в клеточной мембране или в гальваническом элементе (Х_е ≡ Е = - gradφ - напряженность электрического поля, J_е - электрический ток).

Нетрудно заметить, что члены второй суммы (9.2) могут иметь различный знак в зависимости от того, совершает ли система работу или работа совершается над системой. В этом принципиальное отличие предлагаемого метода от ТНП, в которой члены X_i∙J_i всегда положительны (как и 'производство энтропии'). Это освобождает от насилия над термодинамикой при приложении уравнения к биосистемам, потребляющим свободную энергию из окружающей среды. В этих случаях X_i∙J_i < 0, что противоречит и приводит к несуразностям типа 'производства негаэнтропии' (порядка).

Значительное преимущество предлагаемого подхода состоит в том, что при этом отпадает необходимость в составлении громоздких уравнений баланса энергии, массы, заряда, импульса, энтропии и т.д. К тому же открывается возможность находить результирующую F=Σ_iF_i сил различной природы, что позволяет в последующем упростить уравнения переноса.

9.2 Нахождение уравнений «пассивного транспорта» в биосистемах.
В «квазитермодинамике» Л. Онсагера постулируется, что каждый из потоков J_i линейно зависит от всех действующих в системе термодинамических сил Х_j (j=1,2,...,n). Соответствующие уравнения носят название 'феноменологических законов Онсагера':

J_i = Σ_j L_ij Х_j . (9.3)

Здесь L_ij - постоянные (не зависящие от Х_j) кинетические коэффициенты, называемые феноменологическими и подчиняющиеся так называемым соотношениям взаимности Онсагера L_ij = L_ji. Эти соотношения учитывают взаимосвязь потоков J_i, являющуюся, по его мнению, причиной возникновения упомянутых выше 'побочных' эффектов их 'наложения' .

Слагаемые (9.3) имеют один и тот же знак. Это естественно для случая чисто диссипативных процессов, когда суммарная скорость приближения системы к равновесию складывается из скоростей отдельных релаксационных процессов. Однако в неоднородных системах возможно и так называемое стационарное состояние, при котором часть из векторных потоков J_i обращается в нуль при отличных от нуля термодинамических силах Х_j. Это означает, что по крайней мере часть сил и потоков имеет противоположный знак, т.е. при протекании какого-либо i-го релаксационного процесса система удаляется от равновесия по другим, j-м степеням свободы. Иными словами, наряду с диссипативными явлениями в таких системах наблюдаются процессы противоположной направленности. К ним относится, в частности, перенос вещества в область с его повышенной концентрацией (так называемая 'восходящая диффузия'), явления 'самоорганизации' биосистем, процессы структурообразования в растворах и расплавах, антидиссипативные явления в ряде областей Вселенной и т.п. Поскольку же вывести систему из состояния равновесия можно только путем совершения над ней полезной работы, приходится признать, что в биосистемах наряду с внешней работой совершается внутренняя работа против некоторых из сил Х_j, не связанная с производством энтропии. Уравнения (9.3) совершенно не учитывают эту специфику систем, совершающих полезную работу. Поэтому то обстоятельство, что уравнения заложены в основание ТНП и в доказательство ее соотношений взаимности, делает ТНП неприменимой к биосистемам.

Ошибочной оказывается и трактовка в ТНП эффектов наложения разнородных процессов. Действительно, если потоки J_i в ТНП находятся как производные по времени t от независимых параметров α_i, то они также не зависимы друг от друга и потому не могут взаимодействовать (налагаться). Особенно очевидно это для стационарных состояний, когда часть из 'налагающихся' потоков попросту исчезает, а эффекты 'наложения' тем не менее принимают максимальную величину. Это означает, что объяснение разнообразных (термомеханических, термоэлектрических, термохимических, электромагнитных и т.п. эффектов) в ТНП как следствия взаимодействия разнородных потоков не соответствует существу дела!

Совершенно в ином свете предстают уравнения переноса с позиций энергодинамики. Как и классическая термодинамика, она привлекает какие-либо уравнения (состояния или переноса) извне как своего рода условия однозначности, описывающие свойства конкретных систем. При этом сам по себе математический аппарат термодинамики и энергодинамики, базирующийся на свойствах полного дифференциала ряда функций состояния, не зависит от этих уравнений. Поэтому сам факт, что уравнения оказались заложенными в основание ТНП, подтверждает ее нетермодинамический характер. Отказ от постулата Онсагера позволяет показать, что для каждого независимого процесса переноса существует единственная (результирующая) сила F_i, порождающая данный процесс и исчезающая с его прекращением. Компоненты этой силы F_ij отличаются по своей физической природе, однако они имеют единую размерность [Н]. Если такая (результирующая) сила найдена, L_jiХ_i = 0 и законы (9.3) принимают так называемую 'диагональную' форму, не содержащую перекрестных членов с i ≠ j [11] :

J_i = L_ii F_i = L_ii Σ F_ij . (9.4)

В этом случае соотношения взаимности Онсагера выполняются тривиально (L_ij = L_ji =0) и становятся излишними, а с ними - и требование линейности законов (9.3), необходимое для их выполнения. Это означает, что феноменологические коэффициенты L_ii в (9.4) могут быть произвольными функциями переменных θ_i и сил F_ij , а законы (9.3) в общем случае - нелинейными. В частности, как показано в, законы пассивного транспорта k-х веществ приобретают вид:

J_к = L_k Х_к = - L_k ΔM_k , (9.5)

где L_k - коэффициенты осмотической диффузии k-го вещества, зависящие от полей температуры, давления и концентрации всех независимых компонентов системы; ΔM_k - перепад химического потенциала на мембране. Именно такую форму имеют законы фильтрации и осмотической диффузии. Однако при диагональной форме законов (9.4, 9.5) их нелинейность уже не препятствует нахождению эффектов наложения. Покажем это на примере биологической мембраны, проницаемой для k-го вещества. Раскрывая выражение полного дифференциала химического потенциала M_k как функции температуры, давления и концентраций всех j-х независимых компонентов системы (j=2,3,...,К), имеем:

dM_k = (∂M_k/∂T)dT + (∂M_k/∂p)dp + Σ_j (∂M_k/∂c_j)dc_j . (9.6)

Это означает, что уравнение переноса (6) в развернутой форме имеет вид:

J_к = - L_k [(∂M_k/∂T) ΔT + (∂M_k/∂p) Δp + Σ_j (∂M_k/∂c_j) Δc_j] , (9.7)

где ΔT, Δp, Δc_j -перепады температуры, давления и концентрации j-х веществ на мембране. Слагаемые этого выражения представляют собой компоненты результирующей силы Х_к = - ΔM_k, первая из которых ответственна за явление термодиффузии (перенос вещества за счет разности температуры), вторая - за явление бародиффузии (перенос вещества за счет разности давлений), а третья - за явление обычной (концентрационной) диффузии. Взаимная компенсация этих компонент результирующей силы (Х_к = 0) и является причиной наступления стационарного состояния, которое было бы правильнее назвать состоянием частичного равновесия. При этом и сами стационарные эффекты типа ΔT/Δp, ΔT/Δc_j и Δp/Δc_j получают в энергодинамике как результат 'наложения' разнородных сил, а не потоков.

В частности, из (8) при J_к = 0 непосредственно следует известное выражение для стационарного эффекта возникновения так называемого осмотического давления Δp в бинарной изотермической системе (первый компонент - растворитель):

(Δp/Δc₂)_ст = - (∂M₁/∂c₂)/(∂M₁/∂p), (9.8)

Здесь Δc₂ - стационарная разность концентрации растворенного вещества по обе стороны биологической мембраны.

Это позволило предложить метод исследования эффектов наложения в нелинейных системах, который открывает возможность изучения кинетики процессов в биосистемах, далеких от равновесия.

9.3 Установление взаимосвязи химических реакций с процессами метаболизма.

При приложении ТНП к явлениям различного тензорного ранга и вида выяснилось, что в соответствии с принципом Кюри (устанавливающем условия сохранения связей при преобразованиях координат) обобщенная скорость какого-либо процесса в уравнениях типа (1) может зависеть лишь от термодинамических сил того же (или четного) тензорного ранга. Это означало, что химические реакции, описываемые в ТНП членами Σ_rA_rdξ_r (где A_r - стандартное химическое сродство r-й химической реакции, ξ_r - степень ее полноты), т.е. как скалярные процессы, не могут взаимодействовать с процессами матаболизма (обмена веществ), имеющими векторную природу. Возникло явное противоречие ТНП с биологией, для которой именно такое взаимодействие играет решающую роль в процессах жизнедеятельности биосистем. Для разрешения этого противоречия И. Пригожиным была выдвинута теория 'стационарного сопряжения', в которой факт наличия активного транспорта веществ через биологические мембраны вследствие протекания на них химических реакций объяснялся спецификой стационарных состояний с присущими им соотношениями между расходами отдельных реагентов. Однако при этом оставалось неясным, почему упомянутая взаимосвязь химических реакций с процессами метаболизма сохранялась и в нестационарных режимах. Ответ на этот вопрос дает основное уравнение энергодинамики в форме (9.1). Если в его первой сумме появляется член Σ_rA_rdξ_r, описывающий r-е скалярные химические реакции в гомогенных средах, то во второй сумме (9.2) появятся дополнительные слагаемые векторной природы Σ_rХ_r∙J_r , описывающие те же реакции, но осуществляемые в потоке (в проточных реакторах, ящиках Вант-Гоффа, клеточных реакторах и т.п.), где Х_r = - grad(A_rξ_r); A_rξ_r - локальное значение химического сродства r-й химической реакции в данном сечении проточного реактора;J_r - поток реагентов, участвующих в ней. Действительно, для установившихся реакций член Σ_rA_rdξ_r можно представить в виде Σ_r[∂(A_rξ_r)/∂R_m]dR_m = Σ_rF_r∙dR_m, где F_r =grad(A_rξ_r) - локальное значение движущей силы r -й поточной химической реакции; R_m - координата 'фронта реакции' в поточном реакторе. В таком случае законы активного транспорта веществ в мембранах принимают вид:

J_m= - L_m Σ_r Δ(A_rξ_r), (9.9)

где J_m = Σ_kN_kdR_m/dt - поток химически реагирующих веществ через биологическую мембрану. Таким образом, в условиях пространственного разделения реагентов (как в ящике Вант-Гоффа) химические реакции приобретают направленный (векторный) характер, что и обусловливает их взаимодействие с процессами метаболизма в полном соответствии с принципом Кюри. В отсутствие переноса реагентов в поле межмолекулярных сил химические реакции неизбежно приобретают диссипативный характер, что и учитывается в ТНП отнесением члена Σ_rA_rdξ_r целиком к источникам тепла. Так снимается одно из основных противоречий ТНП с биоэнергетикой.

9.4 Описание процессов преобразования энергии в биосистемах.
Специфика процессов преобразования энергии в биосистемах состоит в появлении дополнительных взаимосвязей между скоростями разнородных процессов и потоками J_i и J_j преобразуемой и преобразованной форм энергии. Наличие такой связи легко обнаружить на основе закона сохранения энергии в форме (9.1), из которой следует, что при полном преобразовании i-й формы энергии в j-ю

Х_i ∙J_i = - Х_j∙J_j . (9.10)

Указанная взаимосвязь отражается дифференциальными соотношениями взаимности, которые для процессов преобразования энергии носят неизменно антисимметричный характер [15] :

∂J_i /∂Х_j = - ∂J_j /∂Х_i . (9.11)

Такой характер соотношений взаимности обусловлен различным знаком работы, совершаемой силами Х_i и Х_j и не зависит, как показано в [12], от принадлежности этих сил к четным или нечетным функциям времени. В частном случае линейных систем соотношения (9.11) переходят в условия антисимметрии Казимира L_ij = - L_ji [1,2]. Это означает, что в линейном приближении феноменологические законы преобразования энергии принимают вид:

J_i = L_ij Х_i - L_ij Х_j .

J_j = L_ji Х_i - L_ji Х_j .

В отличие от (9.3), эти законы отражают уменьшение потока первичного энергоносителя J_i по мере возрастания преодолеваемой силы Х_j и приближения к режиму 'холостого хода'. Поэтому именно эти уравнения, а не постулированные Л. Онсагером соотношения (9.3) следовало бы называть феноменологическими (т.е. основанными на опыте) законами.

Рассмотрим в качестве примера элемент мышцы - фибриллу, преобразующую химическую энергию в механическую. В соответствии с этим примем за поток первичного энергоносителя J_i поток веществ J_r, участвующих в данной химической реакции, а за второй поток J_j - скорость сокращения мышцы. Выражая Х_jо и J_jk через феноменологические коэффициенты (в предположении их постоянства), находим в условиях постоянства сил Х_i :

Х_j /Х_jо + J_j /J_jk = 1. (9.12 )

Такая форма позволяет ввести ряд критериев подобия процессов преобразования энергии. Один из них - 'критерий нагрузки' В = J_j/J_jk, изменяющийся от 0 до 1 по мере приближения к режиму 'короткого замыкания', другой - 'критерий добротности' Ф =1/(L_iiL_jj /L_ijL_ji - 1) > 0, характеризующий свойства проводимости системы. Используя эти критерии, относительный КПД линейных преобразователей энергии η_оi (определяемый отношением ее полезной мощности к потоку инергии (свободной энергии) на ее входе) можно выразить критериальным уравнением:

η_оi = (1 - В) /(1 + 1/ВФ). (9.13)

Это выражение вскрывает единство законов преобразования энергии в механических, тепловых, электрических и т.п. преобразователях энергии и позволяет переносить результаты исследований одних из них на другие, в том числе на биологические системы. При этом обнаруживается еще одна причина неприменимости ТНП к мышечным преобразователям энергии. Она состоит в том, что в силу положительной определенности матрицы феноменологических коэффициентов (L_ij +L_ji)² < 4 L_iiL_jj критерий добротности Ф < 1, откуда в соответствии с (16) следует не свойственное реальным преобразователям энергии ограничение величины их относительного КПД. Указанное ограничение, однако, отсутствует в случае антисимметричных соотношений взаимности. Тем самым еще раз подтверждается недопустимость формального переноса известных положений теории необратимых процессов на системы, совершающие полезную работу.

Лекция 10 Транспорт веществ в клетках
10.1 Вода как проводник веществ

10.2 Типы проникновения веществ в клетку через мембраны.

Все клетки отделены от окружающей среды плазматической мембраной. Клеточные мембраны не являются непроницаемыми барьерами. Клетки способны регулировать количество и тип проходящих через мембраны веществ, а часто и направление движения.

Транспорт через мембраны жизненно важен, т.к. он обеспечивает:

соответствующее значение рН и концентрации ионов
доставку питательных веществ
выведение токсичных отходов
секрецию различных полезных веществ
создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности.

Регуляция обмена веществ через мембраны зависит от физических и химических свойств мембран и идущих через них ионов или молекул.

10.1 Вода как проводник веществ
Вода - основное вещество, поступающее в клетки и выходящее из них.
Движение воды как в живых системах, так и в неживой природе подчиняется законам объёмного потока и диффузии.
Объёмный поток - это общее движение воды (или другой жидкости), которое происходит благодаря разнице в потенциальной энергии воды, обычно называемой водным потенциалом.
Другой источник водного потенциала - давление. Вода перемещается из области более высокого водного потенциала в область более низкого независимо от причины, создающей это различие.
Например, вода, находящаяся на вершине водопада, обладает потенциальной энергией. При падении воды, её потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая может быть превращена в механическую и способна совершить работу

Диффузия всем знакомое явление. Если несколько капель духов разбрызгать в одном углу комнаты, запах постепенно заполнит всю комнату, даже если воздух в ней неподвижен. Это происходит потому, что вещество движется из области с более высокой концентрацией в область с более низкой. Иными словами диффузия - это распространение вещества в результате движения их ионов или молекул, которые стремятся выровнять свою концентрацию в системе.

Рисунок 10.1 –Признаки диффузии: каждая молекула движется независимо от других; эти движения хаотичны
Диффузия - процесс медленный. Но она может быть ускорена в результате тока плазмы, метаболической активности.

Обычно вещества синтезируются в одном участке клетки, а потребляются в другом. Т. о. устанавливается концентрационный градиент, и вещества могут диффундировать по градиенту из места образования к месту потребления.

Органические молекулы, как правило, полярны. Поэтому они не могут свободно диффундировать через липидный барьер клеточных мембран. Однако двуокись углерода, кислород и другие вещества, растворимые в липидах, проходят через мембраны свободно. В обе стороны проходит вода и некоторые мелкие ионы.

Рисунок 10.2 –Прохождение воды сквозь мембрану

Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не пропускают большинство растворённых в ней веществ. Такие мембраны называют полупроницаемыми, а диффузию через такие мембраны - осмосом.

Клетка со всех сторон охвачена плотно прилегающей мембраной, которая приспосабливается к любому изменению её формы с кажущейся лёгкой пластичностью. Эта мембрана называется плазматической мембраной, или плазмалеммой (греч. plasma - форма; lemma - оболочка).

Общая характеристика клеточных мембран:

Разные типы мембран различаются по своей толщине, но в большинстве случаев толщина мембран составляет 5 - 10 нм; например, толщина плазматической мембраны равна 7,5 нм.
Мембраны - это липопротеиновые структуры (липид + белок). К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты (гликозильные группы). Обычно на долю углевода в мембране приходится от 2 до 10%.
Липиды образуют бислой. Это объясняется тем, что их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.
Мембранные белки выполняют различные функции: транспорт веществ, ферментативная активность, перенос электронов, преобразование энергии, рецепторная активность.
На поверхностях гликопротеинов находятся гликозильные группы - разветвлённые олигосахаридные цепи, напоминающие антенны. Эти гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
Две стороны мембраны могут отличаться одна от другой и по составу, и по свойствам.

Функции клеточных мембран:

ограничение клеточного содержимого от окружающей среды
регуляция обменных процессов на границе "клетка - окружающая среда"
передача гормональных и внешних сигналов, контролирующих рост и дифференцировку клеток
участие в процессе клеточного деления.

Рисунок 10.3 – Вид мембраны клетки

В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (4). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).
Эндоцитоз и экзоцитоз.

Эндоцитоз и экзоцитоз - это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз).

При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза:

1. Фагоцитоз - поглощение твёрдых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами.

Рисунок 10.4 –Макрофаг, фагоцитирующий

две красные кровяные клетки
2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия ). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки (микропиноцитоз).
Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом выводятся гормоны, полисахариды, белки, жировые капли и другие продукты клетки. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающее клетку.
10.2 Типы проникновения веществ в клетку через мембраны.

Молекулы проходят через мембраны благодаря трём различным процессам: простой диффузии, облегчённой диффузии, активному транспорту.

Рисунок 10.5 –Пассивный и активный транспорт через мембрану

Простая диффузия - пример пассивного транспорта. Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Путём простой диффузии в клетку проникают неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах и мелкие незаряженные молекулы (например, вода).
Большинство веществ, необходимых клеткам, переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки, по-видимому, образуют непрерывный белковый проход через мембрану.

Различают две основные формы транспорта с помощью переносчиков: облегчённая диффузия и активный транспорт.

Облегчённая диффузия обусловлена градиентом концентрации, и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Однако если молекула заряжена, то на её транспорт влияет как градиент концентрации, так и общий электрический градиент поперёк мембраны (мембранный потенциал).
Активный транспорт - это перенос растворённых веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента с использованием энергии АТФ. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении.

Рисунок 10.6 –Транспорт молекул через мембрану

Некоторые транспортные белки переносят одно растворённое вещество через мембрану (унипорт). Другие функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворённого вещества зависит от одновременного или последовательного переноса второго вещества. Второе вещество может транспортироваться в том же направлении (симпорт) либо в противоположном (антипорт).

Na-K насос.

Одной из важнейших и наиболее изученных систем активного транспорта в клетках животных является Na-K насос. Большинство клеток животных поддерживают разные градиенты концентрации ионов натрия и калия по разные стороны плазматической мембраны: внутри клетки сохраняется низкая концентрация ионов натрия и высокая концентрация ионов калия. Энергия, необходимая для работы Na-K насоса, поставляется молекулами АТФ, образующимися при дыхании. О значении этой системы для всего организма свидетельствует тот факт, что у находящегося в покое животного более трети АТФ затрачивается на обеспечение работы этого насоса.

Рисунок 10.7 –Транспорт через мембрану с помощью Na-K насоса
А. Ион натрия в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка.
Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.

В. Фосфорилирование индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки
Г. Ион калия во внеклеточном пространстве связывается с транспортным белком (Д), который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.

Е. Фосфатная группа отщепляется от белка, вызывая восстановление первоначальной формы, а ион калия высвобождается в цитоплазму. Транспортный белок теперь готов к выносу другого иона натрия из клетки.

Лекция 11 Внутриклеточная сигнализация
11.1 Экстраклеточные сигналы

11.2 Вазоактивные агенты

11.3 Органы и ткани как эндокринные железы

11.4 Связывание лигандов с рецепторами

Основной целью лекции внутриклеточной сигнализации является получение учащимися фундаментальных знаний и современных представлений о механизмах управления клеточными функциями и отдельными метаболическими процессами в клетке. В основные задачи лекции входит изучение систем внутриклеточной сигнализации обеспечивающих передачу сигналов при рецептор-зависимой активации клеточных функций, таких как пролиферация, диференцировка, секреция, агрегация, рост и движение, возбуждение, хемо и фоторецепция. Изложены известные пути передачи сигналов с рецепторов и механизмы усиления этих сигналов. Подробно описаны типы рецепторов, механизмы сопряжения рецепторов с эффекторными молекулами производящими вторичные мессенджеры, типы эффекторных молекул, механизмы производства и функции самих мессенджеров. Курс включает ознакомление с современными методами и аппаратурой исследования интактных клеток. В ряду других учебных дисциплин данный курс является базовым и создает основу для дальнейшей специализации в области исследования вышеперечисленных процессов. Курс тесно сочетается с такими курсами как биология клетки, кинетика и регуляция внутриклеточных процессов, механизмы рецепции. Описание путей передачи сигнала при сенсорной рецепции, а также путей передачи сигнала в ядро при пролиферации и дифференцировке клеток не вошло в данный курс, поскольку оно подробно представлено в параллельных курсах «Механизмы сенсорной рецепции» и «Рост и движение клеток. Клеточный цикл».
11.1 Экстраклеточные сигналы
Экстраклеточные сигналы, первичные мессенджеры: гормоны, цитокины, факторы роста, нейротрансмиттеры, феромоны, пурины. В качестве агониста рецептора клетка может использовать специально синтезированные соединения пептидной природы или использовать свои внутриклеточные метаболиты, которые отсутствуют в экстраклеточной среде. Кофермент АТР и глутамат, действующие экстраклеточно, являются мощными нейротрансмиттерами.

Природные экстраклеточные лиганды, которые взаимодействуют с рецепторами и активируют их, называют первичными мессенджерами. Они могут быть подразделены на гормоны, нейротрансмиттеры, цитокины, лимфокины, факторы роста, хемоаттрактанты т.д. Каждый из этих терминов представляет класс агентов, действующих достаточно специфично. Тем не менее, существуют примеры многофункциональности первичных мессенджеров: АТР и глутамат являются нейротрансмиттерами, когда они секретируются в синапсах. Гормоны пищеварительного тракта, такие как гастрин, холецитокинин и секретин в центральной нервной системе осуществляют многообразные функции нейромодуляторов, влияя на высвобождение других нейротрансмиттеров. Соматостатин, идентифицированный первоначально как агент гипоталамуса, подавляющий секрецию гормона роста, также функционирует в центральной нервной системе как нейротрансмиттер и нейромодулятор. Более того, он является паракринным агентом для клеток поджелудочной железы и гормоном для печени. Фактор роста тромбоцитов TGFβ действует также как хемоатрактант и как ингибитор роста. Тромбин является фактором роста, но также вовлекается в свертывание крови как активатор функции тромбоцитов.

Гормоны. Химические мессенджеры, которые переносятся посредством кровотока от органа, где они производятся к органу, который они регулируют. Физиологические потребности организма должны контролировать их повторное производство и циркуляцию повсюду в теле. Гормоны можно подразделить на несколько классов:

Малые водорастворимые молекулы. Гистамин, адреналин.

Пептидные гормоны. К числу пептидных гормонов, которые могут содержать от 3 до 200 аминокислотных остатков, относятся все гормоны гипоталамуса и гипофиза, а также инсулин и глюкагон, секретируемые поджелудочной железой.

Факторы роста. В настоящее время известно около 50 белков-лигандов и 14 семейств рецепторов.

Цитокины. Локальные пептидные гормоны, регулирующие парокринную и автокринную функции. Интерлейкины, интерфероны, фактор некроза опухоли (TNF).

Липофильные молекулы имеющие рецепторы на поверхности клеток. Простагландины. Липофильные молекулы, имеющие внутриклеточные рецепторы. Стероидные и тироидные гормоны (гормоны щитовидной железы). Их основное отличие в том, что они способны проникать внутрь клетки и взаимодействовать с внутриклеточными рецепторами.

Нейротрансмиттеры. Несколько семейств, включая (ацетилхолин, ГАМК, допамин) и (вазопрессин, брадикинин).
Барьер плазматической мембраны

Гормоны являются главным образом гидрофильными веществами и не способны проникнуть через мембраны. Мембраны клеток, хотя и очень тонкие (3-6 нм), но являются непроницаемыми к ионам и полярным молекулам. Хотя ионы K+ могут достигать диффузионного равновесия на этом расстоянии в воде приблизительно за 5 мсек, им потребуется приблизительно 12 дней (280 час) чтобы продифундировать через фосфолипидный бислой (при одинаковых условиях температуры, и т.д.). Даже к маленьким молекулам типа мочевины, проницаемость мембран - приблизительно в 10⁴ раз ниже, чем к воде. Так, для гормона типа адреналина скорость проникновения слишком мала, чтобы ее измерить. За немногими исключениями (стероидные гормоны), гормоны не нуждаются в проникновении в клетки - мишени.

Гормоны обычно высвобождаются в малых количествах в местах, удаленных от органов-мишеней. При попадании в кровь они разбавляются и подвергаются действию ферментов. Многие из них циркулируют как комплексы со специфическими связывающими белками, что понижает их свободную концентрацию. В результате этого их уровень вблизи клетки-мишени достаточно низкий, и, следовательно, клеточные рецепторы должны обладать высокой аффинностью. Другая важная деталь состоит в том, что хотя клетка-мишень может взаимодействовать с гормоном в течение миллисекунд, но полное время ответа длится от секунд до часов.
Факторы роста

Первые публикации о возможности поддержания в живом состоянии фрагментов биологической ткани in vitro появились 90 лет назад, но рутинное культивирование отдельных клеток стало возможным менее 50 лет назад. Успешное поддержание процесса деления клеток млекопитающих зависит от компонентов среды культивирования. Традиционно среда для культивирования состоит из питательных веществ и витаминов в забуференном солевом растворе. Ключевым компонентом является сыворотка животных, например, эмбриональная бычья сыворотка. Без такой добавки наибольшая часть культивируемых клеток не будут воспроизводить собственную ДНК и, следовательно, не будут пролиферировать. Позже был изолирован полипептид с молекулярной массой 30 кД, секретируемый тромбоцитами, обладающий митогенными свойствами. Он был назван фактором роста произведенным тромбоцитами (PDGF). PDGF является членом семейства факторов роста, содержащего свыше 40 полипептидов: инсулин (5,7 кД), фактор роста эпидермиса (6 кД) и трансферрин (78 кД) и др. Как и в случае с гормонами, факторы роста взаимодействуют с соответствующими рецепторами с высокой степенью аффинности и могут инициировать множественные эффекты: от процессов регуляции роста, дифференцировки и экспрессии генов до инициирования апоптоза. Эффекты факторов роста, в отличие от гормонов, могут продолжаться в течение нескольких дней.

Цитокины

Параллельно с открытием факторов роста было идентифицировано несколько экстраклеточных сигнальных белков, взаимодействующих с клетками иммунной системы. В связи с тем, что они активировали или модулировали пролиферативные свойства клеток этого класса, они были названы иммуноцитокинами. После того, как стало известно, что эти соединения взаимодействуют не только с клетками иммунной системы, их название сократилось до цитокинов. Цитокины включают в себя некоторые факторы роста, такие как интерфероны, фактор некроза опухоли α (TNFα), ряд интерлейкинов, колонии стимулирующий фактор (CSF) и многие другие. Хемокины являются цитокинами, которые инициируют локальное воспаление в результате вовлечения инфламаторных (воспалительных) клеток в процесс хемотаксиса, а далее в процесс активации их функции.

11.2 Вазоактивные агенты
Физическое повреждение тканей или повреждение, вызванное инфекцией, генерирует воспалительный ответ. Эта реакция является защитным механизмом, в котором специализиированные клетки (в основном лейкоциты), действуя согласованным образом, удаляют причины и продукты разрушения. Этот процесс является комплексным взаимодействием между клетками и рядом экстраклеточных мессенджеров. Среди них присутствуют цитокины, которые индуцируют воспаление (провоспалительные медиаторы) или уменьшают его (антивоспалительные медиаторы). Расширение сосудов и местное увеличение проницаемости сосудов облегчает проникновение лейкоцитов и

уменьшает местный отек. Агенты, запускающие этот процесс, включают гистамин (секретируемый тучными клетками), серотонин (секретируемый тромбоцитами) и провоспалительные медиаторы, такие как брадикинин.

Эйкозаноиды являются другим важным семейством вазоактивных соединений. Они являются производными арахидоновой кислоты. Термин эйкозаноиды произошел от греческого слова, означающего число 20, поскольку арахидоновая кислота и многие ее производные содержат 20 углеродных атомов. Сюда входят простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Они являются короткоживущими соединениями и действуют на близких расстояниях в качестве потенциальных паракринных или аутокринных агентов, контролируя многие физиологические и патологические клеточные функции. Лекарственный препарат аспирин обладает противовоспалительными и болеутоляющими свойствами, потому что он ингибирует ключевой фермент пути образования простагландинов.
Нейротрансмиттеры и нейропептиды.

Нейротрансмиттеры являются также первичными мессенджерами, но их высвобождение и определение в химических синапсах сильно отличается от эндокринных сигналов. В пресинаптической клетке, везикулы, содержащие нейротрансмиттер, высвобождают собственное содержимое локально в очень маленький объем синаптической щели. Высвобожденный трансмиттер затем диффундирует через щель и связывается с рецепторами на постсинаптической мембране. Диффузия является медленным процессом, но пересечение такой короткой дистанции, которая разделяет пре- и постсинаптические нейроны (0,1 мкм или меньше), происходит достаточно быстро и позволяет осуществлять быстрые коммуникации между нервами или между нервом и мышцей.

В таблице 11.1. приведена структура нескольких наиболее важных нейротрансмиттеров. В центральной нервной системе глутамат является главным возбуждающим трансмиттером, тогда как ГАМК и глицин ингибирующими. Самая выдающаяся роль ацетилхолина реализуется в нейромышечной передаче, где он является возбуждающим трансмиттером. Известно, что ацетилхолин может оказывать как возбуждающее, так и ингибирующее действие. Это зависит от природы ионного канала, который он регулирует при взаимодействии с соответствующим рецептором.

Таблица 11.1 – Структура нейротрансмиттеров

Тип

Трансмиттер

Структура

Производные тирозина или триптоофана

Аминокислоты

Пурины

Нейропептиды

Ацетилхолин

Адреналин

(Эпинефрин)

Норадреналин

(Норэпинефрин)

Дофамин

Серотонин

Глутамат

Глицин

ГАМК

АТР

Энкефалины

Ангиотензин

Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met

Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe

Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe-Phe-

11.3 Органы и ткани как эндокринные железы

В настоящее время считают, что почти все органы и ткани живого организма секретируют в межклеточное пространство и кровь гормоны и биологически активные соединения, с помощью которых осуществляются взаимодействия, объединяющие клетки и ткани организма в единое целое.

Методы молекулярной биологии: клонирование и секвенирование фрагментов ДНК, методы гибридизации мРНК позволяют получать через экспрессию генов новые белковые гормоны и их рецепторы в разных тканях. Сравнительно недавно был открыт новый гормон белой жировой ткани – лептин. Этот гормон был открыт в результате исследования гена ожирения (ген ob), локализованного в проксимальной части хромосомы 6 мыши, и его сцепленности с другими известными маркерами (Рах4) и маркером длины рестрикционных фрагментов (D6Rck13). Далее было показано, что ген ob экспрессируется в основном в адипоцитах белой жировой ткани, которые секретируют синтезируемый ими гормон лептин в кровь. Основным органом мишенью лептина является центральная нервная система, через воздействие на которую лептин снижает аппетит, стимулирует использование липидов в энергетическом обмене и уменьшает запасы жира в жировых депо.

Содержание лептина в циркулирующей крови людей четко коррелирует с массой тела, и поэтому чем больше масса жировой ткани, тем больше она секретирует гормона в кровь. Известно, что ген рецептора лептина человека локализован на хромосоме 1. Анализ аминокислотной последовательности продемонстрировал наличие гомологичного участка с субъединицей рецепторов интерлейкина-6 и других цитокинов. Идентифицировано три различных варианта рецептора: 1) растворимый рецептор лептина, 2) связанный с мембраной рецептор лептина, который имеет короткий внутриклеточный домен и не способен осуществлять трансдукцию гормонального сигнала, и 3) связанный с мембраной рецептор, имеющий длинный внутриклеточный домен и способный передавать гормональный сигнал. Рецептор лептина с длинным цитоплазматическим доменом наиболее активно экспрессируется в гипоталамусе и в меньшей степени в других тканях.

Он содержит последовательности, которые определяют взаимодействие цитоплазматического домена с киназой Януса (JAK - Janus kinase-) и белками активаторами транскрипции (STAT - signal transducers and activators of transcription). Эта форма рецептора путем фосфорилирования активирует белки: STAT-3, STAT-5 и STAT-6.

11.4 Связывание лигандов с рецепторами

При концентрации 1*10^-10 М число молекул агониста в объеме клетки диаметром 12 мкм составит 60 молекул. Обычно рецепторы имеют не очень высокую константу

связывания лиганда порядка 10^-7 - 10^-8 М. Хотя для феромонов она достигает величин до 10^-15М. Такая невысокая константа нужна для облегчения прекращения стимуляции. Однако из-за большого коэффициента усиления в системе сигнализации обычно при связывании агониста с двумя процентами рецепторов происходит максимальная стимуляция функционального ответа (рис.1.2.). Например, активация инсулином окисления глюкозы в адипоцитах. Возникает вопрос, зачем нужны остальные 98 процентов рецепторов? Возможно, избыток рецепторов необходим для ответа на низкие концентрации гормона, не имеющего высокого сродства к рецептору. Одно из следствий такого взаимодействия агониста с рецептором является необходимость введения отрицательной обратной связи в систему усиления (образования вторичных мессенджеров). Т.к. в случае появления избытка агониста появится избыток вторичных мессенджеров, что уже не будет усиливать ответ, а лишь затягивать его во времени, что может быть не нужно или токсично.

В этих случаях должен включаться механизм уборки вторичного мессенджера, например активация фосфодиэстеразы при действии теофиллина. На рис 1.2. приведены примеры зависимостей связывания лигандов с рецептором и функционального ответа от концентрации лиганда. Показано, что для максимальной активации функции необходимо связывание лиганда с небольшим количеством рецепторов. Связывание лиганда с рецептором характеризуется константой диссоциации (Kd) и концетрацией лиганда, вызывающей полумаксимальный ответ (EC50), речь о которых пойдет в следующем разделе.

Рисунок 11.1 – Связывание адреналина с α₁ -адренергическими рецепторами и клеточный ответ на адреналин - сокращение гладкой мышцы крысы. Сокращение происходит при концентрациях лиганда, которые слишком малы для измерения в опытах по связыванию.
На нижнем рисунке показано связывание гормона (гонадотропина, HCG), уровень сАМР и образование тестостерона клетками Ледига. Обратите внимание на различие в 10⁶ раз для этих двух гормональных рецепторов.

Лекция 12 Ультразвук в биологических средах
12.1 Физические параметры ультразвука

12.2 Энергетические параметры ультразвука

12.3 Источники ультразвука

12.4 Применение ультразвука в биологии

Ультразвук - упругие колебания в газах, жидких, твердых телах, частота которых больше 20 кГц. Впервые ультразвук был изучен русским физиком П.Н. Лебедевым в начале 20 века. Практическое применение его началось позже и связано с именем французского физика П. Лакжевена. Ультразвук не воспринимается человеческим ухом. Некоторые животные (летучие мыши, рыбы, насекомые и др.) способны его издавать и воспринимать. Ультразвуковые колебания присутствуют в шуме ветра, водопада, морского прибоя, возникают при работе моторов, станков ракетных двигателей. Ультразвук, в отличие от обычного звука, обладает большей энергией, способностью концентрироваться в виде пучка и др. Ультразвуку присущи такие свойства как поглощение, преломление и отражение от неоднородных структур, зависящие от частоты колебаний.

В медицинской практике ультразвук, в различном диапазоне частот, используется для терапевтического и хирургического лечения и диагностики. Первое применение ультразвука в медицине относиться к началу 30-х г. Метод лечения, при котором используются колебания в диапазоне 800-3000 кГц, получил название ультразвуковой терапии.

Способность ультразвука без существенного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от уплотнений и неоднородностей используется в диагностических целях. Пре имущество по сравнению с рентгенологическими исследованиями – практически полное отсутствие побочных эффектов, что позволяет производить многократные ультразвуковые исследования любых частей тела (включая исследование глаза). Высокая чувствительность ультразвуковой аппаратуры позволяет получить эхограмму (рисунок) мягких тканей, проследить за движущимся объектом (сердцем, кровью и т. д.).

Для лечебных целей применяют аппараты, в которых электрический ток подается на пластину излучателя кварца или титанита бария. Пластинка под воздействием переменного электрического поля изменяет свой объем –сжимается и разжимается. Движения пластины через контактную среду (вазелиновое масло, пасты ланолина, вода) передается на подлежащие ткани. В механизме лечебного действия ультразвука выделяют механические (микромассаж клеток и тканей), термические и физико-химические (образование биологически активных веществ) факторы.

Кроме того, под влиянием ультразвука в зоне воздействия повышается проницаемость кожи и слизистых оболочек, что способствует введению в ткани через кожу нанесенных на нее лекарственных средств. Этот метод лечения назван ультрафонофорезом.

12.1 Физические параметры ультразвука
В физиотерапии обычно применяют ультразвуковые волны с частотой 0,8 - 3 МГц. Большинство серийных ультразвуковых терапевтических аппаратов работают на одной из фиксированных частот этого диапазона, Чаще всего – на 0,88 МГц.

Важной физической характеристикой звуковых колебаний является амплитуда волны, или амплитуда смещения. Амплитудой волны называется максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Мощность звука при одной и той же частоте зависит от амплитуды колебания звучащего тела. Тело, совершающее колебания с большей амплитудой, будет вызывать более резкое изменение давления среды, и звук будет сильнее.

Скорость, с которой частицы среды колеблются около среднего положения, называется колебательной. Колебательная скорость определяется выражением
A cos (t-x/c),
где = 2f - круговая частота;

А - амплитуда смещения частиц среды;

t – время;

x - расстояние от колеблющейся частицы до источника колебаний;

с - скорость распространения колебаний в среде;

(t - x/c)- фаза колебаний.

В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной ее затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент  и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через , то

S = 1/.

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания :

=T/ 

Добротность системы - это величина, равная числу полных колебаний, соответствующих уменьшению амплитуды в е^ раз. Время, необходимое для такого уменьшения амплитуды, определяется произведением . Отсюда число периодов, укладывающихся в этот промежуток времени, или добротность Q, выражается формулой:
Q = /T

К примеру добротность кварцевой пластинки, употребляемой в качестве излучателя ультразвуковых колебаний, равна 100000.

Если колебания совершаются с потерями, то убыль энергии системы равна той энергии, которую поглощает активное сопротивление в единицу времени. При этом надо иметь в виду, что активное сопротивление обусловлено трением, излучением акустиче ских волн и другими потерями. Соотношение полной энергии (W_п) колебания и потери энергии (W_д) за период (энергия диссипации за период) выражается следующим уравнением:
W_п/W_д = Q/2

При воздействии на колебательную систему с потерями периодической силой то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Явление достижения амплитуды колебательной скорости своего максимального значения, при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы, называют механическим резонансом.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансных, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Важным параметром является скорость распространения ультразвуковой энергии в среде. Колебательное движение передается от одной частицы к другой не мгновенно, а с некоторой скоростью. Таким образом, ультразвуковые волны в тканях организма распространяются с конечной скоростью, определяющейся упругими свойствами среды и ее плотностью. Скорость ультразвука в жидких и твердых телах значительно выше, чем в воздухе, где она приблизительно равна 330 м/с. В воде скорость ультразвука при 20^оС примерно равна 1500 м/с, в сыворотке крови - 1520 м/с, в мягких тканях организма с плотностью среды около 1060 кг/м³ - 1540 м/с, в костных тканях - 3350 м/с.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объемной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости ее частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды.

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растет в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю.

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях - ультразвуковых весах.

12.2 Энергетические параметры ультразвука
Ультразвуковая энергия есть сумма кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды. Как и всякая другая энергия, ультразвуковая энергия измеряется в Дж (СИ) и эргах (СГС);

1 Дж = 10⁷ эрг.

Акустическая мощность представляет собой энергию, переносимую в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. Акустическая мощность выражается в ваттах (СИ);

1 Вт = 10⁷ эрг/с.

Интенсивность (сила) ультразвука - поток акустической энергии, отнесенный к единице поверхности, перпендикулярной направлению распространения ультразвука, или, иными словами, акустическая мощность, приходящаяся на единицу поверхности.

I = W/St,

где W - энергия потока ультразвука, проходящего через площадь S за время t. Интенсивность ультразвука связана с амплитудой коле бания, величиной переменного акустического давления и колебательной скоростью частиц среды.

В физиотерапии для интенсивности ультразвука применяется размеренность Вт/см². Принято выделять три диапазона интенсивностей:

0,05 - 0,6 Вт/см² - низкий уровень интенсивности;
0,6 - 1,2 Вт/см² - средний уровень интенсивности;
свыше 1,2 Вт/см² - сверхтерапевтический, высокий уровень интенсивности.

Международная электротехническая комиссия приняла решение о том, что максимальная интенсивность с головки излучателя терапевтического аппарата не должна превышать 3 Вт/см². Для определения мощности (N) акустического излучателя любого ультразвукового аппарата достаточно интенсивность ультразвука (Вт/см²) умножить на площадь поверхности излучающей головки (см²):

N = I^.S.

Поглощенная в единице объема энергия называется физической дозой (Д):

Д = I t S / V,

где I - интенсивность ультразвуковых колебаний, падающих на озвучиваемую поверхность тела;

t - время озвучивания;

S - площадь облучаемой поверхности тела;

V - объем тканей тела, подвергнутых воздействию.

Эта формула дает лишь среднее значение дозы, в то время как действительное ее значение в конкретной точке озвучиваемой ткани может отличаться от среднего в несколько десятков или сотен раз из-за неравномерного распределения ультраакустической энергии в любом объекте.

В процессе распространения плоских ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука (I) уменьшается по мере удаления от источника излучения согласно формуле:
I = I₀e^-2^ax,

где I₀ - начальная интенсивность;

x - расстояние от источника;

а - коэффициент поглощения звука в среде;

е - основание натурального логарифма коэффициента поглощения ультразвука, выражается в обратных единицах длины (см^-1; м^-1) или в децибелах на единицу длины (см; м); при этом 1 см^-1 = 8,68 дБ/см.
12.3 Источники ультразвука

Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон.

Рисунок 12.1 Ультразвуковой свисток Гальтона с резонансной полостью.

Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде.

По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Другая разновидность механических источников, обладающих относительно большой мощностью ультразвука - сирены. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе.

Рисунок 12.2 Устройство ультразвуковой сирены.

При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Терапевтические излучатели обычно сделаны в виде дисков из высококачественной пьезокерамики цирконат-титаната свинца, например PZT 4. Они помещаются в водонепроницаемую оболочку из алюминия или нержавеющей стали, прикрепленную к концу легкой ручки. Обратная сторона диска граничит с воздухом.

Рисунок 12. 3 Схема крепления кристалла в терапевтическом излучателе, обеспечивающая воздушную нагрузку тыльной стороны кристалла: 1-заземленный металлический корпус; 2 - пьезоэлектрический кристалл с серебряными электродами с обеих сторон; 3 - припой; 4 - пружина, прижимающая контакт к обратной стороне.

Существует несколько способов введения ультразвуковой энергии в исследуемую область. Наиболее распространенный способ - контактный, когда преобразователь прикладывается непосредственно к коже. В этом случае передача акустической энергии осуществляется через тонкий слой контактного вещества, акустический импеданс (полное сопротивление) которого близок к импедансу кожи.

При лечении частей тела неудобных конфигураций, например, колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в ванну с водой. Также могут использоваться акустически прозрачные мешки с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела, а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного вещества.

Обычно в качестве контактных веществ используются легко стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие как минеральное или парафиновое масла. Используются и тиксотропные вещества (типа гелей). Их удобно использовать, поскольку в обычном состоянии они достаточно вязки, но под действием ультразвука разжижаются. Количество энергии, передаваемое через различные жидкости, практически одно и тоже, если слой достаточно тонок, и зависит скорее от давления преобразователя на контактное вещество, чем от его состава.

Во время процедуры преобразователь может удерживаться в одном положении (режим стационарного излучателя) или непрерывно перемещаться над обрабатываемой областью (режим движущегося излучателя). При любой возможности необходимо избегать режима стационарного излучателя, поскольку возможно образование стоячих волн и "горячих точек", которые могут привести к локальным повреждениям.

12.4 Применение ультразвука в биологии
Способности ультразвука разрывать оболочки клеток и с его помощью производить различные манипуляции на внутриклеточном уровне нашли широкое применение в биологических исследованиях.

Ультразвук используется:

для отделения клеток от различных ферментов;
для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями (аналитическая цитология);
для вызова мутационных изменений клетки.

Как показали исследования, ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко и безопасно работать.

Лекция 13 Свойства лазерного излучения и его применение в биологии
13.1 Свойства лазерного излучения

13.2 Фотобиологические эффекты воздействия лазерного излучения

13.3 Биологическое использование лазеров

13.4 Способы применения лазерного излучения

13.1 Свойства лазерного излучения
Лазеры широко применяется в различных областях науки и техники, таких, как физика, химия, электроника и медицина. Такое широкое распространение лазеры получили благодаря уникальным свойствам лазерного излучения. К этим свойствам относятся:

<< предыдущая страница следующая страница >>