Embed Size (px)
Citation preview
ELEMENTE DE FIZICA APLICATA
- BIOFIZICA-
Mihai Forascu
Cristina Stoian
ISBN 973-8114-59-4 / 2004
CAPITOLUL 1
NOTIUNI INTRODUCTIVE
1.1. OBIECTUL BIOFIZICII
Stiintele biologice studiaza natura vie reprezentata prin plante,
animale si oameni si relatiile complexe dintre ele. Acesti
reprezentanti ai naturii vii au o structura foarte variata. Functiile
vitale se complica si se perfectioneaza progresiv, de la formele
simple la cele complexe, ca rezultat al adaptarilor foarte numeroase
la conditiile de viata. Fiziologul roman, acad. E.Pora, sublinia ca :
.,viata se serveste de toate posibilitatile pe care lumea fizica i le
pune la dispozitie".
Pentru cercetarea si cunoasterea proceselor biologice trebuie
cunoscute, in primul rind, structura si insusirile fizico-chimice ale
materiei vii. La baza multor procese biologice stau anumite
fenomene fizice. De multe ori, aceste fenomene fizice sint corelate
cu fenomene chimice si, de aici, greutatea de a le studia separat. In
lumea vie gasim o asociere foarte strinsa a fenomenului chimic cu
fenomenul fizic, deoarece substantele actioneaza intre ele atit prin
proprietatile lor chimice, cit si prin cele fizice. Limitele intre fizica
si chimie se sterg in lumea vie, dar tocmai strinsa intrepatrundere a
fenomenelor fizice cu cele chimice caracterizeaza fenomenul vietii.
Legile fizice si chimice isi gasesc in procesele moleculare, din lumea
vie o expresie imediata. Desigur,
viata nu poate fi redusa la aspectele fizico-chimice ale materiel vii,
dar fara cunoasterea acestor aspecte nu este posibila intelegerea
vietii.
Biofizica este disciplina care s-a dezvoltat la granita dintre
fizica si biologic, datorita conlucrarii dintre aceste doua discipline.
Nu se poate stabili cu precizie, in timp, aparitia acestei
discipline ; aspectul fizic al fenomenelor biologice a preocupat de
mult timp pe oamenii de stiinta. Totusi, ca domeniu de sine statator,
ca obiect de studiu cu metodologie proprie de lucru, biofizica are o
virsta relativ tinara.
Inca din secolul al XVI-lea L e o n a r d o da Vinci, marele pictor,
om de stiinta si ganditor italian a studiat zborul pasarilor, folosind
legile mecanicii. In secolul al XVIll-lea fiziologul italian L. G a l v a n i
si fizicianul italian A. V o l t a au studiat experimental influenta
fenomenelor electrice asupra tesuturilor vii ; la inceputul secolului al
XlX-lea savantul englez T. Young a fost unul dintre creatorii opticii
fiziologice si a analizat circulatia sangelui din punct de vedere
hidrodinamic. Medicul german R. M ay er, fizicianul irlandez J.
Tyndall, s.a., prin lucrarile lor, si-au legat numele de cercetarile cu
caracter biofizic.
In acele timpuri, cercetarea stiintelor naturii cu ajutorul fizicii era
dictata de dezvoltarea fizicii, pe de o parte, si a stiintelor naturii, pe
de alta parte.
0 caracteristica a lucrarilor clasice de biofizica a fost efortul pe
care-1 faceau oamenii de stinta de a gasi explicatii fizice pentru
fenomenele biologice, explicatii care reduceau citeodata fenomenele
biologice la fenomene fizice. Astfel, marele filozof si om de stiinta
francez din secolul al XVII-lea, R. D e s c a r t e s , sustinea ca animalele
nu sunt decat masini, creind astfel o fiziologie mecanicista. Acest
reductionism a avut o latura pozitiva, marcind tendintele materialiste
din biologie, dar a avut si o latura negativa, ducand la pierderea din
vedere a specificului calitativ al fenomenelor biologice (organizarea
sistemica a materiei vii).
Conceptia materialista arata ca viata este o forma superioara de
miscare a materiei, care nu se poate reduce.la formele ei inferioare
(fizice, chimice), forme pe care le inglobeaza in organismele vii.
Legatura organica dintre diferitele forme de miscare a materie,
care deriva din diversitatea calitativa a formelor concrete de
existenta ale ei, a facut necesara aparitia in secolui al XX-lea a
numeroase stiinte numite ,,de granita" sau ,,interdisciplinare", ..de
tranzitie". De aceea, in etapa actuala, o caracteristica importanta a
dezvoltarii stiintei in general este nu numai d i f e r e n t i e r e a tot
mai marcanta a stiintelor ci, paralel cu aceasta, integrarea ramurilor
clasice in discipline de granita. Astfel, suprapunerea dintre forma
de miscare fizica si forma de miscare chimica a dat nastere
disciplinei de chimie-fizica; intrepatrunderea formei de miscare
chimica cu cea biologica a dus la aparitia biochimiei ; biofizica este
stiinta care studiaza interdependenta dintre forma de miscare fizica
si forma de miscare biologica si cerceteaza aspectele sub care se
manifesta procesele fizice in cadrul proceselor biologice. Metodele de
cercetare proprii unor stiinte se aplica tot mai frecvent si mai fecund
si in alte stiinte.
0 alta caracteristica a stiintelor contemporane este si matematizarea
lor. Matematica — stiinta care studiaza relatiile cantitative si
calitative ale obiectelor si fenomenelcr — devine tot mai mult un
auxiliar universal al celorlalte stiinte; este mult folosita azi in
cercetarea si exprimarea fenomenelor biologice, carora le confera
precizie si ordonare. In literatura mondiala biologica se folosesc
curent metodele de analiza si interpretarea matematica a fenomenelor
de viata. Prelucrarea statistica a rezultatelor experimentale este
prezenta in toate revistele si tratatele moderne de biologie. Multe
din fenomenele vietii sint exprimate prin formule matematice sau
reprezentate prin grafice. Intelegerea fenomenelor si proceselor
biologice va fi posibila numai folosind cunostinte de chimic, fizica
si matematica, precum si cele mai moderne metode de investigare si
de prelucrare a datelor. Folosind fizica in studiul materiei vii,
biofizica devenita disciplina de sine statatoare, cu obiective si
metode de cercetare specifice, deschide largi perspective in cele
mai diferite domenii ale biologiei teoretice si aplicative.
Din cele aratate rezulta ca este foarte greu sa se cuprinda intr-o
fraza scurta si clara definirea biofizicii.
Pentru a inlelege scopul si metodele de cercetare ale biofizicii
trebuie sa se aiba in vedere ca obiectul cercetat de biofizica este
materia vie, respectiv viata, iar metodele de cercetare ale bios-ului
sint metodele fizicii si chimiei pe de o parte, si ale biologiei si
matematicii, pe de alta parte.
Pina in prezent s-au dat diverse definitii pentru biofizica, dar
inca nu s-a ajuns la un consens in ceea ce priveste definirea
completa a ei.
Astfel, profesorul Tarusov de la Universitatea Lomonosov din
Moscova arata in cartea ,,Bazele biofizicii" ca : .,biofizica consta in
studiul fenomenelor si transformarilor moleculare fizico-chimice care
stau la baza mecanismelor primare ale proceselor biologice".
Profesorul W. Beier (1968) de la Universitatea din Leipzig, in
lucrarea ,,Introducere in biofizica teoretica" defineste biofizica drept
,,stiinta care se ocupa cu analiza fizica a structurilor functionale si a
comportarii biologice".
Dupa parerea acad.prof. Grigore Benetato, ,,biofizica este stiinta
care studiaza structura si functiile sistemelor vii cu ajutorul teoriilor
si tehnicilor fizice".
Dupa prof. dr. doc. Vasile Vasilescu, de la Universitatea de Me-
dicina si Farmacie din Bucuresti,,.biofzica este stiinta care studiaza
fenomenele fizice din sistemele biologice, in lumina si cu ajutorul
teoriilor si tehnicilor f izico-matematice".
Din definitiile care s-au dat pentru obiectul biofizicii, rezulta ca
aceasta este stiinta care studiaza :
— structura fizica a sistemelor biologice ;
— proprietatile fizice ale acestor sisteme ;
— fenomenele fizice care stau la baza (care determina)
fenomenele biologice cu ajutorul teoriilor si tehnicilor fizico-
matematice.
1.2. DIVIZIUNILE BIOFIZICII
Multiplele preocupari si cercetari din biofizica se pot grupa in
urmatoarele patru directii principale :
1. Studierea structurii si proprietatilor fizice ale materiei vii. Biofizica
studiaza structura atomica, moleculara, macromoleculara a materiei
vii, proprietatile fizice ale structurilor si sistemelor biologice.
2. Studierea fenomenelor fizice (mecanice, termice, electrice
etc.) prin care se realizeaza procesele biologice din plante si animale,
in general, diferite de la un grup de vietuitoare, la altul. Aceste
fenomene fizice care stau la baza proceselor biologice se manifesta
prin diferite tipuri de energie, care se transforma unele in altele. De
aceea, biofizica studiaza si energetica proceselor vitale.
3. Studierea actiunii factorilor fizici ai mediului asupra
organismelor, in scopul de a-i utiliza pe cei favorabili ca agenti
terapeutici sau de a realiza profilaxia (prevenirea) actiunii lor nocive
asupra organismului.
4. Folosirea tehnicilor fizice in abordarea unor probleme de
biologie. Astfel, biofizica include si fizica experimentala in studiul
organismelor vii,
Aceste multiple preocupari ale biofizicii pot fi sistematizate atat in
functie de domeniul din fizica pe a carui aplicare se bazeaza, cat si
in functie de nivelul de organizare a materiei vii care, se studiaza.
In functie de primul criteriu, privita in sens de fizica aplicata,
biofizica foloseste aproape toate domeniile clasice si moderne ale
fizicii, astfel :
Biomecanica studiaza diferitele tipuri de locomotie animala pina
la motilitatea celulara si la proprietatile mecanice ale constituentilor
celulari.
Bioelectricitatea studiaza ansamblul fenomenelor electrice din
lumea vie de la nivel celular, tisular si de organ, fenomene care
exprima functionalitatea structurilor respective si constitute baza
unui grup important de investigatii clinice.
Biotermodinamica si Bioenergetica se ocupa atit de generarea,
stocarea si conversia energiei la nivel celular si de organism, cit si de
problemele energetice ale marilor sisteme biologice de nivel
supraindividual. In ultimul timp, in cercetarile de biofizica se
folosesc capitole moderne din fizica atomica si nucleara, mecanica
cuantica, fizica moleculara, fizica corpului solid, optica, etc.
Biocibernetica studiaza principiile si mecanismele concrete ale
comenzii, reglarii, conservarii, prelucrarii si transmiterii de
informatii in sistemele biologice.
Bionica studiaza structurile si mecanismele din sistemele vii,
pentru a gasi solutii unor problemele tehnice ; este un capitol modern
al biofizicii.
Radiobiologia este un capitol al biofizicii care studiaza
interactiunile dintre energia radianta si materia vie.
Clasificarea metodologica a problemelor biofizicii in functie de
capitolele de fizica folosite pun in evidenta diversitatea si
complexitatea problemelor cercetate de biofizica. Importanta si
semnificativa este, insa. definirea si sistematizarea cercetarilor in
functie de nivelul de organizare a sistemului biologic studiat. Din
acest punct de vedere. se disting : Biofizica moleculara, care studiaza
proprietatile fizice ale moleculelor si fenomenele fizice ce se produc la
nivel molecular si supramolecular : Biofizica celulara, care studiaza
proprietatile fizice ale celulelor si fenomenele fizice (electrice,
mecanice, termice etc.) ce se petrec la nivel celular si Biofizica
sistemelor complexe, care studiaza aspectele biofizice incepind de la
nivel tisular si de organ si pina la nivelul sistemelor biologice
supraindividuale.
Structurarea pe capitole a acestei lucrari incearca , in masura
posibilitatilor, sa se studieze structura, proprietatile si fenomenele
fizice care au loc la nivelul tuturor treptelor de organizare a materiei
vii.
1.3. METODELE DE CERCETARE IN BIOFIZICA
Fenomenele fizice care se petrec in organismele vii sint
exprimate prin diferitele forme de miscare a materiei si prin
transformarile acestor miscari. Ceea ce este comun fizicii si
diviziunii acesteia, biofizica, este faptul ca in acelasi mod urmaresc
sa descopere, sa cerceteze si sa explice aceste fenomene, pentru ca sa
poata stabili relatii cantitative, matematice intre cauzele care produc
aceste fenomene si efectele lor. Studiul fizicii , in general, este bazat
pe descoperirea si punerea in evidenta a unor modele care sa imite
comportarea structurilor materiale in natura, care sa poata fi folosite la
explicarea unor fenimene si legi ale acesteia Descoperirea si
cercetarea fenomenelor se realizeaza prin metoda observatiei si metoda
experimentului. Observarea atenta a unui fenomen arata producerea si
desfasurarea lui naturala. Prin experiente facute cu ajutorul unor
aparate, in laborator, se reproduce artificial fenomenul in conditii
care pot varia, astfel incit sa se gaseasca factorii care determina
(cauzele) si factorii care influenteaza (conditiile) fenomenul.
In urma observatiilor si experientelor facute asupra fenomenului, se
formuleaza concluzii care conduc la stabilirea relatiei cantitative,
matematice, dintre cauze, conditii si efecte, ceea ce constituie legea
fenomenului respectiv. Ulterior, se cauta ca fenomenul si, respectiv,
legea de guvernare a lui sa se foloseasca la studierea sub aspect biologic,
medical a subiectului respectiv (animal, organ, tesut, celula etc.), sau
chiar in tehnica (bioinginerie, bionica).
1.3.1. Observatia
Este, in toate stiintele, una dintre metodele importante de
cercetare. Trebuie sa fie riguroasa, sistematica sau continua, detaliata,
ceea ce-i confera caracter stiintific.
In biofizica se observa, atit sub aspect cantitativ, cit si calitativ :
miscarile celulelor, manifestarile electrice care au loc la nivel celular,
tisular sau de organ, fenomenele optice care au loc in organismele vii
etc. si rezultatele se exprinra numeric (observatie cantitativa). Simturile
omului sint imperfecte si au o sensibilitate limitata calitativ (organele
de simt nu percep, de exemplu, radiatiile ionizante) si cantitativ (ochiul
nu observa obiecte oricit de mici). De aceea, in observatia stiintifica se
folosesc instrumente si aparate (detectoare-contoare pentru radiatiile
ionizante, microscoape pentru observarea obiectelor invizibile cu
ochiul liber etc.), care permit o observatie cit mai obiectiva.
1.3.2. Experimentul
Permite verificarea ideilor prin intermediul faptelor. Inca din
secolul al XVII-lea, medicul Italian M.Malpighi spunea : ,,nullius in
verba'" (vorbele fara fapte nu spun nimic). Abstractizarea trebuie sa se
faca pe baza unor rezultate obtinute in experientele concrete.
Metodele fizice (mecanice, optice, electrice, electronice, magnetice,
cu radioizotopi, fizico-chimice) au determinat obtinerea de rezultate
deosebite in domeniul biofizicii. Progresele disciplinelor tehnice ale
stiintei (in special fizica si chimia) au permis in ultimul timp, trecerea
de la studiul macrostructurilor biologice (a organelor, a tesuturilor) si a
fenomenelor fizice care au loc in ele, la studiul microstructurilor
(celulelor, organitelor celulare) si a fenomenelor fizice legate de
acestea.
Astfel, ultracentrifugarea, difractia radiatiilor X, spectrofotometria,
spectrofluorimetria, microscopia electronica, electroforeza,
cromatografia, folosirea izotopilor radioactivi, perfectionarea metodelcr
de cultivare a celulelor ,,in vitro" (in eprubeta) si alte descoperiri si
inovatii tehnice au modificat radical conditiile de cercetare, permitand
elucidarea fenomenelor biologice si interpretarea lor la nivel celular,
molecular si chiar atomic. Se poate vorbi, astazi, de o biofizica celulara,
precum si de o biofizica moleculara in plina dezvoltare, care au obtinut
rezultate remarcabile.
Stiinta si tehnica moderna deschid largi perspective in domeniul
cercetarilor, examenelor clinice si de laborator.
Utilizandu-se in acest scop aparatura electrica respective, se
determina cu cea mai mare precizie temperatura corpului in orice
punct al suprafetei lui, tensiunea arteriala, tensiunea intraoculara,
tensiunea lichidului cefa-lorahidian, viteza de circulatie a singelui
etc.
Electrofizica a deschis calea studiului biocurentilor si a pus la
indemina medicului electrocardiografia si electroencefalografia,
metode foarte pretioase de diagnostic si studiu in bolile de inima si
ale sistemului nervos.
Progresele din domeniul opticii au adus biologiei si medicinei
posibilitatea de a utiliza aparate de marire a imaginii, contribuind in
mare masura la dezvoltarea microbiologiei, histologiei,
histopatologiei etc.
Progresele din domeniul electronicii au dat posibilitatea crearii
microscoapelor electronice prin care, expunindu-se preparatul de
examinat intr-un fascicul de electroni a carui viteza este accelerata
cu ajutorul unor cimpuri electromagnetice asezate in serie, se ajunge
in final la impresionarea unui ecran fluorescent pe care imaginea
preparatului apare marita de zeci de mii de ori. Exista microscoape
electronice cu putere de marire de 106 ori.
Ca si radiatiile X, cele radioactive au aplicatii pe de o parte in
domeniul investigatiei clinice, iar pe de alta parte in terapeutica. In
plus, radioizotopii pot fi utilizati in cunoasterea factorilor de mediu,
in cercetarile epidemiologice, microbiologice si, mai mult, se poate
afirma ca nu exista domeniu de studiu in orice specialitate
medicala in care izotopii radioactivi sa nu-si gaseasca aplicare.
Astfel, cu ajutorul izotopilor radioactivi se studiaza digestia si ab-
sorbtia intestinala, absorbtia vitaminelor, metabolismul proteinelor,
se determina volumul singelui circulant, durata de viata a hematiilor,
leucocitelor si trombocitelor, se studiaza dinamica lichidelor intra-
si extracelulare, functia glandei tiroide, functiile ficatului etc.
1.3.3. Metoda matematica .
Este un instrument de lucru teoretic, ce se foloseste si in biofizica
pentru :
— exprimarea, prin numere, a rezultatelor de observatie si de
experiment ;
— prelucrarea datelor de observatie si de experiment;
— gasirea explicatiilor pentru diversele fenomene, apreciate
statistic.
Biofizica teoretica (biofizica matematica) urmareste descrierea
cantitativa a fenomenelor biologice. Pentru aceasta, este necesar sa
se obtina mai intii ecuatii empirice pe baza prelucrarii datelor
experimentale si apoi sa se caute deducerea matematica a ecuatiilor
obtinute pe baza unor ipoteze asupra mecanismului fenomenului
studiat.
Asa dupa cum cercetatorul care executa o experienta face unele
simplificari, tot asa si matematicianul simplifica si abstractizeaza
unele aspecte ale fenomenului.
Metoda matematica da rezultate foarte bune in cazul fenomenelor
simple (in fizica, in general). In biologie, simplificarile sint mai
greu de facut, deoarece fenomenele biologice sint fenomene
complexe si unele simplificari pot sa conduca la rezultate care sa nu
corespunda intrutotul realitatii. De aceea, fo-losirea metodei
matematice in studiul fenomenelor biologice nu este tot atit de
ampla ca in fizica si chimie.
1.3.4. Metoda modelarii
Este foarte utila in biofizica pentru studiul organismului viu, care
este un sistem complex. Metoda consta in crearea unor dispozitive
(modele) pe care se studiaza procese analoge celor care se petrec in
organismele vii. Astfel, anumite procese biologice pot fi studiate pe
modele electronice (modelul electronic al neuronului, modele electronice
ale anumitor mecanisine cerebrale etc.).
In functie de obiectul cercetat se preconizeaza, in general, pentru
studiul fenomenelor fizice si, respectiv, biofizice, doua metode : metoda
fenomenologica si metoda statistica.
Metoda fenomenologica. Studiaza fenomenele pornind de la citeva
principii fundamentale, rezultate din numeroase experiente, facind
abstractie de structura interioara, discreta a materiei.
Metoda statistica. Studiaza fenomenele pornind de la structura
interna, discreta, a materiei. Pentru studiul sistemelor cu un numar
enorm de particule se foloseste calculul probabilitatilor. Astfel,
proprietatile macroscopice masurabile apar ca niste valori medii
statistice ale proprietatilor particulelor individuate.
In biologic ,,discretul" este caracteristic, viata fiind o manifestare a
sistemelor individualizate (a organitelor, celulelor etc.). Organismele vii
prezinta diferite nivele de organizare incepind cu cel macroscopic
(individ, organ) si continuind cu cele microscopice (tesut, celule),
ultramicroscopice macromolecule, molecule) si nivelul atomic.
Fiecare treapta de organizare are legile sale specifice,
fenomenologice.Pentru a intelege aceste legi in mod cauzal, trebuie
cercetate procesele si fenomenele cel putin la o treapta imediat
inferioara de organizare. In acelasi timp, la toate treptele de organizare
ale materiei (vii si inerte) actioneaza legi generale (legea conservarii
masei, legea conservarii sarcinii electrice, legea conservarii energiei)
ceea ce demonstreaza unitatea materiala a Universului.
1.4. LEGATURILE BIOFIZICII CU ALTE STIINTE
Una dintre caracteristicile dezvoltarii contemporane a tuturor
stiintelor este cercetarea complexa a obiectelor de studiu, cu metode cit
mai diferite. In cazul stiintelor biologice eforturile stiintifice sint
orientate, in prezent, spre descifrarea si intelegerea aprofundata a
intimitatii mecanismelor vietii, utilizand in special stiintele
fundamentale. Fiziologul francez Claude Bernard arata ca ,,biologia
trebuie sa preia de la stiintele fizico-chimice metoda experimentala,
pastrindu-si, insa, metodele specifice si legile proprii".
Legaturile biofizicii cu alte stiinte s-au realizat si se dezvolta rapid
datorita faptului ca biofizica primeste, pe de o parte, informatii de la
unele stiinte, iar pe de alta parte, ea insasi furnizeaza informatii pentru
alte stiinte.
De aceea, biofizica are legaturi cu stiintele care-i furnizeaza idei,
conceptii, tehnici si aparate de cercetare. Dintre aceste stiinte, fac parte :
fizica, chimia, matematica, statistica, electronica, cibernetica, psihologia
s.a.
De asemenea, biofizica are legaturi cu stiintele biologice si medicale.
Aceste legaturi deriva din obiectul comun de studiu care este viata, care nu
poate fi obiectul exclusiv al unei discipline. Biofizica are legaturi cu
biologia, biochimia, fiziologia, fiziopatologia, microbiologia, virusologia,
anatomia macroscopica si microscopica (histologia), terapeutica, igiena s.a.
Din cele aratate rezulta ca biofizica, o disciplina relativ tinara, are
conexiuni multiple cu numeroase stiinte si isi dezvolta si extinde
aceste legaturi datorita rezultatelor deosebite pe care le-a obtinut.
De aceea, biofizica este o disciplina care patrunde din ce in ce mai
mult in domenii ce apartin altor stiinte ca : histologia, fiziologia,
biochimia, medicina si altele, folosind adeseori metode netraditionale
de cercetare si interpretare a rezultatelor.
Zi de zi se descopera noi fapte, se emit noi ipoteze, care de care
mai indraznete. Adeseori este greu sa se delimiteze ce apartine
biofizicii si ce o depaseste. Biofizica reprezinta un domeniu complex
al stiintei. De aceea in lucrarile de biofizica nu se poate face o
delimitare stricta intre ceea ce reprezinta fizica si ceea ce, face parte din
biochimie, histologie sau fiziologie.
1.5. IMPORTANTA BIOFIZICII PENTRU BIOLOGIE SI
MEDICINA
Pina nu demult, in facultatile de medicina umana si veterinara,
printre disciplinele din planul de invatamint era si disciplina de fizica
medicala. Aceasta disciplina a adus mari servicii medicinii, in
special celei practice, mai ales in domeniul aparaturii medicale.
Progresele deosebite inregistrate atit pe plan teoretic, cit si pe plan
tehnic, au dus la necesitatea transformarii calitative a disciplinei de
fizica medicala in aceea de biofizica.
Saltul calitativ de la fizica medicala la biofizica moderna are doua
aspecte importante :
1. Din punct de vedere al conceptiei, el consta in trecerea de la
studiul legilor fizicii pentru a le cauta aplicatii in biologic, la studiul
aspectului fizic al legilor biologice.
2. Din punct de vedere structural, el reprezinta trecerea de la
studiul macrostructurilor, la studiul microstructurilor, la nivelul
carora reflectarea mai complexa a legilor fizicii descopera fenomene
mult mai complexe ale substratului material al fenomenelor biologice.
Tendinta de a studia microstructurile organismului si functiile lor
nu inseamna studierea ,,localicista", deoarece aceste structuri (de
exemplu, structurile subcelulare) sint ubicuitare (se gasesc peste tot in
organism) si, deci, reprezinta caractere ale organismului intreg, atit
prin structura, cit si prin functia lor.
Din definitia biofizicii (v. 1.1.) rezulta clar importanta deosebita a
acestei stiinte pentru studiul sistemelor biologice atit din punct de
vedere structural, cit si functional.
Biofizica s-a impus rapid ca o disciplina absolut necesara formarii
generatiilor de medici umani si veterinarl, de ingineri zootehnisti, de
biologi in general, care prin insasi formarea lor trebuie sa posede o
imagine clara a legitatilor proceselor care stau la baza lumii vii.
Biofizica este de mare utilitate pentru unele capitole esentiale din
morfologie, pentru studiul fiziologiei, analizand la nivel molecular si
submolecular procesele fiziologice.
Biofizica este in mare masura indispensabila intelegerii
proceselor biochimice. Este usor de observat ca, in medicina, metodele
si conceptiile fizicii cauta sa completeze metodele chimice, care au
predominat in aceasta stiinta timp de multe decenii, deoarece
metodele fizice de investigate sint rapide si de o deosebita finete.
Biofizicii, alaturi de genetica si biochimie, ii revine un rol
important in dezvoltarea si perfectionarea productiei agricole animale
si vegetale, prin utilizarea cunostintelor de biofizica in rationalizarea
si cresterea eficientei valorificarii patrimoniului zootehnic si pentru
obtinerea de noi soiuri de inalta productivitate la toate plantele de
cultura.
Aplicarea metodelor biofizicii in controlul performantelor
morfologice si functionale ale animalelor, in conditiile unor factori de
mediu diferiti (in ecologie), face posibila crearea unor efective cu
potential biologic si productiv ridicat si imbunatatirea raselor de
animale la toate speciile.
Biofizica isi aduce contributia in cercetarea proceselor studiate in
fiziopatologie, microbiologie, virusologie, in cunoasterea patologiei
bolilor, in diagnosticul si terapia lor.
Importanta biofizicii in complexul domeniu al viului rezulta si din
rezolvarea multiplelor probleme ce-si asteapta solutionarea, corelate
cu o serie de procese biofizice si biochimice, cum ar fi : problema
cancerului, a bolilor nervoase si cardiovasculare, a bolilor
degenerative si genetice, cu implicatii directe in domeniul medicinii
veterinare si zootehniei.
Progresele obtinute de biofizica furnizeaza medicinii si biologiei, in
general, un permanent flux de date, idei si conceptii noi. Practica a
aratat si arata ca performantele in stiintele biologice se obtin in acele
domenii care cerceteaza in profunzimea structurilor si care studiaza
analitic mecanismele proceselor intime ce au loc la acest nivel.
Deoarece biofizica urmareste, prin excelenta, aceasta linie de evolutie
a stiintei, nu se poate concepe o activitate in domeniul medical, si in
general in domeniul biologic, fara cunostinte de biofizica.
Din cele aratate, reiese clar importanta deosebita pe care o au
cunostintele de biofizica pentru sporirea insusirilor biologice si
productive ale animalelor si plantelor de cultura, a pastrarii sanatatii. In
plus, cunostintele de biofizica contribuie, alaturi de celelalte domenii
de studiu, la formarea si dezvoltarea competentei viitorilor medici
veterinari, ingineri zootehnisti, biologi, ce se bazeaza pe un ansamblu
de cunostinte teoretice si practice care sa determine la acestia :
— exactitate si precizie in stabilirea diagnosticului si a terapiei, in
organizarea, dirijarea si finalizarea unei cercetari ;
— abilitatea tehnica in manuirea cunostintelor si a diferitelor
tehnici;
— modestie si devotament in practica meseriei.
Avind in vedere rolul deosebit pe care il are biofizica pentru
formarea gindirii independente in procesul de instruire a viitorilor
medici veterinari, ingineri-zootehnisti si biologi in general, aceasta
disciplina ocupa un loc bine conturat in planurile de invatamint din
domeniile respective.
1.6. BIOFIZICA PE PLAN MONDIAL SI NATIONAL
Marile succese ale biofizicii din ultimii ani justifies interesul si
sperantele puse in aceasta ramura a stiintei, pentru rezolvarea unor
probleme importante ale biologiei si medicinii. Succesele obtinute in
biofizica i-au accelerat dezvoltarea. permitind elucidarea unor
probleme deosebit de interesante la nivel subcelular si interpretarea
unor aspecte esentiale ale fenomenelor biologice. Astfel, cresterea
productiei animale si vegetale va putea fi puternic influentata prin
folosirea factorilor fizici in cunoasterea mecanismelor vietii.
0 privire asupra organizarii si investitiilor in domeniul
stiintei pe plan mondial arata ca biofizica se bucura de o atentie
speciala. In ultimii treizeci de ani o mare parte din premiile Nobel
pentru medicina si chiar pentru chimie au fost acordate pentru
cercetari in biofizica.
Trebuie mentionat faptul ca cercetarile de biofizica au o
amploare deosebita intr-o serie de unitati si centre de cercetare
mai ales cu profil medical, datorita importantei lor, pentru
elucidarea mecanismelor sanatatii si bolilor. De fapt, marile
probleme ale medicinii, cum ar fi : cancerul, bolile nervoase,
cardiovasculare, bolile degenerative si genetice nu au putut fi
solntionale pe deplin, deoarece o serie de procese biofizice si
biochimice nu au fost inca elucidate.
Urmarirea prestigiului international in stiinta si considerente
de ordin economic (biofizica are implicatii si in agricultura,
zootehnie etc.) au dus la instituirea unor organisme guvernamentale
si Internationale de biofizica. Astfel, in unele tari ca: S.U.A., fosta
U.R.S.S., Japonia, Franta s.a. s-au alcatuit planuri pe anumite
perioade, referitoare la dezvoltarea biofizicii. In 1962, in Suedia, s-
a constituit ,,Uniunea Internationala de biofizica pura si aplicata",
la care au aderat numeroase organisme guvernamentale.
La noi in tara biofizica s-a afirmat initial pe linga catedrele de
fiziologie. Inca din 1910 cursurile de fiziologie ale lui I.
A t h a n a s i u contineau numeroase elemente de fizica si chimie
biologica, idei care au fost continuate de acad. V.Rascariu si prof.
I.Kitescu. Scoala de fiziologie clujeana, condusa de acad. dr.
Gr.Benetato, a adus o contribute importanta la precizarea
continutului si orientarii biofizicii. Trebuie remarcat rolul pe care
1-au avut unii fizicieni care s-au ocupat de biofizica in cadrul
facul-tatilor de medicina. Astfel, prof. dr. doc. N. Barbulescu publica
in anul 1936 primul curs de fizica medicala.
Deoarece problemele ridicate de fizica, cum ar fi : receptia si
conducerea informatiilor in sistemele biologice, actiunea
ultrasunetelor asupra celulelcr, spectrele RES ale ADN si ARN,
prelucrarile de informatii in retina, rolul apei in functia membranelor
excitabile etc. au devenit atit de complexe, rezolvarea lor a impus
colaborarea specialistilor din diverse domenii de activitate, atit pe
plan national, cit si international. Dintr-o asemenea colaborare
apare, in 1967, si prima lucrare introductiva in problematica
biofizicii, in literatura stiintifica romaneasca, intitulata ,,Introducere
in Biofizica", semnata de Traian Gheorghiu, Teodora Grossu si
Victor Sahleanu
0 noua conceptie cu privire la natura vie este sustinuta de acad.
E. Macovschi in ,,Teoria biostructurii" care, desi relativ noua, s-a
impus in atentia oamenilor de stiinta.
In ultimele trei decenii, un rol deosebit pentru dezvoltarea
biofizicii pe plan national 1-a avut activitatea colectivelor de cadre
didactice si cercetatori din cadrul universitatilor si institutelor de
medicina si farmacie din Bucuresti si din celelalte centre
universitare din tara. Ca rezultat al colaborarii multora dintre aceste
cadre didactice si de cercetare din domeniul biofizicii, a aparut, in
anul 1977, prima lucrare de Biofizica medicala din tara noastra sub
redactia prof. dr. doc. Vasile Vasilescu. Pe plan stiintific, se poate
vorbi de o afirmare internationala a cercetarilor romanesti de
biofizica.
Biofizica se impune rapid si in tara noastra ca o disciplina
absolut necesara formarii generatiilor de medici si biologi. Ea
incepe sa aibe o pondere din ce in ce mai mare in preocuparile in
privinta mijloacelor de cercetare stiintifica in biologie, deoarece
prezinta metode noi, precise, mai sigure si mai rapide, dand
posibilitatea studierii dinamice a materiei vii.
Biofizica este una din preocuparile cercetarii stiintifice din
tara noastra. Prin specificul sau, invatamintul superior ofera largi
posibilitati pentru orientarea cercetarii spre o activitate complexa
interdisciplinara, spre rezolvarea unor probleme stiintifice in
domeniul disciplinelor de granita.
Preluand tot ce s-a facut pana acum in acest domeniu,
viitorii specialisti vor trebui sa duca cercetarea mai departe, in
aceasta disciplina noua, plina de perspective si unde sint atit de
multe de facut.
Speram ca acest manual de biofizica va reprezenta pentru
viitorii specialisti un instrument de lucru necesar pentru inte-
legerea problemelor importante ale vietii si care poate constitui un
ajulor pretios in activitatea lor viitoare.
Caracterizarea fizico-chimica a substantei vii
2.1. Sistemul fizic. Clasificarea sisfemelor fizice
0 trasatura caracteristica a corpurilor materiale este faptul ca
fiecare dintre ele se comporta ca un intreg, ca o unitate fata de
corpurile inconjuratoare, pastrandu-si individualitatea un timp mai mult
sau mai putin indelungat. Aceasta se datoreste legaturilor
(conexiunilor) dintre partile componente ale fiecarui corp. Din punct de
vedere fizic, se considera ca aceste corpuri materiale, fie vii, fie lipsite
de viata, reprezinta sisteme.
In general, prin sistem fizic se intelege un ansamblu de
componente identice sau diferite, unite intr-un intreg prin legaturi si
interactiuni reciproce. Sistemul fizic este delimitat in spatiu si in timp,
dar componentele sistemului pot interactiona si cu mediul exterior
inconjurator (tot ceea ce nu apartine sistemului considerat).,
Notiunea de sistem, cuprinzind intreaga diversitate a corpurilor
din natura, permite compararea acestora si, deci, intelegerea legilor
generale de organizare si functionare a sistemelor.
Clasificarea sistemelor fizice se face dupa mai multe criterii :
— In functie de strutura interioara a sistemului, se disting doua
categorii de sisteme :
1. Sistem omogen, care este format din acelasi constituent, deci care
nu prezinta suprafete de separatie macroscopice in interiorul lui.
2. Sistem eterogen, format din constituenti diferiti si care prezinta
suprafete de separatie in interiorul lui.
— In functie de variatia proprietatilor pe diferitele directii din
sistem, se disting doua categorii de sisteme :
1. Sistem izotrop, in care proprietatile nu variaza pe diferitele
directii.
2. Sistem anizotrop, in care proprietatile variaza pe diferitele
directii.
— In functie de relatiile sistemului cu mediul inconjurator, se disting
trei categorii de sisteme :
1. Sistem izolat, care nu schimba energie si substanta cu mediul
exterior. Cantitatea de energie si substanta dintr-un sistem izolat sint
marimi constante in timp.
2. Sistem inchis (pentru substanta), care schimba numai energie cu
mediul exterior. Cantitatea de energie dintr-un sistem inchis este
variabila, in schimb, cantitatea de substanta este constanta.
3. Sistem deschis, care schimba atit energie, cit si substanta cu
mediul exterior. Pentru un sistem deschis, atit cantitatea de energie,
cit si cantitatea de substanta sint vambile in timp,
Organismele vii sint cele mai tipice sisteme, eterogene, anizotrope si
deschise. Metabolismul, cresterea, dezvoltarea organismelor vii si toate
celelalte fenomene care au loc in ele se realizeaza prin structuri
adecvate bazate pe eterogenitate si anizotropie. Conditia esentiala pentru
mentinerea vietii consta in schimbul permanent de energie si substanta
dintre organismul viu si mediul inconjurator. In cazul fiintei umane,
intreruperea acestei legaturi pentru o perioada mai mare de 5 minute
determina degradari ireversibile ale sistemului.
2.2. Sistemul biologic
Este un ansamblu (delimitat in spatiu si timp) de unitati
structurale, carora le corespund o anumita functie conditionata de
structura si in interactiune cu mediul inconjurator.
Compozitia atomica a materiel vii, care cuprinde aceleasi
elemente chimice ca si materia nevie, nu poate explica particularitatile
specifice ale lumii vii. Rezulta ca aceste particularitati decurg din
modul cum se grupeaza elementele chimice constitutive, din felul
compusilor chimici rezultati, din asocierea elementelor constitutive si
din modul de organizare sistemica a organismelor.
La baza proceselor vietii se regasesc fenomene si legi specifice
formelor inferioare de miscare a materiei, respectiv fenomenele si
legile fizice si chimice.
Datorita organizarii sistemice pe care o prezinta organismele vii,
fenomenele si legile fizice si chimice actioneaza in conditii speciale,
care confera acestor fenomene si legi caractere proprii, specifice
organismelor vii. Aceste conditii fac sa actioneze o serie de fenomene
si legi noi, fenomenele si legile biologice.
Astfel, la nivel atomic, molecular si supramolecular de organizare a
materiei vii, actioneaza legile simple ale miscarii fizice si chimice. De
indata ce se, trece de la nivelul supramolecular de organizare la cel
celular, apar legile miscarii biologice (s-a produs un salt calitativ al
legilor) care includ in ele (integreaza) toate celelalte legi ale treptelor
inferioare de organizare a materiei. Astfel, toate legile biologice care
vor actiona la nivelul unui tesut le vor ingloba pe cele ale celulelor
care compun acel tesut etc. sau, altfel spus, proprietatile si procesele de
la nivelele inferioare de organizare a materiei conditioneaza
proprietatile si procesele de la nivelele superioare de organizare.
Pentru studiul proceselor biologice, al proceselor patologice,
trebuie studiate fenomenele fizice si chimice care se produc in
conditiile specifice ale organizarii sistemice a organismelor.
Organismul viu functioneaza ca un sistem deschis, ca un sistem
biologic, constituit dintr-o serie de subsisteme. Sistemele biologice se
caracterizeaza printr-o serie de particularitati.
2.3. Particularitatile sistemelor biologice
Integralitatea sistemelor biologice. Aceasta consta in faptul ca
partile componente nu pot exista si functiona normal decat in cadrul
intregului din care fac parte. Aceasta particularitate este consecinta
modului in care sunt organizate sistemele, a conexiunilor dintre partile
diferentiate ale lor. Astfel, cele trei parti componente ale unui animal :
capul, trunchiul si membrele reprezinta de fapt, fiecare, complexe de
organe si tesuturi. Fiecare din aceste parti este specializata pentru
indeplinirea unor anumite functiuni.
Specializarea structurala si functionala a partilor face ca ele sa nu
poata exista separat, sa depinda unele de altele, sa fie indisolubil
legate intr-un intreg.
Insusirile intregului sint diferite fata de insusirile partilor lui. De
subliniat ca insusirile intregului nu se pot reduce la suma insusirilor
partilor lui, intregul prezentind insusiri noi, care apar in urma
conexiunilor, a interactiunii partilor, in urma integrarii lor in intregul
din care fac parte.
Functionarea si insusirile partilor componente ale unui sistenm
biologic sint subordonate legilor mai generale ale intregului din care
fac parte si sint coordonate de aceste legi.
Echilibrul dinamic. Spre decsebire de sistemele fizice care. rezista
foarte mult in timp, fara a-si degrada structura, sistemele biologice nu-
si pot mentine structura decat consumind substanta si energie din
mediul inconjurator. In procesul metabolismului — sub aspectul sau
material si energetic — prin organism trece un permanent flux de
materie si energie, care face ca organismul sa se autoreinnoiasca
mereu, desi el ramane acelasi, pastrandu-si individualitatea in tot
cursul vietii. Aceasta reinnoire are loc la nivel atomic si molecular ;
cinetica ei este diferita pentru diversele elemente constitutive,structura
sistemului ramanand aceeasi.
Cercetarile cu izotopi radioactivi au demonstrat ca in decurss de
100 de zile se reinnoieste majoritatea constituentilor unui organism
animal.
Aceasta stare aparte a sistemului biologic, caracterizata printr-un
flux permanent de substanta si energie prin sistem, cu pastrarea
integritatii sistemului aflat in continua reinnoire a capatat denumirea
de echilibru dinamic (echilibru curgator).
Autoreglarea sistemelor biologice. Este premisa si, totodata,
consecinta necesara a primelor doua caracteristici.
Orice organism este supus in permanenta actiunii factorilor externi
(temperatura, umiditate, vint, dusmani etc.). Acesti stimuli tind, in
general, sa deranjeze echilibrul dinamic al sistemului dat, sa-1
deregleze. Sistemul res-pectiv, pentru a-si mentine homeostazia
(aceeasi stare data de variatia in limite foarte stranse a diferitelor
constante ale mediului intern), trebuie sa se comporte, sa functioneze
in acelasi fel, incit sa faca fata acestor stimuli.
Sistemele biologiee isi mentin homeostazia datorita capacitatii
lor de a receptiona, de a stoca si prelucra informatiile primite, de a
elabora ,,comenzi" si de a transmite aceste comenzi organelor de
reactie.
Sistemele biologice au proprietatea sa-si autocontroleze si sa-si
autoregleze functiile in fiecare moment, datorita faptului ca
organismele vii sunt si sisteme cibernetice.
Nasterea, cresterea, dezvoltarea, reproducerea si moartea.
Acestea sunt caracteristici ale tuturor sistemelor biologice. Asa cum
spus-a poetul, in momentul in care ne-am nascut, ne-am imbolnavit de
moarte. Organismele vii au existenta finita in timp.Un embrion de
planta sau animal parcurge un sumum de schimbari calitative si
cantitative , schibari care inseamna nu numai o crestere, ci si o
dezvoltare, o diversificare si o specializare a tesuturilor si organelor
componente.
La organismele superioare, evolutia de la simplu la complex a
impus o diferentiere atat de profunda , incat celulele lor sunt entitati
bine individualizate. Fiecare tip de celula si chiar fiecare celula in
parte prezinta individualitatea ei caracteristica, trecutul, prezentul si
viitorul ei.
In dezvoltarea sistemelor biologice se aplica legea biogenetica
fundamentala formulata de biologul german E.Haeckel in anul 1886,
si anume: ontogenia (dezvoltarea unui organism din momentul
fecundarii pana la stadiul de individ) repeta filogenia( dezvoltarea
speciei privita ca un proces de dezvoltare istorica, ca rezultat al
evolutiei lumii vii).
Organizarea si componenta materiei vii
ELEMENTELE CHIMICE CONSTITUTIVE ALE MATERIEI VII
Materia vie se caracterizeaza, din punct de vedere chimic, printr-o
deosebita eterogenitate. Pe baza multiplelor cercetari microchimice si
histo-chimice s-a ajuns la concluzia ca elementele chimice intra in
organismele vii in combinatii foarle complicate si extrem de instabile.
Datorita labilitatii acestor combinatii, pina in prezent s-a reusit sa se
identifice natura numai unui numar redus de substante.
Materia vie este alcatuita din mii de feluri de molecule organice
care, formeaza substantele organice (glucide, lipide, protide), o mare
cantilate de apa si numeroase substante anorganice (minerale), care se afla
fie dizolvate in apa, fie sub forma de combinatii organominerale.
Eterogenitatea materiei vii este si mai evidenta daca se analizeaza
deosebirile care exista de la o specie la alta, de la un organism la altul,
de la o varsta la alta si chiar de la un organ la altul al aceluiasi
organism.
Pentru a exprima compozitia chimica a materiei vii, ar trebui sa se
cunoasca formulele tuturor constituentilor, ceea ce deocamdata nu
este, posibil. Dupa o apreciere a cunoscutului savant american L i n n s
P a u l i n g , ,.corpul uman ar fi constituit din aproximativ 100 000 de
feluri de proteine din care astazi nu se cunosc inca bine nici zece".
S-ar putea spune ca omul este un ,,mecanism" foarte complicat.
Poate ca ar fi mai bine sa se considere constituentii chimici ai unor
organisme mai simple, ai unor rame sau chiar ai unor microbi sau
plante. Dar si in aceste cazuri problema constituentilor organismelor
vii este complicata. Una din cele mai simple fiinte, virusul mozaicului
tutunului, este format din 2 200 de macromolecule de proteine si, in
plus, din molecule de acid nucleic. Citeva sute de pagini ar fi necesare
pentru a insira formulele acestor constituenti (daca ar fi toate
cunoscute).
In trecutul indepartat, in conditiile unui mediu adecvat, substantele
minerale, inerte, s-au structurat si printr-un salt calitativ au castigat
proprietati noi, transformindu-se in substante organice, specifice
materiei vii. Baza acestor structurari consta in sinteza substantelor
proteice, care au imprimat o noua calitate materiei vii.
Din cele aratate rezulta ca nu se poate vorbi despre compozitia
chimica a materiei vii, asa cum se vorbeste despre compozitia unui
anumit compus anorganic.
Totusi, analiza chimica a materialului tisular de orice provenienta
indica compozitia chimica elementara a materiei vii, aratand cu
aproximatie valorile medii si proportia in care elementele chimice intra
in compozitia tuturor vietuitoarelor.
Substantele care se gasesc in materia vie (plante si animale) sint
formate din elementele chimice constitutive ale materiei anorganice,
dar aceste substante, datorita proprietatilor specifice lumii vii, se
deosebesc fundamental de substantele studiate in chimia anorganica
(minerala). Pina in prezent, din cele 105 elemente chimice identificate
in Univers si cuprinse in Sistemul periodic al elementelor (tabelul
Mendeleev) , au fost identificate in materia vie peste 60 de
elemente care au capatat denumirea de elemente biogene sau
bioelemente. Faptul ca materia vie este constituita din aceleasi
elementechimice care ase gasesc si in mediul abiotic, si ca nu
exista nici un element chimic specific materiei vii, demonstreaza
unitatea lumii.
Elementele constitutive ale materiei vii provin din lumea
minerala. Ele patrund in organismele vii prin procese de
fotosinteza, de respiratie sau nutritie.
In functie de concentratia in care se regasesc in organismele
vii, bioelementele se clasifica in doua categorii, si anume:
macroelemente si microelemente
Macroelementele (Poligoelementele)
Se gasesc in materia vie in concentratii mai mari de 10-3 si intra in
constitutia majoritatii substantelor organice si anorganice din
structurile biologice. Deci, ele au rol plastic, constructiv. Dintre
acestea fac parte : H(l), C(6), N(7), 0(8), Na(ll), Mg(12), P(15), S(16),
Cl(17), K(19), Ca(20) (numerele din paranteze sint numerele de
ordine ale elementelor din tabelul lui Mendeleev).
Elementele constitutive ale materiel vii formeaza in organism atat
compusi organici, cit si compusi anorganici. Rareori aceste elemente
se gasesc izolate, in stare libera.
Compusii organici sint cuprinsi in trei clase mari: protidele,
lipidele si glucidele la care se mai adauga enzimele, acizii nucleici,
vitaminele si hormonii.
Compusii anorganici sint: apa, sarurile minerale si gazele.
La om, protidele detin circa 15% din masa corpului, lipidele circa
13%, glucidele circa 1 %, substantele anorganice circa 71 %, din care
apa circa 67% .
Pentru unele animale, aceste valori medii sint redate in tabelul
1.5.
Tabelul 1.1
Continutul organismului animal in apa,
protide,lipide si substante minerale (dupa
Manta, D., 1973)
S P E C I A
Protide %
Lipide %
Substante
Minerale % cal 17 17 4,5bou 15 26 4,6 oaie 16 20 3,4 porc 15 24 2,8 gaina 21 19 3,2 Compusii organici si anorganici alcatuiti din biomolecule prezinta
structuri si proprietati foarte variate, integrate in materia vie si care
conditioneaza organizarea biochimica structurala si functionala a
Protidele sint cele mai importante substante structurale si functionale
ale materiel vii, intra in constitutia citoplasmei celulelor,
reprezentind substratul material al tuturor fenomenelor vietii Dupa cum se cunoaste, protidele rezulta in procesul de biosinteza din
multiple posibilitati de combinare a celor 20 de aminoacizi (circa 104
tipuri de proteine intr-o celula) si, de aceea, varietatea de functii ale
acestora este foarte mare, prezentand o specificitate deosebita,
manifestata prin interactiunea, practic, cu toate tipurile de molecule din
organismele vii.
Lipidele au rol energetic si mai putin plastic, rol de vehiculanti ai
unor componente importante din punct de vedere biologic, dar
insolubile in apa (vitamina A, D, E, K), iar unii acizi grasi nesaturati
au rol de vitamine (vitaminele F).
Glucidele, dintre care esentiale pentru metabolismul energetic sint
amidonul la plante si glicogenul la animale. Pe langa acestea, in
celulele vegetale se intilneste celuloza.
Acizii nucleici (ADN si ARN) au rol unanim recunoscut in
conservarea, exprimarea si transmiterea informatiei genetice. Structura
acizilor nucleici din polinucleolide explica fenomene ca multiplicarea
celulara, biosinteza de proteine si reglajul celulelor de care depinde
metabolismul, capacitatea de reactie si miscare a celulelor si a
organismelor, inmultirea lor etc.
Macroelementele (poligoelementele) se pot imparti in trei categorii
(valorile din paranteze arata procentul lor mediu din organismele
animale) :
a) elementele biogene principale de constitutie (plastice),
reprezentate de oxigen (65%), carbon (18%), hidrogen (10%), azot
(3%), care impreuna reprezinta 96% din constitutia unui organism
animal; 6) elementele metalice (biometale) : calciu, magneziu, potasiu
si sodiu ; c) elementele metaloide (biometaloide) : fosfor, sulf si clor.
Biometalele si biometaloidele depasesc impreuna 3% din
constitutia unui animal, astfel incit macroelementele constituie peste
99% din ponderea unui organism.
Din cele prezentate rezulta ca oxigenul se gaseste in cea mai mare
cantitate, dupa care urmeaza carbonul, hidrogenul si azotul. Carbonul
reprezinta mai mult de jumatate din masa moleculelor organice. Cea
mai mare parte din oxigen si hidrogen se gaseste sub forma de apa.
Datorita faptului ca materia vie contine o cantitate mare de apa si a
faptului ca masa atomica a carbonului este mica, densitatea materiei
vii este cu putin mai mare decit densitatea apei.
Microelementele (oligoelementele)
Se gasesc in materia vie in concentratii cuprinse intre 10-3 —10-5 si
chiar mai mici de 10-5. In ciuda faptului ca microelementele se gasesc in
concentratii infinitezimale, totalizand in materia vie o cantitate mai mica
de 1%, oligoelementele prezinta o importanta biologica speciala datorita
functiilor lor vitale. Microelementele au rol catalitic, asigurind
desfasurarea unor importante procese biochimice. De aceea,
oligoelementele se mai numesc si .,elemente catalilice".
Studiile experimentale din ultimele decenii au aratat ca insuficienta
sau excesul diferitelor microelemente influenteaza cresterea plantelor si
productia la hectar, productivitatea animalelor si raspindirea unor
boli.
Identificarea oligoelementele in materia vie se datoreste
introducerii unor tehnici fizice moderne de identificare si dozare, ca
radioactivarea cu neutroni, spectrografia de masa etc.
Rolul exact al tuturor oligoelementelor nu este inca pe deplin
elucidat. Prezenta oligoelementelor se evidentiaza tot mai frecvent in
structuri si substante biologice active. In general, ele intra in
compozitia unor enzime, hormoni si vitamine. Aceasta distributie
preferentiala pune in evidenta rolul lor catalitic.
Microelementele intilnite in organismele vii sint, in ordinea
proportiei : Fe (in medie 0,005%), F, Si, Zn, Cu, Br, Sn, Mn, I, B, As,
Co, Se (in medie, 0,0000025%) s.a. Ele ajung in organismele animale
direct (din apa, saruri), prin intermediul hranei vegetale si indirect,
prin consumul de carne.
Fierul. Dintre oligoelemente, fierul este cunoscut de cea mai
multa vreme. Corpul unui om adult contine cam 3,5 grame de fier,
deci circa 0,005% din masa sa corporala. In proportie aproape egala se
gaseste si in plantele verzi. Fierul intra in compozitia hemoglobinei, a
pigmentilor respiratori ai vertebratelor si ai altor pigmenti inruditi -
citocromii - care au rol foarte important in respiratia celulelor. Absenta
fierului in organism ar duce la moarte imediata. Iata, deci, ca, desi
exista in cantitate foarte mica, acest element chimic este indispensabil
vietii.
Florul se gaseste in structura smaltului dentar.
Siliciul, element important in scoarta Pamintului, se gaseste in
multe plante si este un component structural al diatomeelor. Datorita
structurii cristaline si compozitiei chimice asemanatoare cu carbonul,
siliciul a stat la baza unor ipoteze prinvind alte forme de viata in
univers.
Zincul este un component structural si functional al unor sisteme
biochimice si se gaseste in insulina.
Cuprul se gaseste in muschi, schelet, ficat, singe. El are un rol
foarte important in procesul de hematopoeza.
Manganul, arsenul si fierul au rol in stabilizarea structurii in
dublu-helix a ADN-uIui.
Iodul, care se gaseste in hormonul tiroidian (tiroxina), prezinta
importanta in metabolismul tiroidian.
Borul este esential pentru cresterea plantelor si se gaseste in
cantitati foarte mici si in corpurile animalelor. Functia lui biologica
este inca putin cunoscuta.
Cobaltul este un constituent esential al vitaminei B12.
Seleniul, care se gaseste in cantitate mare in retina, are rolul de a
reactiona ca traductor al senzatiei vizuale.
In viitor, pe masura ce fenomenele biologice vor fi studiate din ce
in ce mai profund, este posibil sa se precizeze pentru cele mai multe
oligoelemente rolul lor activ in procesele fundamentale ale vietii.
Miscarea oligoelementelor in ecosistem se desfasoara dupa legi
destul de bine stabilite, in cadrul carora un rol esential revine modului
cum organismele vii pot sa le capteze, sa le foloseasca si sa le excrete.
In fond, in circuitul sol-planta-animal-om-sol partenerul oarecum
inert este solul, celelalte trei verigi ale lantului biologic fiind
reprezentate de organisme vii, dispunand de propriile lor conditionari si
care, desi neinsemnate in raport cu imensitatea materiei nevii, intervin
totusi decisiv in distribuirea, redistribuirea si miscarea oligoelementelor
in natura.
Captarea oligoelementelor de catre plante este conditionata,
fireste, de solubilitatea sarurilor respective din sol, fiind, in general,
un proces pasiv. Aceasta nu inseamna insa si faptul ca sarurile in cauza
sunt utilizabile de catre plante.
In aceasta situatie se ivesc cateva aspecte fundamentale, care
trebuie subliniate. In primul rand, incontestabil ca determinarea
concentratiei unor oligoelemente in anumite soluri constitute un
mijloc important de a aprecia gradul de acoperire a necesarului in
oligoelementele respective la plante, animale si la om. Acelasi lucru
este si mai valabil, in primul rand in acelea care constituie uzual hrana
omului si a animalelor. Pe aceste criterii s-au si intocmit in multe tari
harti cu distributia oligoelementelor, de care se tine cont pentru
elaborarea unor suplimente aplicate atat pe sol si/sau plante, sub forma
de fertilizanti, cat si in hrana animalelor, ca supliment (premixuri
minerale).
In general, daca se analizeaza elementele chimice care intra in
constitutia materiei vii, se constata ca rolul important in structurile
biologice il au elementele usoare din primele patru perioade ale
Sistemului periodic al ele-mentelor dupa D.I.Mendeleev. Acestea sunt
cele mai raspindite elemente din natura, cele mai reactive si cele care
dau cei mai multi compusi solubili in apa.
Cele patru elemente biogene principale se caracterizeaza prin mase
atomice mici, nuclee atomice stabile si putine straturi electronice.
Elementele chimice grele se gasesc in cantitati infime in
organismele vii (de ex. I) pentru ca ele sunt mai putin raspandite la
suprafata pamintului, sunt putin reactive si atat ele cit si compusii lor
se dizolva greu in apa sau sunt insolubile.
Organizarea materiei vii si posibilitati de investigare a acesteia
Organizarea materiei vii
Intreaga natura inconjuratoare de la galaxii si stele, pana la roci,
plante, animale si oameni, totul este alcatuit din molecule si atomi.
Aceste particule de substanta nu sunt insa amestecate haotic,
dezordonat, ci sunt aranjate in diferite feluri, sunt organizate, formand
diferite corpuri, dintre care unele sunt lipsite de viata, iar altele sunt
vii.
In tabelul urmator sint prezentate treptele de organizare ale
materiei, de la particulele fundamentale pana la organismele
pluricelulare superioare.
Fiecare treapta de organizare a materiei poate fi studiata in diferite
feluri.
Trepte de organizare a materiei
1.Particule fundamentale Electron, proton, neutron
2.Elemente chimice C,H,O,N,S,P,etc.
3.Structuri chimice -Molecule organice,
-ioni si molecule minerale
4.Structuri chimice complexe -Macromolecule
- sistem coloidal complex
5.Structuri leptonice Citoplasma
6.Structuri subcelulare -Organite celulare
- structuri functionale
7. Structuri celulare Celula cu structuri monocelulare sau
pluricelulare
8. Structuri supracelulare - celule diferentiate(tesuturi,
organe,sisteme, aparate)
-organisme
Conform tabelului de mai sus se poate observa ca structurarea materiei
vii intervine odata cu constituirea structurii leptonice (submicroscopice)
Posibilitatile de investigare microscopica
Organizarea materiel vii este vizibila, cu ochiul liber, pentru
treptele structural-functionale care au dimensiuni suficient de mari, de
la organismele pluricelulare (macroorganisme) pina la unele celule
cu diametrul mai mare de 0,1 mm.
Pentru observarea si cercetarea elementelor de structura cu
dimensiuni mai mici de 0,1 mm se folosesc lupa si microscopul
optic. Cu ajutorul lor pot fi vazute toate celulele, chiar cele mai mici
si toate detaliile de structura cu dimensiuni pina la 0,2 μm. Aceasta,
datorita puterii de rezolutie (rezolvare, se-parare) a microscopului
optic, care este limitata ca valoare.
Priu pulere de rezolutie (rezolvare, separare) a unui microscop
se intelege capacitatea microscopului de a pune in evidenta, distinct,
doua puncte cit mai apropiate. Puterea de rezolutie a unui microscop
se apreciaza in functie de distanta (y) dintre punctele vazute
distinct, distanta data de formula fizicianului german E. A b b e, si
anume :
y= 0,61 λ / (n • sin u)
In care λ este lungimea de unda a radiatiei folosite la microscop, ; n este
indicele de refractie al mediului aflat intre obiectivul microscopului (lentila
frontala si obiectul de cercetat; u este unghiul de apertura (unghiul dintre axa
optica a microscopului si raza extrema a fascicolului care patrunde in lentila
frontala)
Expresia numitorului din relatia de mai sus , adica marimea n•sin u se
numeste apertura numerica. Puterea de rezolutie a microscopului optic are o
valoare limitata de dimensiunea fizica a radiatiilor luminoase din spectrul
vizibil care variaza intre 760 si 400 nm.
Caracteristici fizice ale substantelor vii
Caracterizarea substantei vii prin insusirile sale fizice reprezinta un
mijloc important de cunoastere a acesteia. Privita la modul general,
substanta vie se prezinta sub cele trei stari fundamentale bine cunoscute:
solida, lichida si gazoasa. Totusi o delimitare riguroasa nu poate fi facuta,
avand in vedere caracteristicile de baza ale sistemelor vii.In cadrul structurii
acestora se intalnesc frecvent stari intermediare si mixte. De exemplu,
sangele este un tesut lichid care are in suspensie celule ( hematii, leucocite,
etc.) cu insusiri de substanta plastica si elastica, si in care sunt dizolvate
gaze. Starea lichida este practic o stare de tranzitie intre solid si gaz,
prezentand insusiri comune atat cu una dintre stari cat si cu cealalta. Apa.
Lichidul cel mai intalnit pe pamant este o structura extrem de importanta in
existenta si evolutia vietii. In cantitate mare, are structura tipica a unui
lichid, insa in straturi subtiri, in pelicule, mai ales in structurile biologice, are
comportament un comportament tipic solid, manifestand proprietatea de
elasticitate (asa numita “apa legata”). Structura cristalina, caracteristica unui
corp solid, nu se regaseste in substante aparent solide ( sticla, ceara, unele
proteine, etc.) dar se poate regasi in apa lichida intr-un proces dinamic de
distrugere si refacere.
Corpuri solide
Starea solida de agregare a corpurilor este caracterizate de existenta
unei forte foarte puternice de atractie intre molecule, fapt ce are ca rezultat
forma si volumul proprii ale corpurilor solide. Intr-un solid, distanta dintre
atomii alaturati este de acelasi ordin de marime cu diametrul norului
electronic din jurul fiecarui atom.
In caracterizarea solidelor naturale se porneste de la modelul fizic al
solidului ideal, adica , solidul la care distanta intre particule reprezinta o
constanta invarianta la actiunea oricarei forte exterioare. Acest model poarta
denumirea de solid rigid. In natura, acest model nu are un corespondent
identic, pentru ca , orice corp se deformeaza mai mult sau mai putin la
actiunea unei forte exterioare. Deformarile suferite de un corp pot fi de doua
feluri:
- deformari elastice – care sunt acele deformari care au ca efect
revinirea la forma initiala dupa incetarea actiunii fortei. Acest fapt
se datoreaza aparitiei unei forte elastice la deplasarea particulelor
sub actiunea fortei exterioare, care este de sens contrar cu aceasta
si proportionala cu deformarea suferita si care readuce particulele
la pozitia initiala de echilibru dupa incetarea actiunii fortei
exterioare. Trebuie remarcat faptul ca si acest fenomen este studiat
cu ajutorul unui model, pentru ca , in general, toate corpurile
supuse actiunii unei forte raman cu o deformare remanenta, extrem
de mica, neglijabila in cele mai multe din cazuri. De exemplu,
deformarea remanenta a arcului de la suspensia unui autoturism
devine sesizabila dupa foarte multe cicluri de tip deformare-
revenire.
- deformari plastice – care sunt specifice corpurilor solide fara
structura cristalina si au ca efect ramanea in starea deformata dupa
incetarea actiunii fortei exterioare. Acest lucru este datorat in
principal absentei structurii de solid rigid , adica a structurii
cristaline, care, datorita distantelor relativ mari dintre particulele
constituente, nu pot genera acele forte elastice in structura intima a
corpului respectiv.
Dupa modul de aplicare a fortelor si dupa orientarea lor, deformarile
existente in natura pot fi grupate in mai multe categorii si anume:
- de tractiune
- de compresiune
- de torsiune
- de forfecare
- de indoire
- de incovoiere
Oricare ar fi felul deformarii suferite de un corp oarecare, exista un
model determinat de legea lui Hooke, care arata ca deformarea Δx suferita
de un corp este proportionala cu forta F aplicata acestuia, dupa relatia:
Δx = k•F
k fiind un factor constant (intre anumite limite de variatie a fortei)
care depinde de natura materialului.
In ceea ce priveste deformatiile prin tractiune sau compresiune,
factorul de proportionalitate este reprezentat de coeficientul de elasticitate α,
si legea lui Hooke devine:
SF
ll
⋅=Δ α sau
SF
Ell
⋅=Δ 1
in care Δl/l reprezinta alungirea relativa, adica alungirea unitatii de
lungime a substantei, si F/S reprezinta forta exercitata pe unitatea de
suprafata. E=1/α (inversul coeficientului de elasticitate) reprezinta modului
lui Young.
Tractiunea si compresiunea sunt deformatii plastice care , in general
sunt insotite si de modificarea celorlalte dimensiuni ale corpului studiat, in
speta grosimea. Raportul dintre deformarea relativa in lungime si
deformarea relativa in grosime poarta denumirea de coeficientul lui Poisson
si are valori cuprinse in general intre 0.25 si 0.30.
Iata in tabelul urmator cateva valori caracteristice ale modulului lui
Young, limitei de elasticitate si coeficientului Poisson pentru cateva
materiale:
Materialul E (kg/mm2) Lim.
elast.(kg/mm2)
Coeficientul
Poisson
Otel turnat 12 000 - 0.27
Otel de resort 22 000 3.3 0.27
Cupru rosu 11 000 3.0 0.35
Plumb 1 700 0.25 0.4
Cauciuc 500 - 0.5
Lemn de stejar 1000 - -
Asa cum s-a subliniat mai sus, legea lui Hooke reprezinta o
aproximare convenabila a realitatii. Nici un corp, oricat de lestic ar fi . nu
revine exact la forma initiala dupa incetarea fortei aplicate, fapt ce conduce
la aparitia fenomenului de deformatie remanenta. La aceasta se daduga si
faptul ca daca intensitatea fortei extertioare aplicate depaseste o anumita
valoare, deformarea devine permanenta, iar daca poate creste valoarea
acestei forte se ajunge la fenomenul de rupere a corpului respectiv. Astfel,
osul rezista la rupere daca forta exterioara destul de intensa actioneaza
progresiv in timp dar se rupe daca actiunea acestei este exercitata brusc.
Elasticitatea corpurilor elastice variaza in timp daca solicitarea
continua. Fie E0 valoarea modulului de elasticitate la momentul initial al
solicitarii, t0 = 0; la momentul de timp t valoarea modulului devine:
Tt
eEE−
= 0
unde T este un factor denumit timp de relaxare. Intr-un sistem alcatuit
din elemente elastice inseriate, poate fi pusa in evidenta urmatoarea relatie
existenta intre modului lui Young E, vascozitate η si coeficientul lui Poisson
μ:
......[)1(2
1332211 +⋅+⋅+⋅
+= TETETE
μη ]
In rezolvarea problemelor de elasticitate se obisnuieste a se considera
ca sistemul este alcatuit din resorturi si din portiuni vascoase. Factorii
externi( ca de exemplu temperatura) modifica inegal parametrii E si T. Prin
variatii ale E,T si η se poate obtine orice comportament elastic al substantei.
La majoritatea tesuturilor vii, elasticitatea este insotita si de prezenta
unei anume rigiditati, la fel cum rigiditatea anumitor corpuri sau structuri de
corpuri vii este insotita de manifestari elastice. Dintre structurile cu
elasticitate mare in raport cu rigiditatea enumeram: muschi, vase de sange,
pulmoni, etc. Structuri in care predomina manifestarea rigiditatii sunt: oase,
dinti, tulpini ale arborilor, etc. aceasta varietate comportamentala a
structurilor este explicata prin functia lor mecanica si contextul de
manifestare a acesteia. O anumita elasticitate este necesara in general pentru
ca structura sa reziste actiunii fortelor mecanice externe.
Solidele organice opun rezistenta la actiunea de penetrare a altor
solide in masa lor, adica prezinta o anumita duritate. Aceasta este obtinuta
fie printr-o cantitate marita de substante minerale cristaline din structura
(cum este apatitul din structura osoasa sau silicatii din tulpina gramineelor) ,
fie din continutul proteic cu multe punti de sulf intre lanturile peptidice
(cheratina din unghii si copite). Organele dure au rol de aparare, de
sustinere, de atac,etc.
Cu toate ca la solide fortele de atractie dintre particulele constituente
ale corpului sunt foarte intense, , acestea nu se afla in stare de repaus, ci se
afla intr-o permanenta miscare de oscilatie in jurul punctului de echilibru. In
afara de aceasta miscare, particulele prezinta si o miscare de rotatie in jurul
axei proprii. La aceste miscari importante pentru structura corporilor se
adauga si miscarile de natura complexa a particulelor elementare, precum si
cele ale grupurilor de atomi in cdrul structurilor moleculare.
Particulele unui corp solid au in cele mai multe cazuri o asezare
ordonata, cu o simetrie pronuntata.
