BIOFIZYKA

Dr hab.n.med. Andrzej Mysiak, profesor

nadzw.

Państwowa Wyższa szkoła Medyczna

w Opolu

Biofizyka zajmuje się badaniem

funkcji organizmów żywych w

oparciu o prawa fizyki

Homeostaza

Stałość środowiska wewnętrznego jest

jednym z najważniejszych celów dla

mechanizmów regulacji fizjologicznych

Homeostaza

Regulacje fizjologiczne organizmów żywych

musza zapewniać odpowiedni dopływ substancji

i energii z zewnątrz, aby wyrównać ich zużycie

Homeostaza

Regulowanie zachodzących przepływów

substancji i energii w celu utrzymania w

środowisku wewnętrznym stałych warunków dla

wielu zmiennych (Cannon)

Homeostaza



Pętle sprzężeń zwrotnych

zapewniają utrzymywanie wielu

parametrów w ustalonych małych

przedziałach.

Homeostaza



1. Przebieg dowolnego procesu fizycznego (dowolnej wielkości fizycznej),
stanowiącego nośnik informacji – sygnał



2. Układ w którym można wyróżnić sygnał wejściowy (x) i wyjściowy (y)
element



3. System (układ) jest zbiorem elementów komunikujacych się między
sobą (oddziaływujących na siebie) przez wymianę energii lub informacji,
który łącznie wykonuje pewną czynność



4. Systemy działając zmieniają się pod względem strukturalnym
(materialnym) – znajdują się w różnych stanach



5. Zachowanie systemu można uważać za łańcuch przekształceń jego
stanów.



6. Informacja jest to pewne odwzorowanie (zapis) stanu istniejącego
układu w pewnym obiekcie lub procesie fizycznym/chemicznym



7. Skończony ( przeliczalny) zbiór wyróżnionych (dyskretnych)
odwzorowujących dowolne stany innego układu jest nazywany zbiorem
znaków kodowych (alfabetem kodu)

Homeostaza



8. Informacja a więc pewien zapis stanu elementów lub systemu ,
która jest przekazywana na zewnątrz systemu to wiadomość,



9. Układ w którym zachodzi przekazywanie wiadomości za pomocą
sygnału to kanał



10. Żródłem wiadomości jest obiekt wraz z elementem badającym



11. Im bardziej prawdopodobna jest wiadomość tym mniejsza mniejsza
ilość zawartej informacji



12. Źródło wysyłające wiadomości trudne do przewidzenia cechuje się
dużym stopniem nieokreśloności



13. Nieokreśloność stanu źródła nazywana jest entropia informacyjną.
Ilość informacji zmniejszająca ja to negentropia

Układ regulacji ze

sprzężeniem zwrotnym



Sprzężenie zwrotne dodatnie



Sprzężenie zwrotne ujemne

Typy regulacji pojedynczej

pętli



czynna



bierna – regulacja wewnętrzna
( np. zużycie substratu zwiększa
jego podaż )

Sploty pętli regulacyjnych



krótkie



długie

Struktura hierarchiczna



Realizowanie funkcji logicznych

Oprócz struktury materialnej (analog hardware’u)
organizm zawiera
wpisana ( zapamiętaną informację) o innych
obiektach i możliwych działaniach ( analog
software’u)



W górnych partiach hierachicznych struktury regulującej
działanie organizmu informacje są przenoszone na
dalsze odległości po aksonach neuronów w postaci
zakodowanej impulsami elektrycznymi



Im niżej w strukturze tym bardziej wykorzystane są
nośniki chemiczne



ostatnie piętrem hierarchii jest układ immunologiczny



Cały układ regulacji, łącznie z CUN i układem
endokrynnym może zmieniać przepływy i
sygnały nastawcze (poziomy homeostazy)
jedynie w granicach dopuszczalnych przez
logikę struktury wyznaczonej genetycznie.

ENTROPIA



II zasada termodynamiki

Układy posiadające dużą energię swobodną

zdolną do przekształcania się w pracę
mechaniczną , rozpraszają ja i dlatego są
układami dyspatywnymi (rozpraszającymi)

ENTROPIA



Układ dyspatywny w miarę upływu
czasu przekształca się w mniej
uporządkowany o mniejszej
swobodnej energii



Prawo rozpraszania energii
wyjaśnia niemożliwość
skonstruowania maszyny typu
perpetuum mobile

ENTROPIA



Nieuporządkowanie układu określa
się ilościowo wartością zwaną
entropią

ENTROPIA



Rozpraszanie (dysypacja) energii i
nieuchronny wzrost entropii w
przyrodzie określa kierunek upływu
czasu, jego strzałkę skierowaną
tylko w jedna stronę: od przeszłości
do ku przyszłości

ENTROPIA



Ewolucję biologiczną
charakteryzuje zwiększająca się
organizacja materii i zmniejszanie
entropii

ENTROPIA



W pozornym dynamicznym
nieporządku kryje się w istocie
głębszy porządek i tajemnica życia

ENTROPIA



Nieuporządkowane zachowanie jest
procesem twórczym, ponieważ w
przeciwieństwie do newtonowskich
zjawisk liniowych, tylko ono jest
zdolne do tworzenia nowości,
układów całkowicie nowych



Są to tzw. właściwości emergencyjne

ENTROPIA



Żywe organizmy są strukturami
dyssypatywnymi, dalekimi od
równowagi termodynamicznej.



Charakteryzują się wysokim
stopniem złożoności i malejącą w
miarę rozwoju entropią



Są więc nietrwałe

ENTROPIA



Struktury dyssypatywne to
spontanicznie się
samoorganizujące złozone
kompleksy powstające tylko w
stanach nierównowagi
termodynamicznej podczas
rozpraszania się (dyssypacji)
energii

ENTROPIA



Spontaniczna samoorganizacja
materii dokonuje się tylko w
sytuacjach nierównowagi,
niestacjonarności
termodynamicznej określanej jako
stany nieustalone

ENTROPIA



Stany nieustalone charakteryzują
się nieliniowymi fluktuacjami i
wahaniami poziomów
energetycznych, które nie rozbijają
jednak samoorganizującego się
złożonego układu, gdyż
przeciwdziałają temu wewnętrzne
regulacyjne sprzężenia zwrotne

ENTROPIA



Żywy organizm nie mógłby nigdy
powstać ani adaptować się do
środowiska, gdyby nie wykazywał
pewnego stopnia fluktuacji i
nieregularności – pozornego
nieporządku

ENTROPIA



Nieregularności i pozorna
przypadkowość zachodzą według
pewnych reguł.



Matematyczne modele takiego
zachowania stowrzono dzieki powstamiu
nowego działu matematyki – chaosu
deterministycznego

ENTROPIA

ENTROPIA



Bez powolnego przyrostu entropii
w otaczającym środowisku nie
mogłyby się wyłaniać wysoko
zorganizowane struktury
dysypatywne, które zgodnie z II
zasadą termodynamiki, maja swój
początek, a tym samy przeszłość

ENTROPIA



Jak długo regulacje fizjologiczne
przeciwstawiają się skutecznie
niwelującemu działaniu II prawa
termodynamiki i chronią złożoność,
tak długo organizm żyje

ENTROPIA



Równowaga termodynamiczna
oznacza maksymalna entropię,
rozpad zorganizowanej całości na
elementy proste , nie powiązane
czynnościowo ze sobą – życie
organizmu dobiega końca

ENTROPIA



Stopniowo narastające wyciszenie
nieregularności, aż do ich
całkowitego „uspokojenia” jest
spokojem śmierci

ENTROPIA



W tym momencie organizm ginie
jako całość biologiczna chociaż
jeszcze przez pewien czas
utrzymują się czynności
poszczególnych narządów czy
komórek

ENTROPIA



Śmierć można zdefiniować jako
nieuniknione zwycięstwo II zasady
termodynamiki nad życiem, czyli
nad mechanizmami fizjologicznymi
utrzymującymi i regulującymi
złożoność organizmu, jego
homeostazę i homeodynamikę