Биофизика как наука. Предмет, задачи и объект исследования биофизики. Философские проблемы биофизики.
Биофизика как наука. Предмет, задачи и объект исследования биофизики. Философские проблемы биофизики.
Биофизика — наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов. Теоретическое построение и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Эти понятия отражают природу основных взаимодействий и законов движения материи, что, как известно, составляет предмет физики — фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики — проникновение в самые глубокие, элементарные уровни, составляющие молекулярную основу структурной организации живого.
Общая Б.: Б. сложных систем ( –> кинетика и термодинамика живых систем), молекулярная Б. (–> строение и функционирование биол.макромолекул (белковые молекулы)).
Частная Б.: отдельные процессы, клеточные процессы, б. мышечных тканей, радиационная б.
Предмет Б. – Живые системы.
Объект Б. – Живые системы в сравнении с неживыми объектами природы.
Задача Б. – сведение биологических постулатов к физическим.
Отличия живых и неживых систем:
1. Высокая упорядоченность живых систем: дискретность и целостность (целое – нечто большее, чем ∑ составных частей); многоуровневая организация (на каждом уровне приобретаются новые свойства).
2. Способность к самовоспроизведению.
3. Способность к развитию в направлении усложнения организации и увеличения упорядоченности.
4. Феномен информации (в ЖС) – обменная величина, получение которой приводит к увеличению порядка у получателя; = обратная величина энтропии, то есть является отрицательной энтропией: I= -S. Условия:
1) источником информации м.б. только упорядоченная система
2) информация существует только при наличии получателя; а получатель – только упорядоченная структура
3) получение информации приводит к увеличению упорядоченности у получателя
5. Феномен целесообразности: любые структуры/процессы имеют свое назначение => функциональная упорядоченность.
Философская проблема: О возможности сведения всех законов к законам физики.
1.Редукционизм. Все законы ЖС можно свести к законам физики.
2. Антиредукционизм, Витализм. Законы ЖС принципиально не сводятся к физическим.
3. Дополнительность. В основе лежат физические законы, но существуют процессы и явления пока не объяснимые с точки зрения физики и химии.
История становления биофизики как науки. Методы изучения в биофизике.
Термодинамические (ТД) системы. Параметры состояния.
ТД система – совокупность тел в определенном пространстве, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами. Существует 3 типа ТД систем: изолированные – не обмениваются энергией и вещ-вом с окружающей средой; закрытые – обмен только энергией; открытые – обмен и вещ-вом, и энергией.
Всякая система характеризуется ТД параметрами. Их совокупность определяет ТД состояние системы, поэтому изменение хотя бы одного из параметров приводит к изменению ТД состояния системы в целом.
Параметры состояния - макроскопические (физические) переменные величины, с помощью которых можно описать состояние конкретной ТД системы в данное время. Подразделяются на:
Интенсивные - не зависят от общего количества вещ-ва в сист. Носят силовой характер; могут приобретать разные значения в различных точках системы.
Примеры: Р – давление, Па (паскаль), Т – температура, К (кельвин), ρ – плотность , кг/м3, n – молярная концентрация, моль)
Экстенсивные - зависят от количества вещ-ва в сист. Характеризует сист. как целое. Основное свойство - аддитивность – сумма отдельных частей сист по данному параметру = значение параметра для целой системы.
Примеры: V – объем, м3 = 103 л, m – масса, кг, C – число молей вещества в системе.
ТД состояние системы – совокупность физико-химических параметров, которыми она обладает в данный момент времени
Любой вид затрачиваемой на совершение работы энергии выражается через произведение интенсивного (силового) параметра на экстенсивный.
δA= pdV - работа упругого расширения – это произведение давления на изменение объема.
Термодинамические функции состояния (термодинамический потенциал). Свободная энергия Гиббса. Примеры использования термодинамических представлений.
Цель введения термодинамических потенциалов — использование такого набора естественных независимых переменных, описывающих состояние термодинамической системы, который наиболее удобен в конкретной ситуации, с сохранением тех преимуществ, которые даёт применение характеристических функций с размерностью энергии. В частности, убыль термодинамических потенциалов в равновесных процессах, протекающих при постоянстве значений соответствующих естественных переменных, равна полезной внешней работе.
Термодинамические потенциалы были введены У. Гиббсом.
Выделяют следующие термодинамические потенциалы:
внутренняя энергия
энтальпия
свободная энергия Гельмгольца
потенциал Гиббса
большой термодинамический потенциал
Свободная энергия (Гиббса G) биологической системы определяется наличием и величиной градиента:
G = RT ln Ф1/Ф2
• R – универсальная газовая постоянная,
• Т – термодинамическая температура по Кельвину
• Ф1 и Ф2 – значения параметра, определяющего градиенты.
Примеры: Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии: Энергия не создается и не исчезает. Для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. Экология изучает связь между солнечным светом и экологическими системами, внутри которых происходят превращения энергии света. Энергия не создается заново и никуда не исчезает. Свет как одна из форм энергии может быть превращен в работу, теплоту или потенциальную энергию химических веществ пищи. Из этого следует, что если какая-либо система (как неживая, так и живая) получает или затрачивает энергию, то такое же количество энергии должно быть изъято из окружающей ее среды. Энергия может лишь перераспределяться либо переходить в другую форму в зависимости от ситуации, но при этом она не может возникнуть ниоткуда или бесследно исчезнуть.
Лучистая энергия Солнца, попав на Землю, стремится превратиться в рассеянную тепловую. Доля световой энергии, преобразованная зелеными растениями в потенциальную энергию их биомассы, намного меньше поступившей (qконц < Qсол). Незначительная часть энергии отражается, основная же ее часть превращается в теплоту, покидающую затем и растения, и экосистему и биосферу.
Второй закон термодинамикигласит: процессы, связанные с превращением энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует).Этот закон называютзаконом энтропии. Теплота не передается самопроизвольно от более холодного тела к более горячему (хотя первый закон такой переход не запрещает). В природе масса примеров однонаправленных процессов. Например, газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются, кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска. Мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования, является энтропия (от греч. внутрь и превращение). Т.е. энтропия является мерой беспорядка, мерой количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. В замкнутых системах энтропия (S) не может убывать; ее изменение (ΔS) равно нулю при обратимых процессах или больше нуля при необратимых процессах. Система и ее окружение, предоставленные сами себе, стремятся к состоянию максимальной энтропии (неупорядоченности). Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.
Второй закон термодинамики можно сформулировать также следующим образом: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде не доступных для использования тепловых потерь энергии, эффективность превращения энергии света в потенциальную энергию химических соединений всегда меньше 100%. Существует еще одна формулировка закона: любой вид энергии в конечном счете переходит форму, наименее пригодную для использования и наиболее легко рассеивающуюся.
Отношения между растениями продуцентами и животными консументами управляются потоком аккумулированной растениями энергии, которая используется затем животными. Весь живой мир получает необходимую энергию из органических веществ, созданных растениями и, в меньшей мере, хемосинтезирующими организмами. Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы. Животные, поглощая энергию пищи, также большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую в химическую потенциальную энергию синтезируемой ими протоплазмы.
Энтальпия. Закон Гесса. Примеры использования в биологических системах.
Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Является функцией состояния. Обозначается как ΔH, измеряется в Дж/кг. Внесистемной единицей измерения является ккал/кг.
Закон Гесса: Тепловой эффект многоступенчатого процесса не зависит от его промежуточных этапов, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы. Следовательно, тепловой эффект химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и не зависит от пути ее протекания.
Калория – внесистемная единица количества теплоты. Средняя величина физиологически доступной энергии в 1 грамме (в ккал): белков – 4,1; углеводов – 4,1; жиров – 9,3.
Количество энергии, поглощенной живыми организмами вместе с питательными веществами, равно выделенной за это же время теплоте. Следовательно, сами по себе организмы не являются источником какой-либо новой формы энергии.
Виды теплоты, теплопродукция. Удельная теплопродукция. Примеры.
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, (т. е количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.)
Теплопродукция, теплообразование, выработка теплоты в организме в результате энергетических превращений в живых клетках; связана с непрерывно совершающимся биохимическим синтезом белков и др. органических соединений, с осмотической работой (перенос ионов против градиента концентраций), с механической работой мышц (сердечная мышца, гладкие мышцы различных органов, скелетная мускулатура). Даже при полном мышечном покое такая работа в сумме достаточно велика, и человек среднего веса и возраста при оптимальной температуре среды освобождает около 1 ккал (4,19 кДж) на кг массы тела в 1 ч.
У гомойотермных животных в покое:
50% всей теплоты образуется в органах брюшной полости,
20% - в скелетных мышцах,
10% - при работе органов дыхания и кровообращения.
(В покое около 50% всей теплоты образуется в органах брюшной полости (главным образом в печени), по 20% в скелетных мышцах и центральной нервной системе и около 10% при работе органов дыхания и кровообращения. Т. называется также химической терморегуляцией.)
Все реальные процессы, сопровождаются рассеянием некоторой части энергии в теплоту. Теплота - деградированная форма энергии. Теплота – это особый вид энергии (низкого качества) не может переходить без потери в другие виды энергии. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул, остальные виды энергии базируются на упорядоченном движении молекул.
Существует классификация видов энергии по способности вида энергии превращаться в другие виды энергии.
A. – max эффективная, превращается во все другие виды энергии. Гравитационная, ядерная, световая, электрическая,
B. – химическая,
C. – тепловая.
Выделяют первичную и вторичную теплоту, а также удельную теплопродукцию.
Первичная теплота - это результат неизбежного рассеивания энергии в ходе реакций диссимиляции из-за необратимо протекающих биохимических реакций. Первичная теплота выделяется сразу же после поглощения организмом кислорода и продуктов питания независимо от того, совершает он работу или нет. Она идет на нагревание организма и рассеивается в окружающем пространстве.
Выделение вторичной теплоты наблюдается лишь при реализации энергии макроэргических соединений (АТФ, ГТФ). Идет на совершение полезной работы.
Удельная теплопродукция – это количество теплоты, выделяемое единицей массы животного в единицу времени:
q = QT / μT, ,где :
QT - количество теплоты, выделенное в единицу времени,
μT - единица массы,
q - удельная теплопродукция.
Теплопродукция пропорциональна массе животного :
q = a + b/M 2/3,где :
а – количество клеток,
b – площадь поверхности,
М – масса тела животного.
(Удельная теплопродукция уменьшается с увеличением массы животного).
Фибриллярные белки.
Полипептидные цепи расположены параллельно друг другу и образуют длинные волокна (фибриллы) или слой.
Механическое свойство: Способны к сжатию и распрямлению. (Выполняют структурные функции)
Нерастворимы в воде.
Примерами являются : α-структурные фибриллярные белки (кератины, тропомиозин, белки промежуточных филаментов)
β-структурные фибриллярные белки (фиброин шёлка), коллаген — белок сухожилий и хрящей , и эластин.
Мембранные белки.
По характеру взаимодействия с мембраной белки делятся на:
-монотопические белки взаимодействуют с поверхностью мембраны (моно – одним из слоев липидов);
-битопические пронизывают мембрану насквозь (би – двумя слоями липидов);
-политопические пронизывают мембрану несколько раз (поли- многократное взаимодействие с липидами).
(первые относятся к периферическим белкам, а вторые и третьи к интегральным)
Примеры: белки мембраны клетки и органелл (рецептор адреналина; сукцинатдегидрогеназа; цитохром b5).
Глобулярные белки.
Полипептидные цепи плотно скрученные в шаровидные или овальные структуры — глобулы.
Они могут быть растворимыми в воде, растворах щелочей, солей и кислот.
Функции: Выполняют преимущественно динамическую функцию.
Особенности укладок белковых глобул:
Каждый слой сложен либо только из α-спиралей, либо только из β-тяжей, но не из α -спиралей и β-тяжей одновременно!
Детальная последовательность действий не играет решающей роли при сворачивании белка.
Примеры: Овальбумин. Из этого белка на 60 процентов состоит яичный белок.
Лактальбумин - основная составляющая молока.
Гемоглобин - содержится в эритроцитах. Это белок, который способен связываться с кислородом и транспортировать его.
Миоглобин – это белок, похожий на гемоглобин. Он выполняет ту же функцию — перенос кислорода. Такой белок содержится в мышцах (поперечнополосатых и сердечной).
Физическая теория фазовых переходов. Понятие фазового перехода. Типы фазовых переходов. Образование и разрушение пространственной структуры белка с позиции теории фазовых переходов.
Фаза вещества – это состояние вещества, которому в данных условиях соответствует минимум свободной энергии. При изменении условий могут происходить переходы между фазами, изменение фазового состояния вещества. По характеру изменения свободной энергии выделяют три типа фазовых переходов.
ФП 1 рода. В процессе ФП наблюдается только начальное и конечное состояния, невозможно уловить промежуточные состояния. ФП происходит в узком диапазоне условий, зависимость свободной энергии от условий носит S-образный характер. Изменение фазы происходит по принципу "Всё или Ничего". Стабильные состояния между ФП 1 рода разделены достаточно высоким энергетическим барьером, поэтому они происходят достаточно длительное время.
ФП 2 рода. Для этого типа ФП характерно постепенное изменение фазы через многочисленные промежуточные состояния, принцип "Всё или Ничего" отсутствует. Скачок энергии в малом диапазоне условий отсутствует, поэтому ФП 2 рода происходят быстро и в более широком диапазоне условий. При достижении температуры ФП происходит скачок теплоёмкости системы, в результате дальнейший рост температуры сопровождается слабым ростом энергии.
Нефазовые переходы. Для них характерно значительное изменение упорядоченности системы без изменения её агрегатного состояния и размерности.
В процессах денатурации и ренатурации белка разные стадии представляют собой фазовые переходы разного рода. Для малых белков процесс можно считать одностадийным. Этот процесс происходит как ФП 1 рода. Для крупных белков этот процесс многостадийный, и разные его стадии происходят как ФП разного рода. Ранние этапы самосборки различаются в зависимости от типа вторичной структуры. Образование α-спирали происходит как нефазовый переход, так как оба фазовых состояния одномерны и не происходит изменения границы фаз. Образование β-листов происходит как ФП 1 рода, площадь контакта цепи с листом зависит от размера контактирующих элементов. Процесс образования β-структуры происходит значительно дольше.
Процесс образования и разрушения нативной структуры происходит как ФП 1 рода. В процессе этого перехода происходит изменение энтропии системы, компенсированное изменением свободной энергии. Это обеспечивается наличием большого числа слабых связей с низкой энергией.
К ФП 2 рода могут относиться процессы образования и разрушения доменных структур, которые часто сопровождаются ростом теплоёмкости системы.
Лазер — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
В зависимости от вида активной среды и способа ее возбуждения лазеры несколько условно можно разделить на несколько типов:
· твердотельные,рабочим веществом этих лазеров служат кристаллы или стекла, активированные посторонними ионами.
· жидкостные,их активной средой служат растворы органических соединений, комплексных соединений редкоземельных элементов (Nd, Eu), неорганические жидкости.
· газовые, источником вынужденного излучения в газах служат возбужденные нейтральные атомы, молекулы или слабоионизованная тлеющим электрическим разрядом плазма.
· полупроводниковые, активной средой лазеров служат полупроводниковые кристаллы (GaAs, InSb, PlS).
Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:
E1 – E0 = h, где h— Постоянная Планка, — частота излученного фотона.
В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном. Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения.
Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.
Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.
Система накачкисоздает в активной среде инверсную заселенность. Почти сразу атомы среды начинают спонтанно излучать фотоны в случайных направлениях. Фотоны, испущенные под углом к оси резонатора, порождают короткие каскады вынужденного излучения, быстро покидающего среду. Фотоны же, испущенные вдоль оси резонатора, отражаются от зеркал и многократно проходят сквозь активную среду, вызывая в ней все новые акты вынужденного излучения. Генерация начинается в тот момент, когда увеличение энергии волны за счет ее усиления при каждом проходе резонатора начнет превосходить потери, которые складываются из внутренних потерь (поглощение и рассеяние света в активной среде, зеркалах резонатора и др. элементах) и той энергии, которая поступает наружу сквозь выходное зеркало.
Лазерная диагностика
Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.
Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).
Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.
Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.
При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).
Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.
Не знаю надо это или нет, было ли в лекциях. В презентации этого просто нет.
Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.
Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.
Лазерный анализ клеток (крови). Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.
Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.
В биологии: Низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует метаболическую активность клетки. Стимуляция биосинтетических процессов может быть одним из важных моментов, определяющих действие низкоинтенсивного излучения лазера на важнейшие функции клеток и тканей, процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления).
ГНЛ (гелий-неоновый лазер) приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, что свидетельствует об интенсификации процессов транскрипции (делений). В связи с этим возникает вопрос о запуске мутаций. Однако доказано, что частота хромосомных мутаций в клетках человека вызванных химическими мутагентами, при воздействии ГНЛ уменьшается. ГНЛ оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках подвергнутых потоку нейтронов или гамма - радиации. Это позволяет использовать лазерное излучение в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине, как профилактический, так и лечебный фактор в комбинации с медикаментами.
Низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) стимулирует выработку АТР в митохондриях, ускоряет скорость его образования, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. В то же время количество потребляемого кислорода уменьшается. Происходят перестройки в мембранах митохондрий. НИЛИ оказывает антиоксидантный эффект. Известно, что интенсивность свободнорадикального окисления в липидной фазе мембран мембран клеток определяется соотношением насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкостью липидной компоненты мембран, которые меняются при лазерной терапии, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембраносвязанных ферментов.
Обобщая данные современных исследований можно сказать, что НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижение потребления кислорода тканями с повышением (фосфорилирующей) активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза (образования гликогена) в тканях и другие. Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций возникающих в результате реализации первичных эффектов в тканях, органах и целостном живом организме.
В хирургии используются высокоинтенсивные лазеры. Лазерный луч используется в качестве универсального светового скальпеля. При воздействии на биоткань лазерного излучения большой интенсивности происходит ее нагрев, коагуляция, испарение или же абляция. Эти явления используются в лазерной хирургии для рассечения тканей, удаления ее патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты.
Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:
• бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;
• селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;
• бескровность (за счет коагуляции белков);
• микрохирургию тканей и клеток, позволяющую, благодаря высокой степени фокусировки луча;
• незначительное механическое травмирование прилегающих областей;
• точно определенная глубина проникновения в ткань. Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.
Применение:
Лазерная сварка тканей. Для сварки тканей используется различные лазеры. Для большинства тканей при сварке целесообразно, чтобы нагревание, ведущее к оплавлению и последующей сварке, происходило по возможности главным образом в наружном, самом прочном слое будущего анастомоза (соустье между сосудами). Защиту от обширного по объему и чрезмерного по температуре нагрева свариваемых структур осуществляют либо с помощью специально подбираемого режима работы или путем нанесения на поверхность будущего шва специального припоя, интенсивно поглощающегося свет в области излучения данного лазера.
Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Необходимыми условиями для этого являются: поглощение объектом излучения данной длины волны и достаточно короткая продолжительность импульсов. Используемая при этом малая энергия снижает опасность повреждения соседних тканей. В некоторых случаях используется малая глубина проникновения луча в ткань, что позволяет осуществить послойное испарение (абляцию). Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, удаления татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т. п.
Лазерная эндоскопия. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов. Гибкие световоды позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск возникновения и передачи инфекций, опасность послеоперационных осложнений (спайки, перерождение нормальной ткани в рубцово-измененную).
Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.
Лазеры в офтальмологии. Лазеры широко применяются при хирургических операциях в офтальмологии. Их применение позволяет выполнять бескровные, не требующие нарушения целостности глазного яблока, оперативные вмешательства, связанные с коагуляцией и фотодеструкцией тканей глаза. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки и заваривание ее сосудов (офталъмокоагуляция); лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий для оттока внутриглазной жидкости. Применяется послойная абляция тканей роговицы для коррекции зрения. Некоторые лазеры под компьютерным контролем способны производить коррекцию нарушений рефракции (от –20 до +20 дптр). Подбирается оптимальный режим работы лазерной установки, в результате чего температура роговой оболочки повышается не более чем на 5-6°С. Благодаря этому роговица в послеоперационном периоде остается прозрачной. Время лазерного вмешательства не превышает одной минуты.
Лазеротерапия – лечебное использование оптического излучения, источником которого является лазер. В результате воздействия лазерного излечения, вследствие поглощения световой энергии возникает ряд фотобиологических процессов. Кратковременное увеличение концентрации свободного кальция в клетках запускает последующий каскад ответных реакций организма на воздействие:
· активируются пролиферативные и метаболические процессы;
· нормализуется функция иммунной системы;
· улучшается состояние сосудов, в частности, происходит расширение сосудистых стенок;
· возникает обезболивающий эффект;
· усиливается микроциркуляция;
· нормализуется кислородно-транспортная функция крови;
· повышается антиоксидантная и протеолитическая активность крови;
· стимулируется гемопоэз;
· улучшаются обменные процессы;
· активируется регенерация тканей;
· наблюдается дезинтоксикационное, противовоспалительное и антиаллергическое действие.
Биологическое воздействие
• Рентгеновское излучение является ионизирующим.
• Воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей.
• При работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты.
• Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения.
• Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.
РИ было открыто Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Изучая экспериментально катодные лучи (1895 год) он заметил, что находившийся вблизи катодно-лучевой трубки картон, покрытый платиносинеродистым барием, начинает светиться в тёмной комнате. В течение нескольких следующих недель он изучил все основные свойства вновь открытого излучения, названного им X-лучами ("икс-лучами").
22 декабря 1895 года Рентген сделал первое публичное сообщение о своём открытии в Физическом институте Вюрцбургского университета, чуть позже в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества была опубликована статья Рентгена под названием «О новом типе лучей».
Однако ещё за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.
Катодно-лучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.
По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи независимо — при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодно-лучевой трубки.
Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: «Я уже всё написал, не тратьте зря время». Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки Альберта фон Кёлликера, которую он опубликовал в своей статье.
За открытие рентгеновских лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — Абрама Фёдоровича Иоффе.