Физик в гостях у биолога

К.Ю. Богданов, докт. биол. наук.,

канд. физмат. наук.

Смотрим мультфильм сериала ПИНКОД

Как я нашёл физику внутри себя? Зачем нам мыло в лёгких?

Почему кости прочнее гранита? Почему от холода на коже мурашки?

Можно ли заморозить человека? Зачем нужен тёмный цвет кожи? Почему у медведя нос чёрный?

Как я нашёл ФИЗИКУ внутри себя?

О Д Т Ч П … Найти закономерность и продолжить

Как я нашёл БИОЛОГИЮ внутри себя?

Как уживались ФИЗИКА и БИОЛОГИЯ внутри меня?

Тело человека – это лампочка мощностью 60 Вт

=

Зачем у нас в лѐгких мыло?

трахея

первичные бронхи

верхняя доля лѐгкого

нижняя доля

средняя доля

втор

ич

ны

е б

ро

нхи

альвеолы

• около 20 разветвлений бронхов

• диаметр альвеол 0,3 мм

• 300 млн альвеол

Зачем мыло в лёгких?

Как устроены лѐгкие

Почему кости не пропускают рентгеновские лучи?

Что надо сделать, чтобы лѐгочное дерево стало видимым?

Зачем мыло в лёгких?

Как устроены лѐгкие

Почему справа часть «лѐгочного дерева» не видна?

Зачем мыло в лёгких?

Как устроены лѐгкие

Альвеола – надувной шарик, покрытый изнутри слоем жидкости

Чтобы легче раздувать альвеолы жидкость должна иметь

МАЛОЕ поверхностное натяжение

Специальные клетки в альвеолах вырабатывают “мыльные”

(амфифильные) молекулы (сурфоктанты), но иногда их синтез

нарушается и тогда...

Зачем мыло в лёгких? Как устроены лѐгкие

Оcтрую дыхательную недостаточность, включая АТИПИЧНУЮ ПНЕВМОНИЮ, можно лечить, вдыхая искусственный сурфактант в виде аэрозоля

… и если синтез сурфоктанта

нарушен у новорождѐнного

Зачем мыло в лёгких? Как лечиться «мылом»

Мыльные молекулы делают дыхание легче!

Структура лѐгких, где О2 переходит из воздуха в кровь

альвеолы

бронхи

Мыльные молекулы делают дыхание легче

Материал Прочность

(растяжение), МПа

Плотность, г/см3

Бетон 3 2,3

Гранит 15 2,8

Дерево 90 0,7

Кость 130 1,9

Сталь 200 - 800 7,8

Титан 400 - 900 4,5

Углеродные

нанотрубки

62000 1,3

Почему кость прочнее гранита? Таблица значений прочности

механическое

напряжение S

F

0

00 ,

L

LLLL

S F

F

относительное

удлинение

МПа,

титан

сталь

бронза О

П

Почему кость прочнее гранита? Как измеряют прочность?

F

Почему кость прочнее гранита? От чего зависит прочность?

Легко распространяются микротрещины

Небольшая прочность материала

Как «запретить» микротрещинам распространяться ?

Почему кость прочнее гранита? Кость – композитный материал

Эластичная коллагеновая сетка, препятствующая распространению трещин - 40%

Твѐрдый минерал, гидроксиапатит, Ca10(PO4)6(OH)2 - 60%

Коллагеновая сетка препятствует распространению трещин и

кость становится прочнее гранита !

КОСТЬ ПРОЧНЕЕ ГРАНИТА !!!

Почему кости полые внутри?

локтевая кость

пл

ечев

ая

ко

сть

мышца

Почему кости полые внутри?

кости ИЗГИБАЮТСЯ, РАСТЯГИВАЮТСЯ или СЖИМАЮТСЯ

под нагрузкой

Почему кости полые внутри?

Как легче сломать стержень?

Легче сломать стержень и

кость, сгибая их

Природа –

«Надо делать кости, приспособленные к ИЗГИБУ под данной нагрузкой, а

сжатие и растяжение под этой нагрузкой они ВЫДЕРЖАТ»

Какими должны быть стержни, приспособленные к изгибу?

Почему кости полые внутри?

Материал вдоль оси бруска не деформируется. Значит, эту

часть можно удалить без ущерба для его прочности.

ВЫВОД: кости должны быть полыми

резиновый брусок, согнутый в дугу

Почему кости полые внутри?

У фрегата, имеющего размах

крыльев около 2 метров, скелет

имеет массу всего 110 г.

Бескрылые животные экономят 25%

массы скелета

Почему кости полые внутри? У динозавров тоже

Почему на коже мурашки?

в в в

в в в

кожа

кожа

Мурашки – свитер, который всегда с тобой

Как заморозить человека? Зачем?

При охлаждение на каждые 10 оС скорость

химических реакций уменьшается в ДВА раза

Безнадѐжно больные люди хотят «заморозиться»

лет на сто, надеясь на прогресс науки

Что мешает нам заморозиться?

Как заморозить человека? Лѐд – преграда для бессмертия

Льдинки, образуясь внутри клеток, разрывают их мембраны

Как заморозить человека? Избавьтесь от «лишней» воды

Почему не замерзает ледяная рыба?

Многие насекомые накачивают себя перед зимой ГЛИЦЕРИНОМ

и прекрасно переносят сильные морозы

БИОЛОГИЧЕСКИЕ АНТИФРИЗЫ!!!

Как заморозить человека? - в сосуде Дьюара при -196оС

Стоимость замораживания около 50 000 $,

Рецепты замораживания не раскрываются

Зачем нужен тёмный цвет кожи?

Почему люди лишились шерсти?

, но...

испарение 1 мл пота требует 2,5 кДж

энергозатраты человека – до 50 000 кДж в день

Зачем нужен тёмный цвет кожи?

Почему мы остались без шерсти?

потовая железа

• Люди стали осваивать мир вокруг и больше проводить время на солнце;

• Им становилось жарко, и мы “решили” избавляться от избытка тепла,

испаряя пот (1-10 л/день) с поверхности кожи;

• Волосяной покров мешал испарению, и люди от него “избавились”.

“Облысение” человека привело к увеличению интенсивности

ультрафиолетового (УФ) излучения, проникающего через кожу

кератиноциты

УФ и

чтобы защититься от УФ,

ПРИРОДА включила в состав кожи

меланоциты

гранулы меланина

Зачем нужен тёмный цвет кожи? - чтобы защититься от УФ

УФ повреждает ДНК клетки и

фолиевую кислоту

меланин поглощает УФ

УФ

Зачем нужен тёмный цвет кожи? МЕЛАНИН защищает нас от УФ

Зачем нужен тёмный цвет кожи?

Чем больше меланина, тем темнее кожа

Ближе к экватору – темнее кожа, чтобы защититься от УФ

Почему у полярного медведя нос чёрный?

СМОТРИМ МУЛЬТИК

«Переломный момент»

сериала ПИНКОД