BIOFIZICA & FIZICA APLICATA

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. Y o u n g 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, si tehnicilor fizice". Dupa prof. dr. doc. Vasile Vasilescu, de la Universitatea de Medicina 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 fizicomatematice. 1.2. DIVIZIUNILE BIOFIZICII ,,biofizica este stiinta care studiaza structura si functiile sistemelor vii cu ajutorul teoriilor

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 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 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 care studiaza de

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 absorbtia intestinala, absorbtia vitaminelor, metabolismul proteinelor, se determina volumul singelui circulant, durata de viata a hematiilor, leucocitelor si trombocitelor, se studiaza dinamica lichidelor intrasi 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, sa 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 intelegerea 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 ar e 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 si animal in apa, (dupa

protide,lipide

substante

minerale

Manta, D., 1973) SPECIA Protide % Lipide % Substante

Minerale % cal 17 17 4,5 bou 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 2.Elemente chimice 3.Structuri chimice 4.Structuri chimice complexe 5.Structuri leptonice 6.Structuri subcelulare 7. Structuri celulare 8. Structuri supracelulare Electron, proton, neutron C,H,O,N,S,P,etc. -Molecule organice, -ioni si molecule minerale -Macromolecule - sistem coloidal complex Citoplasma -Organite celulare - structuri functionale Celula cu structuri monocelulare sau pluricelulare - 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 deformarerevenire. - 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:
Δl F =α ⋅ l S Δl 1 F = ⋅ l E S

sau

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) Otel turnat 12 000 Coeficientul Poisson 0.27

Otel de resort Cupru rosu Plumb Cauciuc Lemn de stejar

22 000 11 000 1 700 500 1000

3.3 3.0 0.25 -

0.27 0.35 0.4 0.5 -

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:
t T

E = E0 e

−

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:

η=

1 [ E1 ⋅ T1 + E 2 ⋅ T2 + E3 ⋅ T3 + ...... ] 2(1 + μ )

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.