Podstawowe zadanie współczesnych nauk biologicznych:
description
Transcript of Podstawowe zadanie współczesnych nauk biologicznych:
Podstawowe zadanie współczesnych nauk
biologicznych:
Badanie procesów życiowych z uwzględnieniem struktur biologicznych, w
których te procesy zachodzą
Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch
nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:
biochemii
Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch
nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:
Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny Dwojaki charakter tych procesów (fizyczny i chemiczny) spowodował powstanie dwóch i chemiczny) spowodował powstanie dwóch
nowych dyscyplin nauki:nowych dyscyplin nauki:
biochemiibiofizyki
BiofizykaBiofizyka
Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:
BiofizykaBiofizyka
Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:•BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych)
BiofizykaBiofizyka
Stosunkowo nowa dyscyplina badań interdyscyplinarnych wyrosła na gruncie:•BIOLOGII (pojmowanej jako nauka o organizmach żywych)•FIZYKI (nauki zajmującej się badaniem określonej klasy zjawisk – zjawisk fizycznych zachodzących na poziomie materii nieożywionej)
BIOFIZYKABIOFIZYKA
FIZYKAFIZYKABIOLOGIABIOLOGIA
Zadania biofizyki
Badanie zjawisk życiowych metodami fizycznymi
Zadania biofizyki
Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami
fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych
zachodzących w żywych organizmach
Zadania biofizyki Badanie zjawisk życiowych metodami
fizycznymi Badanie zjawisk i procesów biologicznych
zachodzących w żywych organizmach Specyficzna interpretacja zjawisk
życiowych, oparta na metodologii zapożyczonej z nauk fizycznych
Piśmiennictwo:
Ibron G., 1999: Podstawy biofizyki, Wyd. ART. Olsztyn
Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1997: Biofizyka dla biologów, PWN Warszawa
Bryszewska M., Leyko W. (reds.), 1981: Biofizyka kwasów nukleinowych dla biologów, PWN Warszawa
Jóźwiak Z., Bartosz G. (reds.), 2005: Biofizyka. Wybrane zagadnienia wraz z ćwiczeniami. PWN Warszawa
WIELKOŚCI FIZYCZNE
BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)
POCHODNE: Prędkość (V=l/t,
gdzie l-droga, t-czas),
Przyspieszenie(a=V/t),
Pęd (p=mV, gdzie m-masa)
WIELKOŚCI FIZYCZNE
BAZOWE: Temperatura (T), Czas (t), Długość (l), Masa (m)
POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH:
Wyznaczanie ich wartości liczbowych
POMIAR WIELKOŚCI FIZYCZNYCH:
Wyznaczanie ich wartości liczbowych
WARTOŚCI LICZBOWE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH muszą
być podawane w odpowiednich jednostkach
Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI
WielkośćJednostka miary
Definicja jednostkinazwa oznaczenie
Jednostki podstawowe
Długość metr m 1650763,73 x długość fali w próżni (promieniowania przejścia atomu 86Kr między poziomami 2p10 a 5d5
Masa kilogram kg Masa międzynarodowego wzorca przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres
Czas sekunda s 9192631770 x okres promieniowania odpowiadającemu przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego 133Cs
Prąd elektry-czny
amper A Prąd płynący w dwóch równoległych, nieskończenie długich przewodach, o przekroju nieskończenie małym, umieszczonych w próżni w odległości 1m, oddziaływujących na siebie z siłą 2x 10-7N (niutona) na każdy metr długości
Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI
WielkośćJednostka miary
Definicja jednostkinazwa oznaczenie
Jednostki podstawowe
Tempe-ratura
Kelwin K 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody
Liczność materii
mol mol Liczność materii towarzyszącej liczbie cząsteczek równej liczbie atomów występujących w 0,012 kg 12C
Świat-łość
kandela cd Światłość w kierunku prostopadłym 1/600000m2 promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101325 Pa
Jednostki uzupełniające
Kąt płaski
radian rad Kąt płaski zawarty między dwoma promieniami koła, wycinającymi z jego okręgu łuk o długości równej promieniowi tego koła
1 rad = 1m : (1 m) = 1
Wielkości bazowe i ich jednostki w układzie SIWielkości bazowe i ich jednostki w układzie SI
WielkośćJednostka miary
Definicja jednostkinazwa oznaczenie
Jednostki uzupełniające
Kąt bryłowy
steradian sr Kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli, wycinający z jej powierzchni część równą powierzchni kwadratu o boku równym promieniowi tej kuli
1 rad = 1m2 : (1 m2) = 1
Przedrostki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnychPrzedrostki dla jednostek wielokrotnych i podwielokrotnych
Mnożnik Przedrostek Skrót Przykład zastosowania
1012 tera T teragram – Tg = 1012g
109 giga G gigagram – Gg = 109g
106 mega M megagram – Mg = 106g
103 kilo k kilogram – kg = 103g
102 hekto h hektogram – hg = 102g
101 deka da dekagram – dag = 101g
1 - - gram – g
10-1 decy d decygram – dg = 10-1g
10-2 centy c centygram – cg = 10-2g
10-3 mili m miligram – mg = 10-3g
10-6 mikro mikrogram – g = 10-6g
10-9 nano n nanogram – ng = 10-9g
10-12 piko p pikogram – pg = 10-12g
10-15 femto f femtogram – fg = 10-15g
10-18 atto a attogram – ag = 10-18g
.
OTACZAJĄCY ŚWIAT:OTACZAJĄCY ŚWIAT:
Mikroskopowy Makroskopowy
Widzialny
PROCESY ŻYCIOWE SIĘGAJĄ AŻ DO POZIOMU
SUBMOLEKULARNEGOSUBMOLEKULARNEGO MATERII OŻYWIONEJ
Świat widzialnyŚwiat widzialny
Świat makroskopowyŚwiat makroskopowy
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm
Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm
Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm
Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm
Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm
Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)
Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 101017 17 m m
Rozszerzanie się granic poznania świata makroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata makroskopowego
Ziemia jest mniej więcej kulista o średnim promieniu r r 6,37 x 10 6,37 x 106 6 mm i obwodzie 22R R 4 x 10 4 x 107 7 mm
Księżyc krąży wokół Ziemi w średniej od niej odległości llkk 3,8 x 10 3,8 x 108 8 mm, a Ziemia po torze eliptycznym wokół Słońca w średniej odległości llzz1,5 x 101,5 x 1011 11 mm
Odległość Syriusza od Słońca wynosi około 101011 11 m m (Hoygens, XVII wiek)
Jedna z najbliższych galaktyk – M 31 w Andromedzie znajduje się w odległości 101017 17 m m
Odkrycie kwazarów (obiekty o olbrzymiej mocy promieniowania elektromagnetycznego) w odległości 101026 26 m m
Świat mikroskopowyŚwiat mikroskopowy
Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego
Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego
Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego
Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m
(Loschmidt, 1865)
Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego
Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m
(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911)
Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego
Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m
(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i
neutronów) ok. 1010-15 -15 m m
Rozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowegoRozszerzanie się granic poznania świata mikroskopowego
Odkrycie mikroskopu optycznego i elektronowego Ocena rozmiarów atomów i cząsteczek na ok. 1010-10 -10 m m
(Loschmidt, 1865) Odkrycie i ustalenie rozmiarów jądra atomowego 1010-14 -14 m m (Rutherford, 1911) Obliczenie rozmiarów nukleonów (protonów i
neutronów) ok. 1010-15 -15 m m Ustalenie, że rozmiary np. leptonów czy mezonów są
mniejsze od 1010-15 -15 m m
ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE
Grawitacyjne:Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony
gdzie stała grawitacjistała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2]
221
r
mmGFg
ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE
Grawitacyjne:Grawitacyjne: prawo powszechnego ciążenia Newtona. Zasięg oddziaływań praktycznie nieograniczony
gdzie stała grawitacjistała grawitacji G = 6,67 x 10-11 [Nm2kg-2]
ElektromagnetyczneElektromagnetyczne: prawo Coulomba. Zasięg praktycznie
nieograniczony
gdzie przenikalność 0 = 8,85 x 10-12 [C2N-1m-2]
221
r
mmGFg
204
1
r
qQFe
ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE
Silne (jądrowe):Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m
ODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNEODDZIAŁYWANIA FUNDAMENTALNE
Silne (jądrowe):Silne (jądrowe): zasięg bardzo krótki bo do 10-15m
Słabe:Słabe: odpowiedzialne za rozpady wielu cząsteczek elementarnych i spontaniczne przemiany jąder atomowych; zasięg <10-15m
Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość
Foton 0 0 1 Trwały
Leptony
Neutrina
Neutrino elektronowe
0 0 1/2 Trwałe
Antyneutrino
elektronowe0 0 1/2 Trwałe
Neutrino mionowe
0 0 1/2 Trwałe
Antyneutrino mionowe
0 0 1/2 Trwałe
ElektronyElektron 1 -1 1/2 Trwały
Pozyton 1 +1 1/2 Trwały
Miony
Mion
(mi-minus)206,8 -1 1/2 2,2 x 10-6
Mion
(mi-plus)+1 2,2 x 10-6
Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne
Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne
Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość
Mezony
Piony
Pion (pi zero) 264,2 0 0 0,9 x 10-16
Pion (pi plus) 273,2 +1 0 2,6 x 10-8
Pion
(pi minus)-1 0 2,6 x 10-8
Kaony
Kaon
(ka plus)
966,6 +1 0 1,2 x 10-8
Kaon
(ka minus)-1 0 1,2 x 10-8
Kaon
(ka zero)974 0 0 1,0 x 10-10
Antykaon
(ka zero)0 0 6,0 x 10-8
Etame-zony
Eta zero (eton)
1074 0 0 3,0 x 10-19
Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne
Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość
Bariony
Nukleony
Proton 1836,1 +1 1/2 Trwały
Antyproton 1836,1 -1 1/2 Trwały
Neutron 1838,6 0 1/2 1,0 x 103
Antyneutron 1838,5 0 1/2 932
Hiperony
Lambda 2182,8 0 1/2 2,5 x 10-10
Antylambda 2182,8 0 1/2 2,5 x 10-10
Sigma plus 2327,7 +1 1/2 0,8 x 10-10
Antysigma plus
2327,7 -1 1/2 0,8 x 10-10
Sigma zero 2331,8 0 1/2 10-14
Antysigma zero
2331,8 0 1/210-14
Sigma minus 2340,5 -1 1/2 1,5 x 10-10
Antysigma minus
2340,5 +1 1/2 1,5 x 10-10
Cząsteczki elementarneCząsteczki elementarne
Nazwa cząsteczki Masa Ładunek Spin Trwałość
Bariony Hiperony
Ksi zero 2565 0 1/2 3,0 x 10-10
Antyksi zero 2565 0 1/2 3,0 x 10-10
Ksi minus 2580 -1 1/2 1,7 x 10-10
Antyksi minus
2580 +1 1/2 1,7 x 10-10
Omega minus 3260 -1 3/2 1,3 x 10-10
Antyomega minus
3260 +1 3/2 1,3 x 10-10
Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne
Atomy tego samego pierwiastka mają Atomy tego samego pierwiastka mają takie same liczby protonów w jądrzetakie same liczby protonów w jądrze
Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne
IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby
neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn
ZZXX
Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne
IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby
neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn
ZZXX
IZOBARY:IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z
AAZ Z nnXX
Pierwiastki chemicznePierwiastki chemiczne
IZOTOPYIZOTOPY: odmiany tego samego pierwiastka różniące się masą atomową, co wynika z różnej liczby
neutronów w jądrze, np. izotopy wodoru: 1H, 2H, 3H AAnn
ZZXX
IZOBARY:IZOBARY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A, ,a różniące się liczbą atomową Z
AAZ Z nnXX
IZOMERY:IZOMERY: odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie masowej A i atomowej Z, a różniące się stanem
energetycznym jądraAA
ZZXX**
Jądro atomoweJądro atomowe
Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:
Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny
Jądro atomoweJądro atomowe
Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:
Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny
Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m
Jądro atomoweJądro atomowe
Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:
Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny
Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m Masa waha się w granicach 1010-25-25kg - 10kg - 10-27-27kg kg
Jądro atomoweJądro atomowe
Cechy jądra atomowego:Cechy jądra atomowego:
Ładunek jądra stanowi iloczyn Z x eZ x e, gdzie ZZ – liczba atomowa określająca numer porządkowy pierwiastka w układzie Mendelejewa, a e=1,60 x 10e=1,60 x 10-19-19C C – określa ładunek elektryczny
Średnica jądra wynosi 1010-15-15m m Masa waha się w granicach 1010-25-25kg - 10kg - 10-27-27kg kg Gęstość w przypadku jądra uranu osiąga 10101717kg/mkg/m33. .
Jest to wartość porównywalna jedynie z gęstością Jest to wartość porównywalna jedynie z gęstością białych karłów czyli pulsarów!białych karłów czyli pulsarów!
Jądro atomoweJądro atomowe
Energia wiązania nukleonów w jądrze Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem:
E = mcE = mc22
Jądro atomoweJądro atomowe
Energia wiązania nukleonów w jądrze Energia wiązania nukleonów w jądrze określana jest równaniem:
E = mcE = mc22
Defekt masyDefekt masy jest to nierówność sumy mas nukleonów
z masą otrzymanego w wyniku ich połączenia jądra:
M = ZMM = ZMPP + (A – Z) x M + (A – Z) x Mnn - M - Mjj
Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne
Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np.
NaNa++ + Cl + Cl-- = NaCl = NaCl
Wiązania chemiczneWiązania chemiczne
Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne
Wiązania chemiczneWiązania chemiczne
Jonowe (elektrapolarne, heteropolarne) powstają między atomami o różnej elektroujemności, np.
NaNa++ + Cl + Cl-- = NaCl = NaCl
Kowalencyjne (atomowe, homopolarne). Elementem łączącym jest tu orbital molekularny, np.
H2, Cl2, H2O
Wiązania kowalencyjne mają charakter przestrzenny
Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne
Wiązania chemiczneWiązania chemiczne
Wiązanie w cząsteczce wody
Zhybrydyzowane orbitale w cząsteczce metanu
Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne
Wiązania chemiczneWiązania chemiczne
Hybrydyzacja sp2 w etylenie
Cząsteczki chemiczneCząsteczki chemiczne
Wiązania chemiczneWiązania chemiczne
Modele wiązań chemicznych w cząsteczce benzenu