В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом – резервуар с жидкостью (обычно ртутью или спиртом). В пирометрах в качестве термометрического свойства используется интенсивность излучения.
При измерении сверхнизких температур термометрическим веществом служат парамагнетики, а измеряемым свойством – зависимость их намагниченности от температуры.
Используемый в медицине ртутный термометр указывает максимальную температуру и называется максимальным термометром. Эта особенность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью отделен от градуированного капилляра сужением, которое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резервуар. Существуют и минимальные термометры, показывающие наименьшую температуру, наблюдаемую за длительный промежуток времени. Для этой цели служат термостаты – приборы, в которых температура поддерживается постоянной, что осуществляют либо автоматическими регуляторами, либо используют для этого свойство разовых переходов протекать при неизменной температуре.
Для измерения количества теплоты, выделяющегося или поглощаемого в различных физических, химических и биологических процессах, применяют ряд методов, совокупность которых составляет калориметрию. Калориметрическими методами измеряют теплоемкость тел, теплоты фазовых переходов, растворения, смачивания, адсорбции, теплоты, сопровождающие химические реакции, энергию излучения, радиоактивного распада и т. п.
Подобные измерения производят с помощью калориметров.
28. Физические свойства нагретых и холодных сред, используемых для лечения
В медицине с целью местного нагревания или охлаждения применяют нагретые или холодные тела. Обычно для этого выбирают сравнительно доступные среды, некоторые из них могут оказывать при этом и полезное механическое или химическое действие.
Физические свойства таких сред обусловливаются их назначением. Во-первых, необходимо, чтобы в течение сравнительно длительного времени был произведен нужный эффект. Поэтому используемые среды должны иметь большую удельную теплоемкость (вода, грязи) или удельную теплоту фазового превращения (парафин, лед). Во-вторых, среды, накладываемые непосредственно на кожу, не должны вызывать болезненных ощущений. Это с одной стороны ограничивает температуру таких сред, а с другой – побуждает выбирать среды с небольшой теплоемкостью. Так, например, вода, применяемая для лечения, имеет температуру до 45 °C, а торф и грязи – до 50 °C, так как теплообмен (конвекция) в этих средах меньше, чем в воде. Парафин нагревают до 60–70 °C, так как он обладает небольшой теплопроводностью, а части парафина, непосредственно прилегающего к коже, быстро остывают, кристаллизуются и задерживают приток теплоты от остальных его частей.
В качестве охлаждающей среды, используемой для лечения, употребляется лед. В последние годы достаточно широкое применение в медицине нашли низкие температуры. При низкой температуре осуществляют такую консервацию отдельных органов и тканей в связи с трансплантацией, когда достаточно долго сохраняется способность к жизнедеятельности и нормальному функционированию.
Криогенный метод разрушения ткани при замораживании и размораживании используется медиками для удаления миндалин, бородавок и т. п. Для этой цели создают специальные криогенные аппараты и криозонды.
С помощью холода, обладающего анестезирующим свойством, можно уничтожить в головном мозге клетки ядер, ответственные за некоторые нервные заболевания, например паркинсонизм.
В микрохирургии используют примерзание влажных тканей к холодному металлическому инструменту для захвата и переноса этих тканей.
В связи с медицинским применением низкой температуры появились новые термины: «криогенная медицина», «криотерапия», «криохирургия» и т. д.
29. Физические процессы в биологических мембранах
Важной частью клетки являются биологические мембраны. Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют в синтезе универсальных аккумуляторов энергии АТФ в митохондриях и т. д.
Строение и модели мембран
Мембраны окружают все клетки (плазматические и наружные клеточные мембраны). Без мембраны содержимое клетки просто бы растеклось, диффузия привела к термодинамическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она отгородилась от окружающей среды мембраной.
Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков, каждый из них выполняет определенную функцию. Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой (в значительной степени – фосфолипиды). Двойной липид-ный слой образуется из двух монослоев липидов так, что гидрофобные «хвосты» обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой. Такое представление о структуре мембраны не давало ответов на многие вопросы.
В дальнейшем была предложена модель, в основе которой лежит все та же липидная биослоистая мембрана. Эта фосфолипидная основа представляет собой как бы двухмерный растворитель, в котором плавают более или менее погруженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран – проницаемость, генерация электрического потенциала и т. д. Мембраны не являются неподвижными, спокойными структурами. Липиды и белки обмениваются мембранами и перемещаются как вдоль плоскости мембраны – латеральная диффузия, так и поперек нее – так называемый флип-флоп.
Уточнение строения биомембраны и изучение ее свойств оказались возможными при использовании физико-химических моделей мембраны (искусственных мембран). Наибольшее распространение получили три такие модели. Первая модель – монослои фосфолипидов на границе разделов вода – воздух или вода – масло.
Второй широко распространенной моделью биомембраны являются липосомы, которые представляют собой как бы биологическую мембрану, полностью лишенную белковых молекул. Третьей моделью, позволившей изучать некоторые свойства биомембран прямыми методами, является биолипидная (биослой-ная липидная) мембрана (БЛМ).
Мембраны выполняют две важные функции: матричную (т. е. являются матрицей, основой для удерживания белков, выполняющих разные функции) и барьерную (защищают клетку и отдельные компартаменты от проникновения нежелательных частиц).
30. Физические свойства и параметры мембран
Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Однако мембрана есть упорядоченная структура. Эти два факта предполагают, что фосфолипиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Жидкокристаллическое состояние биослоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердое состояние. Толщина жидкокристаллического биослоя меньше, чем твердого.
Структура молекул в жидком и твердом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полости (кинки), в которые способны внедряться молекулы дифференцирующего вещества. Перемещение кинка в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны.
Перенос молекул (атомов) через мембраны
Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Вероятность такого проникновения частиц зависит как от направления их перемещения (например, в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.
Явления переноса – это необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное перемещение (перенос) массы импульса, заряда или какой-либо другой физи30б ческой величины. К явлениям переноса относят диффузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (перенос электрического заряда).
На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле. Оно оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Перенос ионов определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения (т. е. градиентом концентрации) и воздействием электрического поля (уравнение Нернста-Планка):
Уравнение устанавливает связь плотности стационарного потока ионов с тремя величинами:
