Text
                    БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ
53(07)
К 30
Кац Ц. Б.
К 30 Биофизика на уроках физики. Из опыта работы. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1974.
128 с. с ил.
В пособии приведены методические указания по использованию биофиаи-Ческого материала при изучении соответствующих тем курса физики. Большое внимание уделено внеклассной работе по биофизике.
«0501-679	Л/, А’
103(03)-74 Л 'у /$/ « • '
(g) Издательство «Просвещение*, 1974 г. V\z
63(07) 4- 57.04
ВВЕДЕНИЕ
«Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей».
К. Д. Ушинский
В этом пособии, представляющем описание опыта работы, сделана попытка рассмотреть основные направления и особенности связи школьных курсов физики и биологии и наметить возможные пути и формы усиления этой связи.
Основные направления этой работы следующие: ознакомить учащихся с физическими методами исследования и воздействия, которые находят широкое применение в биологии и медицине, с физикой живой природы, с некоторыми элементами бионики.
Практически ко всем разделам курса физики можно подобрать большое число биофизических примеров (что и сделано нами, см. приложение), однако целесообразно их использовать лишь частично, наряду с техническими примерами и с примерами из неживой природы.
Основная цель привлечения биофизических примеров — добиться лучшего усвоения курса физики. Биофизический материал должен быть непосредственно связан с програглмами курсов физики и биологии и отражать наиболее перспективные направления развития науки и техники.
Можно указать три основных направления отбора биофизического материала.
Первое направление имеет цель — показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики и к живому организму.
Второе направление соответствует ознакомлению с физическими методами воздействия и исследования, широко применяемыми и в биологии, и в медицине. В курсе физики средней школы учащихся знакомят только с оптическими приборами (лупа, микроскоп), с применением рентгеновских лучей и «меченых атомов». Однако уже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма — измеряется кровяное
3
давление, регистрируются биопотенциалы сердца и т. д., которые в школе не рассматривают.
Третье направление предполагает ознакомление учащихся с идеями и некоторыми результатами бионики. Например, при изучении колебаний учащимся сообщают, что слуховой орган моли воспринимает звуковые колебания в пределах частот от 10 до 100 кгц и позволяет обнаруживать приближение летучей мыши (для нее моль — любимая пища) на расстоянии 30 м. Эти «достижения» живой природы выше результатов, полученных в области эхолотов, ультразвуковых локаторов, дефектоскопов и даже радиолокаторов. Таких примеров можно привести много. Следует, однако, подчеркнуть, что бионика ставит целью не слепое подражание биологическим системам, а раскрытие принципов их построения.
Глава
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
НА УРОКАХ ФИЗИКИ
Пути ознакомления учащихся с биофизическим материалом принципиально не отличаются от путей ознакомления их с элементами техники. Физика — основа техники; с другой стороны, физика широко применяется для исследований в биологии и помогает понять особенности строения, жизнедеятельности биологических объектов.
Уже на самых первых уроках ребята узнают о том, что все естественные науки используют законы физики. Эту мысль надо пояснить и расширить. При первом знакомстве с учебным предметом— физикой желательно показать учащимся приложимость ее законов к жизнедеятельности человека и растений, птиц, рыб и т. п. Для этого можно сравнить полет птиц, насекомых и самолетов, рассказать о локации в животном мире в области неслышимых звуков. Можно, к примеру, рассказать о том, что изучение строения тела крота помогло инженерам создать землеройную машину, а наблюдения за дельфинами и рыбами помогают совершенствовать подводные лодки. Известны классические наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и конструкцией их крыльев и использование этих идей современными инженерами при конструировании самолетов, махолетов и ракет. Важно, чтобы в умах учащихся с первых уроков запечатлелась идея, что физика — ключ к пониманию явлений как неживой, так и живой природы.
При сообщении нового материала по физике иллюстративные биофизические сведения целесообразнее всего излагать самому учителю. Это могут быть и числовые данные, характеризующие живые организмы, и описание методов исследований, применяемых в биологии, и краткие данные о медицинской или биологической аппаратуре.
5
Изложение нового материала можно чередовать с беседой, особенно в младших классах. Учитель обращается к жизненному опыту учащихся, к тем сведениям, которые они получили при обучении в начальной школе, на уроках ботаники, географии и других смежных дисциплин. Большую роль в ознакомлении с элементами биофизики может играть решение задач по физике живой природы. Например, при помощи таблицы спортивных рекордов по бегу, бегу на коньках и т. д. можно находить средние скорости, упражняться в переводе единиц скоростей из одной системы в другую.
При повторении пройденного также можно привлекать биофизический материал. Мы применяли такую форму работы после изучения некоторых тем, в конце учебного года и при повторении перед выпускными экзаменами. Назовем некоторые темы обзорного повторения: механика в живой природе, электричество и живая природа, оптика и жизнь, влияние электромагнитных полей на животные и растительные организмы.
Целый ряд биофизических вопросов целесообразно излагать с использованием фрагментов из некоторых кино- и диафильмов, рисунков, схем и таблиц, а также наглядных пособий, имеющихся в кабинете биологии.
Чаще всего учителя физики могут получить в кабинете биологии лишь весьма ограниченный ассортимент оборудования (микроскоп, модели глаза, уха; соответствующие таблицы). Между тем это далеко не все имеющееся в кабинетах биологии оборудование, которое может быть с пользой применено при изучении физики. Уже при проведении нашего первого биофизического вечера «Физика и медицина» мы применяли следующее оборудование кабинета биологии: аппарат для измерения жизненного объема легких, аппарат для измерения кровяного давления, модели глаза и уха, динамометры для измерения силы мышц.
Позднее в практике своей работы, знакомя учащихся с элементами биофизики, мы также старались использовать для этой цели оборудование кабинета биологии: «Таблицы по анатомии и физиологии человека» А. Н. Кабанова, «Мнр животных» — серия из многокрасочных таблиц А. А. Яхонтова, гербарии и коллекции бабочек, стрекоз, жуков, черепах и т. п. Полезно также показать некоторые учебные фильмы и диафильмы по биологии.
В дальнейшем мы будем указывать, где и какие наглядные пособия и технические средства можно применить, а также, какие наглядные пособия могут изготовить сами учащиеся.
§ 1. Элементы биофизики при изучении механики
Движение и силы
При изучении темы «Движение и силы» в VI классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных живых существ. Улитка проползает примерно 5,5 м в 1 ч. Черепаха перемещается со скоростью около 70 м/ч.. Муха летит со скоростью 5 м/сек. Средняя скорость пешехода около 1,5 м/сек, или около 5 км/ч. Пехотная воинская часть может перемещаться со скоростью до 7 км/ч. Лошадь способна перемещаться со скоростью от 6 до 30 км/ч и выше.
Из животных средней полосы быстрее всех бегает заяц-ру-сак, скорость его достигает 50—60 км/ч. Немногим уступает ему волк, который может бегать со скоростью до 45 км/ч.
Многие рыбы перемещаются со средней скоростью около 4 км/ч, однако некоторые из них способны развивать и гораздо большие скорости: так, например, меч-рыба может развивать скорость до 90 км/ч.
Интересно также рассмотреть, цифры, приведенные в таблице скоростей движения рыб.
Таблица 1
Название рыбы	Длина в см	Скорость	
		Длина тела в секунду*	cmJсек
Акула	150	%3,4	500
Лосось	75	8	600
Форель	28	«=9,3	270
Щука	164	1.3	209
Здесь очень важно обратить внимание на оценку скоростей рыб в сантиметрах в секунду, а также в длинах тела в секунду. По этим данным самой быстроходной оказывается форель, хотя абсолютное значение ее скорости сравнительно невелико.
Используя данные скоростей разных представителей животного мира, можно решать различного рода задачи. Приведем некоторые из них.
Скорость движения улитки 0,9 мм/сек. Выразить эту скорость в см/мин, в м/ч.
Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300 км/ч. Какой путь пролетает он за 5 сек?
1 Скорость многих живых существ выражают особой величиной, равной числу длин их тела, на которое они перемещаются в секунду
7
Скорость полета почтового голубя 1800 м/мин. Выразить эту величину в км!ч. Какой путь пролетает голубь за 3 ч полета? Можно ли догнать голубя на автомобиле, имеющем среднюю скорость 60 км/ч?
Известно, что средняя скорость роста дуба примерно 30 см/год. Сколько лет дереву высотой в 6,3 л?
Советский спортсмен Владимир Куц пробежал 5000 м за 815 сек. Определить его скорость в км/ч.
Масса тел. Плотность
При знакомстве с понятием «масса тела» и при составлении задач па определение плотности вещества и занимаемого телом объема мы использовали некоторые дополнительные табличные данные (табл. 2).
Таблица 2
Плотность некоторых твердых веществ. кг/мЛ		Плотность некоторых жидких веществ» кг/м3	
Бамбук (сухой)	400	Масло льняное	930
Береза	700	Масло подсолнечное	930
Ель	600	Молоко цельное	1028
Железное дерево (бакаут)	1200	Молоко снятое	1032
Кожа	900		
Кость	1800		
Кость слоновая	2000		
Плотность некоторых		сельскохозяйственных	
	продуктов, кг/л8		
Горох	1400	Рожь	1400
Картофель	1100	Масло коровье	910
Кукуруза (зерно)	1300	Сало	900
Овес	1300		
Пример. Определить массу березовой древесины, если объем ее 5 м3.
Пример. Какова масса льняного масла, занимающего объем 5 л?
Пример. Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.
L
Сила тяжести. Вес тела
При изучении этой темы можно провести следующую тренировочную работу. Даны массы разных млекопитающих: кита — /0000 кг, слона—4000 кг, носорога — 2000 кг, быка—1200 кг, медведя — 400 кг, свиньи — 200 кг, человека — 70 кг, волка — 10 кг, зайца — 6 кг. Найти их вес в ньютонах.
Эти же данные могут быть использованы для графического изображения сил.
Можно попутно сообщить еще некоторые интересные сведения.
Самые крупные животные относятся к классу млекопитающих, из них особенно поражает размерами и весом синий кит. Например, один из добытых китов достигал в длину 33 м и весил 1500 кн, что соответствовало весу 30 слонов или 150 быков. Самая крупная современная птица — африканский страус, достигающий 2,75 м в высоту, 2 м в длину (от кончика клюва до конца хвоста) и имеющий массу 75 кг. Самые мелкие птицы — колибри. Колибри одного из видов имеют массу около 2 г, размах крыльев 3,5 см.
Силы трения и сопротивления. Трение в живых организмах
Большой биофизический материал может быть привлечен при изложении вопроса о силах трения. Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения (масло, деготь и др.)> всегда обладают значительной вязкостью. Также и в живом организме: жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.
Кровь, например,— жидкость, более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением и трением о поверхности сосудов. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови.
Малое трение в суставах объясняется их гладкой поверхностью, смазкой их синовиальной жидкостью. Роль смазки при проглатывании пищи играет слюна. Трение мышц или сухожилий о кость уменьшается благодаря выделению специальной жидкости сумками, в которых они расположены. Число таких примеров можно продолжить.
Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное «сцепление» между движущимся телом и «опорой». Сцепление достигается либо заострениями на конечностях (когти, острые края копыт, подковные шипы), либо мелкими неровностями, например, щетинками, чешуйками, бугорками и т. п. Необходимо значительное трение и для хватательных органов. Интересна их форма: это либо щипцы, захватывающие
9
предмет с двух сторон, либо тяжи, огибающие его (по возможности, несколько раз). В руке сочетается действие щипцов и полный охват со всех сторон; мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатостями предметов, которые надо удержать.
У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных и др.). Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения коэффициента трения (рис. I).
Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим — при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении — головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.
Изменение сопротивления при движении в разных направлениях наблюдается и у многих водоплавающих. Например, плавательные перепонки на лапках уток или гусей используются подобно веслам. При движении лапки назад утка распрямленной перепонкой загребает воду, а при движении вперед утка сдвигает пальцы — сопротивление уменьшается, в результате чего утка продвигается вперед.
Лучшие пловцы — рыбы, дельфины. Скорости многих рыб достигают десятков километров в час, например, скорость голубой акулы около 36 км/ч. Такую скорость рыбы могут развивать благодаря обтекаемой форме тела, конфигурации головы, обусловливающей малое лобовое сопротивление1.
1 Уменьшение сопротивления за счет обтекаемой формы тела рыб можно проиллюстрировать на чучелах окуня, щуки; можно так-Рис. 1.	же показать таблицу «Акула» из
серии А. А. Яхонтова «Мир животных».
10
Интерес специалистов привлекла способность дельфинов двигаться в воде без особых усилий с большой скоростью (вблизи носа корабля 55— 60 км/ч, свободно плывущие — 30—40 км/ч). Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное).
Исследования позволили установить* что секрет «антитурбулентности»	дельфина
скрыт в его коже. Она состоит из двух слоев — внешнего, чрезвычайно эластичного, толщиной 1,5 мм, и внутреннего, плотного, толщиной 4 мм.
Между этими слоями имеются выросты, или шипы. Ниже располагаются густо сплетенные волокна, пространство между которыми в несколько сантиметров заполнено жиром. Такой кожный покров действует как превосходный демпфер. Кроме того, на коже дельфина постоянно имеется тонкий слой специальной «смазки», вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому умень
б
Рис. 2.
шается сила трения.
С 1960 г. изготовляются искусственные демпфирующие покрытия, подобные по своим свойствам «дельфиньей коже». И уже первые опыты с торпедой и катером, обшитыми такой кожей, подтвердили возможность снижения сопротивления воды па 40—60%.
Известно, что рыбки перемещаются косяками. Мелкие морские рыбки ходят стайкой, похожей по форме на каплю, при этом сопротивление воды движению стайки наименьшее.
Многие птицы во время далеких перелетов собираются в цепочку или косяк. В последнем случае более сильная птица летит впереди, ее тело рассекает воздух подобно тому, как киль корабля— воду. Остальные птицы летят таким образом, чтобы сохранить острый угол косяка; они поддерживают пра
Н
вильное расположение относительно ведущей птицы инстинктивно, так как оно соответствует минимуму сил сопротивления.
Планирующий полет. Планирующий полет довольно часто наблюдается как в растительном, так и в животном мире. Многие плоды и семена снабжены либо пучками волосков (одуванчик, хлопчатник и др.), действующими наподобие парашюта, либо поддерживающими плоскостями в форме отростков и выступов (хвойные растения, клен, береза, липа, многие зонтичные). Некоторые плоды и семена, снабженные «планерами», показаны на рисунке 2, а.
Растительные планеры во многих отношениях даже совершеннее созданных человеком. Они поднимают сравнительно со своим весом гораздо больший груз, кроме того, они обладают большей устойчивостью.
Интересно строение тела белок-летяг, шерстокрылов и летучих мышей (рис. 2, б). Они пользуются своими перепонками для того, чтобы совершать большие прыжки. Так, белки-летяги могут перепрыгивать расстояния до 20—30 м с верхушки одного дерева к нижним ветвям другого.
Давление жидкостей и газов
Роль атмосферного давления в жизни живых организмов. На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте 160 см, примерно равна 1,6 ж2, действует сила в 160 тыс. н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом выдерживает организм такие огромные нагрузки?
Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.
С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется, с одной стороны, деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении — выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут производиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 ж). Опускание и поднятие водолазов должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.
12
Интересно далее разобрать подробнее принцип работы органов, действующих за счет атмосферного давления.
Работа органов, действующих за счет атмосферного давления. Механизм сосания. Мышечным усилием (сокращением мышц языка, нёба и др.) создается отрицательное давление (разрежение) в ротовой полости, и атмосферное давление вталкивает туда порцию жидкости.
Механизм действия разного рода присосок. Присоски имеют форму либо полушарообразной чаши с липкими краями и сильно развитой мускулатурой (края прижимаются к добыче, затем объем присоски увеличивается; примером могут служить присоски пиявок и головоногих), либо состоят из ряда « кладок кожи в виде узких карманов. Края прикладываются к поверхности, на которой надо держаться; при попытке оттянуть присоску глубина карманов увеличивается, давление в них уменьшается и атмосферное давление (для водных животных давление воды) сильнее прижимает присоску к поверхности. Например, рыба-прилипала, или ремора, обладает присоской, которая занимает почти всю длину головы. Эта рыбка присасывается к другим рыбам, камням, а также к лодкам и кораблям. Она присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить, благодаря этому она может служить своеобразным рыболов
ным крючком.
На рисунке 3 показана булава — конец одного из двух самых длинных ловчих щупалец кальмара, она густо усажена разнокалиберными присосками.
Подобным же образом устроены присоски свиного цепня, при помощи которых этот ленточный червь прицепляется к стенке кишечника человека, ('.троение этих присосок можно показать на влажном препарате цепня, который имеется в кабинете биологии.
Ходьба по вязкой почве. Влияние атмосферного давления сказывается весьма заметно при ходьбе по вязкой почве (засасывающее действие болота). При поднятии ноги под нею образуется разреженное пространство; избыток внешнего давления препятствует поднятию ноги. Сила давления на ногу взрослого человека
Рис. 3.
13
может достигать 1000 н. Особенно сильно это видно при ходьбе лошади, твердое копыто которой действует подобно поршню.
Механизм вдоха и выдоха. Легкие расположены t грудной клетке и отделены от нее и от диафрагмы герметичной полостью, называемой плевральной. С увеличением объема груд ной клетки объем плевральной полости увеличивается, а давление воздуха в ней уменьшается, и наоборот. Так как легки» эластичны, то давление в них регулируется только давлением в плевральной полости. При вдохе объем грудной клетки увели чивается, за счет чего давление в плевральной полости умень шается (рис. 4,6); это вызывает увеличение объема легких по чти на 1000 мл. При этом давление в иих становится меньше атмосферного, и воздух через воздухоносные пути устремляете? в легкие. При выдохе объем грудной клетки уменьшаете? (рис. 4,в), за счет чего давление в плевральной полости увели чивается, что вызывает уменьшение объема легких. Давленш воздуха в них становится выше атмосферного, и воздух из лег ких устремляется в окружающую среду.
При обычном спокойном вдохе вдыхается около 500 мл воз духа, столько же выдыхается при обычном выдохе, а полный объем воздуха, находящегося в легких, около 7 л1.
Рис. 4.
1 Для пояснения механизма вдоха — выдоха может быть использое модель-схема грудной полости, имеющаяся в кабинете биологин. Здесь может быть продемонстрирован водяной спирометр, который служит для из мерення жизненной емкости легких. Кинофильм «Строение и функции органо дыхания», выпущенный Ленинградской студией' учебных фильмов в 1964 г также может быть показан при изучении этой темы.
14
Сердце — насос. Сердце представляет собой удивительный насос, работающий безостановочно всю жизнь человека. Оно перекачивает за 1 сек 0,1 л крови, за минуту — (> л, за 1 ч — 360 л, за одни сутки—8640 л, за год— более 3 млн. л, а за 70 лет жизни — около 220 млн.,л. Нели бы сердце не перего
няло кровь по замкнутой системе, а накачивало бы в какой-либо резервуар, то можно было бы заполнить бассейн в 100 м длиной, 100 м шириной и 22 м глубиной.
Иглобрюх в борьбе за существование. Интересно «применение» газовых законов в жизни своеобразной рыбки— иглобрюха. Она обитает в Индийском океане и Средиземном море. Тело ее густо усеяно многочисленными шипами — ви-Л'.измененной чешуей; в спокойном состоянии они более или менее плотно прилегают к телу. При возникновении опасности иглобрюх тотчас же устремляется к поверхности воды и, загла-и.|ная воздух в кишечник, превращается в раздутый шар; шипы при этом приподнимаются и торчат во все стороны (рис. 5). Рыба ;к ржится у самой поверхности, опрокинувшись вверх брюшком, причем часть тала выступает над водой. В таком положении иглобрюх защищен от хищников как снизу, так и сверху. Когда минует опасность, иглобрюх выпускает воздух, и тело его принимает ооычную форму.
Гидростатические аппараты в живой природе. Любопытные । идростатические аппараты существуют в живой природе. Например, головоногие моллюски из рода наутилусов живут в раковинах, разделенных перегородками на отдельные камеры (рис. 6). Само животное занимает последнюю камеру, а остальные заполнены газом. Чтобы опуститься на дно, моллюск наполняет раковину водой, она становится тяжелой и легко опускается. Чтобы всплыть на поверхность, наутилус нагнета-< । газ в отделения раковины; газ вытесняет воду и раковина н< плывает.
Жидкость и газ находятся в раковине под давлением, по-•инму перламутровый домик не лопается даже на глубине в и мьсот метров.
Интересен способ передвижения морских звезд, морских ежей, голотурий, которые перемещаются за счет разности гидро-< ытпческих давлений. Тонкие, пустотелые и эластичные ножки морской звезды набухают при ее движении. Органы-насосы под дннлеиием нагнетают в них воду. Вода растягивает их, они тяну ня вперед, присасываются к камням. Присосавшиеся ножки
15
Рис. 6.
мало отличается от плотности воды, полностью уравновешивается архи
сжимаются и подтягивают морскую звезду вперед Затем вода перекачивается в другие ножки и т.-перемещаются дальше, Средняя скорость морских звезд около 10 м/ч. Но зато здесь достигается полная амортизация движе ния!	;
Архимедова сила '
Рыбы. Плотность живых организмов, населяющих водную среду, очень поэтому их вес почтц медовой силой. Благо-
даря этому водные животные не нуждаются в столь массивных скелетах, как наземные (рис. 7).	>
Интересна роль плавательного пузыря у рыб. Это единственная часть тела рыбы, обладающая заметной сжимаемостью; сжимая пузырь усилиями грудных и брюшных мышц, рыба меняет объем своего тела и тем самым среднюю плотность, благодаря чему она может в определенных пределах регулировать глубину своего погружения.	:
Водоплавающие птицы. Важным фактором в жизни водоплавающих птиц является наличие толстого слоя перьев и пуха, не пропускающего воды, в котором содержится значительное количество воздуха; благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему все тело птицы, ее средняя плотность оказывается очень малой. Этим объясняется тот факт, что утки и другие водоплавающие мало погружаются в воду при пла4 вании.
Паук-серебрянка. С точки зрения законов физики очень интересно существование паука-серебрянки. Паук-серебрянка устраивает свое жилище — подводный колокол — из крепкой паутины. Сюда паук приносит с поверхности пузырьки воздуха, задерживающиеся между тонкими волосками брюшка. В колоколе он собирает запас воздуха, который время от времени пополняет; благодаря этому паук может долго находиться под водой.	।
Водные растения. Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей, потому, что на концах их разветвлений заключены крупные пузыри воздуха, играющйцхроль поплавков.
Водяной орех	Любопытное водное расте
ние — чилим (водянойорех),/ра\тет по заводям Волги, в озерах. 16	/</ \ЛЬ
Рнс. 7.
лиманах. Плоды его (водяные орехи) достигают 3 см в диаметре и имеют форму, похожую на морской якорь с несколькими острыми рожками или без них. Этот «якорь» служит для того, чтобы удержать на подходящем месте молодое прорастающее растение. Когда чилим отцветает, под водой начинают образовываться тяжелые плоды. Они могли бы потопить растение, но как раз в это время на черешках листьев образуются вздутия — своего рода «спасательные пояса». Тем самым увеличивается объем подводной части растений; возрастает, следовательно, выталкивающая сила. Этим достигается равновесие между весом плодов и возникающей за счет вздутий выталкивающей силой.
Плавание сифонофор. Сифонофорами зоологи называют особую группу кишечнополостных животных. Подобно медузам, это свободно плавающие морские животные. Однако, в отличие от первых, они образуют сложные колонии с очень резко выраженным полиморфизмом *. На самой вершине колонии обычно име-
1 Полиморфизм — множественность, наличие в одном и том же виде организмов нескольких различающихся между собой форм.
174U0D1
17
ется особь, при помощи которой вся колония держится в толще воды и движется,— это содержащий газ пузырь. Газ вырабатывается особыми железками. Этот пузырь достигает иногда 30 см в длину.
Богатый биофизический материал этого раздела дает возможность разнообразно и интересно провести уроки с шестиклассниками.
Опишем, например, беседу в процессе изучения темы «Архимедова сила». Учащиеся знакомы с жизнью рыб, с особенностями водных растений. Они уже ознакомились с действием выталкивающей силы. Исподволь подводим их к пониманию роли закона Архимеда для вёех существ, находящихся в водной среде. Начинаем беседу постановкой вопросов: почему рыба имеет более слабый скелет, чем существа, живущие на суше? Почему водоросли не нуждаются в твердых стеблях? Почему погибает под действием собственного веса кит, оказавшийся на мели? Такие необычные на уроке физики вопросы вызывают удивление учащихся. Они заинтересованы. Мы продолжаем беседу и напоминаем ребятам, что в воде нужно приложить значительно меньшую силу, чтобы поддержать товарища, чем на берегу (в воздухе). Суммируя все эти факты, направляя учащихся на правильную интерпретацию их, мы подводим ребят к далеко идущему обобщению о влиянии физического фактора (выталкивающей силы, которая в водной среде оказывается намного большей, чем в воздухе) на развитие и особенности строения водных существ и растений.
Законы Ньютона
Некоторые проявления инерции. Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. В это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны. Такой метод распространения семян довольно часто встречается в растительном мире.
В тропических зонах Атлантического и Индийского океанов часто наблюдают полет так называемых летучих рыб, которые, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и совершают при благоприятном ветре планирующий полет, покрывая расстояния до 200—300 м на высоте 5—7 м. Рыба поднимается в воздух благодаря быстрым и сильным колебаниям хвостового плавника. Вначале рыба несется по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает ее в воздух. Распластанные длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полет рыб стабилизируется хвостовыми плавниками; рыбы движутся лишь по инерции.
Плавание и третий закон Ньютона. Легко заметить, что в процессе движения рыбы и пиявки отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а плывущая рыба — взмаха
18
ми хвоста. Таким образом движение рыб и пиявок может служить иллюстрацией третьего закона Ньютона.
Полет и третий закон Ньютона. В основе полета насекомых лежит взмах крыльями (машущий полет). Управление полетом достигается почти исключительно крыльями. Меняя направление плоскости взмахов крыльями, насекомые изменяют направление движения: вперед, назад, полет на одном месте, повороты и т. д. Одни из самых вертких в -полете насекомых — мухи. Они часто делают крутые повороты вбок. Достигается это резким выключением крыльев одной стороны тела — движение их па мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается поворот и «торону от первоначального направления полета.
Самой большой скоростью полетй обладают бабочки-браж-нпки и слепни—14—15 м/сек. Стрекозы летают со скоростью 10 м/сек, жуки-навозники — до 7 м/сек, пчелы — до 6—7 м/сек. Скорость полета насекомых в сравнении с птицами мала. Однако если подсчитать относительную скорость (скорость, с которой перемещаются шмель, стриж, скворец и самолет на рас-( lomiiie, равное длине собственного тела), то окажется, чтр она будет меньше всего у самолета и больше всего у насекомых.
Еще Леонардо да Винчи изучал полет птиц в поисках путей пидания летательных аппаратов. Полетом птиц интересовался и II. Е. Жуковский, разработавший основы аэродинамики. Сейчас принцип машущего полета опять привлекает внимание само-лснктроителей *.
Реактивное движение в живой природе. Некоторые животные передвигаются по принципу реактивного движения, например кальмары, осьминоги (рис. 8), каракатицы. Морской моллюск-|ребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может дви-нггься вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной in раковины. Приблизительно так же передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку. и затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы III личи.
Гик как в этих случаях толчки отделены друг от друга зна-ЧИ1ГЛЫ1ЫМП промежутками времени, то большая скорость движения не достигается. Чтобы у подичилась скорость движении, иначе говоря, число реактивных импульсов в еди-
• Просмотр учебного кинофильм и «Особенности строения и мишенных отправлений птиц», выпущенного Ленинградской студией учебных фильмов в 1965 г.,
будет .ixeci. вполне уместным.	Рис. 8.
ницу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва. Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм — в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, — и проводят возбуждение со скоростью 25 м/сек. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч).
Ускорения и перегрузки, которые способны выдерживать живые существа. При изучении законов Ньютона можно познакомить учащихся с ускорениями, с которыми сталкивается человек в разных жизненных ситуациях.
Ускорения в л и ф т е. Максимальное ускорение (либо замедление) при движении кабины лифта при нормальном режиме работы не должно превышать для всех лифтов 2 м/сек2. При остановке «стоп» максимальная величина ускорения не должна превышать 3 м/сек2.
Ускорения в авиации. Когда тело испытывает ускорение, то говорят, что оно подвергается перегрузке. Величину перегрузок характеризуют отношением ускорения движения а к ускорению свободного падения g:
k = —.
g
При прыжке с парашютом возникают большие ускорения и, следовательно, перегрузки.
Если раскрыть парашют на высоте 1000 м через 15 сек после падения, то перегрузка будет около 6; раскрытие парашюта после такой же задержки на высоте 7000 м вызывает перегрузку, равную 12; на высоте 11 000 м при тех же условиях перегрузка будет почти втрое большей, чем на высоте 1000 м.
При приземлении с парашютом также возникают перегрузки, которые тем меньше, чем больше путь торможения. Поэтому перегрузка будет меньше при приземлении на мягкую почву. При скорости снижения 5 м/сек и погашении ее на пути около 0,5 м за счет сгибания коленей и туловища перегрузка равна примерно 3,5.
Максимальные, правда очень кратковременные, ускорения испытывает человек при катапультировании с самолета. При этом скорость вылета сиденья кз кабины равна примерно 20 м/сек, путь разгона-=-1—1,8 м. Максимальное значение ускорения достигает 180—190 м/сек2, перегрузка— 18—20.
Однако, несмотря на большую величину, такая перегрузка не опасна для здоровья, так как она действует кратковременно, примерно 0,1 сек.
20
Влияние ускорений на живые организмы. Рас- мотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении K-.'ia, в том числе и головы, поступают в специальный орган — вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует (иловной мозг об изменении скорости движения, поэтому его в.кивают органом акселерационного чувства. Размещается этот л и парат во внутреннем ухе.
Характеристики пороговых величин раздражений вестибу-•>|ирного аппарата, доходящих до сознания человека, а также < ретине ускорения при разных движениях приведены в । .(блице 3.
Таблица 3
Характер движения	Пороговая величина ускорения, ощущаемая человеком	Примеры движений и средняя величина ускорения
11<* равномерное в р.п нательное	Угловое ускорение	Быстрые танцы
.’шп/кспие	р — 1 сек2	Р — (0—1 и) сек2
Равномерное врата ггльное движение	Центростремительное ускорение а=1 м/сек*	Карусель, а=(3—4) м/сек* Самолет при выполнении фигур пилотажа, а=(20—80) м/сек*
11|Н1молинсй11ое движение	Линейное ускорение а=0,1 м/сек*	Лифт, а=(2—3) м/сек* Разбег спортсмена на старте, о=(8—10) м/сек* Катапультирование на самолете. а- -200 м/сек*
Каковы воздействия ускорений? Они зависят от величины ускорения, продолжительности перегрузки, от состояния орга-iiiiimii, от направления ускорений относительно осей тела человеки и других факторов.
Г’сли на человека действует ускорение в направлении от го-л<>вы к йогам, численно равное 2 g, то ощущается давление всего или на сиденье, напряжение мышц, но нарушений самочувствия Не пиблюдается.
При « == (2—4) g требуются большие усилия для удержания (пловы в вертикальном положении, ощущается затруднительно! и. дыхания, неприятные, а подчас болезненные ощущения от । мешения внутренних органов. Уменьшается точность движений, увеличивается число ошибок при оценке показаний приборов глмолета, из-за смещения подвижных участков кожи на лице МШ1МСГСЯ внешний облик человека.
21
При ускорениях в (4—5)g, помимо усиления вышеуказанных явлений, часто возникают зрительные нарушения («серая пелена»), при дальнейшем увеличении ускорений возникает утрата зрения («черная пелена»).
При воздействии ускорений величиной (5—6)g свыше 5 сек могут возникнуть нарушения сознания.
Все эти воздействия носят временный характер.
Легче переносятся ускорения, направленные от спины к груди, от груди к спине и от одного бока к другому. Поэтому очень важна соответствующая поза человека. Обязательным условием является общая физическая тренировка, приводящая к хорошему развитию мышц всего тела.
Кроме того, необходимо специально тренировать организм с целью увеличить выносливость к ускорениям. Такую тренировку осуществляют на специальных линейных ускорителях, в центрифугах и на других установках.
Применяются также специальные противоперегрузочные костюмы, конструкция которых обеспечивает фиксацию внутренних органов.
Интересно здесь вспомнить, что К. Э. Циолковский для повышения выносливости человека к действию ускорений предлагал помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Следует отметить, что подобная защита организма от ускорений достаточно широко распространена в природе. Так защищен зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери. К. Э. Циолковский помещал куриное яйцо в банку с раствором соли и сбрасывал ее с высоты. Яйцо при этом не разбивалось.
В настоящее время есть данные о подобных опытах с рыбами и лягушками. Помещенные в воду рыбы и лягушки выдерживали ускорения ударного характера порядка 1000 g и более.
Амортизатор меч-рыбы. В природе имеют место разнообразные приспособления, которые позволяют живым организмам безболезненно переносить перегрузки, возникающие при ускорении и торможении. Известно, что толчок при прыжке смягчается, если приземляться на полусогнутые ноги; роль амортизатора играет позвоночник, в котором хрящевые прокладки являются своего рода буферами.
Интересный амортизатор есть у меч-рыбы. Меч-рыба известна как рекордсмен среди морских пловцов. Ее скорость достигает 80—90 км/ч. Ее меч способен пробивать дубовую обшивку судна. Она же от такого удара не страдает. Оказывается, в ее голове у основания меча имеется гидравлический амортизатор — небольшие полости в виде сот, наполненные жиром. Они и смягчают удар. Хрящевые прокладки между позвонками у меч-рыбы очень толстые; подобно буферам у вагонов, они уменьшают силу толчка.
22
Простые механизмы в живой природе
В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами, например, у человека— кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры— первый позвонок), фаланги пальцев. У кошек рычагами являются подвижные когти; у многих рыб — шипы спинного плавника; у членистоногих — большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков — створки раковины.
Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.
Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Например, длинные ноги борзой и оленя определяют их способность к быстрому бегу; короткие лапы крота рассчитаны на развитие больших сил при малой скорости; длинные челюсти борзой позволяют быстро схватить добычу на бегу, а короткие челюсти бульдога смыкаются медленно, но сильно держат (жевательная мышца прикреплена очень близко к клыкам, и сила мышц передается на клыки почти без ослабления).
Рычажные элементы встречаются в разных частях тела животного и человека — это, например, конечности, челюсти.
Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 9, а). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы/?, no-
fl
Рис. 9.
23
Рис. 10.
зади — сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 9, б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила R — вес всего тела — приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.
В растениях рычажные элементы встречаются реже, что объясняется малой подвижностью растительного организма. Типичный ры-
чаг— ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень. Глубоко уходящий в землю корень сосны или дуба оказывает огромное сопротивление опрокидыванию (велико плечо сопротивления), поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем. Наоборот, ели, имеющие чисто поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.
Интересные рычажные механизмы можно найти в некоторых цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах.
Рассмотрим строение лугового шалфея (рис. 10). Вытянутая тычинка служит длинным плечом А рычага. На ее конце расположен пыльник. Короткое плечо Б рычага как бы стережет вход в цветок. Когда насекомое (чаще всего шмель) заползает в цветок, оно нажимает на короткое плечо рычага. Длинное плечо при этом пыльником ударяет по спинке шмеля и оставляет на ней пыльцу. Перелетая на другой цветок, насекомое этой пыльцой опыляет его.
В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, хвост, пальцы, тело змей и многих рыб). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг,
24
или сочетанием элементов, сравнительно негибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации (хобот слона, тело гусениц и др.). Управление изгибанием во втором случае достигается системой продольных или косо расположенных тяг.
«Колющие орудия» многих животных — когти, рога и т. д. по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость); клину подобна и заостренная форма головы быстроходных рыб. Многие из этих клиньев — зубы, колючки (рис. 11) имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота.
Деформации
Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Инте-
Рис. 11.
25
ресно, что на примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни. Деформации растяжения— верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; изгиба — позвоночник, кости таза, конечностей; кручения — шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т. д.
Для составления задач на деформации мы пользовались данными, приведенными в таблице 4.
Таблица 4
Внд ткани или вещества	Модуль упругости на растяжение, ТО7 н/ж2	Предел прочности на растяжение, 10’ н/м2	Предел прочности на сжатие, 10’ н/м2
Компактное вещество кости ....	2300	10—12	12—16
Грубоволокнистая соединительная ткань (сухожилия, связки) ....	100—150	5—7	—
Ткань нервных стволов 		8—12	1,2-1,5	—
Мышечная ткань .........	0,8—1,0	0,05-0,10	-—
Сталь 		20 000	80—100	120—150
Бетон 		—	—	5-5
Дерево		1000	8—10	4—5
Каучук 		1,2	5	—
Из таблицы видно, что модуль упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал.
Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8-107 н/м2, предельное напряжение, разрушающее кость бедра, около 13-107 н/м2. Соединительные ткани в связках, в легких и т. д. обладают большой эластичностью, например затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.
Конструкции, составленные из отдельных стержней (фермы) или пластин, сходящихся под углом 120°, обладают максимальной прочностью при минимальном расходе материала. Примером таких конструкций являются шестигранные ячейки пчелиных сот.
Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея птицы, тело змеи).
При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой; средние части заметной де-26
формации не испытывают. Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает вес установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей и стебли быстрорастущих растений — злаков (рис. 12), зонтичных и т. и. У подсолнечника и других растений стебель имеет рыхлую сердцевину. Молодые, неокрепшие листья злаков всегда бывают свернуты в трубочку.
Конструкции, подобные тавровой балке, встречаются в грудине птиц, в раковинах многих моллюсков, живущих в полосе прибоя, и др. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надежные опоры, не допускающие раздвигания ее концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на ее выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки; а в организмах — череп, грудная клетка, оболочки яиц, орехов, панцири жуков, раков, черепах и т. п.).
Падение живых существ. Галилео Галилей писал: «Кто не знает, что лошадь, упав с высоты трех-четырех локтей, ломает
Рис. 12. Трубчатое строение злаков (поперечный разрез стебля кукурузы).
27
себе ноги, тогда как собака при этом не страдает, а кошка остается невредимой, будучи брошена с восьми — десяти локтей, точно так же как сверчок, упавший с верхушки башни, или муравей, упавший на землю хотя бы из лунной сферы».
Почему мелкие насекомые, падая на землю с большой высоты, остаются невредимыми, а крупные животные гибнут?
Прочность костей и тканей животного пропорциональна площади их сечений. Сила трения о воздух при падении тел также пропорциональна этой площади. Масса же животного (и его вес) пропорциональна его объему. С уменьшением размеров тела его объем убывает значительно быстрее, чем поверхность. Таким образом, при уменьшении размеров падающего животного увеличивается сила торможения его о воздух (на единицу массы) по сравнению с силой торможения на единицу массы более крупного животного. С другой стороны, для более мелкого животного возрастают прочность костей и сила мышц (также на единицу массы).
Сравнивать прочность лошади и кошки при их падении не совсем верно, так как у них разное строение тела, в частности различны «амортизирующие» приспособления, смягчающие толчки при ударах. Более правильно было бы сравнивать тигра, рысь и кошку. Самой прочной среди этих кошачьих оказалась бы кошка!
«Строительная техника» в мире живой природы. После изучения темы «Твердое тело» полезно рассказать об аналогиях в «строительной технике природы» и технике, созданной человеком.
Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому же принципу — экономии материалов и энергии.
Издавна вызывают удивление и восторг разнообразные конструкции живой природы. Поразительна прочность и изящество сети паука, восхищает строительное искусство жилища медоносных пчел — строгая геометрия их сот, состоящих из правильных шестиугольных ячеек. Удивительны сооружения муравьев, термитов. Изумляют коралловые острова и рифы, образованные известковыми скелетами кораллов. Некоторые морские водоросли покрыты твердыми оболочками изящной формы. Например, перидинии одеты в причудливые панцири, образованные отдельными твердыми скорлупками. Они показаны при сильном увеличении на рисунке 13.
Еще разнообразнее морские радиолярии (простейшие животные), крошечные скелеты которых изображены на рисунке 14 (для сравнения под номерами 1—3 показаны снежинки).
В последнее время внимание строителей занимают образцы растительного мира. К. А. Тимирязев писал: «Роль стебля, как известно, главным образом архитектурная: это твердый остов
28
Рис. 13.
всей постройки, несущий шатер листьев, и в толще которого, подобно водопроводным трубам, заложены сосуды, проводящие соки... Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».
Если рассмотреть поперечные разрезы стебля и современной фабричной трубы, то бросается в глаза подобие их конструкций. Назначение трубы в том, чтобы создавать тягу и отводить вредные газы подальше от земли. По стеблю растения вверх от корней поднимаются питательные вещества. Как труба, так и стебель находятся под постоянным воздействием однотипных статических и динамических нагрузок — собственного веса, ветра и т. п. Вот причины их конструктивного сходства. Обе конструкции полые. Тяжи стебля, как и продольная арматура трубы, расположены по периферии всей окружности. Вдоль стенок
Рис. 14. Снежинки (1—3) и радиолярии (4—11} под микроскопом.
30
обеих конструкций имеются овальные пустоты. Роль спиральной арматуры в стебле играет кожица.
Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с траекториями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости человека и кривую крановую балку, работающую на изгиб под действием вертикальной нагрузки, распределенной на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.
Для современной архитектуры и строительной техники характерно внимание к лучшим «образцам» живой природы. Ведь современные требования — это прочность и легкость, которые легко могут быть удовлетворены применением в строительстве стали, железобетона, алюминия, армоцемента, пластмасс. ПТи-рокое применение приобретают пространственные решетчатые системы. Их прототипами являются «каркасы» стебля или ствола дерева, образованные из более прочной ткани, чем остальной материал растения, выполняющий биологические и изолирующие функции. Это и система прожилок листа дерева, и решетка корневых волосков. Такие конструкции напоминают корзины, проволочный каркас абажура, изогнутую решетку балкона и т. п. Итальянский инженер П. Нерви использовал принцип строения листа дерева в покрытии зала Туринской выставки, благодаря чему легкая и тонкая конструкция перекрывает без опор 98-метровый пролет. На обложке вашей книги изображено здание такого типа, похожее либо на раковину, либо на опрокинутую чашечку цветка.
Характерно применение пневматических сооружений, которые вполне соответствуют природным формам: форме фруктов, воздушных пузырей, кровеносных сосудов, листьев растений и т. п.
В целях упрочнения строительных материалов физикохимики обратились к изучению мельчайших структур и сейчас разрабатывают технологию производства сверхпрочных материалов, составленных из множества тончайших волокон, пленок и зерен по принципам, подсказанным природой. Для получения сверхпрочных конструкций, однако, недостаточно упрочнения строительных материалов. Известно, что костные конструкции иногда превосходят по ряду показателей стальные, но это происходит за счет «распределения» костного материала, по прочности уступающего стали.
Создавая ту или иную конструкцию, природа решает множество задач — учитывает необходимое сопротивление внешним механическим воздействиям и физико-химическим влияниям среды, обеспечивает растения водой, воздухом, солнцем. Все эти
31
задачи решаются комплексно, все подчиняется общей задаче, общему ритму жизни организма. В растениях не увидишь свободно подвешенных водопроводных капилляров, как в сооружениях человека. Помимо задачи равномерного и постоянного передвижения воды, они выполняют и механическую функцию, оказывая сопротивление внешним механическим воздействиям среды.
А если представить себе возможность самообновления конструктивного материала в период его эксплуатации, свойственную живой природе! По-видимому, и защита от вредных химических воздействий, от низких и высоких температур может быть найдена при изучении покровных тканей растений и животных.
Строительное искусство, вооруженное бионикой, создаст мир конструкций и зданий более естественный и совершенный, чем тот, к которому мы привыкли.
Мощности, развиваемые человеком
При прохождении темы «Работа и мощность» интересно сообщить некоторые сведения о мощности, которую способен развивать человек.
Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70—80 вт (или примерно0,1 л. с.). Однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз.
Так, человек весом в 750 н может за 1 сек вскочить на возвышение высотой в 1 м, что соответствует мощности в 750 вт. При быстром подъеме, например на 7 ступенек, каждая из которых высотой около 0,15 м, в течение 1 сек развивается мощность около 1 л. с. или 735 вт.
Недавно велогонщик-олимпиец Брайен Джолли показал на испытаниях мощность 480 вт в течение 5 мин, что составляет почти 2/3 л. с.
Для человека возможна моментальная, или взрывоподобная, отдача энергии, особенно в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 сек среднюю мощность около 5,2 л. с., а женщины — 3,5 л. с.
Приспособления для изменения подъемной силы
Интересные сведения о строении тела акул и осетровых рыб могут быть сообщены в связи с изучением вопроса о подъемной силе крыла самолета. Известно, что при посадке самолета, когда его скорость и, следовательно, подъемная сила невелики, необходимы дополнительные приспособления для увеличения подъемной силы. Для этой цели служат специальные щитки —
32
закрылки, расположенные на нижней поверхности крыла, служащие для увеличения кривизны его профиля. При посадке они отгибаются вниз.
Костные рыбы (к которым относится подавляющее большинство современных рыб) регулируют величину своей средней плотности и, соответственно, глубину погружения с помощью плавательного пузыря. Хрящевые рыбы не имеют такого приспособления. Подъемная сила у них изменяется за счет изменения профиля, подобно самолетам, например, акулы (хрящевые рыбы) меняют подъемную силу с помощью грудных и брюшных плавников.
Аппарат искусственного кровообращения (АПК)
Заканчивая изучение механики, Полезно рассказать учащимся об устройстве аппарата искусственного кровообращения.
При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце.
2—220
33
Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца — они поддерживают давление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции. Оксигенатор выполняет функции легких и обеспечивает насыщение крови кислородом.
Упрощенная схема аппарата показана на рисунке 15. Поршневые насосы 18 приводятся в действие электромотором 20 через регулятор 19-, последний устанавливает ритм и величину хода поршней насосов. Давление через наполненные маслом трубки передается насосам 4 и 9, которые с помощью резиновых диафрагм и клапанов создают необходимое разрежение в венозной части (насос 4) и сжатие в артериальной части (насос 9) физиологического блока аппарата. Физиологический блок состоит из циркуляционной системы, которая с помощью полиэтиленовых катетеров сообщается с крупными сосудами в месте выхода их из сердца и оксигенатором.
Кровь всасывается через воздушную ловушку 1, электромагнитный зажим 2, уравнительную камеру 3, выполняющую функции предсердия, и с помощью насоса 4 впрыскивается в верхнюю камеру 5 оксигенатора. Здесь кровь равномерно распределяется по столбу кровяной пены, заполняющей его среднюю камеру 6. Она представляет собой цилиндр из капроновой сетки, в дне которой расположен распределитель кислорода 7. Кислород равномерно через 30 отверстий поступает в камеру через образующийся на дне камеры слой воздуха. Общая поверхность пузырьков в пенном столбе равняется примерно 5000 см2 (при объеме крови 150—250 см3). В оксигенаторе кровь насыщается кислородом, отдает в окружающую атмосферу углекислоту и стекает в нижнюю камеру 8, откуда через насос 9, зажим 10 и воздушную ловушку 11 поступает в артериальную систему организма. Кислород поступает в оксигенатор через счетчик газа 17 и увлажнитель 16. В верхней части оксигенатора расположены пеногаситель 12 и отверстие для выхода газа. С оксигенатором через зажим 14 сообщается сосуд 15 с запасной кровью или кровезаменяющей жидкостью. Поступление крови из оксигенатора регулируется поплавком 13, связанным индуктивно с находящейся снаружи катушкой, которая управляет включением электромагнитных зажимов прибора.
Вопросы и задачи
При решении задач, связанных с живыми объектами, должна быть проявлена большая осторожность, чтобы не допустить ошибочного толкования биологических процессов.
Рассмотрим решение нескольких задач, предлагавшихся нами учащимся.
34
Задача 1. Как объяснить с помощью физических представлений, что в бурю ель легко вырывается вместе с корнем, а у сосны скорее ломается ствол?
Перед решением мы зачитывали характеристики этих деревьев *.
«Своими корнями, распространяющимися поверхностно, она (ель.— Ц. К.) может крепко оплетать камни, почему обладает необходимой устойчивостью и в горах, даже при очень тонком слое почвы, но так как у нее нет, как у сосны, вертикально уходящего вниз корня, то на равнинах отдельно стоящее дерево ели легко вырывается бурей вместе с корнем. Крона дерева образует огромную пирамиду».
«Сосна, растущая в лесу, образует высокий колоннообразный ствол и небольшую пирамидальную крону. Наоборот, растущая на чисто открытом месте, достигает лишь небольшого роста, зато крона ее широко разрастается».
Затем обсуждали с учащимися возможность применения правила моментов для решения задачи.
Нас интересует анализ только качественной стороны вопроса. Кроме того, нас интересует вопрос о сравнительном поведении обоих деревьев. Роль нагрузки в пашей задаче играет сила ветра FB- Можно силу ветра, действующую на ствол, сложить с силой ветра, действующего на крону, и даже предположить, что силы ветра, действующие на оба дерева, одинаковы. Тогда, по-видимому, дальнейшее рассуждение должно" быть следующим. Корневая система сосны глубже уходит в землю, чем у ели. За счет этого плечо силы, удерживающей сосну в земле, больше, чем у ели (рис. 16). Следовательно, чтобы вывернуть ель с корнем, требуется меньший момент силы ветра, чем для сосны; чтобы вывернуть сосну с корнем, требуется больший момент силы ветра, чем чтобы поломать ее. Поэтому ель чаще выворачивается с корнем, чем сосна, а сосна чаще ломается, чем ель.
Задача 2. Рассчитайте ускорение ступни и головы при торможении об пол, если известно, что скорость падения о = 3 м/сек, а величина прогиба пола s = l мм.
Найдем ускорение (замедление) для ступни.
1 М. И. Н е й ш т а д т. Определитель растений средней полосы Европейской части СССР. М., Учпедгиз, 1963.
/ 2*
Сначала определим среднюю скорость:
= — = 1,5 м/сек. ср 2
Тогда время, за которое произойдет деформация пола, будет равно:
t = —-— « 0,0007 сек. vcp
И для ускорения ступни получим значение:
а —----— « — 4300 м/сек2,
t
т. е. почти в 440 раз больше ускорения свободного падения! Это, конечно, не соответствует реальным условиям прыжка человека, так как человек прыгает на полусогнутые ноги; кроме того, хрящи позвоночника и конечностей, представляющие собой упругие прокладки, образуют своего рода амортизаторы.
При прыжке на ковер или при прыжке в обуви на толстой резиновой подошве деформация составляет приблизительно 10 мм, т. е. больше деформации деревянного пола в 10 раз. Следовательно, в такой же степени увеличится время торможения и уменьшится ускорение. Наоборот, при прыжке на очень твердую поверхность ее деформация практически равна нулю и .ускорение будет очень велико.
В противоположность ступне голова и туловище имеют примерно одинаковые ускорения как при прыжке на твердую поверхность, так и при прыжке на мягкий ковер. Это объясняется тем, что вследствие гибкости тела, прогиба ног в голеностопных суставах, изгиба колен увеличивается время и путь торможения тела.
Найдем величину перегрузки головы.
После того как человек коснется ногами деревянного пола, его голова продолжает движение и проходит при этом расстояние около 0,6 м (для случая опускания на полусогнутые ноги). Следовательно, в общей деформации тела и пола можно пренебречь деформацией пола ввиду ее малости.
Время, в течение которого произойдет остановка головы:
t
Ускорение головы: а
При изучении механики рекомендуем использовать следующие задачи.
1.	Известны средние скорости полета: вороны — 50 км/ч, скворца — 70 км/ч, стрижа—100 км/ч и почтового голубя — от 70 до ПО км/ч.
s 0,6 м п .
----= -—---------= 0,4 сек.
vcp 1,5 м!сек
-	=.—7,5 м/сек2.
0,4 сек
36
Выразите эти скорости в метрах в секунду.
2.	В таблице 5 даны средние скорости поднятия воды по стеблю (см/ч).
Таблица 5
Акация	150	Ива ломкая	80
Табак	120	Подсолнечник	70
Банан	100	Тыква	60
Виноград	100	Маис	30—40
Переведите эти скорости в метры в минуту, в метры в час.
3.	Скорость ласточек и стрижей 70 км/ч. При выкармливании птенцов «рабочий день» родителей иногда длится 18 ч. Сколько километров за это время они пролетают?
4.	Самое «быстроходное» млекопитающее — гепард (семейство кошачьих). На коротких дистанциях этот зверь может развивать скорость 90 км 1ч. Пользуясь таблицей скоростей легковых автомобилей, ответьте на вопрос: на какой автомашине можно догнать гепарда?
5.	Скорость роста бамбука 0,5 мм/мин. За сколько времени вырастает бамбук высотой 20 м>
6.	Спринтер пробежал 100 м за 10 сек. Какова его скорость в километрах в час?
7.	Конькобежец пробегает 500 м за 40,2 сек, 1500 м за 125,3 сек, 5000 м за 446,7 сек, 10 000 м за 926,1 сек. Сравните средние скорости на разных дистанциях.
8.	На соревнованиях по горным лыжам победители показали следующие результаты:
специальный слалом: длина 600 м, время 52 сек, гигантский слалом: длина 1850 м, время 144 сек, скоростной спуск: длина 3200 м, время 167 сек.
Сравните средние скорости и выразите их в километрах в час.
9.	Олимпийская чемпионка Л. Скобликова в 1964 г. показала следующие результаты: на дистанции 500 м время 45,0 сек, на дистанции 1000 м — 93,2 сек, а на дистанции 3000 м— 314,9 сек. Как меняется средняя скорость ее движения на разных дистанциях?
10.	Рассчитайте работу, совершенную Л. Жаботинским, толкнувшим штангу массой 217,5 кг на высоту 2,3 м. Определите развитую им при этом мощность, если время подъема 0,2 сек.
11.	Определите мощность, которую развивает лошадь весом 5000 н, совершая прыжок на высоту в 1 м за время 0,5 сек.
12.	Масса акулы 9,5 кг. Скорость ее движения 5 м]сек. Вычислите ее кинетическую энергию.
13.	Голубь весом 3 н набирает высоту 100 м в течение 20 сек. Какую мощность он при этом развивает?
37
14.	Прыгун весом 700 н преодолевает высоту 201 см за 0,4 сек. Найти мощность, которую он развивает.
15.	Найти работу, совершенную туристом при десятичасовом подъеме по снежному склону со скоростью 400 м/ч, если вес его с рюкзаком 950 н.
16.	Высота Эльбруса 5633 м. Поднимаясь до Приюта Одиннадцати, альпинисты набирали высоту по 300 м в час, а расстояние от Приюта до вершины (1000 м) прошли за 5,5 ч. Рассчитайте среднюю мощность на разных участках подъема. Во сколько раз изменилась (уменьшилась) работоспособность альпинистов на высоте около 5000 м (во время восхождения) по сравнению с их работоспособностью на подходах? Считать вес альпиниста с рюкзаком равным 820 н.
17.	Штангист показал мощность в 3000 вт в течение 0,3 сек при поднятии штанги весом в 1250 н. Какова высота подъема штанги?
18.	Почему при прополке сорняки не следует выдергивать из земли слишком резким движением, даже если они слабо удерживаются в почве?
19.	При выходе из воды животные встряхиваются. На каком законе физики основано освобождение их от воды?
20.	Какие физические законы используются при сортировке зерен веялкой?
21.	Почему в конце прыжка спортсмены опускаются на согнутые ноги?
22.	Какое значение имеют упругие волосы на подушечках лап зайца?
23.	Известно, что летающая рыба, спасаясь от хищника, взлетает на высоту до Юли совершает по инерции полет протяженностью до 30 м. Если предположить, что длительность полета 2 сек, то какова будет горизонтальная скорость рыбы? (Ответ: 15 м/сек или 60 км/ч.)
24.	По данным предыдущей задачи определите вертикальную составляющую скорости рыбы, результирующую скорость, время подъема и падения рыбы.
25.	Зная, что вес летающей рыбы равен 5 н, вычислите кинетическую энергию в момент отрыва рыбы от воды и в верхней точке траектории. Вычислите потенциальную энергию, которой обладает ее тело в верхней точке траектории (считая, что на поверхности воды потенциальная энергия равна нулю).
26.	Почему трудно удержать в руках живую рыбу?
27.	Почему некоторые рыбы при быстром движении прижимают к себе плавники?
28.	Для чего на уроках физкультуры при выполнении некоторых упражнений на снарядах ладони натирают магнезией, а подошвы — канифолью?
29.	Почему сильный ветер летом чаще ломает деревья, чем зимой?
38
30.	Почему овес мало страдает от ветра, почти никогда не ломается, не полегает?
31.	Объясните действие челюсти как рычага, покажите, где находятся точки приложения сил и почему получается выигрыш в силе.
32.	Объясните работу руки и стопы человека, применяя правило рычага.
33.	Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой?
34.	Почему утки и гуси ходят переваливаясь?
35.	Почему черепахи и некоторые жуки, опрокинутые на спину, обычно не могут самостоятельно перевернуться?
36.	Почему утка мало погружается в воду при плавании?
37.	Почему погибает кит, попавший на мель?
38.	Почему рыбы имеют гораздо более слабый скелет, чем существа, живущие на суше?
39.	Почему водоросли не нуждаются в твердых стеблях?
40.	Какие виды деформаций испытывают сухожилия? Стебли и корни растений? Стволы деревьев?
41.	Объясните действие шприца и медицинской банки.
42.	Насосы каких видов можно найти в нашем организме?
§ 2. Элементы биофизики при изучении колебаний и звука
Колебания в живой природе
Удивительны примеры колебательных систем в живой природе. Сердце — одна из самых совершенных колебательных систем этого рода. Правильность работы сердца определяется синхронной работой целых групп мышц, обеспечивающих попеременное сокращение желудочков и предсердий. Синхронизацией этой работы «заведует» специальный орган, так называемый синусный узел, вырабатывающий с определенной частотой синхронизирующие импульсы электрического напряжения. Если синхронный режим сокращения сердечных мышц нарушается, то могут наступить так называемые фибрилляции — хаотические сокращения отдельных волокон сердечной мышцы, которые, если не принять экстренных мер, приводят к гибели организма. Срочные меры заключаются в насильственной синхронизации сердца с помощью специального массажа или с помощью электрических импульсов от специального генератора. Иногда миниатюрный электронный генератор синхронизирующих импульсов даже вживляют в организм.
Биологические часы. Укажем еще примеры периодических процессов в биологии: многие цветы закрывают венчики с наступлением темноты; у большинства животных наблюдается годовая периодичность появления потомства; известно периодическое изменение интенсивности фотосинтеза у растений, колеба
39
ния испытывают размеры ядер в клетках, численность животных определенного вида, проживающих в данном районе, и т. д.
Зачем понадобились «часы» живым организмам? Ответить нетрудно. Все живое существует в периодически меняющихся внешних условиях: день сменяется ночью, прилив отливом; чередуются времена года и т. д. Ясно, что для наилучшего приспособления к периодическим внешним условиям полезно иметь свои «часы», чтобы знать заранее, когда, например, наступит ночь, и успеть к этому приготовиться. Важная особенность колебательных систем — способность к взаимной синхронизации. Только благодаря этому живые «часы» могут настраиваться правильно и из множества слабо связанных колебательных процессов возникает гармония периодического явления.
«Звуки» леса. «Звуки» леса (шелест) возникают из-за колебаний листьев под действием ветра и трения их друг о друга. Это особенно заметно на листьях осины, так как они прикреплены к длинным и тонким черешкам, поэтому очень подвижны и раскачиваются даже самыми слабыми воздушными токами.
Фляттер. В аэродинамике известно явление, называемое фляттером, представляющее собой вредные колебания крыла в полете. У скоростных самолетов эти колебания, происходящие с большой амплитудой, могут привести к ломке крыльев. Долго не могли найти средства гашения этих колебаний. Один из найденных впоследствии методов устранения фляттера оказался очень простым. У передней кромки на конце каждого крыла делалось утяжеление — оно гасило вредные колебания.
Природа в течение веков также выработала средство борьбы с фляттером. Особенно четко оно выражено у стрекоз. На каждом крыле в вершинной его части у переднего края имеется темное хитиновое утолщение. Удаление его не лишает стрекозу возможности летать, но нарушает правильность колебаний крыла, стрекоза начинает как бы порхать. Опыты показали, что эти утолщения регулируют колебания крыла, избавляют его от вредных колебаний типа фляттера.
Рис. 17.
40
Голосовой аппарат человека
Голосовой аппарат человека состоит из легких, гортани с голосовыми связками, глоточной, ротовой и носовой полости (рис. 17,а, б). Голосовые связки С являются звукопроизводящими частями голосового аппарата. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохождения воздуха (рис. 17,в). При разговоре голосовые связки напрягаются и приближаются друг к другу так, что между ними остается лишь узкий промежуток, так называемая голосовая щель (рис. 17,г). Когда воздух, выдыхаемый легкими, проходит через эту щель, голосовые связки приходят в колебание, причем частота колебаний может изменяться в зависимости от степени напряжения связок, впрочем, в довольно тесных границах. Звуковые волны, образующиеся в голосовой щели, весьма сложны и представляют собой наложение большого числа всевозможных тонов. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов. Изменяя форму этих полостей путем соответствующего расположения языка, зубов и губ, мы можем усиливать по желанию отдельные тоны звуковой волны, идущей из голосовой щели, и произносить тот или иной звук.
Голосовые связки с различно установленными резонансными полостями рта и глотки наиболее сильно колеблются при произношении гласных звуков. При образовании согласных звуков мягкое небо, кончик языка и губы приходят в самостоятельные колебания на различных участках. Эти колебания или сами по себе, или в соединении со смесью звуков, производимых голосовыми связками, образуют согласные звуки человеческой речи '.
Для речи человека достаточно четырех — шести топов октавы. При пении диапазон значительно шире.
Таблица 6
Частотный диапазон голосов певцов
	Голоса	Частотный диапазон голоса, ец
Мужские	Бас Баритон Тенор	80—350 100—400 130—500
Женские	Контральто Меццо-сопрано Сопрано	170—780 200—900 250—1000
	Колоратурное сопрано	260—1300
1 Строение и работу голосовых связок и всего голосового аппарата можно показать на препарате гортани с голосовыми связками либо на модели гортани. Для этой же цели может быть использован учебный кинофильм «Строение и функции органов дыхании».
41
Голоса в животном мире
Голосовой аппарат млекопитающих мало отличается от голосового аппарата человека. Однако по богатству тонов он ему уступает. У птиц преобладают обычно очень высокие и сильные звуки. Например, пение канарейки по громкости сравнимо с голосом человека, хотя по весу канарейка составляет менее 0,001 его веса.
Лягушки обладают весьма громкими и довольно разнообразными голосами. У некоторых видов лягушек имеются интересные приспособления для усиления звука в виде больших шарообразных пузырей по бокам головы, раздувающихся при крике и служащих сильными резонаторами *.
Звучание насекомых вызывается чаще всего быстрыми колебаниями крыльев при полете (комары, мухи, пчелы). Полет того насекомого, которое чаще машет крыльями, воспринимается нами как звук большей частоты и, следовательно, более высокий.
У некоторых насекомых, например кузнечиков, встречаются специальные органы звучания — ряд зубчиков на прыгательных ножках, задевающих за края крыльев и вызывающих их колебания. У некоторых жуков получаются довольно громкие скрипучие звуки при трении сегментов брюшка о твердые надкрылья. Звучащий аппарат цикад также приводится в действие колебаниями брюшка. В отличие от голосовых аппаратов позвоночных органы звучания насекомых совершенно не имеют отношения к процессу дыхания.
Понятие «высота тона» не всегда сразу усваивается учащимися. Для лучшего его усвоения можно наряду с физическими приборами (камертонами, музыкальными инструментами, осциллографом) использовать пластинки с записью пения птиц, кваканья лягушек (с параллельным наблюдением соответствующих картин на экране осциллографа).
Биоакустика рыб
До недавнего времени водные пространства считались миром безмолвия. Имела широкое хождение пословица «Нем как ры-' ба». В последнее время эта пословица полностью опровергнута. Наоборот, рыбам присуща хорошо развитая акустическая сигнализация, обеспечивающая возможность передачи и приема разнородной информации. Акустической связи способствуют благоприятные физические условия распространения звука в воде.
Биогидроакустика возникла в период второй мировой войны в связи с массовым применением подводной шумопеленгации. Уже в этот период было обнаружено большое количество раз-
1 В учебном фильме «Особенности строения и жизненных отправлений лягушек» показано это любопытное «применение» резонанса в живой природе.
42
нообразных интенсивных звуков, создаваемых водными организмами: рыбами, млекопитающими и ракообразными. Позднее все эти разнообразные звуки стали изучаться как сигналы связи между этими организмами.
Различные представители водной фауны обитают в разных условиях освещенности, прозрачности, давления и температуры, что обусловило разнообразие строения и работы органов излучения и приема звука. Их изучение, а также изучение физической структуры издаваемых звуков составило существенный раздел водной бионики, занимающейся, в частности, усовершенствованием гидроакустических приборов. Особенное значение имеет биоакустика рыб для рыболовства.
Звуки рыб разнообразны по происхождению. Прежде всего звуки возникают при движении стай рыб, они обусловлены гидродинамическими шумами и трением подвижных сочленений скелета. Длительность этих звуков зависит от продолжительности акта движения; соответствующие частоты лежат в низкочастотной области спектра.
Звуки могут быть также связаны с газовым обменом. Рыбы регулируют давление внутри плавательного пузыря и кишечника, выталкивая воздух из плавательного пузыря в кишечник или из кишечника через рот и анус в воду. Проталкивая воздух
а
5
Рис. 18.
43
через узкие отверстия, рыбы создают явления, подобные тем, которые возникают в свистке. Образующийся звук напоминает слабый писк. Такие писки слышали у карпа, сома, вьюна, усача, угря и др.
Возникают звуки и при захвате и перетирании пищи. Усиленные плавательным пузырем, эти звуки напоминают резкие щелчки и хрусты.
Издает звуки также плавательный пузырь. Его можно себе представить как тонкостенное сферическое тело, наполненное воздухом и помещенное в воду. При действии на такой «пузырьковый» излучатель внешней силы (толчок, удар, сжатие) он начинает колебаться, излучая в воду порции (импульсы) звуковых волн. Чаще всего плавательный пузырь приводится в колебание сжатием так называемых барабанных мускулов, расположенных по бокам тела рыбы.
Частотный диапазон звуков, издаваемых различными рыбами, лежит в пределах от 20—50 гц до 10—12 кгц. На рисунке 18 показан звуковой орган пресноводного барабанщика. Цифрами обозначены: 1 — плавательный пузырь; 2 — барабанные мускулы; 3 — огибающая дуга (а). 1 — общий характер сигнала (отметка времени 320 гц); 2— частотно-амплитудная характеристика (б).
Слуховой орган рыб — лабиринт, связанный со слуховым центром в продолговатом мозгу при помощи особых нервов. Различают два типа слуховых аппаратов рыб: аппараты, не имеющие связи с плавательным пузырем, и аппараты, составной частью которых является плавательный пузырь. Соединение плавательного пузыря с внутренним ухом осуществляется при помощи четырех пар сочлененных косточек. Рыбы со слуховым аппаратом второго типа обладают более развитым слухом. Таким образом, лабиринт служит органом, воспринимающим звуки, а плавательный пузырь имеет значение резонатора, усиливающего и определенным образом выделяющего звуковые частоты.
Как животные определяют направление звука
Ушная раковина представляет собой звукоулавливатель. У некоторых животных она сильно развита. Иногда по ее величине можно судить об остроте их слуха. Ушная раковина служит для определения того направления, откуда исходит звук: восприятие звука усиливается, когда раковина обращена своим раструбом к источнику; поэтому те животные, у которых ушные раковины могут поворачиваться (заяц, большинство копытных), способны определять направление опасности, не поворачивая головы; уши хищников обычно ориентированы почти неподвижно вперед — для выслеживания добычи.
44
НаЛичие двух ушей позволяет более надежно определять направление распространения звука; когда обе раковины расположены симметрично по отношению к источнику, колебания, воспринимаемые обоими ушами, оказываются в одинаковых фазах. Таким образом, наибольшая громкость воспринимаемого звука указывает на то, что плоскость, симметрии головы проходит через источник звука.
Слуховой аппарат человека
Ухо — необычайно чувствительный орган. В области частот, относящихся к речи (около 1500 гц), ухо еще может воспринимать звуки силой 10~16 вт/см2. Это так называемый порог слышимости. Благодаря большой чувствительности уха мы в состоянии слышать звук на значительном расстоянии от источника звука, даже если эти источники излучают небольшую энергию. Например, симфонический оркестр из 75 человек, играя очень громко (фортиссимо), излучает мощность всего в 60 вт, что соответствует мощности обычной настольной электрической лампы, а любой слушатель, где бы он ни находился в концертном зале, может наслаждаться его выступлением. Когда сила звука становится равной 10 вт/м2, ощущение звука переходит в боль. Эту величину называют болевым пределом. Таким образом, человек способен различать звуки, отличающиеся по мощности в 1013 раз.
Громкость звука — это величина физиологическая, определяющая степень слухового ощущения. Конечно, чем больше сила звука, тем он кажется громче, ио связь между этими величинами чрезвычайно сложная и неодинаковая для звуков различных частот. Громкость убывает гораздо медленнее, чем убывает сила звука. Только при убывании силы звука на 26% человек замечает, что громкость звука немного уменьшилась. Если сила звука уменьшится в 10 раз, человеку кажется, что громкость звука уменьшилась примерно в 2 раза.
Слуховой аппарат человека состоит из звукопроводящей и звуковоспринимающей части. Звукопроводящая часть (рис. 19, а) состоит из наружного слухового прохода Р, барабанной перепонки 77 и связанных с ней трех сочлененных между собой слуховых косточек: молоточка М, наковальни Н и стремечка С, которые расположены в полости, называемой средним ухом. Стремечко плоским основанием прикреплено к перепонке, закрывающей просвет отверстия (овальное окно), которое сообщается с костной полостью, называемой внутренним ухом.
Внутреннее ухо, или перепончатый лабиринт, представляет собой звуковоспринимающий аппарат, заключенный в костную капсулу сложной формы (рис. 19, б). Перепончатый лабиринт состоит из преддверия В с полукружными каналами и улиткой У.
46
Рис. 19.
Орган слуха одновременно служит и органом равновесия. Внутренняя полость перепончатого лабиринта заполнена жидкостью — эндолимфой, в которой взвешены кристаллики углекислой извести. Всякое изменение положения тела приводит их в движение, они раздражают чувствительные клетки внутренних стенок лабиринта. Раздражение передается окончаниям слухового нерва.
Улитка — спиральнозавитой канал, отходящий от преддверия. Вдоль всей длины канала улитки расположен собственно звуковоспринимающий аппарат уха — кортиев орган, состоящий из клеток, к которым подходят разветвления волокон слухового нерва. Вдоль всей длины улитки расположены две перепончатые перегородки, называемые основной и рейснеровой мембранами.
Основная мембрана О2И, натянутая вдоль всей улитки между костными выступами на внутренней и наружной стенках канала (рис. 19, г), состоит из эластичных волокон (их общее число порядка 20000), расположенных в поперечном направлении. В основании улитки эти волокна короткие (длиной около 0,04 мм), тонкие и более натянутые, у вершины — длинные (до 0,5 мм), более толстые и менее натянутые (рис. 19, в).
Звуковые колебания, действующие на барабанную перепонку П, через цепь слуховых косточек и перепонку овального окна передаются основной мембране. Звуковые колебания могут передаваться жидкости улитки также непосредственно через окру-
46
ЖМ1ОИ1ИС кости черепа, однако при этом не используется а вне слуховых косточек, и поэтому такая передача менее эфф тикка.
Звуковые колебания, достигая основной мембраны и расположенного на ней кортиева органа, приводят их в колебания с соответствующей частотой и амплитудой. Возникающие при этом нервные импульсы передаются в центральную нервную систему.
Способность уха различать звуки.по высоте и тембру связана с резонансными явлениями, происходящими в основной мембране. Действуя на основную мембрану, звуковая волна вызывает в ней резонансные колебания определенных волокон, собственная частота которых соответствует частотам гармонического спектра данного колебания. Нервные клетки, связанные с этими волокнами, возбуждаются и посылают нервные импульсы в центральный отдел слухового анализатора, где они, суммируясь, вызывают ощущение высоты и тембра звука.
Современные исследования показывают, что механизм восприятия звука сложнее. В зависимости от частоты колебания распространяются только на определенную часть длины вестибулярного и улиточного хода, за счет чего колебания возникают только на соответствующей части основной мембраны.
В таблице 7 приведены некоторые данные о силе звука и звуковом давлении для разных звуковых процессов.
Таблица 7
Сила авука» вт/м2	Звуковое давление. «/№	Примерные условия, соответствующие данным таблицы
Ю-1« IO"1' ю-1» 10-» 10-» 10“’ 10-® 10-* 10“4 ю-3 10~® 10-1 10 ИХ)	2-10-5 6,25-10"6 2-10-4 6,25-10-4 2-Ю-8 6,25-10'3 2-Ю-8 6,25-10“г 0,2 0,625 2 6,25 20,0 «2,Г>	Порог слышимости Шорох листьев в лесу. Слабый шепот па расстоянии 1 м Шепот средней громкости на расстоянии 1 м Тихая жилая комната Разговор вполголоса. Негромкая музыка Тихое учреждение. Слабая работа громкоговорителя Улица средней оживленности Громкий радиоприемник Шумное учреждение. Шум двигателя грузового автомобиля. Шум внутри трамвая Комната машинисток. Шумная улица Московский метрополитен. Автомобильный гудок В кабине пассажирского самолета. Автомобильная сирена Поезд-экспресс, большая скорость. Пневматический молот В открытом самолете с мощным двигателем. Реактивный двигатель на расстоянии 5 ж. Сильные удары грома Волевое ощущение
Метод выстукивания — перкуссия
Этот метод основан на закономерностях распространения звука. Как известно, при распространении звука происходит его поглощение и отражение, при определенных условиях возможны также резонансные явления. Как всякие упругие тела, части человеческого тела способны колебаться и издавать звуки. Если постучать согнутым пальцем по столу в разных его местах, то мы услышим разные звуки, что зависит от толщины досок и поперечин, от наличия пустого пространства в ящиках стола и т. п. Когда постукивают по такому участку тела, который состоит из мягких, пластичных тканей (кожа, жир, мышцы), то звук быстро затухает. Если ниже расположены достаточно упругие ткани или органы, то они, резонируя, усиливают колебания, соответствующие их собственной частоте колебаний. Последняя в свою очередь зависит от упругости, плотности, объема и формы тканей или органа. Хороший резонанс дают, например, полости тела, наполненные воздухом, кости и эластичные перепонки.
Сердце — гораздо более плотный орган, чем легкие, поэтому его границы легко определять методом выстукивания. Это позволило установить, что размеры сердца у людей, занимающихся разными видами труда, различны (под влиянием физической работы сердце увеличивается). Это же относится и к печени, границы которой, так же как и сердца, можно определить методом выстукивания.
Выслушивание — аускультация
Работа сердца и движение крови являются источником наслаивающихся друг на друга колебаний различной частоты и амплитуды. Сила звуков сердца, их частотный характер определяют звуковую картину, которая при прослушивании воспринимается в виде определенной «мелодии». Анализ этих звуков является основой распространенного метода, который называется выслушиванием. Он осуществляется посредством стетоскопа — трубки с небольшими расширениями на обоих концах. Более совершенный акустический прибор — фонендоскоп состоит из звукоулавливающей воронки с мембраной и двух резиновых трубок, идущих к ушам врача. В фонендоскопе звуки усиливаются за счет резонанса столба воздуха, находящегося в воронке, что облегчает выслушивание.
Регистрация звуков сердца и легких
В настоящее время широко практикуется запись на пластинки и магнитофонную пленку звуков, возникающих в сердце и легких здоровых и больных людей. Прослушивание соответству
48
ющих записей входит в программу обучения студентов — будущих врачей.
Графическая регистрация звуков сердца (фонокардиография) позволяет использовать для исследования звуков, возникающих в сердце, не только слух, но и зрение. Дополняя аускультацию (выслушивание), она значительно расширяет возможности, существующие в этой важной и трудной области. Силу звуков, и особенно их положение во времени, с помощью фонокардиографии оценивают гораздо точнее, чем это позволяет выслушивание. Результаты исследования носят документальный характер, что обеспечивает наблюдение за всем ходом болезни, облегчает преемственность в ведении больного.
В современных фонокардиографах микрофон (датчик) преобразует звуковые и механические колебания в колебания электрические. Последние усиливаются, фильтруются и регистрируются па бумаге или фотопленке.
Эхо в мире живой природы
Локационный аппарат летучих мышей представляет значительный интерес для ученых и техников, так как он обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Летучие мыши одного из видов легко обнаруживают проволоку диаметром менее 0,3 мм, несмотря на то что она дает слабый отраженный сигнал. Точность обнаружения препятствия очень высока и тогда, когда налицо шумы, интенсивность которых значительно превышает интенсивность принимаемого сигнала.
По мнению специалистов, представление о направлении мышь получает за счет сравнения сигналов, принимаемых ушами, которые подняты во время полета, как приемные антенны. Это подтверждается тем, что если одно ухо летучей мыши вывести из строя, то она совершенно теряет ориентацию. Ушная раковина летучей мыши устроена примерно так же, как и у человека, но диапазон принимаемых частот шире — от 30 гц до 100 кгц.
У разных видов летучих мышей эхолокационный аппарат устроен по-разному и для ориентации используются различные сигналы. Представители семейства кожановых издают ультразвуки с частотной модуляцией. Их частоты меняются в пределах от 90 до 40 кгц за время от 10 до 0,5 мсек.
Другое семейство летучих мышей — подковоносы используют для ориентации чистые тона частотой порядка 80 кгц в виде импульсов постоянной амплитуды длительностью в среднем около 60 мсек.
Внешне поведение в полете летучих мышей этих двух семейств различно. У кожановых прямые неподвижные уши, у подковоносов — непрерывные движения головой и вибрирование ушами. Выведение из строя одного уха не мешает подковоносу
49
ориентироваться. Но повреждение мускулов, управляющих движением ушей, лишает его способности летать
Изучение эхолокационных устройств разных представителей животного мира важно не только для разработки новых принципов радиолокации, но и для обеспечения работы этих устройств в условиях помех.
Для гидролокации оказались очень ценными исследования гидролокационного аппарата дельфинов — афалин.
Голоса дельфинов характеризуются широким диапазоном акустических колебаний — от нескольких сотен герц до 170 кгц. Все звучание дельфина разделяют на три класса: 1) свисты частотой от 4 до 18—20 кгц; 2) эхолокационные (ультразвуковые) щелканья частотой до 170 кгц\ 3) комплексные волны высокой амплитуды, слышимые как кряканье, мяуканье, жужжание, мычание, вой, стоны и т. д.
Наблюдения показали, что гидролокационный аппарат дельфинов превосходит существующие гидролокаторы не только по точности, но и по дальности действия. Дельфин может обнаруживать рыб, служащих ему пищей, а также различать их породу на расстоянии до 3 км.
Ультразвук, его роль в биологии и медицине
Ультразвуком называют не слышимые ухом колебания с частотой свыше 15 кгц.
Чувствительные приемники ультразвука показали, что ультразвук присутствует в шуме ветра и водопада, в звуках, производимых живыми существами. Выяснилось, что многие насекомые воспринимают ультразвук (сверчки, цикады, кузнечики). Восприятие ультразвука в диапазоне частот до 100 кгц обнаружено у многих грызунов. Известно, что и собаки слышат подобные колебания. Этим пользуются при подаче служебным собакам сигналов, которых не слышат окружающие люди. В последнее время обнаружено, что ультразвук излучают и воспринимают дельфины и киты.
Ультразвук называют дробящим звуком, так как его действие приводит к образованию эмульсий (если само раздробленное вещество является жидкостью) или суспензий (если раздробленное вещество —- твердое тело). При помощи ультразвука можно «смешать» ртуть с водой, масло с водой. Особенно большое значение приобрело ультразвуковое измельчение в фармакологии— для приготовления лекарственных веществ.
Ультразвук оказывает значительное физиологическое действие на живые организмы. Маленькие рыбки, головастики, инфузории погибают под действием ультразвукового излучения.
1 Для объяснения явления эхолокации в живой природе может быть использован учебный кинофильм «Рукокрылые».
50
Установлено, что воздействие ультразвуком на семена некоторых растений стимулирует их развитие, сокращает вегетационный период растений и увеличивает урожайность.
Очень интересны опыты по изучению микроструктуры органов и тканей в клинической практике. Это направление стало развиваться благодаря высокой технике регистрации отраженных слабых ультразвуковых сигналов. Этот метод ультразвуковой биолокации позволяет диагностировать злокачественные опухоли, опухоли мозга и инородные тела (кусочки дерева, стекла и т. п.) в тканях.
Аппарат — предсказатель шторма
Как уже давно заметили рыбаки и жители морских побережий, многие морские птицы и животные заблаговременно узнают о приближении шторма. Дельфины заплывают за скалы, киты уходят в открытое море, пингвины ложатся на снег и вытягивают свои клювы в направлении, в котором должна прийти буря или метель.
Многолетние наблюдения показали, что медуза задолго до приближения шторма спешит укрыться в безопасном месте на большей глубине. Оказывается, медуза способна улавливать недоступные уху человека инфразвуковые колебания (частотой 8—13 гц), хорошо распространяющиеся в.воде и появляющиеся за 10—15 ч до шторма.
У медузы имеются органы равновесия—статоцисты. Статоцист представляет собой пузырек, в котором находятся сферические известковые статолиты (камешки). Изменение положе-
Рис. 20.
51
ния тела медузы в толще воды сопровождается перемещениями статолитов, которые ощущаются чувствительными клетками, расположенными в стенке пузырька.
В приборе, имитирующем «орган слуха» медузы (рис. 20), имеется рупор, улавливающий колебания воздуха, резонатор, пропускающий колебания нужных частот, пьезодатчик, преобразующий эти колебания в импульсы электрического тока. Далее эти импульсы усиливаются и измеряются. Такой прибор позволяет определять наступление шторма за 15 ч.
Вопросы и задачи
1.	Назовите примеры биологических часов.
2.	Как возникают лесные шумы?
3.	От чего зависит частота звука, издаваемого насекомыми при полете?
4.	Почему бесшумен полет бабочки?
5.	Рабочая пчела, вылетевшая из улья за взятком, делает в среднем 180 взмахов крыльями в секунду. Когда же она возвращается с грузом, количество взмахов у нее возрастает до 280. Как это отражается на звуке, который мы слышим?
6.	Известно, что у многих лягушек имеются большие шарообразные пузыри по бокам головы, которые раздуваются при крике. Каково их назначение?
7.	Верно ли выражение «Нем как рыба»?
8.	Почему летучие мыши даже в полной темноте не налетают на препятствия?
9.	Назовите сходные элементы в голосовом аппарате человека и в музыкальных инструментах.
10.	Что общего между наружным ухом и звукоуловителем?
§ 3. Элементы биофизики при изучении теплоты и молекулярных явлений
Первоначальные сведения о строении вещества
При изучении элементарных сведений о строении вещества следует проводить ту идею, что все — как в неживой, так и в живой природе — состоит из отдельных малых элементов. Эти элементы сами состоят из еще более мелких частиц, а те в свою очередь из молекул и атомов. Размеры их столь малы, что представить себе их очень трудно. Точка в обычном газетном шрифте примерно в миллион раз больше одной молекулы воды. Невооруженным глазом мы не способны увидеть ни красные кровяные тельца, входящие в состав крови, размеры которых измеряются микронами, ни. тем более, бактерии, размеры которых гораздо меньше. Увидеть их удалось лишь в микроскоп. И лишь много позднее, с применением еще более совершенного
52
прибора — электронного микроскопа, — удалось показать, что все мельчайшие клетки и Одноклеточные организмы, из которых состоит все живое, образованы из сравнительно крупных молекул (состоящих в свою очередь из большого числа атомов).
Процессы диффузии в живой природе
Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмом и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание — типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода Ог и углекислого газа СО2 через стенку легочного пузырька (рис. 21). Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание — диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы — происходит тем быстрее, чем больше поверхность соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых размеры поверхности велики сравнительно с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов
Рис. 21.
53
более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, если покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам — максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покрова. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр). Для деревьев наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функции не только дыхания, но частично и питания *.
Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели обитателей водоема. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для употребления в качестве аквариумов.
Капиллярные явления. Смачиваемость
При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузионными явлениями. Приведем некоторые данные для организма человека.
Площадь поперечного сечения аорты 8 см1 2, а общая площадь сечения всех капилляров примерно 3200 см2, т. е. площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока — от 20 см/сек в начале аорты до 0,5 мм/сек в капилляре.
Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5 мм. В теле взрослого человека имеется до 160 миллиардов капилляров.
Общая длина капилляров достигает 60—80 тыс. км-, через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до двух тысяч капилляров 2.
1 Диффузионные процессы, обеспечивающие газообмен между кровеносными сосудами и легочными пузырьками, а также капиллярные явления в организме человека показаны в учебном фильме «Строение и функции органов дыхания».
2 Роль капиллярных явлений в организме показана в учебном фильме «Кровообращение», движение соков по капиллярам растений и всасывающая роль корневой системы — в учебном фильме «Строение и рост корня».
54
Физической моделью сердеч-но-сосудистой системы может служить система из множества	'-W5 т' ра»
разветвленных трубок с упруги-	^=- —-^=~=г
ми стенками. По мере развет-	а	/	и
вления общее сечение трубок возрастает и скорость движения	_-т_-г±	--
жидкости соответственно умень- q	J
шается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из	Рис- 22‘
множества узких каналов, потери на внутреннее трение около их стенок при этом сильно возрастают и общее сопротивление движению жидкостей (несмотря на снижение скорости) значительно увеличивается.
Следует рассказать учащимся, что роль поверхностных явлений в жизни животного мира очень разнообразна. Например, поверхностная пленка воды используется многими организмами в качестве опоры при движении. Такая форма движения встречается у мелких насекомых и паукообразных. Наиболее известны водомерки, опирающиеся на воду только конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая воскообразным налетом, не смачивается водой (рис. 22, а), поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов (рис. 22, б); но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней.
Некоторые животные, обитающие в воде, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью особых несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров (в том числе и малярийных).
Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез, что объясняет их непро-мокаемость. Толстый слой воздуха, заключенный между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает ее «запас плавучести», действуя подобно спасательному поясу. Воскообразный налет на листьях препятствует заливанию так называемых устьиц, которое могло бы привести к нарушению правильного дыхания растений; наличием того же воскового налета объясняется водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах и т. д.
Теплоизоляция в жизни животного мира
Защитная роль покровов животных, а также одежды человека заключается в том, что они задерживают конвекционные потоки, замедляют испарение, ослабляют или совсем прекращают лучеиспускание; наибольшее значение имеет прекращение кон
55
векционных потоков. Иногда считают, что одежда, мех и пр. защищают от охлаждения вследствие их малой теплопроводности. Но это неверно: теплопроводность окружающего воздуха не больше, а меньше теплопроводности одежды или меха. С другой стороны, жители пустынь, спасая себя от жаркого солнца, носят теплые ватные халаты и меховые шапки. В условиях пустыни в ватном халате гораздо прохладнее!
Тепло излучается всегда с поверхности, а запас его распределен по всему объему тела. При уменьшении размеров тела поверхность уменьшается медленнее, чем его объем. Поэтому малые организмы построены менее экономично в смысле сохранения энергии. При прочих равных условиях малые организмы нуждаются в более совершенной защите от теплопотерь.
Для того чтобы сохранить температуру тела постоянной, животное должно либо уменьшить потери тепла эффективной защитой, либо увеличить производство тепла. Это достигается весьма разнообразными способами.
Давно замечено, что величина животного, размер его ушей, хвоста, лап играют важную роль в экономии тепла. Уши, например, всегда меньше у животных холодных областей, чем у животных, обитающих в теплых краях.
Прежде всего важен защитный покров, будь то шерсть, перья или жировой слой. Защитная роль шерстного покрова хорошо известна. Благодаря ему ездовая собака, например, может спать на снегу при температуре — 50°С. С приближением зимы мех ее густеет, становится длиннее. Не менее эффективны и перья. Пингвины могут жить при очень низких температурах. Перья и шерсть не просто пассивная оболочка. Распушив шерсть, перья, животные образуют воздушную подушку с высокими теплоизоляционными свойствами.
Всем известна защитная роль жира. Несмотря на то что у китов, тюленей, моржей голая шкура, которая имеет толщину 2—3 мм, они часами плавают в ледяной воде. Под кожей у них находится толстый слой жира, который хорошо задерживает утечку тепла. Жировые запасы императорского пингвина достигают 10—15 кг на 35 кг общей массы.
Кончик носа и кончики лап не могут быть покрыты шерстью, перьями или жиром, так как иначе они не выполняли бы своих основных функций. Существуют особые механизмы для сохранения тепла в незащищенных местах, действующие за счет теплообмена в пучках кровеносных сосудов, где соприкасаются вены и артерии.
Температура лапы (или плавника) по ее длине постепенно снижается и на конце достигает температуры среды. Например, температура тела белой куропатки может превышать температуру ее лап на 38°. Это очень важно. Ведь если бы лапы, соприкасающиеся со снегом, были теплыми, то снег под ними растаял бы и птица примерзла бы к насту.
S6
Пчелиный улей с точки зрения теплотехники
Во всех уголках земного шара одинаково устройство гнезд пчел: сверху вниз отвесно спускаются прикрепленные к потолку соты. Они представляют удивительное теплотехническое сооружение! Соты надежно облицованы пчелиным клеем и воском, заделаны мельчайшие щели и трещины. Тепло, выделяемое пчелами, используется полностью. В окраинных зонах улья температура ниже, чем в центре. Эти зоны занимают соты, заполненные медом. Благодаря низкой теплопроводности воска и меда в центре поддерживается температура, необходимая для нормального развития яиц, личинок, куколок.
Разница в температурах краевых участков ульев обеспечивает вентиляцию гнезда. Кроме того, имеется группа пчел-вен-тилятортциц, которые, располагаясь правильными рядами, осуществляют «лет на месте». Они создают тем самым воздушные потоки, достаточные для вентиляции всего гнезда.
Почему мы краснеем в жару, а в холод бледнеем и дрожим?
Известно, что мы краснеем в жару и бледнеем и дрожим от холода. Это объясняется следующим образом. Самая нормальная для человека температура окружающей среды 18—20° С. Если она становится выше 25° С, то возбуждаются кожные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы сосудорасширяющим мышцам происходит расширение сосудов кожи. В кожу притекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть тепла путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме усиливается обмен веществ и увеличивается выделение энергии в мышцах, благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которое мы называем «дрожью».
Роль процессов испарения для животных организмов
Испарение — это наиболее легко регулируемый способ уменьшения внутренней энергии. Всякие условия, затрудняющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, кожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тела.
Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение, оно обеспечивает постоянство температуры тела че
57
Wi,".'
ловека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.
Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведет к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если еще при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится еще тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).
Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведет к его обезвоживанию.
Очень интересны с точки зрения терморегуляции и роли процессов испарения некоторые живые существа. Известно, например, что верблюд может две недели не пить. Объясняется это тем, что он очень экономно расходует воду. Верблюд почти не потеет даже в сорокаградусную жару. Его тело покрыто густой и плотной шерстью — шерсть спасает от перегрева (на спине верблюда в знойный полдень она нагрета до восьмидесяти градусов, а кожа под ней — лишь до сорока!). Шерсть препятствует и испарению влаги из организма (у стриженого верблюда потоотделение возрастает на 50%). Верблюд никогда, даже в самый сильный зной, не раскрывает рта: ведь со слизистой оболочки ротовой полости, если открыть широко рот, испаряется много воды! Частота дыхания верблюда очень низка — 8 раз в минуту. За счет этого меньше воды уходит из организма с воздухом. В жару, однако, частота дыхания его увеличивается до 16 раз в минуту. (Сравните: бык при этих же условиях дышит 250, а собака — 300—400 раз в минуту.) Кроме того, температура тела верблюда понижается ночью до 34°, а днем, в жару, повышается до 40—41°. Это очень важно для экономии воды. У верблюда имеется также очень любопытное приспособление для сохранения воды впрок. Известно, что из жира, когда он «сгорает» в организме, получается много воды —107 г из 100 г жира. Таким образом, из своих горбов верблюд при необходимости может извлечь до полуцентнера воды.
С точки зрения экономии в расходовании воды еще более удивительны американские тушканчиковые прыгуны (кенгуровые крысы). Они вообще никогда не пьют. Кенгуровые крысы живут в пустыне Аризона и грызут семена и сухие травы. Почти вся вода, которая имеется в их теле, эндогенная, т. е. получается в клетках при переваривании пищи. Опыты показали, что из 100 г перловой крупы, которой кормили кенгуровых крыс, они получали, переварив и окислив ее, 54 г воды!
Б8
В теплорегуляции птиц большую роль играют воздушные мешки. В жаркое время с внутренней поверхности воздушных мешков испаряется влага, что способствует охлаждению организма. В связи с этим птица в жаркую погоду открывает клюв.
Испарение в жизни растений
Для нормального существования растительной клетки необходимо ее насыщение водой. Для водорослей оно является естественным следствием условий их существования, у растений суши достигается в результате двух противоположных процессов: поглощения воды корнями и испарения. Для успешного фотосинтеза хлорофиллоносные клетки наземных растений должны поддерживать самое тесное соприкосновение с окружающей атмосферой, снабжающей их необходимым для них углекислым газом; однако это тесное соприкосновение неизбежно приводит к тому, что насыщающая клетки вода непрерывно испаряется в окружающее пространство, и та же солнечная энергия, которая доставляет растению необходимую для фотосинтеза энергию, поглощаясь хлорофиллом, способствует нагреванию листа, а тем самым и усилению процесса испарения.
Очень немногие, и притом низкоорганизованные, растения, например мхи и лишайники, могут выдерживать длительные перерывы в водоснабжении и переносить это время в состоянии полного высыхания. Из высших растений к этому способны лишь некоторые представители скальной и пустынной флоры, например осока, распространенная в песках Каракумов. Для громадного большинства высших растений такое высыхание было бы смертельно, а потому расход воды у них примерно равен ее приходу.
Чтобы представить себе масштабы испарения воды растениями, приведем такой пример: за один вегетационный период одно растение подсолнечника или кукурузы испаряет до 200 кг и более воды, т. е. солидных размеров бочку! При таком энергичном расходовании требуется не менее энергичное добывание воды. Для этого служит корневая система, размеры которой огромны. Точные подсчеты числа корней и корневых волосков для озимой ржи дали следующие удивительные цифры: корней оказалось почти четырнадцать миллионов, общая длина всех корней 600 км, а их общая поверхность около 225 м2. На этих корнях было около 15 миллиардов корневых волосков общей площадью в 400 м2.
Количество воды, расходуемое растением в течение своей жизни, в большой степени зависит от климата. В жарком сухом климате растения потребляют не меньше, а иногда даже больше воды, чем в климате более влажном, у этих растений более развита корневая система и меньшее развитие имеет листовая поверхность. Меньше всего расходуют воду растения сырых, те
69
нистых тропических лесов, берегов водоемов: у них тонкие широкие листья, слабые корневая и проводящая системы. У растений засушливых местностей, где воды в почве очень мало, а воздух горяч и сух, наблюдаются разнообразные приемы приспособления к этим суровым условиям. Интересны растения пустынь. Это, например, кактусы — растения с толстыми мясистыми стволами, листья которых превратились в колючки. У них незначительная поверхность при большом объеме, толстые покровы, мало проницаемые для воды и водяного пара, с немногочисленными почти всегда закрытыми устьицами. Поэтому даже в сильную жару кактусы испаряют мало воды.
У других растений зоны пустынь (верблюжьей колючки, степной люцерны, полыни) тонкие листья с широко открытыми устьицами, которые энергично ассимилируют и испаряют, за счет чего значительно снижается температура листьев. Часто листья бывают покрыты густым слоем серых или белых волосков, представляющих как бы полупрозрачный экран, защищающий растения dt перегревания и снижающий интенсивность испарения.
Многие растения пустынь (ковыль, перекати-поле, вереск) имеют жесткие кожистые листья. Такие растения способны переносить длительное завядание. В это время их листья скручиваются в трубку, причем устьица находятся внутри нее.
Условия испарения зимой резко меняются. Из мерзлой почвы корни не могут всасывать воду. Поэтому за счет листопада уменьшается испарение влаги растением. Кроме того, при отсутствии листьев меньше снега задерживается на кроне, что предохраняет растения от механических повреждений.
Растение-компас. Интересной иллюстрацией приспособления растения к условиям своего обитания и роли процессов испарения в нем является растение-компас, описание которого мы берем из увлекательной книги А. Кернера «Жизнь растений» ’.
«Сложноцветные растения, встречающиеся в прериях Северной Америки, — многолетние Silphium lacinitum давно обратили на себя внимание охотников в прериях тем свойством, что пластинки их листьев, особенно отходящих от нижней части стебля, занимают не только вертикальное положение, но всегда расположены так, что один бок листа направлен к восходу, а другой — к закату солнца. Все живое растение производит такое впечатление, как будто его положили между двумя громадными листами бумаги, несколько сдавили и высушили, как это делается с растениями, когда их приготовляют для гербария, а затем вынули из-под пресса и поставили таким образом, что концы и профиль вертикальных листовых пластинок обращены к северу и югу, совсем как у магнитной иглы, а широкие стороны смотрят на запад и на восток. Это направление сохраняется
1 А. Кернер. Жизнь растений. СПб, 1904—1917.
60
живым растением прерий так хорошо, что охотники могут в туманную погоду отлично ориентироваться по этому растению, почему оно и было названо растением-компасом. Для самого растения такое положение его дает то преимущество, что утром и вечером, когда бывает прохладно и сравнительно светло, листовые пластинки хорошо освещаются, но при этом мало нагреваются и не слишком много испаряют воды, зато в полдень, когда солнцем освещаются только края листьев, нагревание и испарение относительно очень ничтожны».
Закон сохранения и превращения энергии
При изучении закона сохранения и превращения энергии важно подчеркнуть роль ученого Р. Майера, который первый его сформулировал, причем исходил в своих наблюдениях с позиций врача-естествоиспытателя, внимание которого привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови людей в странах умеренного и тропического поясов и пришел к выводу, что «температурная разница» между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Осмысливая эти наблюдения па основе принципа, что «ничто не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841 г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.
Ряд исследований Майера посвящен выявлению энергетических процессов у растений и животных. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи.
Он первым вполне определенно высказал мнение, что между жизнедеятельностью растений и солнечным светом должна существовать количественная связь, т. е. применил идею закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза (созданию органических веществ — углеводов из углекислого газа и воды при участии солнечного излучения).
Излагая закон сохранения и превращения энергии, желательно проиллюстрировать его примерами превращений одного вида энергии в другой, происходящих в живых организмах. Для этого можно использовать таблицу 8, в которой показаны разнообразные превращения энергии в живых клетках.
Интересно также сделать расчеты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов. Мы знаем, что
61
Таблица 8
Превращение	Где оно происходит
химической энергии в электрическую звуковой энергии в электрическую световой энергии в химическую световой энергии в электрическую химической энергии в механическую химической энергии в световую химической энергии в электрическую	нервные клетки, головной мозг внутреннее ухо хлоропласты (растения) сетчатка глаза мышечные клетки, реснитчатый эпителий органы свечения (светляка и других живых существ) органы вкуса и обоняния
работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества тепла.
В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счет притока тепла извне, т. е. живой организм не может работать, как тепловая машина. Это можно показать простым расчетом. Известно, что к. п. д. тепловой машины:
к.п.д.
Л
где 7'1 и Т2 — соответственно температура источника тепла и холодильника в абсолютной шкале температур.
Попытаемся определить температуру мышцы (Тг), предполагая, что она работает, как тепловая машина, при температуре 1 +25°С с к.п.д. 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника 7'2=298° К и к. п.д.» Уз, получим	i
Л-298°К	откуда Т1 = 447оК> или 174оС
7\	3
Таким образом, если бы мышца работала, как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры +174° С. Это, разумеется, нереально, так как белки, как известно, денатурируют при температуре 40—60°С.
Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.
Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, измерить количество выделенного им тепла и сравнить эту величину с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью еще в 1780 г. Лавуазье
62
и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенного тепла и углекислого газа. После этого определяли количество тепла, выделяющегося при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получались близкие величины.
Более точные результаты были получены при измерении количеств тепла, углекислоты, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.
Интересно отметить, что в живом организме, где основными видами энергии являются химическая, электрическая и механическая, не наблюдаются процессы, протекающие с к.п.д. 100%. Это объясняется необратимостью биологических процессов.
Таблица 9
Величины к.п.д. некоторых биологических процессов
Биологический процесс		К.п.д.. %
Свечение бактерий Сокращение мышц Фотосинтез		до 90 30 75
Вопросы и задачи
1. Красные кровяные шарики крови человека представляют собой диски диаметром приблизительно 7-10~6 м и толщиной 10-6 м. В каждом кубическом миллиметре крови содержится около 5• 106 таких дисков.
а)	Если в теле взрослого человека 5 л крови, то сколько содержится в ней красных кровяных шариков?
б)	Масса молекулы гемоглобина составляет' около 6,8 -104 а. е. м. Сколько молекул гемоглобина должно содержаться в одном красном кровяном шарике, если плотность гемоглобина 1 кг1мг и если мы будем считать, что красные кровяные шарики состоят полностью из гемоглобина? (1 а. е. м = 1,66- 10~27ке.)
2.	Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?
3.	Какую роль в жизни растений играет восковой налет на поверхности листа?
4.	Чем объясняется непромокаемость перьев и пуха водоплавающих птиц?
5.	Почему в холод многие животные свертываются в клубок, а в жару, наоборот, стремятся увеличить свою свободную поверхность (кошки, собаки) ?
63
6.	Каким образом мех, пух, перья на теле животных, а также одежда человека защищают от охлаждения?
7.	Какую роль играет сезонное изменение длины и густоты оперения (летом оперение всегда короче и рыхлее, а зимой — длиннее и гуще) ?
8.	Почему кожаная, резиновая, клеенчатая и синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тела?
9.	Верно ли, что ласточки, летающие низко над землей, предвещают приближение дождя?
10.	Если в жаркий день приложить к щеке лист растения, то можно почувствовать, что он прохладный. Почему?
11.	Почему животные малых размеров потребляют относительно большое количество пищи?
12.	Известно, что эмаль и дентин обладают неодинаковыми коэффициентами расширения, причем эмаль— вещество хрупкое. Как с этим согласуются предостережения зубных врачей от употребления очень горячей или очень холодной пищи и воды?
13.	В горячих цехах и в цехах, где имеются вредные испарения и источники пыли, устанавливают кондиционеры. Каково их назначение? (Они обеспечивают в помещении условия, наиболее подходящие для жизни человека — температуру, влажность, движение воздуха, — независимо от климатических условий внешней среды.)
§ 4. Элементы биофизики при изучении электричества
Электрические свойства тканей организма
Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов, растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками.
Удельную электропроводность различных тканей организма при постоянном токе можно охарактеризовать ориентировочными данными, приведенными в таблице 10.
Таблица 10
Ткань	Удельная электропроводность, ОМ~* • м~~1
Спинномозговая жидкость	1.8
Сыворотка крови	1.4
Кровь	0,6
Мышца	0,5
Внутренние органы	(2—3)-10-1
Мозговая и нервная ткани	0,07
Жировая ткань	0,03
Кожа сухая	ю-»
Кость без надкостницы	IO’11
64
I Вукет цветов. Левая половина рисунка изображает, нак видит человек с обычным зрением. Правая — как видит пчела («ультрафиолетовая" окраска обозначена условно: белым с фиолетовым в шахматном порядке).
750	700	650	500	550	500	450	400
_1 j__।—ц t_1_L_L_i_i_l .1	1_। 1.1_из -1-1..1 1_। । । I ।	।_।_। I ।	। 1 । I ।	।
Спектр гемоглобина.
Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови; значительно меньше электропроводность внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, которые следует отнести к диэлектрикам, являются роговой слой кожи, сухожилия
и, особенно, костная ткань без
надкостницы.
Электропроводность отдельных участков тканей или областей организма, находящихся между электродами, наложенными на поверхность тела, зависит главным образом от сопротивления слоя кожи и подкожно-жировой клетчатки. Пройдя через этот слой, ток разветвляется и идет через более глубоко лежащие ткани множеством параллельных ветвей по путям наименьшего сопротивления. Эти пути лежат вдоль кровеносных и лимфатических сосудов, оболочек нервных стволов и т. п. Пути тока в живом организме могут быть очень сложными.
Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа — весьма плохой проводник.
В структуре тканей имеются системы, состоящие из двух хорошо проводящих ток сред (тканевая жидкость), разделенных плохим проводником или диэлектриком. Например, в основном структурном элементе тканей—клетке у наружного слоя протоплазмы (клеточной мембраны или оболочки) — весьма низкая электропроводность, а у остальной части протоплазмы и омывающей клетку тканевой жидкости достаточно высокая проводимость. Такие системы в электрическом отношении подобны конденсаторам. При прохождении по тканям электрического тока
имеют место поляризационные явления, например происходит скопление зарядов (ионов) у полупроницаемых перегородок. Это также придает тканям емкостные свойства.
Таким образом, эквивалентная схема тканей организма состоит из сопротивлений и конденсаторов, включенных последовательно (например, для слоя кожи и подкожной клетчатки) или параллельно (для глубоколежащих тканей); например, конечность, на которую наложены электроды, имеет сопротивление /? порядка 1000—3000 оя и емкость 0,01—0,02 мкф. Проводимость такого участка зависит от частоты.
При действии переменного тока должен учитываться импеданс тканей. Для простейшей схемы из последовательно вклю-
3—220
65
ченных R и С (рис. 23) импеданс определяется так;
Za = 7?2 + Xc, Z=/₽2+ Хс=1Л ₽2 + (-^-Y.
Если же сопротивление и емкость соединены параллельно, то 1_1.1	_	1
Z2" ~ х2 . откуда Z = д-г---------—
ЛС	П/ 2_ + <о2С2
Импеданс тканей организма зависит от ряда физиологических условий, в частности от кровенаполнения. На этом основан метод исследования функции кровообращения, называемый ре-ографией. При этом методе регистрируют изменение импеданса участка тканей (чаще на конечностях), на границы которого накладывают электроды.
Электрический ток, проходя через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани организма. Степень возникающих изменений зависит от величины тока и частоты его. Прохождение по телу человека промышленного тока (частота 50 гц) в 3 ма вызывает легкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику. Ток в 3—5 ма вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки. Токи в 8—10 ма приводят к непроизвольному сокращению мышц кисти и предплечья. Максимальные токи та 13 ма, при которых человек в состоянии самостоятельно освободиться от контакта с электродами, называются отпускающими токами. Непроизвольные мышечные сокращения при токе порядка 15 ма приобретают такую силу, что разжатие руки становится невозможным (неотпускающий ток). При токах 0,1—0,2 а наступают беспорядочные сокращения сердечной мышцы, ведущие к гибели человека.
При условиях, ослабляющих изолирующую способность кожи (мокрые руки, ранения, большие поверхности контактов), смертельными могут быть напряжения в 100—120 в и даже меньшие. Поэтому в ряде производств для массовых профессий применяется низкое напряжение. Например, при электромонтаже используют паяльники, рассчитанные на напряжение 24 в.
Поражение деревьев молнией
В поражении деревьев молнией играет роль как строение корня, так и сопротивление дерева току. Деревья с корнями, проникающими в глубокие водоносные слои почвы, лучше «заземлены» и поэтому на них накапливаются притекающие из земли значительные заряды, имеющие знак, противоположный знаку заряда облаков. Так, например, у дуба корень глубоко уходит в почву, поэтому он чаще многих других деревьев пора
66
жается молнией. Отдельные участки ствола дерева имеют раз-' личное сопротивление. В лиственных деревьях ток проходит внутри ствола по сердцевине, а так как в древесине этих деревьев содержится много сока, то он закипает Под действием тока и образовавшиеся пары разрывают дерево. У смолистого дерева, например сосны, сопротивление сердцевины значительно больше, чем у коры и подкорового слоя. Поэтому в сосне электрический ток проходит главным образом по наружным слоям ствола, не проникая внутрь.
Биопотенциалы и их регистрация
Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, возникающих в клетках, тканях и органах живого организма. Биопотенциалы имеют ионную природу и возникают вследствие разницы концентраций положительных и отрицательных ионов внутри и снаружи клетки. Биопотенциалы разделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия. Потенциалы покоя имеют характер более пли менее постоянных по величине разностей потенциалов между внутренней средой и внешней поверхностью клетки. Потенциалы действия образуются в связи с возникновением и распространением процесса возбуждения, т. е. при переходе клетки в состояние активной деятельности. Потенциалы действия представляют собой одиночные или( множественные импульсы. Биопотенциалы отдельных клеток, входящих в состав определенной ткани илн организма, сумми-
3*
ОТ*
1 сек
I--------------1
Рис. 25.
руясь, образуют результирующую разность потенциалов, изменение которой во времени характерно для ткани или органа. Эту разность потенциалов можно измерить или зарегистрировать с помощью определенным образом расположенных электродов.
Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние органов и тканей, то регистрация их с последующим изучением является весьма распространенным приемом при физиологических исследованиях и при диагностике заболеваний. Наиболее распространена регистрация потенциалов сердца (ЭКГ — электрокардиография), головного мозга (ЭЭГ — электроэнцефалография), а также периферических нервных стволов и мышц (ЭМГ — электромиография).
Потенциалы, возникающие при работе сердца, регистрируются при помощи электродов, накладываемых в определенных местах на поверхности тела, — там, где при работе сердца образуется наибольшая разность биопотенциалов. Электрокардиограмма представляет собой сложную несимметричную кривую. Периодичность ее связана с частотой пульса и находится в норме в пределах 60—80 периодов в 1 мин. Электрокардиограмма здорового человека показана на рисунке 24.
Для регистрации биопотенциалов головного мозга служит прйбор электроэнцефалограф. Биопотенциалы головного мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых в различных точках кожи головы. Характер регистрируемых колебаний показан на рисунке 25. Частоты колебаний зависят от состояния организма. Определенные нарушения работы мозга вызывают определенные изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет ученым изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров человек или болен и каков характер заболевания.
Биоточный манипулятор
Биотоки начинают применять в совершенствовании средств управления на расстоянии, в частности рычажными манипуляторами. В павильоне «Атомная энергия» ВДНХ установлен такой биоточный манипулятор. В нем много общего с рычажным,
69
но принципиальное отличие в том, что управляют им биотоки. Оператор надевает на руку браслет, электроды которого тесно соприкасаются с кожей на участке предплечья. Именно в этом месте расположены мышцы, вызывающие сгибание и разгибание пальцев руки человека. От браслета тянется привод к искусственной кисти — манипулятору. Начнет оператор сгибать свою руку, и искусственная рука делает точно такое же движение.
Масло
Рис. 26.
69
кусственной руке. Блок-схема биоэлектрического управления показана на рисунке 26. Она включает токосъем, усилитель, преобразователи, исполнительный орган (манипулятор). Преобразователь предназначен для того, чтобы определить, какое движение намерен выполнить оператор, и дать соответствующий импульс манипулятору..
Следует отметить, что манипулятор может обеспечить усилие, во много раз большее, чем рука человека. Биотоки играют здесь роль управляющего сигналами, который может «командовать» неизмеримо более мощными источниками энергии.
В других системах биоэлектрического управления с помощью технического устройства можно задавать программу в форме электрических импульсов, а живой организм будет осуществлять эту программу. Такая система имеется, например, в аппарате для лечения электросном. Вырабатываемые генератором электрические импульсы действуют на мозг, вызывают торможение нервных клеток и в организме наступает состояние сна.
Применение статического электричества
Статическое электричество применяют для очистки воздуха при устройстве пылеулавливающих фильтров. В связи с высокой напряженностью поля около коронирующего электрода воздух ионизируется и образуются тяжелые аэроионы, которые захватывают частицы пыли, а затем осаждаются вместе с ними на электроде противоположного знака.
Статическое электричество используется для лечебных целей в методе, называемом статическим душем или франклинизаци-ей (в честь ученого Франклина). Больного помещают между двумя электродами, соединенными с источником постоянного напряжения 40—50 кв. Один электрод в виде звезды с небольшими остриями, направленными к больному, располагают над головой на расстоянии 10—15 см. Второй электрод находится под ногами на изолирующей подставке.
Электрическое поле имеет наибольшую напряженность около остриев головного электрода, где и возникает тихий электрический разряд. Образующийся в зоне разряда поток ионов направляется к телу больного преимущественно в области его головы и шеи. Аэроионы действуют на нервные окончания, заложенные в кожных покровах этой области, а также на рецепторы слизистых оболочек при вдыхании ионизированного воздуха.
Применение постоянного тока с лечебной целью
Посредством тока в организм можно ввести лекарственные вещества, образующие в растворе заряженные частицы. Эта процедура называется лечебным электрофорезом. При электрофорезе между электродами образуется сложная цепь, состоящая из растворов лекарственных веществ и растворов электролитов, входящих в состав тканей организма.
70
Первичное действие электрического тока на ткани организма связано с движением имеющихся в них ионов электролитов и других заряженных частиц. Подвижность этих частиц различна, поэтому в процессе передвижения они разделяются. Кроме того, частицы могут задерживаться около полупроницаемых перегородок. При этом концентрация ионов, содержащихся в разных элементах тканей, изменяется.
Изменение соотношения концентраций ионов, находящихся по обе стороны клеточной оболочки, вызывает изменение функционального состояния клетки. Это и является реакцией клетки на действие электрического тока.
Применение высокочастотных колебаний с лечебной целью
В медицинской практике широко применяют три метода воздействия на ткани организма: 1) диатермия — используется высокочастотный ток (рис. 27, а); 2) ипдуктотермия — воздействие оказывает высокочастотное магнитное поле (рис. 27, б); 3) УВЧ — применяется высокочастотное электрическое поле (рис. 27, в).
При диатермии на обнаженную поверхность тела накладывают металлические (свинцовые) пластинки, соединенные с контуром аппарата. Используется ток частотой от 500 кгц до 1 — 2 Мгц в 1,5—2 а. Высокочастотный ток, проходя по тканям организма, находящимся между электродами, нагревает их. Степень нагревания находится в прямой зависимости от плотности тока на электродах и обратной зависимости от удельной теплопроводности тканей.
При индуктотермии соответствующую область тела помещают внутри спирали (соленоида), подсоединенной к терапевтическому контуру аппарата. При этом она подвергается действию высокочастотного магнитного поля (f«10—15 Мгц), которое создает в тканях вихревые электрические токи. Вихревые токи образуются преимущественно в токопроводящих тканях, содержащих раствор электролитов. За счет электрической энергии происходит нагревание тканей. Степень нагревания зависит от напряженности магнитного поля.
При терапии электрическим полем УВЧ область тела помешают между двумя изолированными электродами, подключенными к терапевтическому контуру аппарата. При этом она под
71
донном слое океана, топливо окисляется и выделяется энергия, за счет которой во внешней цепи возникает электрический ток.
Достоинство такого элемента — дешевизна, так как в нем используются «бесплатные» продукты. Время же работы может быть бесконечно большим, если в катодную секцию ввести живые водоросли с добавлением в воду неорганических солей, необходимых для их питания, и освещать элемент солнечным светом.
В другом биохимическом элементе для ускорения процесса распада и окисления применяют иной вид бактерий, благодаря чему реакции ускоряются в миллионы раз. Такой источник дает напряжение 0,5—1 в. В связи с тем что могут быть использованы бактерии сточных вод, в частности бактерии из кишечника человека, возникает теоретическая возможность создания систем с замкнутым циклом для космических полетов.
Электрические рыбы
Можно указать лишь несколько видов животных, которые могут вырабатывать в своем организме значительную разность потенциалов. Все они относятся к классу рыб. В настоящее время известны электрический скат, угорь, сом и щука. Электрический орган этих рыб представляет собой мелкопластинчатую структуру из чередующихся тонких слоев мышечной и соединительной ткани (рис. 29). Мышечная ткань служит проводником, а соединительная — изолятором. Следовательно, с физической точки зрения, этот орган является батареей конденсаторов. К органу идут толстые нервные стволы от спинного мозга.
Разность потенциалов, возникающая, например, в электрическом органе электрического ската, достигает 300 в, а в органе электрического угря — 400—600 в.
Электрические органы выполняют разные функции: нападение, внутривидовая сигнализация (при помощи периодических произвольных разрядов), локация.
Характерная особенность рыб, обладающих электрическими органами, — слабая восприимчивость к действию электричества.
Например, электрический угорь способен переносить напряжение до 220 в.
Вопросы и задачи
1.	Электрические органы угря, расположенные по бокам тела, представляют собой нечто вроде живого вольтова столба: каждый состоит из большого числа пластинок особой мышечной ткани, разделенных прослойками соединительной ткани. Напряжение электрического разряда достигает 300 в. Сравните по напряжению этот живой «вольтов» столб с тем, которым пользовался в своих опытах с электрической дугой ученый Петров.
74
2.	Тело человека обладает емкостью около 30 см. Какого радиуса следует изготовить изолированный шарообразный проводник, чтобы он имел такую же емкость?
3.	Потенциал конвейерной ленты при клейке галош достигает 8000 в. Работницы, сидящие на деревянных скамейках во время работы, касаются ленты руками и получают заряд. Считая емкость тела работницы равной 25 пф, определите заряд, сообщаемый ее телу. (Ответ: «2 • 10~7 к.)
4.	Рассматривая жировую (миелиновую) оболочку нерва в качестве плоского конденсатора с площадью обкладок 1 см2, толщиной 2 мкм и е=49, рассчитайте его емкость. (Ответ: «25 пф.)
5.	При франклинизации больного между электродами за время одной процедуры лечения (10 мин) проходит заряд 1,6-10-2 к. Определите среднюю силу тока.
6.	Какой ток пройдет по телу человека от одной руки к другой, если они окажутся под напряжением 220 в?
7.	Рассчитайте полное сопротивление конечности человека переменному току городской сети, если она обладает активным сопротивлением Я = 1000 ом и емкостью С=0,001 мкф.
§ 5. Элементы биофизики при изучении оптики и строения атома
Глаза различных представителей животного мира
Процесс восприятия света, как и всякое другое «действие» лучистой энергии, связан прежде всего с поглощением хотя бы некоторой части лучистой энергии. Поэтому необходимым элементом глаза является пигмент: совершенно прозрачный глаз видеть не может. Наиболее элементарные органы зрения, встречающиеся у самых низкоорганизованных животных, представляют простые пигментные пятнышки на поверхности их тела, часто совершенно прозрачного. Глаз более высокоорганизованного животного, кроме функции простого обнаружения света, выполняет также функцию ориентирующего органа, позволяющего точно определять направление, откуда идет свет, и таким образом судить о пространственном распределении окружающих предметов и об их геометрических свойствах.
Большинство членистоногих имеют много глаз, ориентированных по всем направлениям. Каждый такой глаз, имеющий форму очень узкой и глубокой воронки, в которой воспринимающий аппарат расположен глубоко на дне, видит только в одном определенном направлении; недостаток такого глаза — его весьма ничтожная светосила: к воспринимающему аппарату поступит лишь чрезвычайно узкий поток света. Поэтому животные, снабженные сложными фасеточными глазами (насекомые, раки), не отличаются остротой зрения (рис. 30, вверху). Однако благодаря тому, что отдельные глазки направлены в разные стороны и
76
Рис. 30. Глаза различных представителей животного мира (а — глаз мухи, б — глаз зебры, в — глаз человека).
весь глаз велик по сравнению с размерами насекомого, поле зрения насекомых оказывается значительным.
У рыб глаза отличаются плоской роговицей и шаровидным хрусталиком. Аккомодация глаза у рыб достигается перемещением хрусталика. В задней стенке сосудистой оболочки часто содержится особый слой клеток, наполненный кристалликами светлого пигмента,— это так называемая серебристая оболочка. Иногда также имеется блестящий слой — зеркальце, или тапетум, клетки которого содержат кристаллический пигмент. Этот слой отражает световые лучи на сетчатку, что обусловливает кажущееся свечение глаз некоторых рыб в почти полной темноте (например, у акул). Интересный пример приспособления к условиям существования представляют глаза глубоководных рыб. Среди них встречаются рыбы с огромными телескопическими глазами, способными улавливать очень слабый свет. Глазное яблоко у этих рыб принимает удлиненную форму, роговица выпуклая, хрусталик и зрачок имеют большие размеры. У некоторых видов глубоководных рыб имеется любопытное приспособ
ление, позволяющее увеличивать стереоскопичность зрения,— это так называемые стебельчатые глаза
(рис. 31). У так называемой четырехглазой рыбы, охотящейся за
Рис. 31.
76
добычей на поверхности воды, зрачок вытянут в вертикальном направлении. Роговица разделена горизонтальной полоской на верхний и нижний отделы. Когда рыба плавает на поверхности, верхняя часть ее глаз способна обозревать воздушную среду, а нижняя — водную.
У земноводных роговица глаза очень выпуклая. Аккомодация глаз осуществляется, как и у рыб, перемещением хрусталика.
Аккомодация у пресмыкающихся происходит не только за счет перемещения хрусталика, но и путём изменения его формы.
Птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение других животных. Глазное яблоко очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы.
Глаза млекопитающих, обитающих в воде (например, китов), по выпуклости роговицы и по большому показателю преломления напоминают глаза глубоководных рыб.
Глаза высокоорганизованных животных (см. рис. 30, б) по строению подобны глазу человека, только обладают большей светосилой. Однако поле зрения оказывается меньшим. В ряде случаев этот недостаток компенсируется большей подвижностью глаз: животные могут ими вращать (хамелеон). В других случаях (например, у зайца) они расположены по бокам головы, что дает обзор свыше 180°.
Глаза высокоорганизованных животных (все позвоночные, из беспозвоночных — головоногие, пауки) снабжены собирательной системой — объективом, позволяющим концентрировать на чувствительном нервном окончании весь поток лучистой энергии, по-, ступающей- в «зрачок» глаза. Благодаря этому светосила увеличивается во много тысяч раз.
Глаз человека
Глазное яблоко человека (рис. 32) представляет собой шарообразное тело длиной 24—25 мм в осевом направлении, содержащее светопроводящий и световоспринимающий аппараты глаза.
Роговица Р имеет форму сферической чашечки диаметром около 12 мм и толщиной около 1 мм. Радиус кривизны ее в среднем 7—8 мм. Показатель преломления 1,38. В центре радужной оболочки В имеется отверстие — зрачок, размер которого при помощи мышечных волокон, управляемых из центральной нервной системы, может меняться от 2—3 мм при ярком освещении до 6—8 млспри слабом. Таким образом регулируется количество света, проходящего внутрь глаза.
Пространство между роговицей и радужной оболочкой (передняя камера глаза П) заполнено прозрачной жидкостью.
Непосредственно позади зрачка находится хрусталик Л — прозрачное и упругое тело, по форме близкое к двояковыпуклой
77
Рис. 32.
линзе. Диаметр его 8—10 мм. Радиус кривизны передней поверхности в среднем 10 мм, а задней — 6 мм. Показатель преломления вещества хрусталика 1,44.
Полость позади хрусталика заполнена прозрачной студенистой массой, которая называется стекловидным телом (СТ).
К сосудистой оболочке С в задней части, называемой дном глаза, прилегает сетчатая оболочка Н, или ретина, содержащая световоспринимающий аппарат глаза.
Главная ось системы 00 проходит через геометрические центры роговицы, зрачка и хрусталика. В глазе различают еще зрительную ось О'О', проходящую через центры хрусталика и желтого пятна (см. ниже) и определяющую направление, по которому глаз имеет наивысшую светочувствительность. Оптическая и зрительная оси образуют небольшой угол (порядка 5°).
Основное преломление света происходит на внешней поверхности роговицы (на границе ее с воздухом). Поэтому из всех преломляющих сред роговица имеет наибольшую оптическую силу, порядка 40 дптр. Оптическая сила хрусталика 16—20 дптр, влаги передней камеры и стекловидного тела (вместе) 3—5 дптр.
Для построения изображения предметов на сетчатой оболочке глаза и анализа связанных с этим явлений пользуются так называемым приведенным глазом. На рисунке 33 показан такой глаз, который имеет радиус передней преломляющей поверхности = 6,8 мм, длину по оси 23,4 мм. Показатель преломления вещества п == 1,4. Оптический центр такого глаза находится на расстоянии 6,8 мм от вершины роговицы, а фокусное расстояние, отсчитываемое от него, равняется 16 мм, что соответствует оптической силе глаза — 63 дптр 1.
।	1 Строение глава человека мр?кно показать н§ упрощенной рарбориой
.модели глаза, имеющейся в кабинете биологии; пол^ченр^в нем Изображения, роль хрусгалика и зрачка показаны в учебном кинофильме «Орган зрения».
78
Светочувствительность глаза
Действие электромагнитного излучения определенной длины волны на светочувствительные элементы сетчатой оболочки глаза вызывает ощущение света. Сетчатая оболочка (рис. 34) имеет толщину около 0,5 мм и состоит из нескольких слоев, содержащих волокна Н зрительного нерва, опорные образования О и в глубине светочувствительные клетки, называемые в соответствии с их формой палочками П и колбочками К. Последний слой сетчатой оболочки, примыкающей к сосудистой оболочке, образуется пигментными клетками Р. Общее число колбочек («7-106) значительно меньше числа палочек (свыше 100-106). Колбочки сосредоточены в центральной части сетчатки, в желтом пятне и особенно в его центральной ямке. Палочки расположены главным образом в периферических частях сетчатки.
Палочки имеют значительно более высокую светочувствительность, но не обеспечивают различения цвета. Их называют аппаратом периферического сумеречного и ахроматического (бесцветного) зрения. Колбочки имеют более низкую светочувствительность и начинают реагировать только при относительно высокой освещенности сетчатки, однако они обеспечивают возможность более детального различения предметов, а также создают ощущение цвета. Колбочки образуют аппарат центрального, дневного
и цветного зрения.
Пределы светочувствительности глаза весьма широки, что связано с адаптацией, т. е. изменением, чувствительности глаза в зависимости от количества попадающего в зрачок света. А адапта-
ция осуществляется как за счет изменения диаметра зрачка, что происходит почти мгновенно, так и за счет изменения чувствительности самого световоспринимающего аппарата сетчатой оболочки, что требует значительного времени (до десятка минут).
Нижний порог, или абсолютный предел, светочувствительности глаза при сумеречном зрении и полной темновой адаптации соответствует потоку энергии излучения, равному ~ 2 • 10~17 дж!сек
(или нескольким десяткам фотонов в секунду). Верхний безболезненно воспринимаемый предел при полной"световой адаптации имеет порядок 2Х X 10~5 дж/сек.
Чувствительность глаза к излучению различной длины волны различна. Наиболее чувствителен глаз к излучению с длиной волны К=555 мкм, что соответствует желто-зеленому цвету. Чувствитель-
Рис. 34.
79
ность его резко снижается в сторону красной и фиолетовой частей спектра.
В отношении различения спектрального состава света глаз является несовершенным анализатором: свет различного спектрального состава может вызывать в нем ощущение одинакового цвета.
В основе зрительного процесса лежат фотохимические реакции, протекающие в светочувствительных клетках — палочках и колбочках. В палочках под действием света происходит распад содержащегося в них зрительного пурпура — родопсина. 'При этом в клетке возникает нервный импульс. В темноте происходит обратный процесс — синтез родопсина.
Процессы цветного зрения менее изучены. Согласно теории, идеи которой были высказаны М. В. Ломоносовым и развиты Юнгом и Гельмгольцем, колбочковый аппарат глаза имеет троякого рода элементы, спектральная чувствительность которых максимальна по отношению к излучению красного, зеленого и синефиолетового цветов; импульсы от этих элементов независимыми путями передаются в головной мозг, где и образуют единое цветовое ощущение.
Как пчелы различают цвета
Зрение пчел отличается от зрения человека. Человек различает около шестидесяти отдельных цветов видимого спектра. Пчелы различают только шесть цветов: желтый, сине-зеленый, синий, «пурпурный», фиолетовый и невидимый для человека ультрафиолетовый. Пчелиный «пурпурный» цвет — это смесь желтых и ультрафиолетовых лучей спектра, видимых пчелой.
На цветной вклейке I показан букет цветов. Левая половина рисунка изображает, как видит человек. Правая — как видит ' пчела («ультрафиолетовая» окраска обозначена условно: белым с фиолетовым в шахматном порядке).
Почти все белые цветы в природе поглощают ультрафиолетовые лучи, тогда как желтые и синие чаще их отражают. Поэтому цветы, белые для глаза человека, пчелами воспринимаются, как сине-зеленые.
Холодное свечение в природе
Известно, что многие бактерии, моллюски, некоторые органы животных светятся.
Различают флюоресценцию, т. е. свечение под действием падающего света, и хемолюминесценцию, являющуюся результатом происходящих в теле химических изменений.
Слабую флюоресценцию можно наблюдать в глазах лошади, козы. Свечение глаз у кошек, волков и других животных не является флюоресценцией, это простое отражение падающего на них света.
80
Хемолюминесценция значительно больше распространена в природе. Известно свечение моря, возникающее в результате излучения мельчайших беспозвоночных животных (ночесветок). Некоторые из водорослей (обитателей северных морей) ночью излучают свет, и там, где эти водоросли скопляются в большом количестве, море светится. Светятся многие медузы, рыбы '(см. цветную вклейку II). У некоторых рыб ярко светятся глаза; у .других на голове имеется отросток, верхушка которого напоминай зажженную электрическую лампу или длинный «шнур» с «фонариком» на конце его. Некоторые светящиеся рыбы залиты сиянием благодаря особым органам, расположенным вдоль их тела подобно нанизанным на проволоку лампочкам. На больших глубинах встречаются светящиеся черви (см. цветную вклейку III, внизу), моллюски, полипы.
Среди микроорганизмов имеются бактерии, излучающие свет. Они живут свободно или в качестве паразитов в теле различных животных и на гниющих трупах. Размножаясь в огромных количествах, эти микроорганизмы вызывают свечение — светятся ночью гнилые пни и кучи гнилой рыбы, выброшенной бурей на берег, светятся некоторые грибы (см. цветную вклейку III, вверху).
Микроскопическое исследование показало, что внутри каждой ночесветки живут светящиеся бактерии. Свечение некоторых рыб также вызвано свечением бактерий, поселившихся на них. В других случаях свет возникает в особых клетках самого животного.
Органы свечения очень разнообразны. У светящихся полипов, медуз, морских звезд светится все тело, а у некоторых раков — только большие глаза, похожие на телескопы. Особенно интересен орган свечения у осьминога. Устроен он следующим образом. В коже головоногого моллюска находятся небольшие твердые тельца овальной формы. Передняя часть этого тельца совершенно прозрачна и представляет собой нечто похожее на хрусталик глаза, а задняя, большая, его часть окружена черной оболочкой из пигментных клеток. Непосредственно над этой оболочкой расположены в несколько рядов серебристые клетки: они составляют средний слой светящегося органа моллюска. Под ним находятся сложные по форме клетки, напоминающие нервные элементы сетчатки глаза. Они выстилают внутреннюю поверхность этого тельца (аппарата). Они же и излучают свет. В коже головоногого моллюска около каждого такого тельца имеется нечто подобное вогнутому зеркалу или рефлектору. Рефлектор состоит из двоякого рода клеток: из темных, не пропускающих света пигментных клеток и расположенных перед ними рядами серебристых клеток, отражающих свет.
Роль свечения в жизни животных разнообразна и для разных организмов, очевидно, различна. Это одно из приспособлений, ко-_торыми так богата живая природа, одно из средств в борьбе за существование.
81
Интерференция в живой природе
Интерференцию света наблюдают при отражении света от тонких пленок, например в пленке мыльного пузыря, тончайшем листочке слюды, пятнах нефти на поверхности воды. Яркую, переливающуюся всеми цветами радуги окраску некоторых раковин (перламутр), перьев птиц, на поверхности которых расположены тончайшие, незаметные для глаза прозрачные чешуйки, также можно объяснить интерференцией (см. цветную вклейку IV). Если рассматривать под микроскопом крылья бабочек, то можно заметить, что они состоят из большого числа элементов, размер которых имеет порядок величины длины волны видимого света (рис. 35). Таким образом, крыло бабочки как бы представляет собой своеобразную дифракционную решетку. Радужная полоска видна и в глазах стрекоз и других насекомых. Она образуется благодаря тому, что их сложные глаза состоят из большого числа отдельных «глазков» — фасеток, т. е. тоже являются «живыми» дифракционными решетками.
Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи
При изучении шкалы электромагнитных волн и свойств различных ее участков особенный интерес с точки зрения физики живой природы представляют собой ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.
Ультрафиолетовые лучи оказывают сильное действие на живые организмы, оно связано с фотохимическими реакциями, возникающими при их поглощении. В ткани организма ультрафиолетовые лучи проникают очень неглубоко, от 0,1 до 1,0 мм, но вызывают сложную биохимическую реакцию, следствием которой является покраснение кожи у человека( эритема), которое затем проходит, но оставляет светло-коричневую пигментацию (загар).
Биологическое действие ультрафиолетового излучения зависит от длины его волны. Излучение с длиной волны от 400 до 315 мкм (антирахитное) отличается укрепляющим и закаливающим организм действием. Используется в гигиенических и профилактических целях.
Излучение с длиной волны от 315 до 280 мкм (эритемное) используется в лечебных целях.
Для излучения с длиной волны от 280 до 200 мкм характерно бактерицидное (убивающее бактерии) действие, наиболее выра
82
женное при длине волны 254 мкм. Это излучение используется в качестве средства дезинфекции.
Как известно, рентгеновские лучи были обнаружены по их способности вызывать свечение тел. Одним из наиболее'важных свойств рентгеновских лучей является их способность проникать через вещества. Самые длинные волны рентгеновского спектра примерно в 20 000 раз короче наиболее коротких световых волн, воспринимаемых глазом человека. А чем короче длина волны, тем больше ее проникающая способность.
Проходя через тело, рентгеновские лучи частично поглощаются. Степень поглощения зависит от плотности вещества и толщины слоя. Установлено, что пучок рентгеновских лучей поглощается наполовину слоем свинца толщиной 0,016 см, или слоем алюминия толщиной 1,6 см, или слоем воды толщиной 4,3 см и т. д. Слой свинца толщиной 0,4 см служит непроходимой преградой почти для всех рентгеновских лучей.
Если просвечивать грудную клетку человека рентгеновскими лучами, то легкие, заполненные воздухом, будут их мало поглощать, мышцы — больше, а кости — еще больше. Прошедшие лучи дадут на флюоресцирующем экране теневую проекцию легких, ребер и других органов.
Рентгеновские лучи вызывают ряд химических изменений, в том числе почернение фотобумаги или фотопластинок, что дает возможность получать фотоснимки любых органов или тканей. Проникающая способность рентгеновских лучей зависит еще и от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность лучей.
В последние годы освоены приемы, позволяющие исследовать такие органы, как желудок и кишечник, отдельные участки которых не различаются резко по плотности. В таких случаях отличие в поглощении создают искусственно. В исследуемый орган вводят вещество, задерживающее рентгеновские лучи в большей степени, чем соседние ткани.
Рентгеновское излучение используется также для лечебных целей. Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности клеток, особенно быстро размножающихся. В связи с этим рентгенотерапия применяется для борьбы со злокачественными опухолями.
Применение спектрального и рентгеноструктурного анализа к изучению строения гемоглобина
Гемоглобин — это соединение белка с гемом — особым красящим веществом, содержащим железо. Гемоглобин способен связывать кислород. Несколько тысяч атомов, составляющих молекулу гемоглобина, соединены в четыре цепи, каждая из которых представляет собой спираль.
83
Гемоглобин — основной компонент эритроцитов, т. е. тех клеток, которые переносят кислород от легких к тканям, а углекислоту — от тканей к легким. В одном эритроците содержится около 280 миллионов молекул гемоглобина. Каждая молекула в 64 500 раз тяжелее атома водорода и состоит примерно из 10 000 атомов водорода, углерода, азота, кислорода и серы; в состав молекулы гемоглобина входят также четыре атома железа, функции которых очень важны. Каждый атом железа находится в центре группы атомов, образующих гем — пигмент, придающий крови ее красный цвет и способность соединяться с кислородом.
Гемоглобин можно сравнить с кислородным баллоном или, лучше, с молекулярным легким. Две из четырех цепей молекулы способны сближаться и раздвигаться, так что промежутки между ними становятся то уже (когда гемоглобин связан с кислородом), то шире (когда кислород освобождается).
Реакция между гемоглобином и кислородом состоит в переходе гемоглобина (НЬ) в оксигенированный гемоглобин (НЬО2). Эта реакция проявляется в изменении цвета гемоглобина, его спектра и в поглощении кислорода. Для НЬ общепринято название — восстановленный гемоглобин, а для НЬО2 — оксигемоглобин. Восстановленный гемоглобин в концентрированном растворе имеет темно-вишневый цвет (в тонких слоях), а при большом разведении он приобретает зеленый оттенок. Оксигемоглобин при всех разведениях сохраняет ярко-красный цвет. Изменение цвета венозной крови при ее артериализацни обусловливается различием в оптических свойствах восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина. Их различие обнаруживается спектральным анализом. В спектре поглощения оксигемоглобина, соответствующего раствору в воде насыщенной кислородом крови, имеются две полосы поглощения в желтой (589—577 мкм) и зеленой (556—536 мкм) частях, а также широкая полоса в сине-фиолетовой части (см. цветную вклейку /, верхний спектр). Для спектра восстановленного гемоглобина характерна одна полоса поглощения в желто-зеленой части и менее широкая полоса в сине-фиолетовой части (см. цветную вклейку /, нижний спектр). Для карбоксигемоглобина (гемоглобина, насыщенного углекислотой) характерны две полосы поглощения в желто-зеленой части спектра (579—564 и 548—530 мкм).
Молекулу гемоглобина можно исследовать с помощью рентгеноструктурного анализа.
Известно, что расположение штрихов дифракционной решетки влияет на относительную интенсивность спектральных линий. Точно так же структура групп атомов, играющих роль штрихов в дифракционной решетке, влияет на интенсивность различных отражений. Электроны, окружающие центр каждого атома, заставляют лучи претерпевать дифракцию. В одних направлениях лучи, рассеянные отдельными атомами, усиливают друг друга, в дру
•84
гих — почти полностью взаимно уничтожаются из-за интерференции. Сравнивая интенсивность отражений разных порядков от различных атомных плоскостей, можно установить точное расположение атомов, можно судить об атомной структуре кристалла.
В кристаллах гемоглобина и других белков содержится много воды; по мере высушивания они, подобно живым тканям, утрачивают свою упорядоченную структуру. Чтобы избежать этого, кристаллы во время исследования помещают во влажном состоянии в небольшие стеклянные капилляры. Затем на монокристалл направляют узкий монохроматический пучок рентгеновских лучей. Если кристалл неподвижен, то на фотографической пленке, помещенной позади него, будут видны пятна, расположенные по эллипсам. Если же кристалл вращать определенным образом, то пятна появятся по углам правильной «решетки», отражающей расположение молекул в кристалле. На основании рентгенограмм можно судить об атомной структуре кристалла. Полученную рентгенограмму можно рассматривать как срез через сферу, заполненную слоями дифракционных пятен. Произведя соответствующие расчеты, можно получить трехмерную модель белка.
Оптические приборы в медицине
В медицине широко применяют разнообразные оптические приборы: микроскопы, лупы, бинокулярные лупы и пр.
При исследовании глаз часто пользуются офтальмоскопом — глазным зеркалом. Работа этого прибора основана на том, что лучи, попадающие в глаз, частично отражаются от сетчатой поверхности и, преломляясь в средах глаза, проходят в направлении, противоположном падающему свету. Если источник света расположить несколько сбоку и направить свет от него в исследуемый глаз с помощью вогнутого сферического зеркала, имеющего в центре отверстие, то часть отраженных от сетчатой оболочки лучей пройдет в это отверстие и глаз наблюдателя, помещенный против отверстия, увидит изображение глазного дна. Для лучшей видимости на пути лучей, идущих от глазного дна, помещают собирающую линзу, которая дает увеличенное изображение наблюдаемой картины.
Для осмотра носоглотки, трахеи, бронхов, желудка и др. применяют приборы, которые состоят из источника света и смотровой трубки,-представляющей сложный оптический прибор с разным числом линз, призм, иногда с применением волокнистой оптики.
Радиоактивные изотопы в биологии и медицине
Радиоактивные изотопы по химическим свойствам не отличаются от стабильных. Единственное физическое отличие заключается в том, что радиоизотопы излучают в окружающую среду лучи или частицы. Это свойство отличает радиоактивные изото
85
пы от всех остальных, как бы метит их; поэтому такие атомы часто называют мечеными.
Метод научного исследования, в котором изотоп используется в качестве меченого атома, называется изотопным или индикаторным. Радиоизотопы можно вводить в состав самых различных химических соединений. Изотопным методом удается обнаруживать присутствие веществ порядка 10~17 г. Меченые атомы помогли установить, что растения получают углекислоту не только через листья из воздуха, но и путем поглощения ее из почвы корневой системой при последующей передаче в зеленые части организма.
С помощью радиоактивных изотопов можно изучать обменные процессы в организме человека и животных. Для этого в организм вводят радиоактивный изотоп (чаще всего радиофосфор), а затем определяют содержание его в той или иной ткани или органе. Все наблюдения выполняются в живом организме без нарушения его нормальной жизнедеятельности.
Меченые атомы широко применяются также в исследованиях биохимии мозга. Оказалось, что процессы возбуждения связаны с усилением потребления фосфора корой головного мозга; при этом повышается интенсивность обновления рибонуклеиновой кислоты и фосфолипидов; при наркотическом сне обмен рибонуклеиновой кислоты, фосфопротеинов и фосфолипидов уменьшается.
При лечении злокачественных опухолей в качестве излучателя гамма-лучей используется радиоактивный кобальт.
Для лечебных целей применяют также радиоактивные изотопы фосфора, йода и пр. Принятые через рот, эти вещества концентрируются в соответствующих органах и тканях организма, где, распадаясь, действуют своим излучением на близлежащие ткани. Например, радиоактивный фосфор концентрируется в компактном веществе трубчатых костей. Распадаясь с излучением электронов, он облучает находящийся в костях костный мозг и этим нормализует нарушенное при некоторых заболеваниях кроветворение.
Биологическое действие ионизирующих излучений
В состав ионизирующих излучений входят а-, ₽- и у-лучи, нейтроны и т. д. Проходя через вещество, эти излучения’ вызывают его ионизацию. При этом происходит и обратный процесс — объединение ионов, т. е. их рекомбинация.
Биологический эффект от разных видов излучения различен. По сравнению с рентгеновскими лучами или электронами биологическое действие а-лучей в 10 раз сильнее, тепловых нейтронов — в 5 раз. а быстрых нейтронов — в 10—20 раз.
Ионизирующие излучения при действии на живые организмы
66
прежде всего приводят к ионизации молекул воды, всегда присутствующей в живых тканях, и молекул различных белковых веществ. При этом в живых тканях образуются свободные радикалы — сильные окислители, обладающие большой токсичностью, меняющие течение жизненных процессов.
В организме человека и животных радиоактивные излучения вызывают функциональные изменения. Если человек подвергается систематическому воздействию даже очень малой дозы излучений или в его организме откладываются радиоактивные вещества, то может развиться хроническая лучевая болезнь. Она может возникнуть у врачей-рентгенологов, у исследователей радиоактивных веществ, у рабочих, имеющих дело с урановой и радиевой рудами и т. п. (конечно, лишь в случаях нарушения техники безопасности).
Изучая влияние радиоактивности на растения, ученые применяли следующие способы воздействия: предпосевное облучение семян, предпосевное замачивание семян в радиоактивных растворах, внесение в почву радиоактивных веществ в качестве микроудобрений, непрерывное облучение растущих растений. Для ряда растений предпосевное облучение дало положительный эффект. Для некоторых семян положительный эффект получался при замачивании их в радиоактивных растворах; были получены также интересные данные при изучении действия радиоактивных веществ в качестве микроудобрений. Ионизирующие излучения могут стать также мощным средством полезного преобразования наследственных свойств организма.
Вопросы и задачи
1.	При рассмотрении какого предмета— близкого или далекого — хрусталик становится более выпуклым?
2.	На рецепте написано: очки + 1,5 дптр. Расшифруйте, какие это очки и для какого типа дефекта зрения.
3.	Орган свечения головоногого моллюска устроен следующим образом (рис. 36): а — светлая часть, напоминающая хрусталик; б — внутренний слой светящихся клеток; в — слой серебристых клеток; г — слой темных пигментных клеток. Какой оптический прибор напоминает нам орган свечения моллюска?
87
(Ответ. Прожектор: хрусталик — линза, светящиеся, клетки— источник света, слой серебристых клеток — отражатель.)
4.	Почему врачи-рентгенологи при работе пользуются перчатками и фартуками, а также очками, в которые введены соли свинца?
§ 6. Организация повторения с привлечением биофизического материала
Повторение и закрепление пройденного на биофизическом материале дает возможность учителю познакомить учащихся с последними достижениями в области биофизики и бионики,- приохотить их к чтению дополнительной литературы.
Мы остановимся здесь на докладах и рефератах учащихся и на проведении обзорных уроков.
В течение ряда лет мы рекомендовали учащимся читать научно-популярную литературу и вести альбом «Наука и техника» с газетными вырезками и краткими аннотациями прочитанного.
В последнее время мы практиковали следующие виды заданий учащимся:
1.	Просмотреть журналы «Техника — молодежи», «Наука и жизнь» и т. п., выбрать статью по своему вкусу и паписать реферат.
2.	Написать реферат на темы «Зрение в животном мире», «Электричество и жизнь» и т. п.
3.	Написать реферат на любую тему, в которой была бы отражена связь физики и биологии.
Во всех случаях срок такого задания был не меньше месяца. Мы давали учащимся разъяснения по характеру работы, указывали литературные источники, показывали рефераты, сделанные их предшественниками. В кабинете физики нашей школы установлен стенд «Наши рефераты». Безусловно, объем реферата и требования, предъявляемые к нему, различны для учащихся разных классов. Иногда мы практиковали привлечение к оценке рефератов одного класса учащихся из параллельного класса, оценки давали в форме рецензий на прочитанную работу. Лучшие рефераты зачитывались в классе или же их материал докладывался авторами. Для рефератов предлагались или выбирались самими учащимися такие темы: физические особенности строения глаза жука, строение глаза стрекозы, особенности зрения пчел, дефекты зрения человека и пути их устранения, физика и медицина, электролечение, электрические органы рыб, биопотенциалы и их регистрация, звуки в животном мире, рентгеновские лучи и их медицинское и биологическое применение, электроток стимулирует сердце, действие электромагнитных полей на
88
организмы, ток высокого напряжения возвращает к жизни, электронный микроскоп в биологии и медицине, полет насекомых, применение радиоактивных изотопов, фотосинтез, вопросы бионики, роль электроники в медицине и т. д.
Обзорному повторению мы отводили, как правило, сдвоенные уроки. Учащиеся делали доклады, в подготовке которых помощь им оказывали учителя физики и биологии. Предварительно подбиралась соответствующая популярная литература, готовились демонстрации, схемы, рисунки. Все учащиеся перед уроком получали ряд вопросов, на которые они должны были обратить внимание при заслушивании докладчиков. Ответы на эти вопросы нужно было дать в письменной форме к следующему уроку, их правильность проверялась и оценивалась.
Рассмотрим в качестве примера обзорный урок «Связь физики и анатомии и физиологии человека» (темы докладов учащихся, используемые наглядные пособия и т. д.).
*Темы сообщений докладчиков-учеников: 1. Методы исследования человека, основанные на звуковых процессах. (Выслушивание и выстукивание. Запись звуков сердца и легких.) 2. Орган слуха человека. Строение органа слуха. (Границы слышимости органа слуха человека. Понятие о костной проводимости. Аппараты для людей с пониженным слухом.) 3. Орган зрения. Оптические приборы, применяемые в медицине. 4. Ультрафиолетовые лучи. 5. Рентгеновские лучи. 6. Высокочастотные колебания. 7. Биотоки. 8. Оборудование современной операционной. 9. Радиоактивные изотопы.
Вопросы учащимся
1. Какими физическими явлениями объясняется возможность выстукиванием определять границы сердца и легких? Как устроен стетоскоп? 2. Как устроен орган слуха? Каковы границы слышимых звуков? Для чего нужны два уха? 3. Как устроен орган зрения? Каковы границы видимого света? Сколько времени сохраняются зрительные ощущения? Для чего нужны два глаза? 4. Какие оптические приборы применяются в медицине? 5. Где применяются ультрафиолетовые лучи? 6. Каково применение рентгеновских лучей? 7. Какие напряжения (по величине) возникают в организме человека? 8. Какие виды радиоактивных излучений вы знаете?
Наглядные пособия. 1. Стетоскоп, фонендоскоп (или их схемы), Магнитофон или проигрыватель и пластинки с записями звуков сердца и легких1. 2. Таблица строения органа слуха. Звуковой генератор для исследования границы слышимости человека. 3. Таблица «Орган зрения человека». Микроскоп, Эпи
1 Пластинки из приложения к Большой медицинской энциклопедии.
89
диаскоп для проецирования внешнего вида оптических приборов (эндоскопов, гастроскопов и др., бинокулярной лупы). 4. Источник ультрафиолетовых лучей — лампа ПРК или дуга ’. Светящиеся под действием ультрафиолетовых лучей краски и растворы. Эпидиаскоп для проецирования внешнего вида ультрафиолетовых облучателей, применяемых в медицине. 5. Эпидиаскоп (проецирование рентгенограмм, схем и внешнего вида рентгеновских установок). Натуральные рентгеновские снимки, просматриваемые на просвет. 6. Трансформатор Тесла. Набор безэлект-родных и спектральных трубок для демонстрации вызываемого высокочастотными колебаниями свечения. Эпидиаскоп для проецирования аппаратуры, применяемой в физиотерапии. 7. Эпидиаскоп для демонстрации кардиограмм, электроэнцефалограмм и аппаратуры для их регистрации. 8. Эпидиаскоп (проецирование внешнего вида хирургических бестеневых светильников, аппаратуры искусственного кровообращения и др.). 9. Счетчик Гейгера для наблюдения радиоактивности. Эпидиаскоп для проецирования аппаратуры, служащей при исследовании по методу меченых атомов, и терапевтической аппаратуры. Таблицы «Применение радиоактивных изотопов».
В X классе после изучения курса физики желательно провести обзорную лекцию, которую мы бы назвали «Физика и прогресс смежных наук». Возможны различные ее варианты. Это может быть широкий обзор, посвященный применению методов физики в биологии, медицине и др. В другом варианте построения этой лекции значение физики может быть показано на каком-то одном методе, например на роли электронной микроскопии в изучении тонких структур, на методе меченых атомов или регистрации биопотенциалов. Во всех вариантах построения такой обзорной лекции следует не упускать из виду главных целей: показ единства материального мира и возможность познания его средствами точных наук. Ниже приводим содержание нескольких уроков обзорного повторения в X классе.
Материалистическая диалектика и физика живой природы. Установление межпредметных связей между физикой и биологией дает большие возможности для формирования материалистических убеждений. Школьники приучаются иллюстрировать законы физики не только примерами из техники и сельского хозяйства, но и примерами из живой природы. С другой стороны, рассматривая жизнедеятельность растительных и животных организмов, они используют физические закономерности, физические аналогии.
Идеи материальности окружающего мира, изменения и развития, борьбы и единства противоречивых свойств материи проходят через все содержание курсов физики и биологии. Осуществление связи между этими предметами обеспечивает учите
1 При проведении этих опытов следует применять защитный экран.
90
лей разнообразными доказательствами материальности мира, многообразия явлений и причинно-следственных связей между ними.
Проблема материальности мира и возможностей его познания доступна даже учащимся младших классов. Уже такие опыты, как взвешивание воздуха и получение искусственной «молнии», «грома», убеждают учеников в объективности существующего мира, а возможность воспроизведения происходящих в природе явлений — в доступности его познания человеком. Таково же познавательное и воспитательное значение опытнической работы по биологии, во время которой школьники наблюдают за прорастанием разных растений. Особенно полезна для воспитания материалистических убеждений при установлении межпредметных связей такая опытническая работа учащихся, при которой ведется наблюдение за влиянием физических факторов (света, силы тяжести, электрического и магнитного полей) на прорастание и развитие растений.
Как живая, так и неживая природа подчиняется единым законам диалектического развития; и к той и к другой применимы физические законы (но они не исчерпывают сложность поведения живой природы). Чрезвычайно интересно и полезно проследить с учащимися проявление физических законов в жизни живой природы.
С точки зрения всеобщности законов природы и значения этого факта для философского осмысливания мира особую роль играет закон сохранения и превращения энергии, впервые высказанный и теоретически сформулированный немецким врачом Робертом Майером в 1841 г.
Очень важно обратить внимание учащихся на то, что ряд законов как живой, так и неживой природы имеет статистический характер. Объяснение таких явлений, как давление газа, броуновское движение, переход внутренней энергии тел в механическую и другие виды энергии, основывается на так называемых статистических закономерностях. Действие этих закономерностей проявляется как результат большого количества однородных явлений, каждое из которых носит в известной степени случайный характер.
Проявление статистической закономерности при действии большого числа случайных факторов может быть показано на примерах из физики и биологии (давление газа на стенку сосуда; средние характеристики какого-либо животного или растительного организма). Статистические закономерности имеют все признаки закона: они объективны и выражают существенную и необходимую связь явлений. Однако необходимо подчеркнуть, что статистические закономерности имеют место только при одновременном действии очень большого количества однородных случайных факторов (закон больших чисел), когда общее их проявление становится независимым от отдельных случаев.
91
Познаваемость как живой, так и неживой природы может быть показана на примерах. Одним из направлений познания является постепенное, по мере развития физики и техники, проникновение в строение тонких структур. Доказано атомарное строение всего существующего. Все живое может быть «построено» из нескольких элементов — аминокислот. Получена электронномикроскопическая фотография молекул. Изучается тонкая структура клетки, поперечно-полосатое строение мышц.
Ультразвуки — звуки неслышимого человеком диапазона. Эти звуки издаются и воспринимаются многими представителями животного мира и являются основой локации. Однако человек умеет регистрировать ультразвуки и даже трансформировать их в слышимый диапазон, что делает возможным наблюдение за летучими мышами, дельфинами.
Метод изотопного анализа позволяет исследовать растительные и животные организмы, определяя скорость усвоения листом углекислого газа, распределение продуктов фотосинтеза в ботве и клубнях картофеля, усвоение фосфорных удобрений растениями и т. д.
Применение радиоактивных изотопов в биологии позволяет наблюдать за превращением сахара в организме, за действием радиации на клетку, за механизмом фотосинтеза в листьях растений и за другими процессами. А применение радиоактивного йода дает возможность диагностировать заболевание щитовидной железы. С помощью радиоактивных изотопов исследуются скорости кровотока и многое другое.
Первые представления о взаимосвязи явлений природы ребенок получает еще в дошкольном возрасте и в процессе обучения в начальных классах. Затем при изучении основ наук эти представления постепенно развиваются и углубляются.
Рассмотрение причинно-следственной связи является основной задачей всякой науки. В школьных курсах физики и биологии мы в определенной системе показываем причины возникновения и развития явлений. Очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывалось убеждение в том, что причинная связь явлений имеет всеобщий характер, что все явления, происходящие в окружающем нас мире, возникают в результате действия отдельных причин. Последовательно проводимый детерминизм исключает возможность существования каких бы то ни было сверхъестественных сил, беспричинных явлений — «чудес» и т. п.
Причинно-следственные связи могут быть подробно разобраны при изучении тех изменений, которые происходят под действием ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей. Известно, что при подобных воздействиях резко меняются всхожесть и рлтвитне растений; организмы животных и человека также сильно реагируют на подобные облучения, причем в зависимости от
М
доз это воздействие может быть как стимулирующим развитие, так и угнетающим его.
Такова была основа этого урока обзорного повторения, который проводился в конце учебного года. Организационно он может быть построен по-разному, в виде лекции учителя и в виде докладов, подготовленных учащимися под его руководством. Возможные темы докладов:
1.	Закон сохранения и превращения энергии.
2.	Шкала электромагнитных волн как пример закона диалектики перехода количества в качество. Роль отдельных диапазонов волн в жизни живой природы.
3.	Познаваемость природы на примере регистрации биопотенциалов в животных и растительных организмах.
4.	Воинствующий атеизм и достижения современной медицины.
В конце урока, обобщая все сказанное, мы подчеркивали, что физика — наука, являющаяся основой техники и дающая ключ к пониманию законов развития живой природы. Мы рекомендовали учащимся при изложении какой-либо темы курса физики показывать ее техническое применение и ее роль в биологии.
Физические методы воздействия и физические методы исследования в биологии (что физика и техника дают биологии). В современной биологии совершается переход к изучению биологических систем и процессов на молекулярном уровне. Возникновение и’развитие молекулярной биологии стало возможным благодаря комплексному использованию идей и методов органической химии, биохимии, молекулярной физики, физической химии полимерных соединений, спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, цитологии, микробиологии, вирусологии и др. За короткое время в биологии был сделан ряд выдающихся открытий — прежде всего в изучении структуры и функций белков и нуклеиновых кислот, в исследовании механизма белкового синтеза. Последнее привело к необычайно быстрому прогрессу в познании элементарных процессов жизнедеятельности, в расшифровке физико-химических основ наследственности. Расшифровка, раскрытие генетического кода, единого для всего живого, по существу, представляет собой только первую, фундаментальную закономерность из числа тех, которые совершенно изменят в недалеком будущем лицо биологической науки, раскроют глубокое единство природы многих биологических явлений, кажущихся ныне совершенно независимыми друг от друга.
«Исследовать, чтобы научиться воздействовать, и воздействовать, чтобы научиться управлять, — такова конечная цель биологических и медицинских наук», — пишут известные физиологи Е. Б. Бабский и В. В. Парин. Физика и техника предоставляют биологам широкий арсенал воздействий на живые организмы и
93
разрабатывают тончайшие и разнообразнейшие методы регистрации процессов, происходящих в них. Тема эта столь обширна и многообразна, что нет возможности сделать здесь сколько-нибудь обстоятельный обзор. Укажем лишь на наиболее известные методы.
Все возрастающее мирное использование атомной энергии в современной науке, технике и различных отраслях народного хозяйства делает необходимым изучение биологического действия ионизирующих излучений: нейтронов, протонов, осколков ядер, а-, р-, у-лучей, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей и пр., возникающих как при радиоактивных распадах и ядерных реакциях, так и в технических устройствах (ядерных реакторах, ускорителях элементарных частиц, источниках у-лучей, рентгеновских установках и т. п.).
Создаются мощные поля (электрические, магнитные, электромагнитные, акустические, тепловые и др.) и ими воздействуют на организм.
В последнее время в качестве физического агента воздействия стал широко применяться ультразвук.
В хирургической практике начинают использовать квантовые генераторы оптического диапазона — лазеры.
В связи с бурным развитием авиации и завоеванием космоса возникли новые проблемы исследования: влияние на живой организм космических лучей, перегрузок, невесомости и других физических факторов, с которыми сталкиваются летчики и космонавты.
Разработка новых физических методов исследования зачастую была причиной радикальных переломов в развитии биологии и медицины. Яркий пример этого — изобретение и усовершенствование оптического, а затем электронного микроскопа. Электронная микроскопия дает возможность рассмотреть внутриклеточные субмикроскопические структуры и живые объекты, невидимые в микроскоп. По-новому представилось строение ядра клетки; оказалось возможным увидеть вирусы, рассмотреть структуру фагов, проследить внедрение их в клетку.
Применение рентгеновских лучей в диагностике хорошо известно; отметим лишь возрастающее значение рентгеноструктурного анализа. В последнее время этот метод широко применяется для изучения пространственного строения молекул белка и нуклеиновых кислот.
В биологии успешно используют радиоактивные изотопы для изучения обмена веществ в растениях, в организме человека и животных.
Современная акустика сделала доступной регистрацию слабых ультразвуковых сигналов, стало возможным получение узких пучков ультразвуковых лучей, удается генерировать и применять ультразвуковые импульсы весьма короткой длительности. Благодаря этому изучено отражение ультразвуковых воли в ряде
IM
биологических объектов. По характеру отраженных сигналов оказывается возможным дифференцировать нормальную ткань от патологической, определить положение инородных тел, получить ультразвуковое изображение органов и их макроструктуры.
Необыкновенно разнообразно применение электроники в биологии и медицине. Можно указать несколько основных направлений:
а)	Использование электроники для сбора информации о процессах, происходящих в организме. Разработаны методы электрических измерений и регистрации различных процессов жизнедеятельности, в первую очередь в физиологии. Наиболее широкое применение в клинической практике и в физиологических исследованиях получила регистрация биопотенциалов. Следует указать на регистрацию биопотенциалов, сопровождающих деятельность сердца (электрокардиографию), биопотенциалов мозга (электроэнцефалографию), биопотенциалов, связанных с деятельностью мышц (электромиографию). Напряжение биоэлектропотенциалов очень мало — от нескольких микровольт до десятков милливольт. Кроме того, биопотенциалы представляют собой электрические процессы переменной периодичности и амплитуды. Отсюда ясно, что только высокоразвитая электроника может обеспечить их регистрацию с должным усилением и без искажений.
б)	Использование электронных приборов и математических машин для переработки и автоматического анализа информации.
в)	Электронное моделирование различных процессов, происходящих в организме.
г)	Электронное управление процессами жизнедеятельности и автоматическое регулирование окружающей организм среды. При этом техническими средствами создаются такие условия, при которых различные процессы в организме обеспечивают автоматическое регулирование воздействующих на него факторов внешней среды.
Очень существенна в физиологических исследованиях возможность измерения неэлектрических величин электрическими методами. Существуют разнообразные методы исследования тепловых, механических, акустических и оптических явлений, связанных с жизнедеятельностью организма.
Укажем еще на искусственное замещение функций жизненно важных систем организма: дыхания, кровообращения, выделения. Стоит вопрос об искусственном замещении функций этих органов на длительное время.
Постановка этих больших и сложных проблем оказалась возможной только в наши дни, при высокой степени проникновения физики, химии и техники в медицину.
Биология и технический прогресс (что биология дает технике). Привлечение физических методов для изучения живой природы привело к необходимости совершенствовать эти методы в силу
85
специфичности и сложности объектов исследования. Ярким примером является развитие электронной микроскопии, самые большие успехи которой, как известно, относятся к биологии. Однако именно биологи не могут удовлетворяться результатами изучения препаратов, поврежденных процессами обезвоживания в вакууме. В настоящее время ведутся работы по электронно-микроскопическому исследованию живых объектов в специальных газовых микрокамерах. Из этого примера следует, что изучение живых объектов требует развития, совершенствования физических методов.
В последние годы появилась и бурно развивается новая наука — бионика. Некоторые основные направления ее работы: изучение и моделирование в технике нервных цепей и органов чувств животных, их аэродинамики и гидродинамики, биохимических процессов, происходящих в живых организмах, систем ориентации и навигации животных.
Что же представляет собой бионика? Эта наука изучает возможности применения биологических закономерностей в технике для повышения качества и расширения возможностей технических систем, машин и приборов. Одной из наиболее важных областей бионики является теоретическая бионика, которая разрабатывает математические модели процессов жизнедеятельности. Другая область бионики разрабатывает электронные модели элементов биологических систем (органов восприятия, элементов нервной системы и др.) и происходящих в них процессов, т. е. создает модели, работающие по тем же принципам, что и элементы живых организмов. Для развития бионики необходимо знать, как устроена живая природа и как она функционирует. Основные направления развития бионики связаны с задачами получения, передачи, переработки и использования информации, а также с проблемами биоэнергетики и биомеханики. При работе по всем этим направлениям ставится единая цель — выявление возможных путей технической реализации.
Можно перечислить инженерные задачи, в решении которых может помочь бионика: накопление и обработка большого количества информации; повышение надежности радиоэлектронных систем; создание ЭВМ, решающих задачи без предварительного программирования; создание самоприспосабливающихся систем; дальнейшая миниатюризация элементов и блоков радиоэлектронной аппаратуры; создание принципиально новых навигационных прцборов, основанных на понимании того, каким образом животные (рыбы, птицы и насекомые) ориентируются в пространстве с высокой точностью; разработка новых методов преобразования различных видов энергии в механическое движение; разработка новых методов преобразования различных видов энергии в живой природе в электрическую и др.
Бионика ставит целью не слепое подражание биологическим системам, а раскрытие тех принципов построения их, которые
96
обеспечивают высокую гибкость и живучесть в сложных условиях их существования. Есть все основания думать, что, используя структуры, выработанные биологическими системами, но с другими физическими принципами их реализации, человек сможет получить более совершенные системы, чем те, которые сумела создать природа. Кроме того, не все методы и способы решения и реализации, оправданные в живой природе, приемлемы для
нас сегодня в технике. Задачи бионики — использование в технике лишь лучших достижений живой природы.
4—220
Глава
ВНЕУРОЧНАЯ РАБОТА ПО БИОФИЗИКЕ
§ 1. Содержание и формы внеурочной работы по биофизике
Внеурочные занятия являются эффективной формой работы по развитию интересов, склонностей и способностей учащихся. При проведении внеурочных занятий открываются широкие возможности для индивидуальной работы с учащимися.
Внеурочная работа по биофизике знакомит учащихся с современными научными проблемами, прививает навык работать с научно-популярной литературой, делать доклады, готовить опыты, помогает выбрать свою профессию.
Содержание внеурочной работы должно базироваться на знаниях, получаемых при изучении основных и обязательных для всех учащихся курсов физики и биологии.
Во внеурочную работу, помимо рассмотрения теоретических вопросов, входят также практические задания. К ним можно отнести подготовку демонстраций, изготовление моделей и приборов, проведение наблюдений в процессе опытнической работы. В кабинете физики как результат проводимой работы накапливаются соответствующие поделки, схемы, описания опытов и наблюдений, стенные газеты, рефераты докладов, планы КВН, конференций, вечеров.
- Тематика внеурочной работы по биофизике построена в соответствии с курсом физики. Возможен и обратный принцип планирования такой работы: за основу берутся темы курса биологии, а к ним создается «надстройка» в виде факультативной или внеурочной работы по биофизике. Вне зависимости от принципа организации биофизической внеурочной работы наиболее благоприятным обстоятельством для нее будет совместная работа учителей обоих предметов.
Разберем в качестве примера несколько тем.
Зрение и оптические приборы, вооружающие глаз. В этой теме можно значительно расширить программный материал, рассмотрев подробнее дефекты зрения, оптические приборы, служащие для исследования организма человека, различные виды мик-
98
роскопов и др. При работе над этой темой могут быть изготовлены простейшие модели оптических приборов — перископа, телескопа, бестеневого осветителя, модель глаза, а также плакаты и схемы, в частности таблицы, для проверки зрения (степени близорукости и дальнозоркости) и для определения нарушений цветного зрения.
Человек в полете. Здесь учащихся можно познакомить с воздействием ускорений, состоянием невесомости, влиянием радиаций — всем комплексом физических воздействий, которые испытывают летчики и космонавты, а также с методами дистанционного получения сведений об их состоянии. Интересный круг вопросов связан с их предварительной тренировкой.
Целесообразно включение биофизических тем в общий план работы физического кружка. Так, на одном из занятий нашего физического кружка было сделано два сообщения на биофизические темы. Первое относилось к «животному электричеству» и было посвящено истории открытия биопотенциалов, их регистрации, применению исследования их к диагностике различных заболеваний, а также созданию биопротезов. Второе сообщение было посвящено строению сердца и исследованию его работы. Докладчица рассмотрела работу сердца как своеобразного насоса, разобрала устройство клапанов. Кроме того, она изготовила пособие, которое позволяет объяснить, каким образом можно методом выстукивания (перкуссии) определять границы твердого тела. В фанерный ящик размерами примерно 30X40X5 см вкладывали объемные фигуры произвольной формы, по высоте точно равные высоте ящика. Выстукивание дало возможность довольно точно определить форму помещенных внутрь ящика предметов.
Возможна опытническая работа учащихся по очень широкой теме «Исследование физических воздействий на растения». Учащихся необходимо познакомить с теорией вопроса. Новой стороной работы является проведение опытов над растениями, ведение дневников наблюдений и сообщение о полученных результатах на общих заседаниях кружков.
Последнее время в широких кругах молодежи практиковались соревнования команд КВН. Мы также пользовались этой формой внеурочной работы, причем в отдельные пункты соревнования стремились вводить вопросы биофизического содержания. Специфика КВН, с их темпом, обязательными элементами юмора и занимательности, не всегда дает возможность глубоко раскрывать какие-то области знания, но, безусловно, может служить целям привлечения интересов учащихся к физике и биофизике.
Одной из форм отчета о работе биофизического кружка перед учащимися всей школы является организация тематических вечеров. В отличие от научной конференции, рассчитанной в основном на участников кружка и некоторых интересующихся, на вечере предполагается большое число гостей, а отсюда особенности ор
4*
99
ганизационной работы. Все сообщения учащихся должны быть предельно сжатыми и четкими. Необходимо сопровождать выступления красочными, запоминающимися демонстрациями. Весь ход вечера должен быть очень «режиссерски» продуман и тщательно отрепетирован. Последним этапом является «агитационная работа» — выпуск тематической стенной газеты, яркого плаката с объявлением о вечере, пригласительных билетов.
§ 2.	Экскурсии биофизического направления
Экскурсии биофизического характера целесообразно проводить учителям физики и биологии совместно. Например, может быть организована экскурсия «в природу», в лесопарк, к реке или к озеру. Учитель биологии дает некоторые задания по ботанике, а учитель физики обращает внимание учащихся на выполнение законов сообщающихся сосудов в естественных или искусственных водоемах, на жизнь их обитателей, подчиняющихся закону Архимеда, предлагает привести примеры проявления законов физики из жизни рыб, водорослей и т. п.
Можно провести экскурсию в зоопарк, на птицеферму или скотный двор; перед учащимися ставят вопросы о физических законах, проявляющихся в организме животных.
Экскурсии биофизического направления не исчерпываются экскурсиями в природу. В настоящее время любая районная поликлиника или больница широко оснащена разнообразной медицинской аппаратурой и число объектов для экскурсии может быть значительно расширено. Мы, например, провели экскурсию в рентгеновский кабинет больницы по такому плану: краткая история открытия рентгеновских лучей; значение этих лучей для медицины, физики, техники; оборудование рентгеновского кабинета (трубка, автотрансформатор, кенотроны и др.); ознакомление учащихся с практическим применением рентгеновских лучей в медицине: рентгеноскопия и рентгенография. Установка была показана в действии. Было обращено внимание на физиологическое действие рентгеновских лучей, используемое при лечении некоторых болезней, а также вызывающее необходимость защиты персонала, обслуживающего установку. Указывалось на применение рентгеновских лучей в промышленности.
Выбор объекта для экскурсии диктуется местными условиями; помимо перечисленных, можно указать мастерские, где выполняется ремонт медицинского или биологического оборудования; предприятия или научно-исследовательские институты, где конструируется и изготовляется соответствующая аппаратура; консервные и иные предприятия пищевой промышленности и т. п. Очень интересны экскурсии на кафедры биофаков пединститутов и медицинских институтов, а также в научно-исследовательские институты биологического, медицинского и сельскохозяйственно
100
го профилей. Москвичи могут побывать на ВДНХ в отделе здравоохранения, на выставке медицинских приборов НИИ медицинского приборостроения, на кафедре биофизики МГУ и пр.
На уроке перед экскурсией мы обычно отводим время для того, чтобы привлечь внимание учащихся к основным объектам экскурсии, подготовить их к восприятию разнообразных и сложных вопросов биофизической тематики. Если только это бывало возможно, мы не ограничивали число желающих поехать на экскурсию, считая, что интерес к биофизике может возникнуть при непосредственном знакомстве с аппаратурой и организацией исследований. Например, во время экскурсии на кафедру биофизики учащимся были показаны лаборатории по изотопному анализу и по исследованию биопотенциалов, электронный микроскоп, установки для регистрации ультрафиолетовых излучений малой интенсивности. Те из наших старшеклассников, которые заинтересовались работой кафедры, смогли побывать там несколько раз.
Так же систематически мы посещали выставку действующих приборов и аппаратов, которая ежегодно устраивается в НИИ медицинского приборостроения. Учащиеся знакомились здесь с оптическим отделом, где создаются приборы, служащие для исследования внутренних органов человека (разнообразные эндоскопы), а также с методами исследования зрения. Мы ознакомились там со своеобразной разновидностью рентгеновского аппарата, дающего возможность видеть не только детали строения отдельных органов человека, но и в целом весь организм.
После экскурсии учащиеся изготовляли стенды, отражающие тему экскурсии, выпускали стенные газеты.
§ 3.	Опытническая кружковая работа
К концу VI класса учащиеся уже имеют элементарные сведения по ботанике и некоторые начальные сведения по физике. Поэтому начиная с этого времени их можно привлекать к опытнической работе, главным направлением которой будет выяснение влияния физических условий на развитие растений. Некоторые из этих опытов и наблюдений очень просты и доступны самым младшим учащимся, другие же более сложные и требуют больших знаний по физике и большего общего развития. Эти опыты могут представлять собой небольшое исследование.
Укажем некоторые возможные направления опытнической работы:
1)	наблюдения за физическими условиями внешней среды (за тепловым, водным и световым режимами), а также за влиянием этих условий на рост, развитие и урожай растений;
2)	влияние силы тяжести на развитие растений;
3)	исследование влияния электрического и магнитного полей
101
на посевные качества семян, на рост, развитие и урожай растений;
4)	изучение влияния на качество семян и на последующее развитие растений различных видов излучений — инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей;
5)	изучение влияния звуков и ультразвуков на качество семян и на развитие растений.
Приведем подробные описания некоторых опытов.
Влияние различных участков спектра видимого света на скорость роста растений (гороха, фасоли).
На полном солнечном свете вырастают короткие, плотные, зеленые растения. Растения, выращенные в темноте, — бледные, слабые, с длинными, тонкими стеблями.
Растения, освещаемые сине-фиолетовыми лучами (через цветной стеклянный фильтр) и светом от лампы накаливания с добавлением света ртутно-стеклянной лампы (без ультрафиолетовых лучей), по внешнему виду ближе к нормальным, выращенным на обычном дневном свете, а растения, выращенные в красном свете и в свете лампы накаливания, беднее хлорофиллом, с более тонкими и длинными стеблями.
Влияние света на направление растущих органов — фототропизм. Фототропизмом называют способность растения изгибаться в зависимости от направления света. Молодые растущие проростки и стебли изгибаются обычно по направлению к источнику света. Некоторые растения так быстро реагируют на изменения направления лучей света, что их цветки в течение дня поворачиваются вслед за солнцем: таковы, например, подсолнечник и череда.
Фототропическое действие зависит от выбранного участка спектра. Наименьшее влияние оказывают красные лучи, затем по мере перехода к синей части спектра действие возрастает и достигает максимума для лучей с длиной волны около 4650 А, снова снижаясь к ультрафиолетовой части спектра.
Учащиеся могут поставить опыты по наблюдению изгибания светолюбивых растений и по изучению зависимости фототропи-ческого действия от разных участков спектра. Для этих опытов можно брать проростки овса, комнатную герань и др.
Влияние силы тяжести на направление растущих органов — геотропизм. В каком бы положении ни попало семя в землю, развивающийся из него проросток всегда направляет свой корень вниз, а стебель — вверх. Эту ориентацию в пространстве осевых органов растений естественно приписать, действию силы земного тяготения. Поэтому способность принимать определенное положение по отношению к отвесной линии получила название геотропизма. Уже в XIX столетии ученый Найт показал, что геотропизм обусловлен наличием земного притяжения. Он помещал проростки различных растений на небольшое мельничное колесо, вращающееся вокруг горизонтальной оси. Колесо приводилось в движе-102
ние струей воды; эта же струя непрерывно смачивала проростки. При этом растения выросли таким образом, что стебли и корни расположились по радиусам в плоскости вращения колеса, причем корни росли по направлению от центра к периферии, а стебли— от периферии к центру. Действие же силы земного притяжения было снято, так как при каждом обороте проростки проходили все положения — от нормального вертикального к горизонтальному, к обращенному вертикальному и вновь через горизонтальное к исходному положению.
Если же укрепить проростки на окружности горизонтально расположенного колеса, которое затем привести во вращение со значительной скоростью, то можно увидеть, что проростки в своем развитии будут отклоняться от вертикального направления, стебли направятся к центру, а корни — от центра.
По этому разделу можно провести наблюдение за намоченной н начавшей прорастать фасолью. Если ее положить на горизонтальную пластинку во влажную стеклянную камеру, то через несколько часов будет видно, как корешок изогнется вниз, а стебель вверх. Если предварительно нанести тушью метки на корешке, то можно будет заметить, как идет рост.	- -
Кроме того, можно повторить опыты Найта либо с мельничным колесом, либо с-другим прибором, в котором осуществлялось бы достаточно быстрое равномерное вращение.
Влияние электрического поля на посевные качества семян и урожай растений. Известно, что предпосевная обработка семян в постоянном электрическом, а также в переменном электрическом полях может привести к значительному повышению урожая.
В школьных условиях можно поставить опыты по обработке семян в электрическом поле, создаваемом электрофорной машиной, причем проследить, какое влияние оказывает поле в зависимости от его напряженности и от времени воздействия.
§ 4.	Организация и проведение биофизических вечеров в форме соревнования команд КВН
На примерах вечеров, проведенных нами в VII и VIII классах школы, покажем, как для организации внеклассной работы по биофизике может быть использована такая форма работы, как соревнования КВН.
КВН седьмых классов
Команды присвоили себе названия «Архимедики» и «Ньюто-нята». Приветствие первой команды гласило: «Да задержит вас сила трения, да поможет нам Архимед и его выталкивающая сила!»
В порядке разминки командам предлагалось определить, кому принадлежат эти слова:
Юз
О, вы, которых ожидает Отечество от недр своих И видеть таковых желает, Каких зовет из стран чужих, О, ваши дни благословенны! Дерзайте иыне ободренны. Раченьем вашим показать, Что может собственных Платонов И быстрых разумом Невтонов Российская земля рождать.
(М. Ломоносов)
Затем нескольким членам команд давалось задание написать сочинение «В мире без трения».
В конкурсе капитанов использовались качественные вопросы и задачи по физике. Далее проводился конкурс стенных газет и поделок, загадывание шарад и чайнвордов (с физическим содержанием).
Командам предлагается найти ошибку, допущенную в рисунке художником (кальмар должен перемещаться в сторону, противоположную направлению вытекающей струи воды, а художник показал направление скорости его движения неверно), ответить на вопросы биофизического характера и т. д.
В разных формах-^ в виде вопросов командам и капитанам, в форме опытов и т. п. — используется разнообразный материал по занимательной физике и биофизике, в заключение проводился смотр самодеятельности команд.
КВН восьмых классов
Одна команда называлась «Свет», другая — «Звук». Эти две темы и взяты для соревнования в знаниях, остроумии, сообразительности.
Выход команд соответственно с их названиями сопровождается звуковыми и световыми эффектами. Команда «Звук», выходя, исполняет «музыкальный» номер на импровизированных инструментах, а команда «Свет» вооружена самыми разнообразными источниками света: капитан несет «солнце», члены команды — всевозможные светильники — от факела и керосиновой лампы до вольтовой дуги и лампы дневного света.
После приветствий командам предлагается определить, кому принадлежат слова:
Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей.
(А. С. Пушкин)
104
и решить кроссворд «Знаешь ли ты музыкальные инструменты?». Далее два члена из каждой команды получают задание написать сочинение на тему «Человек-невидимка в Москве».
В соревнованиях капитанов команд используются вопросы занимательной физики и биофизики, связанные с темами «Звук» и «Свет».
Затем команда «Звук» предлагает второй команде угадать, чья музыка и из какого произведения звучит в данный момент, а также определить, прослушав записи пения различных птиц, чьи это голоса.
Команда «Свет» демонстрирует различные источники света, дает краткие комментарии к их применению, например показывает самую миниатюрную электрическую лампочку и рассказывает, что такие лампочки вводят в пищевод, в бронхи и другие внутренние органы человека. Специальная оптическая система позволяет просматривать состояние стенок желудка, пищевода и даже фотографировать их.
Затем в виде кроссвордов разыгрываются слова «оптика» и «акустика», а в виде шарад слова «свет» и «звук».
Слово «оптика» составляется из следующих слов:
1)	прибор, служащий для измерения сопротивлений (омметр);
2)	деталь, входящая в ряд оптических приборов (призма);
3)	результат прямолинейного распространения света (тень);
4)	свойство тел сохранять свое равномерное и прямолинейное движение (инерция);
5)	желательное оборудование туриста (кинокамера);
6)источник электроэнергии (аккумулятор).
Для составления слова «акустика» использованы такие слова:
1)	раздел математики, который мы уже изучали (арифметика);
2)	прибор, который необходим настройщикам (камертон);
3)	прибор, необходимый строителю (уровень);
4)	единица длины (сантиметр);
5)	основное понятие раздела «электричество» (ток);
6)	элементарная единица сложного вещества (ион);
7)	единица, применявшаяся для измерения количества теплоты (калория);
8)	наука, изучающая далекие небесные тела (астрономия).
^Солнце
Свет-*Волна VBeT—^Единица
^Трансформатор
Затухание
Зв¥к~*Воль™етР
Килограмм
Команда «Свет» показывает таблицы-плакаты «обманы зрения». Вечер заканчивается самодеятельностью команд.
105
§ 5. Ученические конференции
Для учащихся старших классов можно предложить другую форму работы — конференции, подводящие итог работы над определенной темой за некоторый период времени или за год. К этому моменту можно приурочить выпуск стенных газет по отдельным темам, например «Электричество и организм», «Физика и медицина», «Механика живой природы», и проведение < олимпиад по этим темам.
В качестве примера приведем здесь планы конференций: «Применение искусственных радиоактивных изотопов», «Человек в космосе», «Электронная микроскопия» и «Бионика».
Применение искусственных радиоактивных изотопов
Конференцию по этой теме можно провести в десятом классе после изучения строения атома.
*	Примерный план конференции
1)	Естественная радиоактивность и методы ее обнаружения. Принцип работы счетчика Гейгера, демонстрация его в действии. Обнаружение естественного радиоактивного фона и действия радиоактивного источника. Предельно допустимые дозы облучения.
2)	Применения естественных радиоактивных элементов. Лечебное применение радия. Радоновые ванны, грязи как средство лечения некоторых заболеваний. Светосоставы с радиоактивными примесями. Определение возраста Земли по периоду полураспада некоторых изотопов и их соотношению в природных минералах.
3)	Методы получения искусственных радиоактивных элементов.
4)	Применение искусственных радиоактивных элементов. Характеристика изотопных методов исследования, Применение их в металлургии, геологии, машиностроении, сельском хозяйстве, в пищевой промышленности и др.
5)	Радиоактивные изотопы в изучении обмена веществ. Применение изотопов при изучении питания растений. Исследование обменных процессов в организме человека и животных. Применение изотопов в диагностике. Лечебное применение изотопов.
6)	Просмотр кинофильма «Мирное применение ядерной энергии».
106
Человек в космосе
Примерный план конференции
1)	От легенды об Икаре до самолетов наших дней. Скорости, которые развивают современные самолеты. Ускорения, испытываемые летчиком при взлете и посадке, при выполнении фигур высшего пилотажа. Потолок (высота полета) самолетов. Обобщение: физические условия полета человека в самолете (разреженное пространство и отсюда необходимость герметизации кабин; реакция организма на перегрузки; огромные скорости и необходимость в связи с этим автоматических устройств для управления воздушным кораблем). Необходимость специальной тренировки будущих летчиков в барокамерах, на центрифугах и др.
2)	Идеи К. Э. Циолковского о завоевании космоса и их осуществление. Скорости ракет и организм. Ускорения „во время старта и во время приземления. Понятие о первой, второй и третьей космических скоростях. Условия полета человека в космическом корабле (вакуум в космическом пространстве, реак-* ция организма на перегрузки при старте и во время приземления, реакция на невесомость и безмолвие). Необходимость спе-циальной подготовки будущих космонавтов и привлечения последних достижений медицинской техники для анализа их физиологического состояния (при тренировке в барокамерах, сурдокамерах, на центрифугах и во время космического полета). Радиосвязь, телевизионная, телеметрическая связь между космонавтом и Землей.
3)	Достижения человека в овладении космосом. Метеорологические ракеты. Баллистические ракеты. Животные в космосе. Первый человек в космосе (Ю. Гагарин). Герман Гитов. Американские космонавты. «Небесные братья». Первая женщина в космосе. Трое в космическом корабле. Первые Л12ДИ на Луне.
4)	Планы дальнейшего завоевания космоса. Оборудование космического корабля, рассчитанного на длительное пребывание в космосе группы космонавтов (двигатели, автоматика, вычислительные машины на борту, цикл обмена веществ и т. д.). Возможности полетов к планетам солнечной системы. Возможности полетов к другим звездам.
Электронная микроскопия
На проведении этой конференции остановимся подробнее.
В ее подготовке приняло участие 18 человек. Из них шестеро учащихся готовили доклады и демонстрации; один человек находился у эпидиаскопа, показывая соответствующие схемы и фотографии; пять человек подготовили препараты (кожица лука, кровь, ткани и др.) для просмотра в оптических микроско-
107
§ 5. Ученические конференции
Для учащихся старших классов можно предложить другую форму работы — конференции, подводящие итог работы над определенной темой за некоторый период времени или за год. К этому моменту можно приурочить выпуск стенных газет по отдельным темам, например «Электричество и организм», «Физика и медицина», «Механика живой природы», и проведение олимпиад по этим темам.
В качестве примера приведем здесь планы конференций: «Применение искусственных радиоактивных изотопов», «Человек в космосе», «Электронная микроскопия» и «Бионика».
Применение искусственных радиоактивных изотопов
Конференцию по этой теме можно провести в десятом классе после изучения строения атома.
Примерный план конференции
1)	Естественная радиоактивность и методы ее обнаружения. Принцип работы счетчика Гейгера, демонстрация его в действии. Обнаружение естественного радиоактивного фона и действия радиоактивного источника. Предельно допустимые дозы облучения.
2)	Применения естественных радиоактивных элементов. Лечебное применение радия. Радоновые ванны, грязи как средство лечения некоторых заболеваний. Светосоставы с радиоактивными примесями. Определение возраста Земли по периоду полураспада некоторых изотопов и их соотношению в природных минералах.
3)	Методы получения искусственных радиоактивных элементов.
4)	Применение искусственных радиоактивных элементов. Характеристика изотопных методов исследования, Применение их в металлургии, геологии, машиностроении, сельском хозяйстве, в пищевой промышленности и др.
5)	Радиоактивные изотопы в изучении обмена веществ. Применение изотопов при изучении питания растений. Исследование обменных процессов в организме человека и животных. Применение изотопов в диагностике. Лечебное применение изотопов.
6)	Просмотр. кинофильма «Мирное применение ядерной энергии».
106
Человек в космосе
Примерный план конференции
1)	От легенды об Икаре до самолетов наших дней. Скорости, которые развивают современные самолеты. Ускорения, испытываемые летчиком при взлете и посадке, при выполнении фигур высшего пилотажа. Потолок (высота полета) самолетов. Обобщение: физические условия полета человека в самолете (разреженное пространство и отсюда необходимость герметизации кабин; реакция организма на перегрузки; огромные скорости и необходимость в связи с этим автоматических устройств для управления воздушным кораблем). Необходимость специальной тренировки будущих летчиков в барокамерах, на центрифугах и др.
2)	Идеи К- Э. Циолковского о завоевании космоса и их осуществление. Скорости ракет и организм. Ускорения во время старта и во время приземления. Понятие о первой, второй и третьей космических скоростях. Условия полета человека в космическом корабле (вакуум в космическом пространстве, реак-* ция организма на перегрузки при старте и во время приземления, реакция на невесомость и безмолвие). Необходимость специальной подготовки будущих космонавтов и привлечения последних достижений медицинской техники для анализа их физиологического состояния (при тренировке в барокамерах, сурдокамерах, на центрифугах и во время космического полета). Радиосвязь, телевизионная, телеметрическая связь между космонавтом и Землей.
3)	Достижения человека в овладении космосом. Метеорологические ракеты. Баллистические ракеты. Животные в космосе. Первый человек в космосе (Ю. Гагарин). Герман Титов. Американские космонавты. «Небесные братья». Первая женщина в космосе. Трое в космическом корабле. Первые люди на Луне.
4)	Планы дальнейшего завоевания космоса. Оборудование космического корабля, рассчитанного на длительное пребывание в космосе группы космонавтов (двигатели, автоматика, вычислительные машины на борту, цикл обмена веществ и т. д.). Возможности полетов к планетам солнечной системы. Возможности полетов к другим звездам.
Электронная микроскопия
На проведении этой конференции остановимся подробнее.
В ее подготовке приняло участие 18 человек. Из них шестеро учащихся готовили доклады и демонстрации; один человек находился у эпидиаскопа, показывая соответствующие схемы и фотографии; пять человек подготовили препараты (кожица лука, кровь, ткани и др.) для просмотра в оптических микроско-
107
Рис. 37.
пах и давали необходимые пояснения к ним. По теме конференции была выпущена хорошо иллюстрированная газета.
Первый докладчик начал с самых ранних опытов наблюдения микромира, с работ Левенгука, и обрисовал картину постепенного совершенствования оптических методов. Второй докладчик рассказал о наиболее современных оптических микроскопах, коснулся устройства ультрафиолетового и других специальных типов микроскопов и показал границы применения этих приборов. В частности, было отмечено, что в световом микроскопе, где используется видимый свет, можно наблюдать частицы или детали на предметах, размеры которых около 1 мкм. Это граница разрешающей способности микроскопа. Чтобы наблюдать более мелкие детали, необходимо увеличить разрешающую способность микроскопа, что можно достигнуть, если использовать более короткие длины волн, чем световые.
Следующий доклад был посвящен физическим явлениям, на которых основано действие электронного микроскопа. Докладчик рассказал о гипотезе французского физика Луи де Бройля, согласно которой любой движущейся частице соответствует волна, и подсчитал,
какая длина волны соответствует самой легкой элементарной частице— электрону, если его ускорить в электростатическом поле разностью потенциалов £7 = 60 000 в. Получившаяся длина волны (5-10~10 см) оказалась примерно в 105 раз короче длины волны видимого света (Хсв~5-10“Б см). Был поставлен вопрос,
нельзя ли использовать эти волны для создания микроскопа, поз-
108
воляющего рассматривать очень малые предметы, и что для этого нужно сделать?
Затем был рассмотрен вопрос об управлении электронным пучком. Для демонстрации использовался электронный осциллограф. Сначала было показано, как смещается пучок ускоренных электронов, если он проходит в постоянном электрическом поле пластин. Аналогично пучок электронов можно сместить постоянным магнитным полем, перпендикулярным направлению движения электронов. Затем докладчик продемонстрировал возможности фокусировки пучка электронов. Электроны фокусируются неоднородным электрическим полем. Аналогично электроны можно фокусировать неоднородным магнитным полем.
Ученик разобрал, как устроена магнитная линза, и напомнил, как определяется увеличение оптического микроскопа.
Следующий доклад был посвящен конструкции электронного микроскопа (принципиальная схема электронного микроскопа приведена на рисунке 37). Источником ускоренных электронов служит электронная пушка. Ее устройство аналогично устройству электронной пушки в электроннолучевой трубке, но ускоряются электроны очень большой разностью потенциалов (50 000—100 000 в). Пучок ускоренных электронов фокусируется на объекте 3 при помощи конденсорной линзы 2. Объект расположен немного дальше первого фокуса линзы 4 объектива. Прошедшие через объект электроны фокусируются этой линзой и создают первое увеличенное изображение 6, которое послужит предметом для дальнейшего увеличения во второй проекционной линзе 7. Второе увеличенное изображение 8 фокусируется на экране 9, способном флюоресцировать под действием электронов, или на фотопластинке, помещенной на место экрана. В объективе расположена диафрагма 5. Это очень маленькое отверстие в сплошной пластинке, способной задержать электроны. Если объекта нет, то электроны, прошедшие через диафрагму и магнитооптическую систему, равномерно освещают экран. При наличии объекта часть электронов рассеивается и не может пройти через диафрагму. Средний угол рассеяния электронов зависит от толщины объекта и его атомного номера. Поэтому, чем толще объект и чем больше его средний атомный номер в данном участке объекта, тем более темным получается на экране изображение этого участка.
Последний докладчик рассказал о применениях электронной микроскопии. Этот метод исследования применяется в физике, кристаллографии, металловедении, химии, биологии и других науках. При помощи электронной микроскопии можно непосредственно видеть форму, размеры, однородность или неоднородность, пространственные соотношения мельчайших объектов, изучать рост и растворение кристаллов, исследовать дефекты кристаллических структур.
109
1952г
до1952г
Рис, 38. Структура клетки, как ее видели до 1952 г. при помощи светового микроскопа и как ее видят при помощи электронного микроскопа.
При изучении биологических объектов необходимо учитывать то обстоятельство, что в вакууме может существенно меняться структура тканей и клеток. Тем не менее самые замечательные результаты с помощью электронного микроскопа получили именно в биологии. Удалось проникнуть в процессы, происходящие внутри клетки, рассмотреть ее строение (рис. 38), подробно исследовать микроорганизмы, увидеть невидимые в оптический микроскоп вирусы. Большое значение в микробиологии имеют элек-тронногмикроскопические исследования процессов разрушения микроорганизмов бактериофагом.
Бионика
План проведения конференции
1.	Что такое бионика и каковы ее истоки?
2.	Интересные биологические данные.
З.	Биотоки и управление на расстоянии.
4.	Локация и навигация в природе и в технике.
5.	Биоэлементы в системах автоматического управления.
6.	Нейроны и нервные цепи, их техническое моделирование.
7.	Гидродинамика живых систем.
8.	Инженеры учатся у природы.
Приведем некоторые материалы для проведения подобной конференции.
Локация и навигация в природе. В процессе эволюции, длившейся десятки миллионов лет, у организмов выработалась высокая способность улавливать тончайшие изменения в окружающей среде и быстро реагировать на них приспособительными реакциями, направленными на сохранение вида. Укажем некоторые факты.
Песчаная блоха выбирает направление к морю, основываясь на положении Луны на небосводе. Она выполняет, как оказа

но
лось, сложные «навигационные» расчеты, и поэтому ее поведение в основном характеризуется так называемым блужданием.
Глаз жука состоит из сотен фасеточных элементов. На основе изучения его оптических характеристик был предложен новый принцип работы указателя скорости самолета относительно Земли.
Исследования глаза мечехвоста дали возможность сконструировать электрическую модель с повышенной контрастностью, которая, несомненно, найдет широкое применение в фотографии, телевидении, распознающих автоматах и др.
До сих пор не до конца ясно, каким образом находят путь муравей, мотылек, пчела, как происходит миграция рыб, как по запаху следов находят свой путь домашние животные; не изучен еще полностью механизм ориентации птиц в их многодневных сезонных перелетах.
Большое значение придается изучению звуковой связи в животном мире. При помощи магнитофонов, осциллографов и спектрографов записываются звуки, издаваемые птицами, рыбами и насекомыми. Полученные данные ученые надеются использовать для создания акустических средств, отпугивающих птиц с посевов, аэродромов и других мест.
Интересные биологические данные. Для полупроводников верхом миниатюризации была радиостанция с плотностью монтажа в 283 детали/д-м8. Полупроводники и печатные схемы увеличили плотность до 1770 деталей/(3л13. В настоящее время разрабатываются средства, которые должны обеспечить плотность монтажа в 35 тысяч и даже в 70 тысяч деталей/йм8. Ожидается, что на основе молекулярной электроники можно будет довести плотность монтажа до 880 тысяч и даже до 3,5 млн. деталей /дм8.
Для сравнения интересны такие цифры: средняя плотность нервных клеток по всему мозгу в целом, по самым грубым подсчетам, находится в пределах 1018—10м клеток/Ам8, а в отдельных центрах она составляет 1020 клеток/дм8. Кроме того, надо иметь в виду, что живая клетка как функциональный элемент эквивалентна тысячам и даже десяткам тысяч радиоэлектронных элементов.
Глаза и уши животных в последнее время подверглись глубокому изучению с точки зрения новейшей биофизики. Например, глаз человека содержит 108 так называемых фоторецепторов, в которых благодаря фотохимическим процессам создается последовательность электрических импульсов, передаваемых в мозг при помощи 10е нервных волокон. На каждое нервное волокно, передающее световое раздражение в мозг, приходится сто фоторецепторов, воспринимающих свет. Это пример надежной организации живой материи, когда имеет место стократное резервирование основных зрительных элементов. Вероятность отказа подобной системы совершенно ничтожна —
ill
около одной триллионной доли процента! А у современных машин вероятность отказа не меньше нескольких процентов.
Некоторые кузнечики воспринимают вибрации, амплитуда колебаний которых меньше половины диаметра атома водорода.
Хеморецепторами чрезвычайной чувствительности обладают караси. Они обнаруживают вещество в концентрациях 10-м г)см&. Обыкновенная муха имеет менее чувствительные хеморецепторы, но зато ее орган обоняния специфически реагирует на огромное число самых различных химических веществ. А орган обоняния некоторых бабочек еще более удивителен: с его помощью самец может отыскать самку на расстоянии до 10 км.
На основании поведения некоторых представителей животного мира оказалось возможным предсказывать погоду, при ухудшении погоды некоторые рыбки поднимают «волнение», студенистые медузы опускаются на глубину, крабы зарываются глубоко в песок, муравьи прекращают свои передвижения. Изучив строение и образ жизни медузы, советские ученые построили прибор, предсказывающий приближение шторма.
Сконструированы искусственные органы зрения. Воспроизведен глаз краба, интересный своей способностью усиливать контрастность изображения.
Приведем некоторые иллюстрации из числа тех, которые мы использовали на конференции по бионике: схема ультразвуковой локации ушана (рис. 39), схема аппарата — предсказателя шторма (рис. 20.), биоэлектрический манипулятор и его гидроэлектрический привод (рис. 26).
§ 6.	Биофизические вечера
Физика и медицина
Этим вечером был подведен итог годичной работы физического кружка, в котором участвовали ученики IX и X классов. Участники вечера каждое из своих кратких выступлений иллюстрировали опытами, моделями, если же это было невозможно, то широко пользовались эпидиаскопом.
К вечеру была выпущена стенная газета «Физика и медицина». В передовой статье рассказывалось о применении физических приборов в медицине, о необходимости не только будущим врачам, но и каждому культурному человеку понимать
112
принципы действия разнообразных приборов, применяемых в любой поликлинике при обследовании и лечении. В других статьях описывались некоторые физико-терапевтические методы лечения, роль оптики в медицине и др. Газета была иллюстрирована изображениями типичных кардиограмм здорового и больного человека, а также снимком грудной клетки ребенка с проглоченной и находящейся в пищеводе монетой.
Содержание вечера
1.	Краткое вступительное слово учителя.
2.	История возникновения медицины. Связь медицины и физики. Развитие техники и оснащение медицины диагностическими и лечебными аппаратами.
3.	«Медицина» недалекого прошлого. Чтение отрывка из поэмы А. Н. Некрасова «Мороз — Красный нос» (смерть крестьянина .
4.	Некоторые простейшие диагностические методы и приборы:
а)	медицинский термометр; его устройство, применение, демонстрация модели;
б)	шприц; его устройство, применение, демонстрация в действии;
в)	как ставят банки — пояснение принципа действия;
г)	что дает выстукивание;
д)	стетоскоп; его устройство. Что дает выслушивание.
5.	Некоторые физические явления в живом организме:
а)	запись звуков сердца — фонокардиография. Устройство прибора (при помощи эпидиаскопа показываются фотографии, на которых изображены фонокардиограф и фонокардиограммы). Его назначение. Расшифровка фонокардиограммы. Воспроизведение звуков сердца, записанных на пластинки (приложение к Большой медицинской энциклопедии);
б)	измерение кровяного давления. Устройство прибора. Данные о кровяном давлении человека. Демонстрация прибора в действии;
в)	биотоки в человеческом организме. Биотоки сердца, мозга. Принцип работы приборов, служащих для обнаружения биотоков и их записи (Электрокардиограф — биотоки сердца, электроэнцефалограф — биотоки мозга). Демонстрация фотографий этих приборов при помощи эпидиаскопа, а также электрокардиограмм и электроэнцефалограмм. О чем говорит характер получаемых кривых? Их диагностическое значение;
г)	голосовой и слуховой аппараты человека. Строение голосового и слухового аппаратов человека, диапазон звуков человеческого голоса. Ухо как физический прибор. Демонстрация цветной схемы строения уха и модели уха. Воздушная и костная проводимость. Дефекты слуха и слуховые приборы. Демон-
113
страция фотографий слуховых приборов с помощью эпидиас-
копа.	F
Проверка участниками вечера крайних слышимых ими час- | тот (включение звукового генератора и прослушивание всего звукового диапазона).
6.	Оптика в медицине, Строение глаза. Дефекты зрения. j Очки. Оптические приборы: бинокулярные лупы, микроскопы, < эндоскопы и др. Рефлекторы, осветители хирургические. Люми-
. неснентные лампы. Демонстрация модели бестеневого хирургического осветителя и др.
7.	Разнообразные физические агенты в медицине:	?
а)	ультрафиолетовые лучи; их свойства и применение в ме- , дицине. Демонстрация свечения красок под действием ультра- д фиолетовых лучей;	’
б)	рентгеновские лучи. Открытие рентгеновских лучей и их i свойства. Устройство рентгеновских трубок и аппаратов. Рент- Д генодиагностика. Рентгенотерапия. Рассмотрение разнообраз- у ных рентгенограмм;	j
в)	естественные и искусственные радиоактивные изотопы и
их применение. Открытие радия и изучение свойств радиоак-	1
тивных элементов. Биологическое действие излучения радия.	»
Применение лучевой терапии. Естественные радиоактивные £ источники (грязи, ванны и др.). Искусственные изотопы. Мето- г ды их получения. Методы их обнаружения. Счетчики. Демонст- Г рация счетчика в работе. Применение искусственных радиоактивных изотопов в исследовательских работах, для диагностики
и для лечения;	I
г)	высокочастотные поля; их свойства и применение для прогрева разных участков человеческого тела. Наблюдение { свойств высокочастотных полей, получаемых с помощью транс- | форматора Тесла. Лечебная высокочастотная аппаратура;
д)	ультразвук; его физические свойства. Конструкция ультразвуковых аппаратов. Применение ультразвука для введения под 1 кожу лечебных препаратов; для непосредственного воздействия на организм; для изготовления разнообразных лекарственных средств;
е)	полупроводники в медицине. Изменение сопротивления полупроводников при изменении их температуры или освеще- ' j ния. Конструкция медицинских приборов, основанных на полупроводниках: кожные термометры, счетчики пульса, счетчики । числа кровяных шариков. Демонстрация самодельного кожно- । го термометра с объяснением его схемы.	!
8.	Авиация и медицина. Развитие авиационной техники. Бе-  личины ускорения при прямолинейном движении. Ускорения при выполнении фигур высшего пилотажа. Ускорения при космических полетах. Наблюдения над животными в полете. Невесомость. Разнообразная аппаратура для регистрации состояния человека в полете. Демонстрация фотографий из газет и
114
журналов. Методы тренировки летчиков и космонавтов к полетам.
9.	Хирургия раньше (чтение отрывков из романа Л. Н. Толстого «Война и мир», в которых описывается операция Андрея Болконского и удаление ноги Анатолю Курагину) и теперь: стерильность инструментов, рук, помещения. Электростерилизаторы. Автоклавы. Обезболивание (электронаркоз). Хирургические осветители. Дополнительное хирургическое оборудование: электроотсасыватели, электронОжи, электростимуляторы дыхания, электрификация вспомогательных работ (сверление, отпиливание).
10.	Аппарат «Искусственное сердце».
Оборудование для вечера «Физика и медицина»: 1) термометр медицинский, банки, шприц; 2) аппарат для измерения кровяного давления — тонометр; 3) рентгеновская трубка; 4) аппарат для измерения жизненного объема легких — спирометр; 5) динамометры для измерения силы мышц; 6) электро-форная машина; 7) звуковой генератор; 8) модели уха, глаза, сердца; 9) счетчик Гейгера — Мюллера. Радиоактивный препарат; 10) ртутно-кварцевая лампа или дуга для получения ультрафиолетовых лучей; 11) светосоставы, картины, написанные флюоресцентными красками; 12) трансформатор Тесла, газонаполненные трубки, неоновая лампочка, виток с лампочкой для демонстрации индукционных токов; 13) эпидиаскоп для проецирования фотографий, схем, рисунков из книг и журналов; 14) самодельные пособия, диапозитивы, плакаты, модель медицинского термометра, кожный термометр (полупроводниковое сопротивление в схеме моста), модель шприца, модели разнообразных хирургических осветителей.
Звуки в природе и в технике
Расширенное ознакомление учащихся е темой «Звук» представляет большой интерес, так как она имеет разнообразные и интересные «выходы» как в биофизику (голосовые и слуховые аппараты, ультразвук и его значение для жизни животных, его роль в биологии), так и в технику. Подготовительная работа к этому вечеру состояла в следующем. Еще весной предыдущего учебного года учащимся были розданы темы и примерная литература, с которой они начали знакомиться. Одновременно наши радиолюбители налаживали осциллограф и звуковой генератор и тренировались в звукозаписи. Был закуплен для школы комплект театральных пластинок, из которых были использованы записи шума приближающегося поезда, рокот морского прибоя, пение соловьев, кудахтанье кур, лай собак. Отбирались пластинки для иллюстрации диапазона и тембра голоса человека. Прослушивали пластинки из приложения к Большой медицинской энциклопедии, из которых отобрали несколько примеров записи
115
звуков, возникающих при работе легких и сердца. Параллельно учитель работал с докладчиками. Обсуждались те или иные литературные данные, отбирался материал, который можно вынести на вечер. Много выдумки проявили оформители, изготовившие красочный плакат с объявлением о вечере и пригласительные билеты.
Содержание вечера
1.	Общие характеристики звуковых процессов. По этому сообщению были поставлены следующие демонстрации: возбуждение ветвей камертона, возбуждение звукового генератора с наблюдением синусоидальных колебаний на экране осциллографа, звуковой резонанс, возникающий при совпадении частоты звука, возбуждаемого от генератора, с собственной частотой колебаний объема воздуха барабана; при помощи магнитофона был воспроизведен шум прибоя, шум проходящего поезда; наблюдались сложные кривые, появляющиеся на экране осциллографа при произнесении слов перед микрофоном.
2.	Голос. Голоса рыб, птиц, зверей, человека. Возникновение голосов в животном мире, их особенности. Диапазоны голосов, тембр.
Были использованы плакаты, схемы голосового аппарата, прослушивались записи пения птиц, пения Шаляпина и Поля Робсона (очень низкий голос), пения Имы Сумак (исключительный диапазон), Робертино Лоретти (приятный тембр).
3.	Слух. Устройство слухового аппарата как физического прибора. Особенности слуха животных и людей. Диапазон звуков, слышимых человеком. Понятие о костной проводимости. Слуховые аппараты.
Были показаны схемы строения уха, схемы слуховых аппаратов, на одном из гостей была проведена проверка бинаурального эффекта.
4.	Звуки, возникающие при работе сердца и легких. Объяснение причин возникновения звуков, сопровождающих работу сердца и других органов. Выстукивание как метод, позволяющий определять границы и состояние некоторых внутренних органов. Выслушивание звуков, создаваемых сердцем и легкими. Запись звуков здорового и больного сердца.
Демонстрации: схемы строения сердца и кровеносной системы, стетоскоп, фонендоскоп, прослушивание пластинок (из приложения к Большой медицинской энциклопедии) с записями звуков больного и здорового сердца и легких.
5.	Ультразвуки. Особенности инфразвуков и ультразвуков. Генераторы ультразвуковых колебаний. Явления, происходящие в среде при облучении ее ультразвуком (кавитация и ее следствия). Роль ультразвуков в животном мире (ультразвуко-
116
вин связь, локация). Применение ультразвука в науке и технике (в биологии и медицине, в металлургии и др.).
Демонстрации; схемы, фотографии.
6.	Механическая звукозапись. История звукозаписи. Механический звукозапись. Запись звука на фонографе Эдисона. Недостатки глубинной записи. Широтная звукозапись Берлинера. Бесперспективность механической звукозаписи.
Демонстрации: схемы, фотографии; фонограф.
7.	Магнитная звукозапись. Принцип электромеханической звукозаписи. Идеи магнитной звукозаписи. Современные звукозаписывающие аппараты. Широкое применение магнитной записи сигналов (в счетной, ракетной, авиационной и других областях техники).
Демонстрации: схемы, фотографии. Осуществление «трюковых» записей, часто используемых в кинопромышленности (понижение или повышение частоты воспроизводимых звуков, что достигается воспроизведением записанных звуков со скоростью, отличной от скорости записи звука).
§ 7. Элементы биофизики на факультативных занятиях
На основании нашего опыта учебной и внеурочной работы мы считаем возможным включать некоторые вопросы биофизического характера в существующие факультативные курсы по физике.
Факультативные занятия в VIII классе: элементы механики и молекулярные явления в живой природе
Вводная беседа. Роль физики в изучении живой природы. Идеи бионики.
Кинематика и динамика живых организмов. Скорости и ускорения, наблюдаемые в разных процессах. Естественная зашита оогавизмов от ускорений. Трепне в живой природе. Приспособления, за счет которых трение увеличивается или уменьшается. Реактивное движение в животном мире. Движение под углом к горизонту — полет так называемых летающих рыб, прыжки животных и человека. Влияние центростремительного ускорения на живые организмы. Ультрацентрифуги.
Энергия и мощность разных представителей живой природы.
Элементы статики в живой природе. Рычаги, клинья и др. в живой природе. Применение правила моментов для расчета сил, действующих на некоторые организмы. Равновесие и устойчивость их.
Элементы сопротивления материалов в живой природе. Прочность конструкций элементов животных организмов. Диатомеи, кораллы. Выпуклая форма черепа, грудной клетки, таза; трубча-
117
тая форма костей скелета, стеблей растений. Естественные биологические полимеры.
Элементы аэро- и гидродинамики в животном мире. Обтекаемость тела птиц, рыб. Аналогии в конструкциях крыла самолета и крыльев птиц, плавников рыб. Полет насекомых. Парашютизм в природе. Роль архимедовой силы в жизни растений и животных. Кровяное давление и его измерение.
Факультативные занятия в IX классе: молекулярная физика и основы электродинамики и живая природа
Вводная беседа.
Молекулярные явления в жизни живой природы. Некоторые сведения о микроструктуре элементов живых организмов. Диффузия в процессах дыхания и питания. Закон сохранения и превращения энергии как в неживой, так и в живой природе.
Газовые законы в жизни живых организмов. Газовые законы и процессы дыхания. Влияние атмосферного давления на живые организмы.
Роль поверхностных и капиллярных явлений в животных организмах. Роль капиллярных явлений в кровообращении животных, в строении растений. Роль поверхностных явлений для насекомых.
Электричество и живая природа. Влияние постоянного электрического поля на живые организмы, на рост и развитие растений. Биологические источники тока. Электрические органы рыб. Биопотенциалы в растительных и животных организмах и их регистрация. Изучение биопотенциалов в биологии и медицине. Сопротивление тела человека постоянному и переменному току. Электротравматизм. Лечебное действие постоянного и переменного тока.
Влияние магнитных и электромагнитных полей на живую природу. Постоянные магниты в медицине. Влияние магнитных полей на живые существа. Использование индукционных токов для прогрева тканей человеческого тела. УВЧ-терапия.
Факультативные занятия в X классе: элементы биофизики при изучении колебаний и волн, оптики, атомной и ядерной физики
Вводное занятие. Роль физики в системе естественных наук. Физические методы в биологии. Физические закономерности в жизни живых существ. Идеи бионики.
Колебательные звуковые процессы в живой природе. Голосовой и слуховой аппарат человека. Восприятие звуковых и иных колебательных процессов в животном мире. Звуки, сопровождающие работу сердца, легких, фонокардиография. Роль ультразвука в животном мире. Ультразвук и биология.
118
Роль электроники в биологии и медицине. Телеметрия — дистанционные измерения электрических и неэлектрических величин.
Оптика и живая природа. Строение глаза человека и других представителей животного мира: насекомых, птиц, рыб. Спектральная и энергетическая чувствительность глаза. Понятие о цветном зрении. Ультрафиолетовые лучи, их роль в биологии и медицине. Биолюминесценция. Рентгеновские лучи и их роль в медицине. Рентгено-структурный анализ в биологии. Новые виды источников света, отвечающие требованиям физиологии зрения. Живые источники света. Свечение микроорганизмов, некоторых органов рыб и др. Электронный микроскоп и его роль в биологии и медицине.
Радиоактивные излучения в биологии и медицине. Понятие о дозиметрии. Гамма-лучи и их применение для лечебных целей. Естественные радиоактивные изотопы и их применение в медицине. Искусственные радиоактивные изотопы, их применение в медицине, биологии, сельском хозяйстве.
Лабораторные работы биофизического характера
1.	Определение сопротивления тела человека (разных участков его).
2.	Спектр гемоглобина.
3.	Спектр хлорофилла.
4.	Определение удельного сопротивления некоторых жидкостей (например, раствора Рингера).
5.	Влияние физических факторов (электрическое поле, магнитное поле, сила тяжести) на рост и развитие растений.
6.	Изучение прочности костей, тканей организма.
7.	Простые механизмы в живых организмах (по скелетам животных).
8.	Измерение кожной температуры полупроводниковым тер- . мометром.	1
ПРИЛОЖЕНИЕ
Иллюстрация законов физики примерами из биологии
Раздел программы	Иллюстративный биологический материал
Механика	Линейные размеры различных живых существ — от
Общие вопросы	самых крупных до микроорганизмов. Размеры вирусов, крупных органических молекул Измерение сил, развиваемых в животном мире Массы разных живых организмов Плотности жидкостей и твердых тел, входящих в состав растительных и животных организмов Сила давления и давление в животном мире. Жало ос, пчел. Следы птичьих лапок, следы разных животных на рыхлом грунте
Равнопеременное движе-	Скорости движения различных живых существ.
ние	Скорости проведения нервных импульсов. Скорость тока крови Ускорения, которые могут возникать в мире живых существ (при взлете птиц, насекомых, при старте спортсменоа). Ускорения, испытываемые летчиками и космонавтами при взлете, посадке, при спуске на парашюте, при катапультировании Естественная защита организмов от ускорений (пружинящее действие согнутых конечностей; нахождение зародышей млекопитающих в жидкости равной с ними плотности) Методы тренировки летчиков и космонавтов по приобретению устойчивости к ускорениям. Меры защиты летчиков и космонавтов от ускорений
Законы Ньютона	Сравнение сил, развиваемых разными животными Примеры проявления силы трения в живой природе Влияние силы тяжести на развитие растений. Рост растений во вращающейся системе. Жизнь живых существ в условиях уменьшения веса или полной невесомости Примеры реактивного движения в живой природе ।
120
Продолжение
Раздел программы	Иллюстративный биологический материал
Элементы статики. Деформации	Разные случаи сохранения равновесия живыми организмами. Центр тяжести их Рычаги, клинья в живых организмах. Виды суставов. Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность тканей живых организмов. Строение костей, стеблей с точки зрения возможности наибольших деформаций
Криволинейное движение. Движение по окружности	Влияние ускорений, возникающих при движении по окружности, на живые организмы Применение ультрацентрифуг в биологии и медицине
Всемирное тяготение	Условия длительного существования человека на космической станции
Работа и энергия	Оценка работы «живых механизмов». Расчеты работы и мощности, характеризующих разные виды деятельности человека Мощности и относительные мощности в животном мире (слона, муравья, пчелы и др.) Прыжки (высота их и длина). Сравнение рекордов, достигнутых спортсменами, с «рекордами» представителей животного мира (обезьяна, кенгуру,
Движение жидкостей и газов	Применение законов Паскаля и Архимеда к обитателям пресных и соленых вод. Объяснение особенностей строения рыб, китов и дельфинов, а также водных растений Законы движения крови в организмах. Скорость ее движения, ширина русла, давление. Измерение кровяного давления
Сопротивление при движении тела в жидкости и газе Подъемная сила, действующая на крыло самолета	Полет птиц и насекомых. Обтекаемая форма тела птиц, рыб. Подъемная сила, действующая на крыло птицы Копирование элементов полета птиц и насекомых в авиации Использование элементов строения рыб, дельфинов, китов в конструировании подводных лодок
Звуковые явления	Голосовой аппарат человека. Частотный диапазон голоса человека Звуки, сопровождающие работу сердца и легких; их запись. Стетоскоп и фонендоскоп. Выстукивание как средство оценки размеров внутренних органов и их состояния Слуховой аппарат человека
Молекулярная физика и теплота Размеры молекул. Диффузия	Размеры и структуры органических молекул. Некоторые сведения о микроструктуре элементов живого организма. Получение изображений и оценка размеров при помощи электронного микроскопа Диффузия в процессе питания: диффузия в процессе дыхания
Закон сохранения и превращении энергии	Роль тепловых явлений в живой природе. Закон сохранении и превращения энергии для живой природы Терморегуляция живых организмоа.
121
Продолжение
раздел программы	Иллюстративный биологический материал
Свойства газов и паров. Свойства жидкостей Электричество Электрические заряды и электрическое поле Электрический ток в металлах. Законы постоянного тока Электронные явления в вакууме Электрический ток в электролитах Электрические свойства полупроводников Магнитное поле . Электромагнитная индукция Механические колебания; волны Переменный ток Электромагнитные колебания и волны	Калорийность разных пищевых продуктов, их усвоение. Разные рационы и их целесообразность в зависимости от окружающей среды и рода работы. Питание полярников, космонавтов Газовые законы в процессе дыхания. Кессонные ра- боты. Необходимость тренировки для работы на больших глубинах. Жизнь в условиях высокой степени разрежения воздуха. Органы, действующие за счет атмосферного давления. Тренировка космонавтов в барокамерах Роль капилляров в жизнедеятельности растительных н животных организмов. Движение насекомых по поверхности воды Влияние постоянного электрического поля на живые организмы. Влияние электрического поля на рост и развитие растений Биологические источники тока. Электрические органы рыб. Биопотенциалы в растительных и животных организмах, их регистрация. Электрокардиография. Значение этих методов в медицине и в биологии Сопротивление организмов постоянному току. Действие постоянного тока на живые организмы. Электротравматизм на постоянном токе. Физиотерапия. Применение термопар н термометров сопротивления для точного и дистанционного измерения температуры живых организмов Применение электронного осциллографа для анализа биопотенциалов Природа биопотенциалов. Применение электролиза для введения в организм лекарственных веществ Применение полупроводников для целей медицинской и биологической электроники: изготовление кожных термометров, счетчиков пульса, разнообразной аппаратуры, регистрирующей физиологическое состояние человека или животного Применение магнитов в медицине. Влияние магнитных полей на живые существа. Удаление железных опилок из глаз; магнитные браслеты Использование индукционных токов для прогрева, тканей человеческого тела Роль ультразвука как средства локации в живой природе (летучие мыши, дельфины и др.) Применение ультразвука в фармацевтической промышленности, в медицине и в биологии Сопротивление тела человека переменному току Действие переменного тока на живые организмы. Электротравматизм при работе с переменным током Медицинская и биологическая электроника. Телеметрия. Дистанционные измерения электрических и неэлектрических величин при помощи методов радиоэлектроники. Передача на большие рассто-
122
Продолжение
Раздел программы	Иллюстративный биологический материал
Оптика Геометрическая оптика. Законы освещенности Дисперсия света Квантовые свойства света. Волновые свойства света Строение атома. Атомная энергия	яния сведений о функциональном состоянии человека и животного. Влияние электромагнитных полей на живые организмы Нормы освещенности для разных видов работ Строение глаза человека и органов зрения других представ целей животного мира (насекомых, птнц, рыб и др.) Спектральная и энергетическаи чувствительность глаз Необходимость двух глаз для оценки расстояний и объемов предметов. Понятие о цветном зрении Роль микроскопии в биологии. Границы применения световых микроскопов Ультрафиолетовые лучи, их применение в биологии и медицине. Воздействие ультрафиолетовых лучей на живые организмы. Стимулирующее действие малых доз ультрафиолетовых лучей на растительный мир Рентгеновские лучи. Их применение для диагностики и для лечения. Понятие о дозиметрии. Дифракция рентгеновских лучей как средство изучения кристаллических (белковых) структур Новые виды источников света, отвечающие требованиям физиологии зрения Живые источники света. Свечение микроорганизмов, отдельных органов рыб и пр. Электронный микроскоп и его роль в биологии и медицине. Электронография в биологии Естественные радиоактивные изотопы и их применение для медицинских целей Применение у-лучей Искусственные радиоактивные изотопы, их применение в медицине, биологии, сельском хозяйстве
Литература для учащихся
Акимушкин И. Занимательная биология. М., «Молодая гвардия», 1967.
Акимушкин И. Приматы моря. М., Географиздат, 1963.
Анфилов Г. Физика и музыка. М, Детгиз, 1961.
Крюи Польде. Охотники за микробами. М., «Молодая гвардия», 1957.
Лункевич В. В. Занимательная биология. М., «Наука», 1965.
Огнев Б. В. и Новинский Г. Д. Медицина и физика. М., «Знание», 1962.
Перельман Я. И. Занимательная физика, ч. I и II. М., «Наука», 1971.
Пикар О. На глубину морей в батискафе. М, Судпрофиздат, 1961.
Прохоров А. И. Бионика. М., «Знание», 1963.
Ц и н г е р Я. А. Занимательная зоология. М., Учпедгиз, 1963.
Ц и н г е р А. В. Занимательная ботаника. М., «Наука», 1964.
Литература для учителя
Аккерман Ю. Биофизика. М., «Мир», 1964.
Александер А. Биомеханика. М., «Мир», 1970.
Асташенков П. Т. Что такое бионика. М., Воениздат, 1963.
Бабский Е. Б. и Парии В. В. Физиология, медицина и технический прогресс. М., «Наука», 1965.
Байер В. Биофизика. М., Изд-во иностр, лит., 1962.
Б е р г А. И. Бионика. М., «Наука», 1965.
В а.р и к а ш А. М. и др. Физика в живой природе. Минск, «Народная асвета», 1967.
Васильев И. М. Лучи смерти н жизни растений. М., Изд-во АН СССР, 1963.
Гельфер Я. М. Закон сохранения и превращения энергии. М., «Наука», 1967.
Гриффин Д. Эхо в жизни людей и животных. М., Физматгиз, 1961.
Гродзенский Д. Э. Радиобиология. М., Атомиздат, 1966.
Демирчоглян Г. Г. Радиоизотопы и излучения в биологии. М., Учпедгиз, 1959.
Журавлев А. И. и Тростников В. Н. Свечение живых тканей. М., «Наука», 1966.
Исаков П. К., Стасевич Р. А. Скорости, ускорения, невесомость. М, Воениздат, 1962.
Казиевский В. П. Аэродинамика в природе и технике. М., Учпедгиз, 1955.
Кригер Ю. А. Биофизика. Изд-во МГУ, 1960.
124
Лнвенцев Н. М. Учебник физики для медвузов. М., «Высшая школа», 1969.
Литинецкий И. Б. Беседы о бионике. М., «Наука», 1968.
Медведев П. Е. Глазами физика. Минск, «Народная асвета», 1965.
Пиотровский М. Ю. Физика в летних экскурсиях. Л., «Сеятель», 1925.
Пиотровский М. Ю. Физика для биологов. М.—?Л, Учпедгиз, 1935.
Протасов В. Р. Биоакустика рыб. М., «Наука», 1965.
Рейнберг С. А. Рентгеновы лучи. М., Медгиз, 1959.
Стейси Р. Основы биологической и медицинской физики. М., Изд-во иностр, лит., 1959.
Тарусов Б. Н. Основы биофизики и биофизической химии. М., «Высшая школа», 1960.
Томилин А. Г. Дельфины служат человеку. М., «Наука», 1969.
Халифман И. Пчелы. М., «Молодая гвардия», 1953.
Халифман И. Пароль скрещенных антенн. М., Детгиз, 1962.
Эльпинер И. Е. Ультразвук. М., Физматгиз, 1963.
Юбер Ф. Биофизические методы исследования. М., Изд-во иностр, лит., 1956.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................ 3
Глава I
Использование биофизического материала иа уроках физики ....	5
§ 1.	Элементы биофизики при изучении механики ......
§ 2.	Элементы биофизики при изучении колебаний и звука ...	39
§ 3.	Элементы биофизики при изучении теплоты и молекулярных явлений...................................................   52
§ 4.	Элементы биофизики при изучении электричества.......... 64
§ 5.	Элементы биофизики при изучении оптики и строения атома 75
§ 6.	Организация повторения с привлечением биофизического материала ..................................................    88
Глава II
Внеурочная работа по биофизике	98
§ 1.	Содержание и формы внеурочной работы по биофизике ...	—
§ 2.	Экскурсии биофизического направления..............  .	100
§ 3.	Опытническая кружковая	работа......................... 101
§ 4.	Организация и проведение биофизических вечеров в форме соревнования команд КВН . ................................... ЮЗ
§ 5.	Ученические конференции............................... 106
§ 6.	Биофизические вечера.................................. 112
§ 7.	Элементы биофизики на факультативных занятиях ....	117
Приложение ...................................................  120
Цецилия Бунимовна Кац
БИОФИЗИКА НА УРОКАХ ФИЗИКИ ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ
Редакторы В. А. Обменина. М. В. Кулакова
Художественный редактор Т. А. Алябьева Технический редактор М. И. Смирнова Корректор Г. Л. Нестерова
Школьные учебники (((Р
SHEBA.SPB.&U/SHKOLA