Фоторецепция позвоночных

Трансформация энергии света в фоторецепторный сигнал у позвоночных происходит в палочках и колбочках. Палочки способны генерировать сигнал в ответ на 1 квант света. Они состоят из дисков (до 1500 шт.), разделенных мембранами толщиной 15- 16нм. Мембрана образована фосфолипидным бислоем со встроенным родопсином.

Палочки обеспечивают сумеречное зрение! Родопсин- хромопротеин (М=40 000), гидрофобный фрагмент которого находится внутри рецепторной мембраны, а гидрофильный компонент (12 000)- снаружи. Хроматофор родопсина тоже ретиналь- половина молекулы b- каротина. При освещении родопсин обесцвечивается и максимум сдвигается с 500нм в коротковолновую область, в отличие от бактериородопсина.

В наружном сегменте много ненасыщенных жирных кислот, поэтому необходима защита от перекисного окисления с помощью a- токоферола. Его недостаток приводит к образованию перекисей. При освещении родопсин переходит в изородопсин (9- цис) и далее наблюдается обратное восстановление за счет биохимических реакций.

В фоторецепторной клетке на один поглощенный родопсином hn в плазматической мембране блокируется 100- 300 Na⁺- каналов (время открытия канала 200- 300мс). Одновременно внутриклеточно выделяется медиатор в цитоплазме наружного сегмента вследствие чего блокируются Na⁺- каналы. Предполагается, что существуют посредники (например Са²⁺ и циклические нуклеотиды), которые при освещении выбрасываются изнутри фоторецепторных дисков, блокируют Na⁺- каналы а затем активно " закачиваются" внутрь. По другой гипотезе нуклеотид цГМФ в темноте поддерживает Na⁺- каналы открытыми, а при освещении их закрывает. Возможный медиатор- фосфоинозитол.

Следует отметить, что во многих случаях рецепция осуществляется за счет химических посредников. Это в частности, могут быть гормоны, регуляторные пептиды. При этом важно появление этих веществ и их доставка (транспорт) к специальным клеточным структурам- рецепторам. На втором этапе происходит " узнавание" этих молекул специальными механизмами. Наконец 3-й этап завершается определенным действием рецепторного органа- или генерацией электросигнала (например, при хеморецепции) или выработкой секретируемого продукта.

Г. Адамс и М. Дельбрюк (1968г.) показали, что скорость транспорта может ускоряться в зависимости от области пространства (размеров) и размера мишени а, например, по закону t=b³/(3 a D), где D- коэффициент диффузии, t-среднее время диффузии молекулы переносчика.

Процессы связывания молекулы лиганда (гормона, пахучего вещества, нейромедиатора) с рецептором подчиняется обычным законам химкинетики с образованием лиганд- рецепторного комплекса, т.е.

где k=1/К_дис величина обратная равновесной константе диссоциации. Для гормон- рецепторных комплексов константы сродства лежат в интервале 10⁸- 10¹¹ М^-1.

Гормональная рецепция

Многие рецепторы гормонов находятся в плазматической мембране клеток. Исключением из этого правила являются стероидные гормоны, рецепторы которых находятся внутри клетки. Многие пептидные гормоны и кохетоламины преобразуются в процессе активации мембранного фермента аденилатциклазы. Этот фермент катализирует синтез регуляторного нуклеотида- циклического АМФ (цАМФ). В клетках эукариот цАМФ активизирует его зависимые протеинкиназы, которые фосфорилируют функциональные или структурные протеины. Как результат- ингибируется или активизируется синтез специфических биомолекул. Последние могут изменять транспорт ионов, механическую активность клеток и вызывать другие ответные реакции. Сигнал гормона в сигнал цАМФ преобразуется в плазматической мембране за счет взаимодействия рецептора, регуляторного N- белка и аденилатциклазы (N- белок влияет на активность Ац) по схеме

При этом происходит попарное образование Р- N и N- Ац. Существенно, что состояние липидного бислоя влияет на скорость этих реакций образования. Например, действие лазера существенно влияет на коэффициенты латеральной диффузии рецепторов, вызывая фотоокисление. Установлено, что коэффициент диффузии D, входящий в уравнение Фика зависит от радиуса лазерного луча R по закону , где t- время полувосстановления флуоресценции, g- параметр.

Восприятие запаха осуществляется обонятельной выстилкой полости носа у высших позвоночных и обонятельными клетками у низших. Разделяют жгутиковые клетки (все наземные и многие первичноводные) и микровилярные (хрящевые и двоякодышащие рыбы). Первые типы клеток заканчиваются утолщениями- булавами, содержащими трубчатые фибриллы или микроворсинки с сократимыми трубочками. Считается, что на них и располагаются белковые молекулы, ответственные за восприятие. По теории Райта запах обусловлен избирательным восприятием электромагнитных колебаний молекул пахучих веществ. Дж. Эймур выделил 7 первичных запахов (камфорный, острый, эфирный, цветочный, мятный, мускусный и гнилостный) и рассчитал размеры рецепторных лунок, воспринимающих эти запахи. Показано, что острый запах дают молекулы с большим сродством к электрону, гнилостный- нуклеофильные соединения и т.д. Если молекула может попасть в несколько специфических лунок, то получаем смешанный запах. Эймур синтезировал молекулы с заранее предсказанным запахом. Результаты взаимодействия молекулы с рецептором- генерация ЭП (регистрируется электроольфактограмма, olfacto- обоняю).

Вкусовая рецепция обеспечивается вкусовыми луковицами. У рыб эти рецепторы находятся на поверхности тела, а у нас во рту, на губах, пищеводе и т.д. На концах этих клеток находятся микроворсинки, содержащие специфические белки. Эти белки- рецепторы формируют у нас 4-е основных вкуса: горькое, соленое, сладкое, кислое. Сейчас выделены белки- рецепторы сладкого (монеллин, тиуматин и миракулин) и их антагонисты (гимнемовые кислоты и зизифин). Монеллин (белок, М= 10 000) в 3000 раз слаще сахарозы, способен вызывать электрический сигнал на мембране вкусовой луковицы.

В настоящей работе Вам предлагается изучить некоторые закономерности функционирования зрительного анализатора, который можно представить как обычную 3-х компартментную систему (периферическое звено- рецептор с проводящей системой, центральное звено и эфферентный компартмент).

Вам предлагается изучить статистические закономерности сенсомоторных реакций зрительного и звукового анализаторов, когда на вход системы мы подаем зрительный или слуховой сигнал, а на выходе регистрируем моторную реакцию (нажатие клавиши на ЭВМ). Вам предлагается выполнить по 10 опытов отдельно для зрительного и слухового анализатора и сравнить их латентные периоды с доверительными интервалами. Сделайте выводы о скоростях реакций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО III ЭТАПУ:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучающийся должен изучить все методические указания, ответить на вопросы из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения III этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради. Обратите особое внимание на параметры, влияющие на рецепцию.

Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Цель этапа: Проверить закон Вебера- Фехнера для тактильного анализатора.

Для достижения цели необходимо:

1. Положить на тыльную сторону ладони пластинку №1 (массой m₁) и, последовательно меняя и увеличивая величину тестирующего груза Dm (брать пинцетом!), зафиксировать пороговое значение Dm₁ для груза m₁ (когда возникнут четкие ощущения).

2. Взять вторую пластинку m₂ (m₁=m₂), положить на первую m₁ и повторить опыт с измерением Dm₂. Убедиться, что Dm₂@2Dm₁.

3. Повторить опыт и измерения с пластиной m₃=m₁ и проверить- будет ли Dm₃@3Dm₁ или нет?

Рассчитать с какой абсолютной и относительной погрешностью выполняется закон Вебера- Фехнера для тактильного анализатора,

Dm₁/m₁@Dm₂/(Dm₁+m₂)@Dm₃/(m₁+m₂+m₃).

Аналогичные измерения можно произвести и для слухового анализатора, причем DI необходимо задавать с помощью ручки регулятора громкости.

Почему хорошую музыку не рекомендуют слушать громко? Подтвердите это законом Вебера для слухового анализатора.

Проверка закона Вебера- Фехнера

при механическом раздражении кожи

Стеклянная пластинка, согретая до температуры тела, укладывается на кисть руки, предплечье или спину. Исследуемый не должен на неё смотреть и вообще не должен знать о действиях экспериментатора. На пластинку осторожно накладывается гиря 1г, к ней добавляются разновесы по 0, 1г и исследуемый должен сообщить. когда почувствует изменение давления. После отыскания минимального воспринимаемого прироста отягощения DI исходный груз 1г заменяют другим, повторяют те же наблюдения для ряда I, например, 1, 2, 10, 50, 100, 500, 1000, 2000 и 3000г. Полученные данные сводятся в таблицу.

Проверка закона Вебера- Фехнера.

На ладонь кладется пластинка весом 10г и на неё добавляют последовательно разновесы по0, 2г до появления ощущения. Затем берется пластина 100г и добавляют гири по 2г до появления ощущения прироста. Аналогичную процедуру повторяют с массами 200 и 400г. Для каждого случая вычисляют и сравнивают.

Лабораторная работа № 2.7

ИЗМЕРЕНИЕ ЛАТЕНТНЫХ ПЕРИОДОВ СЕНСОМОТОРНЫХ РЕАКЦИЙ

Цель работы: Ознакомиться с основами процессов рецепции и законами их описывающими.

Обучающийся должен знать:

1. Свойства анализаторов и закон Вебера- Фехнера.

2. Строение и функции зрительного и слухового анализаторов.

3. Биофизические основы фоторецепции.

Обучающийся должен уметь:

1. Измерять латентные периоды сенсомоторных реакций.

2. Выполнить статистическую обработку результатов измерений.

Практическое значение.

Работа фоторецепторов и рецепторов слуха дает нам основную информацию об окружающем мире. Особое значение фоторецепции для понимания единства процессов в растительном и животном мире. Биофизика анализаторов лежит в основе физиологии трудовых процессов и является фундаментом для понимания патологических процессов в психиатрии, мед. психологии, валеологии.

Бюджет времени

На изучение темы отводится 6 часов, из них 2 часа лекций, 2 часа лабораторные занятия и 2 часа на самоподготовку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Макаров П.О. Практикум по физиологии и биофизике органов чувств- анализаторов.- М.: Высшая школа, 1973.- 304с.

2. Кейдель В.Д. Физиология органов чувств.- М.: Медицина, 1975.- 216с.

3. Владимиров В.А. и др. Биофизика.- М.: Медицина, 1983.- С. 244- 252.

4. Рубин А.Б. Биофизика. В 2-х т.- М.: Высшая школа, 1987.- Т.2, с. 187- 292.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО I ЭТАПУ

“САМОПОДГОТОВКА”

Цель этапа: Теоретически изучить строение и функции основных анализаторов. Изучить свойства и механизмы функционирования зрительных рецепторов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО II ЭТАПУ:

“Выполнение лабораторной работы”

Цель этапа: Определить время латентных периодов зрительного и слухового анализаторов.

Для достижения цели необходимо:

I. С помощью ЭВМ войти в файл Р-тест и внимательно ознакомиться с прилагаемыми инструкциями для выполнения измерений длительности сенсомоторных реакций. Выполнить 10 измерений латентных периодов аудиомоторных реакций и зрительно- моторных реакций у одного и того же испытуемого. Сравнить полученные данные для одного испытуемого и затем для 2-х разных испытуемых. Сделать выводы по результатам экспериментов.

II. Оформить протокол наблюдений и подписать его у преподавателя.

Блок информации

Для любого живого организма характерно свойство раздражимости, т.е. способность отвечать на раздражение. Последнее обеспечивается адекватными для данного рецепторного аппарата раздражителями (световые, механические, электрические, химические и т.д). Любое раздражение имеет свои основные параметры (интенсивность, длительность, градиент и т.д.), которые оцениваются (проявляются) в деятельности анализаторов. В свою очередь анализатор (как система) состоит из 3-х частей (звеньев)- периферический конец, проводник и корковый конец.

Первое звено- рецепторы- обеспечивает восприятие специфических форм энергии, которые для рецептора являются адекватными раздражителями. Например для рецептора уха- это механические колебания от 16 до 25 000 Гц. Второе звено- проводниковое- обеспечивается работой афферентных нервов. Корковое звено- это третья часть анализаторов, в которой возникают ощущения и восприятия. То что корковая часть- это в определенном смысле самостоятельная часть анализатора подтверждается фактом, что ощущения могут возникать и без раздражения (обусловлены изменениями в окружающей рецептор среде) и без возбуждения (оно обуславливается обменом веществ в организме в следствие раздражения), например во сне или при галлюцинациях. Известно также, что возможна работа периферического звена без коркового звена (жизнь без сознания).

Существуют различные методы исследования анализаторов и, в частности, рецепторного звена. Это методы условных рефлексов, хирургические методы, электрофизиологические методы, анализ косвенных реакций (детектор лжи), сравнительно- физиологический метод, клинический метод, биохимические и биофизические методы и т.д.

К основным свойствам анализаторов относятся: чувствительность (возбудимость) характеризует способность анализатора реагировать на раздражение (при возбудимости может быть реакция ниже порога чувствительности). Отметим, что порог Т и чувствительность S связаны соотношением S=1/T. Далее, реактивность живой системы проявляется в ответах на раздражения до возникновения распространяющегося возбуждения. Возбудимость проявляется в возникновении распространяющегося возбуждения, а адекватность- в избирательности внешних стимулов (раздражений). Наконец, эффективность оценивается конечным эффектом работы анализатора (например, количеством слюны).

Биофизический метод в исследованиях анализаторов позволяет установить ряд количественных закономерностей. В 1834г. Э.Вебер установил для ряда анализаторов закон постоянства отношения DI/I, где DI- минимальный воспринимаемый прирост раздражения к его исходной величине. Позже Фехнер доказал, что минимальный прирост ощущения dS зависит от соотношения величин раздражения по формуле

dS=CdR/R,

где С- константа пропорциональности. Отсюда, после интегрирования получим

S=KlnR/r,

где r- величина раздражения, равная абсолютному порогу. Отметим, что при R=r имеем S=0. Если принять r за единицу измерения, то

S=KlnR

Рассмотрим строение и функционирование ряда рецепторов. Один из наиболее интересных в эволюционном плане- это фоторецепторы. Они уже сравнительно хорошо изучены в настоящее время. В частности недавно открытый в пурпурной мембране (ПМ) галофильных бактерий бактериородопсин (Бр) с молекулярной массой 26 000- объект весьма пристального внимания ученых (В. Стокениус, 1971г.). Каждая молекула Бр содержит один хроматофор- ретиналь (полиеновый альдегид) в комплексе с белком (опсином), который преобразует энергию hn в перемещение Н⁺ через мембрану и синтезируется АТФ. Все это ионные и ферментативные процессы, они сходны с фотосинтезом.

Пурпурные мембраны (ПМ) содержат: 75% белка, 25% липиды (фосфо- и гликолипиды). Причем существенно, что хроматофор белка- ретиналь содержится в соотношении с белком 1: 1. Важно, что максимум поглощения сдвигается после освещения светом от 560нм к 570нм с переносом протона через мембрану посредством 6-ти промежуточных состояний с участием иононового кольца.

При освещении Н⁺ освобождается и выходит во внешнюю среду. Причем поглощение света обеспечивает сдвиг электронной плотности и поляризацию белкового окружения ретиналя. Существенно, что выброс протона происходит на внешней стороне ПМ, а захват- на цитоплазматической. Таким образом внешняя среда закисляется и роль протонной помпы выполняет Бр. Одновременно установлено, что при освещении суспензии галобактерий увеличивается содержание АТФ в клетках и тормозится дыхание. Фотоиндуцированный перенос протонов через ПМ сопровождается электрогенезом, т.е. образованием на мембране фотопотенциала.

Фоторецепция позвоночных

Трансформация энергии света в фоторецепторный сигнал у позвоночных происходит в палочках и колбочках. Палочки способны генерировать сигнал в ответ на 1 квант света. Они состоят из дисков (до 1500 шт.), разделенных мембранами толщиной 15- 16нм. Мембрана образована фосфолипидным бислоем со встроенным родопсином.

Палочки обеспечивают сумеречное зрение! Родопсин- хромопротеин (М=40 000), гидрофобный фрагмент которого находится внутри рецепторной мембраны, а гидрофильный компонент (12 000)- снаружи. Хроматофор родопсина тоже ретиналь- половина молекулы b- каротина. При освещении родопсин обесцвечивается и максимум сдвигается с 500нм в коротковолновую область, в отличие от бактериородопсина.

В наружном сегменте много ненасыщенных жирных кислот, поэтому необходима защита от перекисного окисления с помощью a- токоферола. Его недостаток приводит к образованию перекисей. При освещении родопсин переходит в изородопсин (9- цис) и далее наблюдается обратное восстановление за счет биохимических реакций.

В фоторецепторной клетке на один поглощенный родопсином hn в плазматической мембране блокируется 100- 300 Na⁺- каналов (время открытия канала 200- 300мс). Одновременно внутриклеточно выделяется медиатор в цитоплазме наружного сегмента вследствие чего блокируются Na⁺- каналы. Предполагается, что существуют посредники (например Са²⁺ и циклические нуклеотиды), которые при освещении выбрасываются изнутри фоторецепторных дисков, блокируют Na⁺- каналы а затем активно " закачиваются" внутрь. По другой гипотезе нуклеотид цГМФ в темноте поддерживает Na⁺- каналы открытыми, а при освещении их закрывает. Возможный медиатор- фосфоинозитол.

Следует отметить, что во многих случаях рецепция осуществляется за счет химических посредников. Это в частности, могут быть гормоны, регуляторные пептиды. При этом важно появление этих веществ и их доставка (транспорт) к специальным клеточным структурам- рецепторам. На втором этапе происходит " узнавание" этих молекул специальными механизмами. Наконец 3-й этап завершается определенным действием рецепторного органа- или генерацией электросигнала (например, при хеморецепции) или выработкой секретируемого продукта.

Г. Адамс и М. Дельбрюк (1968г.) показали, что скорость транспорта может ускоряться в зависимости от области пространства (размеров) и размера мишени а, например, по закону t=b³/(3 a D), где D- коэффициент диффузии, t-среднее время диффузии молекулы переносчика.

Процессы связывания молекулы лиганда (гормона, пахучего вещества, нейромедиатора) с рецептором подчиняется обычным законам химкинетики с образованием лиганд- рецепторного комплекса, т.е.

где k=1/К_дис величина обратная равновесной константе диссоциации. Для гормон- рецепторных комплексов константы сродства лежат в интервале 10⁸- 10¹¹ М^-1.

Гормональная рецепция

Многие рецепторы гормонов находятся в плазматической мембране клеток. Исключением из этого правила являются стероидные гормоны, рецепторы которых находятся внутри клетки. Многие пептидные гормоны и кохетоламины преобразуются в процессе активации мембранного фермента аденилатциклазы. Этот фермент катализирует синтез регуляторного нуклеотида- циклического АМФ (цАМФ). В клетках эукариот цАМФ активизирует его зависимые протеинкиназы, которые фосфорилируют функциональные или структурные протеины. Как результат- ингибируется или активизируется синтез специфических биомолекул. Последние могут изменять транспорт ионов, механическую активность клеток и вызывать другие ответные реакции. Сигнал гормона в сигнал цАМФ преобразуется в плазматической мембране за счет взаимодействия рецептора, регуляторного N- белка и аденилатциклазы (N- белок влияет на активность Ац) по схеме

При этом происходит попарное образование Р- N и N- Ац. Существенно, что состояние липидного бислоя влияет на скорость этих реакций образования. Например, действие лазера существенно влияет на коэффициенты латеральной диффузии рецепторов, вызывая фотоокисление. Установлено, что коэффициент диффузии D, входящий в уравнение Фика зависит от радиуса лазерного луча R по закону , где t- время полувосстановления флуоресценции, g- параметр.

Восприятие запаха осуществляется обонятельной выстилкой полости носа у высших позвоночных и обонятельными клетками у низших. Разделяют жгутиковые клетки (все наземные и многие первичноводные) и микровилярные (хрящевые и двоякодышащие рыбы). Первые типы клеток заканчиваются утолщениями- булавами, содержащими трубчатые фибриллы или микроворсинки с сократимыми трубочками. Считается, что на них и располагаются белковые молекулы, ответственные за восприятие. По теории Райта запах обусловлен избирательным восприятием электромагнитных колебаний молекул пахучих веществ. Дж. Эймур выделил 7 первичных запахов (камфорный, острый, эфирный, цветочный, мятный, мускусный и гнилостный) и рассчитал размеры рецепторных лунок, воспринимающих эти запахи. Показано, что острый запах дают молекулы с большим сродством к электрону, гнилостный- нуклеофильные соединения и т.д. Если молекула может попасть в несколько специфических лунок, то получаем смешанный запах. Эймур синтезировал молекулы с заранее предсказанным запахом. Результаты взаимодействия молекулы с рецептором- генерация ЭП (регистрируется электроольфактограмма, olfacto- обоняю).

Вкусовая рецепция обеспечивается вкусовыми луковицами. У рыб эти рецепторы находятся на поверхности тела, а у нас во рту, на губах, пищеводе и т.д. На концах этих клеток находятся микроворсинки, содержащие специфические белки. Эти белки- рецепторы формируют у нас 4-е основных вкуса: горькое, соленое, сладкое, кислое. Сейчас выделены белки- рецепторы сладкого (монеллин, тиуматин и миракулин) и их антагонисты (гимнемовые кислоты и зизифин). Монеллин (белок, М= 10 000) в 3000 раз слаще сахарозы, способен вызывать электрический сигнал на мембране вкусовой луковицы.

В настоящей работе Вам предлагается изучить некоторые закономерности функционирования зрительного анализатора, который можно представить как обычную 3-х компартментную систему (периферическое звено- рецептор с проводящей системой, центральное звено и эфферентный компартмент).

Вам предлагается изучить статистические закономерности сенсомоторных реакций зрительного и звукового анализаторов, когда на вход системы мы подаем зрительный или слуховой сигнал, а на выходе регистрируем моторную реакцию (нажатие клавиши на ЭВМ). Вам предлагается выполнить по 10 опытов отдельно для зрительного и слухового анализатора и сравнить их латентные периоды с доверительными интервалами. Сделайте выводы о скоростях реакций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО III ЭТАПУ:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучающийся должен изучить все методические указания, ответить на вопросы из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения II этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради. Обратите особое внимание на параметры, влияющие на рецепцию.

Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Лабораторная работа № 2.8

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОТОСИНТЕЗА

ЗЕЛЕНЫХ РАСТЕНИЙ

Цель работы:

Обучающийся должен знать:

1. Механизмы поглощения света и трансформации энергии фотонов в химическую энергию биоструктур.

2. Основные этапы фотосинтеза световой и темновой фазы. Основные процессы, протекающие на мембранах гран хлоропластов.

3. Общебиологическое значение фотосинтеза в развитии биосферы на Земле.

Обучающийся должен уметь:

1. Экспериментально регистрировать процесс фотолиза воды

2. Изучать влияние абиотических факторов (температуры и освещенности) на скорость фотосинтеза зеленых растений.

Практическое значение. Процесс фотосинтеза обеспечивает усвоение солнечной энергии для синтеза органических соединений растений. Животные способны использовать только энергию, уже связанную в органические соединения, т.е. процесс фотосинтеза обеспечивает все энергетические потребности всех живых организмов Земли. Кроме того, кислород, выделяющийся при фотосинтезе, поддерживает состав атмосферы Земли.

Оборудование: лабораторная посуда,

химические реактивы: растворы Ва(ОН)₂, НСl, 4% СuSO, 1% K₂Cr₂O₇, KMnO₄, раствор фенолфталеина, часы, листы черной бумаги.

Объектисследования: веточки комнатных зеленых растений, веточки аквариумных растений- элодеи или валиснерии.

Бюджет времени

На изучение темы отводится 4 часов, из них 2 часа лабораторные занятия и 2 часа на самоподготовку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рубин А.В. Биофизика: В 2 кн.- М.: Высш. шк., 1987.- Кн. 2

2. Страйер Л. Биохимия: В 3 т.- М.: Мир, 1985.- Том 2

3.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО I ЭТАПУ

“САМОПОДГОТОВКА”

Цель этапа: 1. Повторить исходную информацию, необходимую для понимания изучаемой темы. Проверить качество усвоения новой информации (понятия и законы) перед выполнением работы.

I. Исходный уровень знаний.

Для изучения темы необходимо повторить:

1. Понятие фотосинтеза растительного и бактериального типа;

2. Понятие электронно-транспортной цепи;

II. Изучив блок информации и учебную литературу, обучающийся для самоконтроля должен ответить на следующие вопросы:

1. Дайте характеристику процессу фотосинтеза.

2. Объясните роль фотосинтеза в глобальных преобразованиях биосферы.

3. Какие факторы регулируют интенсивность и продуктивность фотосинтеза?

4. Каковы особенности фотосинтеза различных растений (водные и наземные)?

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО II ЭТАПУ:

“Выполнение лабораторной работы”

Цель этапа: Изучить зависимость интенсивности процессов фотосинтеза от различных факторов окружающей среды (освещенность, спектральный состав света).

Для достижения цели необходимо:

I. Исследование влияния различной освещенности на интенсивность фотосинтеза.

Возьмите две конические колбы, предварительно выдержанные открытыми в течение 20- 30 минут в одинаковых условиях для заполнения воздухом. Срежьте веточку комнатного зеленого растения и поставьте ее в пробирку с водой, эту пробирку опустите в первую колбу (назовем ее опытной), а вторую колбу (назовем ее контрольной) оставьте пустой, затем обе колбы практически одновременно плотно закройте пробкой. Выставьте колбы на хорошо освещенное и теплое место. Время экспозиции 60 минут.

По окончании опыта извлеките растения из обеих колб одновременно, быстро закройте каждую колбу вновь пробкой с трубочкой. Налейте в каждую колбу по 20 мл раствора Ва(ОН)₂ и добавьте по 2 капли раствора фенолфталеина. Оттитруйте полученные растворы в колбах раствором НСl. Интенсивность фотосинтеза определите по формуле:

,

где А- количество НСl в опытной колбе, В - количество НСl в контрольной колбе, К- поправка к титру НСl, 0, 55- стандартная величина, S_х- площадь листа, t - продолжительность опыта в минутах, 60 - коэффициент перевода минут в часы.

Повторите опыт, но задайте иные условия освещенности. Например: поместите колбы в плохо освещенное, холодное место. Сравните полученные результаты и сделайте вывод о влиянии освещенности на интенсивность фотосинтеза.

II. Изучение влияния света на возможность фотосинтеза.

Возьмите три пробирки. В каждую налейте по 2 мл баритовой воды подкрашенной фенолфталеином. В две пробирки поместите веточку комнатного зеленого растения, третью оставьте контрольной. Все пробирки плотно закройте пробками. Одну изолируйте от света, плотно завернув в черную бумагу.

Время экспозиции 40 минут. По истечении времени возьмите пробирки в руку и хорошо встряхните их до тех пор, пока станут заметными изменения окраски раствора. Какие изменения произошли в двух опытных пробирках? Опишите эти изменения в тетради и объясните возможные причины этих событий.

III. Изучение влияния внешних условий на интенсивность фотосинтеза водных растений.

Привяжите веточку живой элодеи или валиснерии ниткой к стеклянной палочке и поместите ее в пробирку с водой. Добавьте в воду щепотку соды. Из срезанного листа водного растения начнут выделяться пузырьки воздуха, при подсчете которых судите об интенсивности фотосинтеза за определенный интервал времени. Подсчитайте количество пузырьков, выделившихся за 30 минут и запишите эти сведения в тетрадь.

Повторите опыт, но задайте при этом иные условия. Например, поместите пробирку в плохо или в хорошо освещенное место, подкрасьте воду 4% раствором СuSО₄ в синий цвет или в красно-розовый 1% раствором дихромата или перманганата калия. Сравните полученные результаты и дайте им грамотное объяснение.

Блок информации:

Первоисточником энергии для экосистем Земли служит Солнце. Эта энергия распространяется в космическом пространстве в виде электромагнитных волн, и небольшая часть ее, составляющая примерно 70, 3× 10⁵ кДж/м² в год, захватывается Землей. Около 40% отражается обратно от облаков, атмосферной пыли и поверхности Земли. Еще 15% поглощается атмосферой и превращается в тепловую энергию или расходуется на испарение воды. Оставшиеся 45% поглощается зелеными растениями или земной поверхностью. Ежегодно в процессе фотосинтеза связывается около 8× 10¹⁰ т углерода, образуется примерно 1, 8× 10¹¹ т сухой биомассы растениями суши и почти столько же растениями Мирового океана. Именно фотосинтез является исключительным источником кислорода в атмосфере Земли, только протекание его в зеленных растениях поддерживает постоянство состава атмосферы. Развитие фотосинтетического аппарата растений сделало возможным нынешнее направление эволюционного развития и стало причиной самой глобальной революции в развитии Земли: смена бескислородной (восстановительной) атмосферы Земли на кислородсодержащую (окислительную) стало причиной появления и доминирования на Земле аэробных организмов, анаэробный путь синтеза биовещества (хемосинтез) может обеспечить жизнедеятельность только отдельных микроорганизмов.

Не менее глобальным следствием появления кислородной атмосферы Земли стал выход жизни из океана на сушу: пока в атмосфере не появился озон (О₃, аллотропное соединение кислорода), жесткий ультрафиолет достигал поверхности Земли беспрепятственно и сохранял способность повреждать органические молекулы. Защитное действие озона определяется совпадением диапазона максимального поглощения (230- 290 нм) с таковым для клеток живых организмов и повреждающее действие УФ на клеточный метаболизм сводится к минимуму.

Зеленым растениям свет нужен для осуществления процесса фотосинтеза, благодаря которому энергия солнечного излучения улавливается, превращается и аккумулируется на Земле. Только связанная растениями солнечная энергия становится доступной для потребления остальными организмами.

Фотосинтез может протекать не только в растениях, но и некоторых бактериях. Бактериальный фотосинтез связан с более сильными восстановителями, чем вода (H₂S, SO₂), и может использовать ближнее ИК- излучение (до 1000 нм). Он не вносит существенного вклада в общий процесс запасания солнечной энергии, но локально может оказаться очень важен: в Черном море на многих участках количества хлорофилла и бактериохлорофилла в столбе воды вполне сравнимы.

Фотосинтез- уникальный процесс образования богатых энергией органических веществ в клетках зеленых растений под действием видимого света (400- 700 нм). Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид:

Процессы фотосинтеза пространственно и во времени можно разделить на 2 сравнительно самостоятельных процесса: световую стадию окисления воды и темновую стадию восстановления углекислого газа. Обе стадии протекают у высших растений и водорослей в специализированных органеллах клеток- хлоропластах (исключение синезеленные бактерии (цианобактерии), у которых аппарат фотосинтеза не обособлен от цитоплазматических мембран).

Первый этап фотосинтеза- это поглощение энергии света молекулами пигментов: различных видов хлорофилла. Молекулы пигментов упакованы в мембраны тиллакоидов хлоропластов. Свет, поглощенный молекулами хлорофилла, поднимает их электроны на более высокий энергетический уровень. Энергия, выделяемая в световых реакциях, запасается в виде молекул АТФ, НAДФ-H₂, побочным продуктом световых реакций фотосинтеза является молекулярный кислород, свободно диффундирующий в окружающую среду. Не все фотосинтетические реакции требуют света. Серия реакций протекает без участия света- темновая стадия фотосинтеза. Темновые реакции осуществляются в жидком содержимом (строме) хлоропласта. Их результатом является восстановление двуокиси углерода через цикл промежуточных углеводородных форм до молекулы углевода- глюкозы. С использованием изотопных меток показано, что источником всего свободного кислорода является вода

Для фотосинтетических реакций растения используют только видимую часть спектра света. Причем водные и наземные растения в процессе эволюции приспособились улавливать различные излучения видимого света. Так глубоководные растения способны улавливать длинноволновую часть спектра- красный свет, растения поверхностных слоев океана улавливает коротковолновый синий свет.

Исход фотосинтеза, его продуктивность определяется условиями окружающей среды, в которых он осуществляется. Главную роль способны сыграть следующие факторы среды: уровень освещенности, температура, влажность воздуха и почвы. Немаловажную роль имеет общий уровень жизнеспособности самого растительного организма, особенности его метаболизма и морфологии.

Рассмотрим более подробно механизм фотосинтеза. Важнейшую роль играют электронно-конформационные взаимодействия (ЭКВ). Именно поэтому большая часть стадий процесса протекает практически необратимо. Можно выделить 3 основные фазы трансформации энергии: поглощение света фотосинтетическими пигментами и передача энергии на реакционные центры (РЦ) фотосинтеза; первичное разделение зарядов и трансформация энергии в РЦ; перенос электронов по электронно- транспортным цепям (ЭТЦ) и сопряженные процессы, приводящие к образованию первичных стабильных продуктов (НАДФ и АТФ), используемых в дальнейших темновых реакциях фиксации СО₂ и образования конечных продуктов фотосинтеза.

Поглощение света в листьях происходит на системе пигментов, основными из которых являются хлорофиллы a и b, различающиеся спектрами поглощения (рис. 1). Хлорофилл a служит основой 2 отдельных подсистем способных утилизовать фотоэнергию: фотосистемы I (ФС I) и фотосистемы II (ФС II). Часть вспомогательных пигментов, спектрально близких хлорофиллу а (хлорофилл b, каротиноиды и т.д.), непосредственно окружают РЦ, образуя так называемые антенны. На одну молекулу фотоактивного хлорофилла работают несколько десятков молекул вспомогательных пигментов. Организация их в антенны позволяет максимально полно использовать энергию фотонов и перенос энергии с вспомогательных пигментов на хлорофилл РЦ подтверждается присутствием в спектре люминесценции неповрежденных зеленых клеток только линий хлорофилла а. Следует заметить, что свойства хлорофилла а зависят от того, входит он в состав РЦ или антенный набор пигментов. Фотосистемы различаются поглощаемым излучением: ФС I использует излучение с l£ 710 нм, а ФС II с l£ 680 нм. В мембранах тилакоида центры ФС I и ФС II пространственно разделены и сопряжение достигается последовательной передачей электрона в цепи различных молекул (ЭТЦ) (рис. 2, 4).

Рис.1

Усвоение энергии начинается с поглощения электрона в ФС II с образованием синглетно возбужденного хлорофилла а (Р680*), который передает электрон через промежуточный акцептор молекуле феофитина (безмагниевый аналог хлорофилла), образуя его анион- радикал (F). Анион- радикал служит донором электрона для связанного пластохинона (PQ), координированного с ионом Fe³⁺. Далее электрон переходит к молекуле свободного пластохинона, присутствующего в избытке по отношению к прочим компонентам цепи, затем цитохромы b₆ и f (Cyt_b/f), образующие комплекс с железосернистым центром передают электрон через медьсодержащий белок пластоцианин (РС) к реакционному центру ФС I.

Центры Р680* быстро восстанавливаются, принимая электроны через ряд переносчиков от воды. Образование О₂ требует четырехкратного возбуждения реакционного центра и катализируется мембранным комплексом, содержащим Mn. Очевидно, что эти центры- сильные окислители.

Хлорофилл в ФС I отдает электрон через цепь переносчиков растворимому белку ферредоксину (fd), восстанавливающему с помощью фермента ферредоксин- НАДФ- редуктазы НАДФ до НАДФН. Катион- радикал Р700* восстанавливается пластоцианином. Центры ФС II- сильные восстановители.

В зрелых хлоропластах содержатся граны (стопки тиллакоидов), в мембранах которых содержится полный набор ЭТЦ, и так называемые агранальные тиллакоиды, содержащие только ФС I. Различие биохимических ролей их в следующем.

Рис.2. Пояснения в тексте

В общем случае перенос электронов пластохиноном порождает разность потенциалов на мембране (плюс- внутри, минус- снаружи мембраны). Следствием этого становится движение протонов снаружи тилакоида внутрь. Перенос протонов сопрягается синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Предполагают, что обратный транспорт протонов из тилакоидов в строму посредством белкового сопрягающего фактора (Н⁺- АТФ- синтетазы) также сопровождается синтезом АТФ. Центры ФС I способны работать автономно, без контакта с ФС II (пунктир на рис.2). В этом случае вся энергия запасается в виде АТФ.

Важность присутствия в растения обоих ФС становится понятна на основании эффектов Эмерсона. Первый состоит в резком падении интенсивности фотосинтеза при l³ 700 нм (красное падение), второй состоит в неаддитивном усилении фотосинтеза при добавлении света низкой интенсивности l=650 нм к дальнему красному свету (эффект усиления). Таким образом показано существование двух отдельно организованных, но взаимосвязных ФС и инициирующая роль в фотосинтезе ФС, использующей коротковолновое излучение (ФС II, l£ 680 нм).

Таким образом видна прочная и взаимообусловленная связь всех участников процесса связывания солнечной энергии. Уже первые стадии (поглощение фотона с образованием возбужденных молекул) без участия следующих участников (пластохинонов), способных эффективно снять возбуждение и передающих энергию дальше в цепь, были бы практически полностью обратимыми или же, что значительно хуже, возбужденные молекулы повреждались. Белки, включенные в ЭТЦ, выполняют роль электронных насосов, причем перекачка идет не за счет движения молекул, как целого, а за счет конформационных движений внутри молекул (мгновенный заряд образуется в одной части молекулы и переходит в другую за счет изгибов и колебаний внутренних связей), присутствие в них металлов легко меняющих валентность (Fe и Cu) облегчает подобный перенос.

Описанные процессы составляют световые стадии запасания энергии. Темновые стадии энергию потребляют: за счет АТФ и НАДФН связывается углекислый газ в глюкозу и далее, а АДФ возвращается в цикл запасания энергии.

Связывание СО₂ происходит в так называемом цикле Кальвина (рис.3). Начинается он с фосфорилированного сахара пентозы рибулозо-1, 5- дифосфата. К нему присоединяется молекула углекислого газа, а полученная молекула распадается на две молекулы 3- фосфоглицериновой кислоты. Каждая из них реагирует с молекулой АТФ, получаются две молекулы 3- фосфоглицерофосфата, которые в свою очередь реагируют с НАДФН и восстанавливаются до глицеральдегид- 3-фосфата. Образовавшийся трехуглеродный альдегид ферментативно вовлекается в цепь реакций, где из гексозы и триоз получаются три пентозы ксилулозо- 5-фосфатов. Они изомеризуются в рибулозо- 5-фосфат, который реагирует с АТФ, давая рибулозо- 1, 5-дифосфат и замыкая цикл. Таким образом на фиксацию одного углеродного атома уходит 3 молекулы АТФ и 2 НАДФН. Посчитав энергию фотонов и образованных связей, получаем к.п.д. фотосинтеза около 30%.

Глицеральдегид- 3-фосфат далее может быть превращен в глюкозо- 6-фосфат и далее превратиться в крахмал или в 3-глицерофосфат и далее в липиды.

Несмотря на формальную независимость протекания реакций световой и темновой стадий, существуют механизмы их взаимовлияния. Фермент, катализирующий стадию превращения рибулозодифосфата в фосфоглицериновую кислоту, сильно увеличивает свою активность на свету. Установлены следующие механизмы влияния:

1. НАДФН образуется в световых стадиях процесса и служит аллостерическим активатором фермента;

2. Скорость реакции растет при защелачивании среды. На свету идет перекачка протонов из стромы в полость тиллакоидов и рН стромы, где и происходит фиксация углерода, растет;

3. Фермент активизируется в присутствии Mg²⁺. На свету ионы Mg²⁺ выбрасываются из полостей тиллакоидов в строму взамен Н⁺ по механизму антипорта.

Рис.3 Цикл Кальвина. Пояснения в тексте.

Кроме основного цикла Кальвина в тропических растениях углерод связывается по так называемому С₄-пути. Прежде чем попасть в цикл синтеза сахаров и далее, углерод накапливается в четырехуглеродных кислотных аспарагинат ([(СОО-С(NН₂)Н-СН₂-СОО)]^2-)- и малат ([(COO-C(OH)H-CH₂-COO)]^2-)- остатках. Для условий избытка солнечной энергии именно концентрация СО₂ становится лимитирующей полную скорость фотосинтеза и промежуточное связывание, даже с затратой энергии, окупается повышением общей интенсивности процесса.

Так можно описать фиксацию углерода в фотосинтезе в самом общем виде. Рассмотрим организацию процессов в связи с прочими системами, присутствующими в живых организмах.

Все компоненты фотосинтетических систем присутствуют в мембране тиллакоида (рис.4). Обозначения II и I обозначают соответствующие фотосистемы, интересен блок обозначенный III. Обнаружено, что его состав во многих деталях повторяет дыхательные цепи в дыхательных митохондриях растительных и животных клеток. В его состав входят электронтранспортные белки: цитохромы (содержат гемовые группировки) и негемовые белки, обозначаемые FeS. Цитохромы- белки очень древнего происхождения, многие из них с минимальными вариациями состава присутствуют в различных растительных и животных клетках, цитохромы с, возникнув почти 1, 5 млрд. лет назад, входят в различные эукариотические клетки не изменившись и реагируют в качественных реакциях абсолютно стандартно. Сходны их спектры и окислительно-восстановительные потенциалы. Таким образом видно, что выполнение сходной функции (фосфорилирование) в разных организмах обеспечивает стандартный набор качеств и состава. Кроме того, доказано что и фото- и окислительное фосфорилирование процесс запускается созданием градиента рН.

Рис.4 Размещение компонентов фотосинтетической

цепи в мембране тиллакоида

Изучение других природных фотопроцессов (зрение, фоточувствительность галофильных бактерий) показывает тоже сходство базовых комплексов с фотосинтезом. В этих процессах светочувствительность обеспечивают белки родопсин и бактериородопсин, соответственно. В молекулах выделяют две составные части: белок опсин и полиненасыщенный альдегид ретиналь. При фотовозбуждении бактериородопсина образуются несколько форм молекул и с течением времени практически все могут быть переведены в исходную, но образование одной из них, обозначаемой М₄₁₂ (по полосе поглощения), сопровождается переносом протона через мембрану и это делает процесс необратимым. Процесс включает цис- транс- изомеризацию и образование депротонированной формы молекул. Для родопсина стадии процесса в основном подобны, но одной из стадий является фотораспад на опсин и транс- ретиналь, для замыкания цикла требуется поставка ретиналя уже в форме 11- цис. Процесс зрения информационный, ретиналь уходит, но белок остается и происходит фиксация каждого фотона. Для более полной фиксации фотоэнергии все фотосистемы кроме непосредственно фиксирующих энергию молекул обязательно включают молекулы- сенсибилизаторы, повышающие чувствительность. У фотосинтетических систем это каротины и прочие пигменты, в фоторецепции- транс- ретиналь. Таким образом очевиден общий план организации систем со сходными функциями.

В настоящей работе Вы можете пронаблюдать самые основные закономерности процесса фотосинтеза в различных условиях окружающей среды. Произведя все необходимые наблюдения и расчеты, сделайте выводы из наблюдаемых фактов.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО III ЭТАПУ:

“Получение зачета по лабораторной работе”

Перед выполнением работы обучающийся должен изучить все методические указания, ответить на вопросы из раздела “Самоподготовка”.

После выполнения II этапа необходимо оформить протокол работы и подписать у преподавателя, а затем приступить к оформлению работы в тетради. Обратите особое внимание на влияние различных параметров на интенсивность фотосинтеза.

Работа считается зачтенной после сдачи преподавателю отчета по теоретическому и практическому разделам работы.

Лабораторная работа № 2.9

Биофизика излучений. Методы регистрации активных радионуклидов.

Изучение действия ультрафиолетового излучения

на популяцию дрожжевых клеток

Цель работы.

Обучающийся должен знать:

1. Основные методы регистрации радиоактивных излучений (РИ) и частиц.

2. Классификация этих излучений.

3. Методы защиты биообъектов от радиоизлучения. Основные единицы и дозы облучения и поглощения.

Методические указания по I этапу:

" Самоподготовка"

I. Исходный уровень знаний.

Для изучения темы необходимо повторить:

1) постулаты Бора, модель водородоподобного атома по Бору, вычисление энергии, необходимой для перехода электрона с одного уровня на другой и энергии, необходимой для ионизации атома, т.е. полного отрыва электрона от атома, виды разрядов в газах;

2) движение заряженных частиц в перпендикулярных электрических и магнитных полях, сила Лоренца. Для самоконтроля решить следующие задачи по проверки исходного уровня знаний:

1. Какова величина энергии электрона, находящихся на уровне с n=2 в водородоподобном атоме с зарядом ядра +2е? Каков радиус этой орбиты?

2. Расстояние между плоскими электродами в ионизационной камере d=2см, разность потенциалов 200 В, диаметр молекул газа с=2× 10^-8см, n₀=10¹⁸ молекул/см³. Найти кинетическую энергию образовавшегося при ионизации электрона. Возможна ли ударная ионизация молекулы газа, если энергию получает электрон, находящийся в состоянии 2р (L-слой)?

3. По данным предыдущей задачи рассчитать необходимую разность потенциалов U для начала ударной ионизации.

4. b-частицы в камере Вильсона отклонились на Dy=2 мм в перпендикулярном направлении, пройдя путь по горизонтали х=10 см. Напряженность электрического поля, перпендикулярного вектору скорости равна Е=10⁴ в/м. Найти горизонтальную (собственную) скорость b-частиц.

5. Радиус кривизны траектории a-частицы в пузырьковой камере R, скорость её движения u. Найти массу частицы m, если величина магнитной индукции В, а sina=1.

II. Вопросы для самоконтроля к данной работе (новый материал):

1. Где используются элементы ядерной биофизики в биологии и медицине?

2. Каковы основные принципы классификации элементарных частиц?

3. Объяснить принцип работы ионизационной камеры.

4. Каково устройство и принцип работы СГМ?

5. Что такое фоновая активность и как она определяется в данном исследовании?

6. Что такое счетная характеристика СГМ?

7. Каков принцип работы камеры Вильсона?

8.Для чего используются толстослойные пластинки и пузырьковые камеры? Каков принцип их работы?

9. В чем сущность теории " мишени"?

10. Каковы основные механизмы патогенного и лечебного действия РИ на организм животных и растений?

11. Каковы основные методы защиты от радиоизлучений?

12. Как идентифицировать кривую роста численности дрожжевых клеток с помощью математических моделей?

13. Составьте дифференциальное уравнение, описывающее процесс поглощения веществом электромагнитного излучения. Каково его решение?

14. Как определяется х- толщина слоя вещества, который ослабляет интенсивность излучения в n раз?

15. Какие виды взаимодействия электромагнитного излучения с веществом Вы знаете?

16. Что такое внутренний фотоэффект?

17. Может ли фотон поглощаться свободным электроном?

18 Что такое Комптон- эффект?

19. Каковы условия рождения электронно- позитронных пар?

20. Вычислите значение n_min- минимальной частоты g-кванта, при которой рождается позитрон?

21. От чего зависит интенсивность комптоновского рассеяния?

22. Что такое поглощенная доза? Какова единица измерения этой дозы?

23. Что такое доза излучения и в каких единицах она измеряется?

Методические указания по II этапу:

" Выполнение работы"

Цель этапа:

1. Снятие радиоактивной характеристики ряда технических и пищевых продуктов.

2. Определение фона счетчика Гейгера- Мюллера.

3. Изучить количественные характеристики действия жесткого УФ- излучения на дрожжевые клетки.

Порядок выполнения

1. Проверить правильность работы основных элементов блок- схемы (рис.1), составляющих устройство для измерения радиоактивности.

рис.1 Блок- схема измерительной установки:

УИП- универсальный источник питания, СГМ- счетчик Гейгера- Мюллера, СИ- счетчик импульсов.

Для этого надо включить универсальный источник питания (УИП) со счетчиком импульсов (СИ). Выждать 1 мин. для прогрева прибора. Открыть радиоактивный препарат. Внимание! Реле времени установлено в положение, соответствующее времени измерения t=1 мин. Сделать пробный пуск. Убедиться в нормальной работе схемы. Перед началом пуска нажать кнопку " Сброс" на панели СИ.

Измерить 5 раз значение фона РИ. Результаты занести в таблицу 1 и провести статобработку результатов для доверительного интервала

Таблица 1

	№ измерения
	Результат

2. Открыть свинцовую крышку радиоактивного препарата. Измерить 5 раз значение активности препарата (N_п). Произвести первичную статистическую обработку результатов измерений (найти ). Сделать заключение об активности препарата.

Блок информации

Знание основных понятий радиационной биофизики в настоящее время необходимы любому специалисту медико-биологического профиля. Достаточно перечислить только несколько основных методов и технических устройств, используемых в биологии и медицине, что бы понять важность изучаемой темы. Это использование установок для облучения семян растений перед посадкой (радиация, как мутагенный фактор), при длительном хранении сельскохозяйственной продукции, с целью повышения сроков хранения, стерилизации вредителей с/х посевов с целью подавления их популяций, различные изотопные методы для изучения распределения веществ в организмах или особях на некоторой территории, лучевая терапия и т.д. (см. графологическую схему темы). Во всех этих случаях необходимо знать методы измерения и регистрации радиоактивного излучения, принципы работы используемых технических устройств с целью обеспечения правильной их эксплуатации и безопасной работы обслуживающего персонала, а так же возможности таких устройств для терапевтического и мутагенного воздействия.

В настоящее время существует большой спектр специальных устройств регистрации различных частиц, которые получаются как при радиоактивном распаде атомов, так и при действии внешнего, космического излучения. Все эти частицы различаются наличием или отсутствием спина (собственного спинового момента), заряда, массы, энергии. Частицы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются статистике Ферми- Дирака, для них справедливо правило Паули- в системе фермионов не может быть одинаковых частиц. Частицы с целым спином (бозоны) подчиняются статистике Бозе- Энштейна, их число в данном состоянии произвольно. Из всех известных науке элементарных частиц (их число свыше 6 тысяч) пока только фотоны (g-кванты) являются представителями устойчивых природных бозонов, остальные частицы- фермионы с разными зарядами, массами, энергиями.

Различные регистрирующие устройства позволяют изучать в основном заряженные частицы, которые вызывают ионизацию среды, т.е. при соударении вырывают электрон из атомов частиц среды, сообщая ему энергию ионизации E_i. Однако незаряженные частицы, особенно с большой энергией также могут взаимодействовать с электронами атомов или ядрами и, в конечном итоге, могут быть зарегистрированы.

Рассмотрим основные методы и устройства регистрации частиц.

Ионизационнаякамера. Это герметичный сосуд с двумя электродами, заполненный газом (воздух, водород, азот и др.) при пониженном давлении (рис.2). Между электродами создается разность потенциалов в пределах 100- 1500 В. Регистрируемая частица, попадая в счетчик, вызывает ионизацию газа и появление тока в цепи. Камера работает в режиме насыщения- все электроны и ионы, образуемые частицей, достигают электродов, поэтому величина тока I пропорциональна числу частиц (интенсивности излучения) N, т.е. I=kN. Кроме того, различные частицы могут образовывать разное

Рис.2 Схема с ионизационной камерой: G- гальванометр,

E- источник питания, РЧ- регистрируемая частица

число пар ионов (a-частица создает десятки тысяч пар ионов, быстрая космическая частица- несколько пар), поэтому при одинаковом числе N ток I зависит и от вида частиц. Это явление используют для идентификации частиц.

Если увеличить межэлектродный потенциал, то образовавшиеся ионы и электроны ускоряются внешним полем Е и на длине свободного пробега l (которая определяется диаметром молекул s и их числом в единице объема n₀ по формуле ) приобретают энергию

где Е- напряженность электрического поля между электродами. Этой энергии может быть достаточно для вторичной ионизации молекул газа, в результате вместо образовавшихся m ионов получим m× n ионов, где n- коэффициент газового усиления (n£ 10⁷).

Отсутствие или наличие ударной ионизации влияет только на величину тока I, которая в любом случае зависит от количества частиц N. Однако если и дальше увеличивать разность потенциалов, то мы попадаем в область самостоятельного разряда, который вызывается внешней частицей, но не прекращается при последующем отсутствии частиц и нужны специальные устройства для его гашения.

СчетчикГейгера - Мюллера (СГМ). В основе его работы- самостоятельный газовый разряд. Конструктивно СГМ выполнен в виде стеклянной трубки, покрытой изнутри тонким слоем меди (катод) и центральной вольфрамовой нити (анод) (рис.3).

Рис.3 Схема со счетчиком Гейгера- Мюллера: СИ- счетчик

импульсов, УИП- универсальный источник питания.

Частицы высоких энергий (b-, g- и др.) проникают через стенку датчика, для a-частиц в торце счетчика делают окошко из алюминиевой фольги или слюды. Возникающий самостоятельный разряд кратковременный, т.к. разрядный ток создает падение напряжения на сопротивлении R, которое велико (R~10⁹ Ом) и напряжение между электродами счетчика (соответственно и Е) уменьшается настолько, что энергии электронов или ионов qE'l уже недостаточно для ионизации встречных молекул. Происходит быстрая рекомбинация электронов и ионов, газовый разряд прекращается. Счетчик приходит в исходное состояние и может регистрировать следующую частицу. Таким образом каждая частица, попадая в счетчик, дает импульс тока и скачок напряжения на R, который можно регистрировать любым счетчиком импульсов. Длительность импульса напряжения исчисляется t=10^-4- 10^-6 с, следовательно, за 1 сек можно зарегистрировать до 10⁶ импульсов (это максимально возможное число). Если мощность излучения больше, то счетчик не успевает срабатывать и надо воспользоваться ионизационной камерой, в которой I=kN. Следует отметить, что величина t зависит от наличия добавок (этилена, паров эфира) в среде счетчика, которые ускоряют гашение разрядов и уменьшают t.

При измерении числа импульсов (частиц) в минуту N с помощью счетчика Гейгера- Мюллера необходимо учитывать наличие фона, который обусловлен космическим излучением, радиоактивным загрязнением среды. Поэтому получаемое значение N=N_и+N_ф, где N- измеренное число импульсов в единицу времени, N_и– активность источника, N_ф- фоновая активность. Если источник отсутствует, то N=N_ф. Величина N_ф зависит от времени года, места нахождения установки и т.д. и должна определяться каждый раз перед измерениями.

Следует отметить, что при постоянных N_и и N_ф величина N будет зависеть от приложенного напряжения U между электродами.

График зависимости N(U) называется счетной характеристикой счетчика Гейгера- Мюллера (рис.4).

Рис.4 Счетная характеристика счетчика Гейгера- Мюллера.

Напряжение U₁ соответствует началу ударной ионизации, переходящей в самостоятельный разряд, но не для всех частиц, попадающих в счетчик. В интервале U₂-U₃ (участок плато) практически любая частица, попавшая в счетчик будет зарегистрирована. Эта область относительной независимости числа импульсов от напряжения соответствует устойчивому режиму работы счетчика и в центре этой области рекомендуется работать. При увеличении U> U₃ в счетчике начинается непрерывный газовый разряд, соответствующий пробою диэлектрика и счетчик становится непригодным для работы, поэтому в эту область желательно не попадать, в противном случае необходимо немедленно отключить питание СГМ.

КамераВильсона. Принцип её работы основан на конденсации пересыщенных паров воды или спирта на цепочке ионов, образующихся вдоль траектории движения регистрируемых частиц. Чаще всего камера выполнена в виде цилиндра с черным подвижным дном и стеклянным верхом. Внутри её находятся пары спирта или воды в смеси с аргоном или другим инертным газом. При резком сжатии пары становятся пересыщенными и образующийся трек снимают на черном фоне. Действуя электрическими или магнитными полями в перпендикулярном вектору скорости частиц направлении (), можно изменить траекторию и по её радиусу судить о скорости движения частиц, их массе. В этом случае центростремительной силой может являться сила Лоренца (F_л=q× v× B× sina) или сила электростатического взаимодействия (F_э=q× E).

Толстослойныепластинки. Способ регистрации основан на действии заряженных частиц или их продуктов распада (взаимодействия с веществом подобно квантам света) при попадании в фотоэмульсию. Так как плотность последней велика, то длина треков частиц невелика (около 1 мм) и обычно такие пластинки обследуют при поперечном срезе под микроскопом.

Пузырьковаякамера. Рабочее тело- перегретый жидкий водород (или другое тело), в котором регистрируемые частицы создают центры парообразования в виде треков. Как и в камере Вильсона возможно действие поперечных магнитных (В) и электрических (Е)