Zanimatelnaya_fizika

У высокоорганизованных животных затухание сигнала предотвращается с помощью миелиновой оболочки вокруг аксона. Примерно через каждые 1-3 мм вдоль миелиновой оболочки имеется перехват Ранвье.

Центральной его частью является аксон, по мембране которого проводится потенциал действия. Аксон заполнен аксоплазмой — вязкой внутриклеточной жидкостью.

С увеличением λ степень затухания сигнала уменьшается, при этом возрастает скорость проведения импульса .

Удельное сопротивление миелина значительно выше удельного сопротивления других биологических мембран.кроме того толщина миелиновой оболочки во много раз больше толщины обычной мембраны, что приводит к возрастанию диаметра волокна и соответственно величины постоянной длины . λ В связи с большим сопротивлением миелиновой оболочки по поверзности аксона токи

протекать не могут. При возбуждении одного узла возникают токи между ним и другими узлами. Ток подошедший к другому узлу, возбуждает его, вызывает появление в этом месте потенциала действия, и так процесс распространяется по всему волокну. Затраты энергии на распространение сигнала по волокну, покрытому миелином значительно меньше чем по немиелинизированному.

Биофизика рецепции.

1. Классификация рецепторов.

1. П м т ду п уч

ф рм ц :

-экстерорецепторы (из внешней среды)

-интерорецепторы (изнутри)

2. П пр р д в спр м мых р здр ж т й:

-механорецепторы (рецепторы расширения легких)

-хеморецепторы (рецепторы кожных реакций, слуха, обоняния, вкуса)

-терморецепторы (тепловые, холодовые)

-электрорецепторы (боковые линии у рыб)

-магниторецепторы (навигация при перемещении у птиц)

3. П ст п у в рс ь ст :

-мономодальные – фиксирующие раздражение только одного раздражителя

-полимодальные - фиксирующие раздражение нескольких раздражителей

2. Строение рецепторов.

СНО (свободные нервные окончания). Аксон разделяется на нервные окончания, потерявшие способность к возбуждению, являются полимодальными образованиями. ИНО (инкапсулированные чувствительные окончания)

Они были сконструированы, как чувствительные специализированные клетки мономодальные. Являются видоизменёнными аксонами нейронов, иногда это эпителиальные клетки.

По внутреннему строению рецепторы бывают как простейшими, состоящими из одной клетки, так и высокоорганизованными, состоящими из большого количества клеток, входящих в состав специализированного органа чувств.

Наиболее примитивными рецепторами считаются механические, реагирующие на прикосновение и давление. Разница между этими двумя ощущениями количественная; прикосновение обычно регистрируется тончайшими окончаниями нейронов, расположенными близко к поверхности кожи, в основаниях волосков или усиков. Есть и специализированные органы – тельца Мейснера. На давление же реагируют тельца Пачини, состоящие из единственного нервного окончания, окружённого соединительной

тканью. Импульсы возбуждаются за счёт изменения проницаемости мембраны, возникающей благодаря её растяжению.

3. Общие механизмы рецепции. Рецепторные потенциалы.

1 этап: Когда приходит адекватный для данного рецептора стимул. Взаимодействует с рецептирующим субстратом, который обычно находятся в мембране клетки.

2 этап: В R: происходит локальное изменение мембранной разности потенциалов. Сам рецептор не является возбудимой клеткой, так как там нет потенциал зависимых каналов! Изменение – рецепторный потенциал (РП), не подвергается закону «все или ничего», зависит от длительности действия стимула и от его интенсивности.

3 этап: Генерации потенциала приводит в R: к возобновлению потенциала действия (ПД). Деполяризация называется рецепторным потенциалом (или генераторным потенциалом ). Рецепторный потенциал обусловлен повышением Na+ - проводимости

мембраны дендритов, в результате чего вход ионов натрия создает деполяризующий рецепторный потенциал, который электротонически распространяется к соме. Эта первичная трансформация стимула в рецепторный потенциал называется преобразованием, а рецептор, таким образом, является преобразователем. Исключение составляют рецепторные потенциалы первичных зрительных клеток сетчатки , являющиеся гиперполяризующими.

Стимул не служит источником энергии для рецепторного потенциала, он только контролирует путем взаимодействия с мембранными процессами вход ионов через мембрану, основанный на трансмембранной разности их концентраций. Рецепторный потенциал электротонически распространяется от дендритов по соме,

деполяризует основание аксона и если деполяризация превысит порог для возбуждения, в аксоне возникает серия потенциалов действия , частота которой зависит от амплитуды рецепторного потенциала. Потенциалы действия проводятся в ЦНС и несут в форме частотного кода всю информацию о величине и длительности стимулов.

Потенциал действия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей

представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого, наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной, по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.

4. Кодирование информации в органах чувств.

Ц	г ч ск й с ст мы:

1.самосохранение

2.продолжение рода

Любая информация, приходящая в рецепторные системы переносится определенным физическим носителем (длительные анализатор – электро-магнитные). Стимулы преобразуется в рецепторный потенциал, а затем в потенциала действия.

v(ню) = k log I(ст) – частота следующих пачек ПД пропорциональна интенсивности

стимула.
В с с р ых с ст м х ш р к пр м тс к д р в	с ы р здр ж т :

1)путём изменения частоты импульсов в волокнах;

2)количеством задействованных нервных элементов;

3) также широко применяется кодирование качества раздражителя особой структурой ответа рецептора и волокна, так называемым паттерном (рисунком) ответа.

Согласно теории структуры ответа качества раздражителя кодируются рисунком (паттерном) пачки ПД, т.е. количеством, частотой и характерным распределением потенциалов действия внутри каждой пачки импульсов, а также количеством, продолжительностью, частотой самих пачек, периодичностью их следования, продолжительностью межимпульсных интервалов и т.д.

5. Особенности светового и звукового восприятия. Закон Вебера-Фехнера.

Психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличение раздражения в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения увеличивает в арифметической прогрессии. Если I (интенсивность звука) принимает ряд последовательных значений аI0; a2I0; a3I0, то соответствующим ощущением – E0; 2E0; 3E0… a – коэффициент, а больше 1.

Другими словами, громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. При действии 2-х звуковых раздражителей I0 и I (I0 – порок слышимости)

E=k*lg(I/ I); k - коэффициент пропорциональности.

Р ц пц Звук :

Звук – это механические колебания в упругой среде. Имеет объектив характеристики, т.е. не зависит от нашего восприятия.

Характеризуется: 1. Частотой 2.Амплитудой 3. Спектром

Интенсивность – это громкость звука. Характеристики слухового анализатора:

Продольные акустические давление в определенном диапазоне частот. Абсолютный порог слышимости – I тип звука, который улавливается ухом. I0=10-12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц

Коэффициент избирательности равен 10-10.

Слуховая рецепция. Назначение, строение и работа звуковоспринимающих систем. 1. Наружное ухо (подготовка звуковых колебаний к реакции)

-ушная раковина -наружный слуховой проход -барабанная перепонка

Есть слуховые косточки, связки, мышцы (среднее ухо), улитка, баз. мембрана.

По базальной мембране проходят прямая и отраженная волны. Пучность возникает при интерференции этих волн.

В месте залегания волосков – деполяризация доходит до колебания Раздражение слухового нерва в нижней части БМ и через синапс.

Р ц пц св т :

Рецепция света – фоторецепторы 1.Колбочки – реализация цветового зрения. Принцип действия такой жжет как и у палочек.

2. Палочки – реализация сумеречного зрения. Сетчатка – многослойное образование, толстое, есть сосудистая оболочка и т.д. Рецепторы находятся на дне в пигментном эпителии.

Квант света попадает в мембране диска. Этим зрительным рецепции и отличается, т.к. в других случаях стимул в самих рецепторах, а в зрительном рецепторе в мембрану органеллы. У палочек рецепторный пигмент – родоксин, у колбочек – йодоксин. Родоксин состоит из ретиноля и оксина, свойство – имеет возможность конформационно перестраиваться.

Нормальное состояние – цис-состояние, отличающееся закругленностью. Поймав квант света происходит перестройка в транс-состояние, при это выделяется некоторое количество энергии. Процесс называется фотоизомерезация.

Происходит изменение свойств мембраны дисков. Рождается внутриклеточный посредник, он передает г/з ц/п воздействия на цитомембрану – происходит воздействие на неё (гиперполяризация) – палочки/колбочки.

Рецепторный потенциал — биопотенциал, возникающий при деполяризации поверхностной мембраны рецептора, обусловленной действием на него раздражителя. Он распределяется по мембране колбочки/палочки и добирается до синапса. Сигнал, прошедший синапс, возбуждает мембрану аксона. Далее он распределяется дальше и идет в зрительный нерв. Гиперполяризация возникает благодаря тому, что прошедший внутренний посредник способствует закрытию натриевых каналов и называется они фотозависимые Na каналы.

Пр мы Цв т г зр :

Дальтонизм (частичная цветовая слепота) наследственное нарушение цветового зрения у людей, заключающееся в неспособности различать некоторые цвета (большей частью красный и зеленый). Объясняется отсутствием в сетчатке глаза колбочек одного или нескольких типов.

6.Основные характеристики слухового анализатора. Механизмы слуховой рецепции.

Звук – это механические колебания в упругой среде. Имеет объектив характеристики, т.е. не зависит от нашего восприятия.

Характеризуется:

1.Частотой 2.Амплитудой

3.Спектром Интенсивность – это громкость звука.

Характеристики слухового анализатора:

Продольное акустическое давление - в определенном диапазоне частот.

Абсолютный порог слышимости – тип звука, который улавливается ухом.

I0=10-12 Вт/м2 – на частоте измеряется в кГц Коэффициент избирательности равен 10-10.

Слуховая рецепция. Назначение, строение и работа звуковоспринимающих систем.

1.Наружное ухо (подготовка звуковых колебаний к реакции) -ушная раковина -наружный слуховой проход -барабанная перепонка

Есть слуховые косточки, связки, мышцы (среднее ухо), улитка, баз. мембрана.

По базальной мембране проходят прямая и отраженная волны. Пучность возникает при интерференции этих волн.

В месте залегания волосков – деполяризация доходит до колебания Раздражение слухового нерва в нижней части БМ и через синапс.

7.Основные характеристики зрительного анализатора. Механизмы зрительной рецепции.

Зрительный анализатор обладает оптической системой, которая преломляет и фокусирует приходящие световые лучи и в результате этого строится изображение на сетчатке. Световые лучи – поток этих волн. Их можно рассматривать как волны и как аналоги некоторых частиц = кванты света.

Строение зрительного анализатора.

Адекватный раздражитель это волны определенного диапазона частот. Чувствительность зрительного анализатора – порог светочувствительности 10-18 Вт Глаз способен воспринимать световые кванты начиная с 10 кв, при прозрачной атмосфере

можно увидеть свечу на расстоянии от 1-3 км. Коэффициент избирательности высокий 10-

14.

Частотная характеристика.(400 – 750 Нм). Амплитудная характеристика - Эта логарифмическая зависимость выполняется в пределах 100 кратного измерения стимула.

Биофизические аспекты экологии.

1. Геомагнитное поле. Природа, биотропные характеристики, роль в жизнедеятельности биосистем.

Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) — магнитное поле, генерируемое

внутриземными источниками.
Стр	х р кт р ст к м г т г п З м

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

П р м тры п

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Магнитные поля в свободном состоянии – 0,4 Э (Эрстед)

Напряжённость поля на поверхности Земли сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

Магнитные поля в обычной жизни имеют небольшую интенсивность. Они обладают высокой проникающей способностью. В результате проведения исследований магнитного поля – выявился биотропный фактор.

Магнитотерапия – воздействие в качестве магнитного фактора. Магнитная буря оказывает негативное воздействие.

2. Физические факторы, имеющие экологическую значимость. Уровни естественного фона.

Экология – это условия окружающей среды, в которых находится биосистема.

Ф з ч ск эк г ч ск ф кт ры (п пр сх жд ю):

-геофизические →метеорологические→Земные -космические: солнечные, космические -антропогенные

Ф з ч ск эк г ч ск ф кт ры (п ф з.сущ ст ):

1.поля:

магнитные поля (силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения.)

гравитационные поля (физическое поле, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие (Гравитация —универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами)

электрические поля →ЭМ: радиоизлучение, телевизионный диапазон, локаторы, УФ облучение (на ДНК кожное облучение)

2.вибрация (механическиеколебания.)

3.радиация

инфразвук (упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16—25 Гц)

ультразвук (упругие звуковые колебания высокой частоты)

4.звуковые факторы

5.шумовые факторы

Элементы теории вероятности и математической статистики.

1. Случайные события. Относительная частота наступления события. Закон больших чисел.

Случайное событие – это событие А, которое при выполнении определённого условия S может произойти, а может и не произойти, например, выпадение определённой стороны монеты при её подбрасывании, выпадение определённого числа на игральном кубике.

Вероятность Р(А) в теории вероятности выступает как числовая характеристика степени возможности появления какого-либо определённого случайного события А при многократном повторении испытаний. Когда случайное событие А происходит m раз в серии n независимых испытаний, относительной частотой события в данной серии испытаний или просто частотой события А называют отношение:

P*(A)=m/n

Закон больших чисел: если число испытаний n ∞, то относительная частота стремится к пределу, который называется вероятностью наступления А в определённых условиях. limὐ(A)n→∞ = lim nA/n n→∞ = P(A)

2. Несовместимые события. Примеры. Теорема сложения вероятностей.

Несовместимыми называются события, которые вместе не наступают. Например, одновременное выпадение на одном игральном кубике и 1 и 2, или при подбрасывании монеты одновременное выпадение и орла и решки, или одновременное нахождение одного человека в Петербурге и в Москве.

Теорема сложения вероятностей: вероятность появления одного (безразлично какого) события из нескольких несовместных событий равна сумме их вероятностей.

Для двух несовместных событий

Р(А или В) = Р(А) +Р(В)

Доказательство:

Пусть n – общее число испытаний, m1 – число случаев, благоприятствующих событию А, m2 – число случаев, благоприятствующих событию В. Число случаев, благоприятствующих наступлению либо события А, либо события В, равно m1 + m2. Тогда

Р(А или В) = (m1 + m2)/n = m1/n +m2/n.

Отсюда, учитывая, что P(A)=m/n, имеем:

Р(А или В) =Р(А) +Р(В)

3.Независимые события. Примеры. Теорема умножения вероятностей.

1.В теории вероятностей два случайных события называются независимыми, если наступление одного из них не изменяет вероятность наступления другого. Аналогично, две случайные величины называют независимыми, если значение одной из них не влияет на вероятность значений другой.

Пример 1. Пусть брошены три уравновешенные монеты. Определим события следующим образом:

: монеты 1 и 2 упали одной и той же стороной;

: монеты 2 и 3 упали одной и той же стороной;

: монеты 1 и 3 упали одной и той же стороной;

Легко проверить, что любые два события из этого набора независимы. Все же три в совокупности зависимы, ибо зная, например, что события произошли, мы знаем точно, что также произошло.

Теорема умножения вероятностей : вероятность совместного поведения независимых событий равна произведению их вероятностей .для 2 событий P(A и B)= Р(А)* Р(В)

4.Непрерывная случайная величина. Плотность вероятности. Условие нормировки.

Непрерывная случайная величина принимает любые значения внутри некоторого интервала : t тела ,масса зерен в колосьях пшеницы ,координата места попадания пули в цель(принимаем пулю за материальную точку )

Плотность вероятности — один из способов задания вероятностной меры на евклидовом пространстве . В случае, когда вероятностная мера является распределением случайной величины, говорят о плотности случайной величины.

5. Выборка. Генеральная совокупность. Требования к выборкам.

Выборка или выборочная совокупность — множество случаев (испытуемых, объектов, событий, образцов), с помощью определённой процедуры выбранных из генеральной совокупности для участия в исследовании.

Характеристики выборки:

Качественная характеристика выборки – кого именно мы выбираем и какие способы построения выборки мы для этого используем.

Количественная характеристика выборки – сколько случаев выбираем, другими словами объём выборки.

Генеральная совокупность, генеральная выборка (от лат. generis — щ й, р д в й)(в англ. терминологии — population) — совокупность всех объектов (единиц), относительно которых учёный намерен делать выводы при изучении конкретной проблемы.

Генеральная совокупность состоит из всех объектов, которые подлежат изучению. Состав генеральной совокупности зависит от целей исследования. Иногда генеральная совокупность - это все население определённого региона (например, когда изучается отношение потенциальных избирателей к кандидату), чаще всего задаётся несколько критериев, определяющих объект исследования. Например, женщины 10-89 лет, использующие крем для рук определённых марок не реже раза в неделю, и имеющие доход не ниже $150 на одного члена семьи.

Требования, предъявляемые к выборке.

К генеральной совокупности обычно применимо требование правильного определения ее КОНТУРА. Это означает, что исследователь обязан ответить на два вопроса: охватывает ли он в своих предположениях все возможные элементы генеральной совокупности, и нет ли элементов избыточных, лишних.

6.Понятие средневыборочного значения и математического ожидания случайной величины.

оро ое		п р	е кое	ре ее — это			приближение			теоретического среднего
распределения, основанное на выборке из него.
Пусть		— выборка из распределения					вероятности,			определённая	на
некотором вероятностном			пространстве			.	Тогда	её		выборочным	средним
называется случайная величина

.

Свойства выборочного среднего

Пусть	— выборочная функция			распределения данной выборки. Тогда				для любого
фиксированного		функция			является	(неслучайной) функцией дискретного
распределения. Тогда математическое ожидание этого распределения равно								.
Выборочное среднее — несмещённая оценка теоретического среднего:
					.
Выборочное среднее — сильно состоятельная оценка теоретического среднего:
		почти наверное при			.
Выборочное	среднее — асимптотически				нормальная	оценка. Пусть дисперсия случайных
величин	конечна	и ненулевая, то		есть				.
Тогда

по распределению при ,

где — нормальное распределение со средним и дисперсией .

Выборочное среднее из нормальной выборки — эффективная оценка её среднего.

7. Характеристики разброса в выборках: размах, дисперсия, среднеквадратичное отклонение.

1)Размахразность между последним и первым членом выборки:

∆X=Xm-X1

2) Выборочная дисперсиясреднее арифметическое квадратов отклонения вариант от их среднего значения:

k _

Dв=1/n ∑ (xi – xв)2

i=1

3)Среднеквадратичное откланениеквадратный корень из выборочной дисперсии: σ= корень из D

8. Понятие о нормальном распределении случайной величины.

Нор аль ое ра пре еле е, также называемое гау ов ра пре еле е , гау а ой или ра пре еле е Гау а — распределение вероятностей, которое задается функцией плотности распределения:

где параметр μ — среднее значение (математическое ожидание) случайной величины и указывает координату максимума кривой плотности распределения, а σ² — дисперсия

9. Гистограмма. Свойства гистограмм.

Гистограммастолбчатая диаграммаодин из видов графического изображения статистического распределения случайных величин. Изображает зависимость

частоты попадания элементов выборки от соответствующего интервала группировки. Гистограмма представляет собой совокупность смежных прямоугольников с основаниями одинаковой протяженности. Основание прямоугольника соответствует некоторому дивпозону значений случайной величины.

Свойства:

1.Показывает в каких диапазонах значений случайная величина наблюдается чаще, а в какихреже.

2.Показывает в каких диапазонах значений случайная величина будет наблюдаться чаще, а в каких реже. В этом прогностическая ценность гистограмм.

10.Понятие доверительного интервала. Уровень значимости. доверительная вероятность.

надёжностью, в котором с определенной вероятностью p находится средняя. Иначе говоря, р определяет вер. , с которой осуществляются неравенства:

_ _ _

Xв -ԑ< xг< xв+ԑ

Уровень Значимости выражает непопадания генеральной средней в доверительный интервал.

β = 1-р

Д в р т ь в р т сть а выражается числом от 0 до 1 ( реже в процентах от 0 до 100) и показывает вероятность того, что действительное значение исследуемой переменной будет лежать в принятом ( указанном) диапазоне.

11. Однородные и неоднородные выборки. Проверка однородности.

Выборка называется однородной, если все её прецеденты одинаково распределёны, то есть выбраны из одного и того же распределения .

Неоднородность означает, что выборки принадлежат различным законам распределения, которые различаются или только параметрами при одном и том же виде, или видом и параметрами распределения.

Проверка однородности.

Вычисляют средние арифметические в каждой выборке

затем выборочные дисперсии

,

и статистику Стьюдента t, на основе которой принимают решение,

По заданному уровню значимости a и числу степеней свободы (m+n - 2) из таблиц распределения Стьюдента находят критическое значение tкр. Если |t|>tкр, то гипотезу однородности (отсутствия различия) отклоняют, если же |t|<tкр, то принимают. (При односторонних альтернативных гипотезах вместо условия |t|>tкр проверяют, что t>tкр; эту постановку рассматривать не будем, так как в ней нет принципиальных отличий от обсуждаемой здесь.)

12.Виды связи между двумя переменными: корреляционная, функциональная. Примеры.

-функциональная-если данному значению одной велечины соответствует вполне определенное значение другой Например: площадь круга зависит от радиуса, ускорение тела-от силы и массы

-корреляционная-статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин Например:между возрастом и ростом детей выражается в том, что каждому значению возраста соответствует определенное распределение роста. При этом с увеличением возраста возрастает и среднее значение роста.

13.Понятие о коэффициенте коррелиции. Его свойства.

Наличие связей между X и Y, характер этой связи и ее теснота оценивается коэффициентом корреляции.

Свойства:

1.если связ между X и Y отсутствует, то r=0

2.-1_<r_<+1; 0_<|r|_<1

3.для возрастающих Y (x) r>0

4.для убывающих Y (x) r<0

5. Предельно тесная связь Xи Y функциональная; при этом r=1 или r=-1

6.коэффициент корреляции описывается линейную связь, но не более сложную

7.Если корреляционная связь Y (x) установлена, она может быть описана уравнением регрессии вида

y=ax+b

14.Понятие о линейной регрессии. Уравнение линейной регрессии и его график.

Линейная регрессия — используемая в статистике регрессионная модель зависимости одной (объясняемой, зависимой) переменной y от другой или нескольких других

переменных (факторов, регрессоров, независимых переменных) x с линейной функцией

зависимости.

Формула:	y=ax+b
График: