§11. Физические явления в живой природе

Определения и обозначения

Физическое явление — изменение состояния, движения или взаимодействия объектов без образования новых веществ. Например, вода может испариться, а клетка — изменить объём. В отличие от химического явления, при котором появляются новые вещества, состав объекта здесь сохраняется.

Диффузия — самопроизвольное перемещение частиц из области большей концентрации в область меньшей. Причина этого процесса — постоянное хаотическое движение молекул. Диффузия помогает кислороду, воде и другим веществам распространяться внутри организма и поступать в клетки.

Осмос — движение молекул воды через полупроницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. Мембрана пропускает воду не одинаково для всех частиц. Благодаря осмосу клетки поддерживают нужное содержание воды, но в слишком концентрированном растворе могут терять её.

Биоэлектрические явления — возникновение и распространение электрических сигналов в живых клетках и организмах. Эти сигналы связаны с перемещением заряженных частиц через клеточные мембраны. Они обеспечивают передачу команд в нервной системе и управление сокращением мышц.

Как это устроено

Молекулы постоянно движутся, даже если весь организм внешне неподвижен. В результате случайных столкновений частицы постепенно расходятся из более насыщенной области в менее насыщенную. Так кислород может переходить из воздуха альвеол в кровь, а углекислый газ — в обратном направлении, не требуя перемещения всего тела.

Клеточная мембрана состоит из слоя липидов и белков, поэтому одни частицы проходят через неё легче других. Вода перемещается через полупроницаемую мембрану туда, где растворено больше веществ и свободной воды относительно меньше. Если внешняя среда становится более концентрированной, вода выходит из клетки, её объём уменьшается и нарушается работа клеточных структур.

Питательные вещества содержат химическую энергию, которая при клеточном дыхании превращается в доступную для организма энергию. Часть этой энергии неизбежно рассеивается в виде тепла, поэтому обмен веществ постоянно согревает тело. Теплообмен с окружающей средой позволяет отдавать избыток тепла, а поддержание относительно постоянной температуры сохраняет нормальную скорость жизненных реакций.

На мембранах нервных и мышечных клеток существует разность электрических зарядов. Раздражение изменяет движение ионов через мембрану, и возникшее изменение распространяется по клетке в виде импульса. Нервный сигнал достигает мышцы, запускает в ней внутренние процессы и вызывает сокращение.

Свет отражается от предметов и попадает в органы зрения, а звуковые волны достигают органов слуха. По этим сигналам животные находят пищу, замечают врага, узнают партнёров и ориентируются в пространстве. Движения тела, крыльев, конечностей и органов также помогают добывать пищу, защищаться и передавать сообщения.

Основные физические явления в живой природе

При чтении таблицы сначала определите, что именно движется или изменяется: частицы, вода, тело, тепло, заряды, свет или звук. Затем свяжите явление с его биологическим результатом. Один организм может использовать несколько явлений одновременно, например движение и биоэлектрический сигнал при сокращении мышцы.

Разбор задач

Запах цветка и перемещение вещества

Запах цветка постепенно распространяется по воздуху, а растворённое вещество перемещается в клетках. Нужно объяснить это без предположения, что весь организм или раствор целиком движется в одном направлении. Причину следует связать со свойствами отдельных частиц.

1. Молекулы пахучего вещества непрерывно и хаотично движутся.
2. В начале их больше около цветка, поэтому часть молекул переходит в соседние области с меньшей концентрацией.
3. В растворах частицы также сталкиваются с молекулами воды и постепенно распространяются по всему доступному объёму.

Ответ: запах распространяется, а растворённое вещество перемещается благодаря диффузии — самопроизвольному движению частиц от большей концентрации к меньшей.

Растительная клетка в концентрированном растворе соли

Клетку помещают в раствор, где соли больше, чем внутри клетки. Мембрана пропускает воду, но не пропускает все растворённые частицы одинаково. Нужно определить направление движения воды и состояние клетки.

1. Сравниваем концентрации по обе стороны мембраны: внешний раствор более концентрированный.
2. По осмосу вода выходит из клетки в сторону раствора с большей концентрацией веществ.
3. Объём содержимого клетки уменьшается, мембрана отходит от клеточной стенки, возникает плазмолиз.

Ответ: растительная клетка потеряет воду и сморщится из-за осмоса. Если вернуть её в менее концентрированный раствор, вода сможет снова поступать внутрь.

Нервный импульс, сокращение мышцы и температура

После сигнала нервной системы мышца сокращается, а после физической нагрузки температура тела повышается. Требуется связать эти два результата с разными физическими явлениями. Рассуждение удобно разделить на передачу сигнала и превращение энергии.

1. Нервный импульс достигает мышечной клетки и изменяет состояние её мембраны.
2. В мышце запускаются процессы взаимодействия белков, поэтому волокно укорачивается и возникает сокращение.
3. При усиленном обмене веществ часть энергии питательных веществ превращается в тепло, из-за чего температура тела возрастает.

Ответ: биоэлектрический сигнал передаёт мышце команду, а тепло образуется при превращении энергии во время её работы. Охлаждение и теплообмен с окружающей средой помогают вернуть температуру к обычному уровню.

Типичные ошибки

Любое изменение считают химическим или физическим без анализа. Ошибка возникает, если не проверить, появились ли новые вещества. Спросите себя: изменился только вид, состояние или движение объекта либо его состав тоже стал другим?

Диффузию путают с осмосом. Оба процесса связаны с движением частиц, поэтому их легко объединить в одно понятие. Проверьте, что перемещается: любые частицы при диффузии или вода через полупроницаемую мембрану при осмосе.

Считают, что вода всегда перемещается в клетку. Такое мнение появляется из-за примеров с поступлением воды в корневые клетки. Направление осмоса определяют сравнением концентраций по обе стороны мембраны.

Биоэлектричество принимают за ток извне. В организме электрические сигналы возникают благодаря перемещению ионов через мембраны клеток. Чтобы проверить себя, назовите источник сигнала: это процессы в нервной или мышечной клетке, а не подключённый внешний провод.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, свойствах мембраны, движении частиц, энергии и концентрации вещества. Без них трудно объяснить направление диффузии и осмоса. Эти понятия служат основой для дальнейшего изучения транспорта веществ.

Физические явления связаны с обменом веществ, нервной и мышечной системами, а также с транспортом воды и минеральных солей у растений. Например, диффузия участвует в газообмене, осмос — в работе корней, а биоэлектрические сигналы — в деятельности нервов. Поэтому тема объединяет несколько разделов биологии.

Физика помогает описывать жизненные процессы через движение частиц, передачу энергии и распространение сигналов. Такой подход позволяет точнее объяснить, как организм получает вещества, реагирует на раздражители и взаимодействует со средой. Биология и физика здесь дополняют друг друга.

Что запомнить

• Физические явления происходят в живых организмах наряду с химическими.
• Диффузия обеспечивает перемещение частиц из области большей концентрации в область меньшей.
• Осмос — движение воды через полупроницаемую мембрану.
• Тепло в организме образуется главным образом при превращении энергии питательных веществ.
• Биоэлектрические сигналы обеспечивают передачу информации в нервной системе и работу мышц.
• Свет, звук и движение помогают организмам ориентироваться, общаться и взаимодействовать со средой.