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Aplicaciones de ejemplos de sistemasBiofisicos

1. Aplicaciones Elementales de Física en Biología
Universidad de Carabobo
Facultad de Ciencias de la Educación
Mención Biología
Lic. Erith Muñoz
11 de Julio del 2008

2. Contenido
E. Muñoz
✐ Algunas aplicaciones elementales
✐ Conclusiones
Aplicaciones de Física en Biología
✐ Introducción a la biofísica

3. E. Muñoz
Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Aplicaciones de Física en Biología
La Biofísica es una sub-disciplina de la Biología que estudia los principios físicos
subyacentes a todos los procesos de los sistemas vivientes
Introducción
Por ejemplo, la biofísica estudia los cambios de polaridad en los microtúbulos
de un Paramecium, o la transferencia de energía de una partícula a otra
dentro del complejo motor molecular conocido como ATP sintetasa, o la
mecánica del esqueleto humano, o la dinámica de fluidos en un saltamontes
Ser vivo: Conjunto de átomos y moléculas que forman una estructura material
muy organizada y compleja Establece con el medio ambiente un intercambio de
materia y energía de una forma ordenada
Desempeña las funciones básicas de la vida: nutrición, relación y reproducción

4. E. Muñoz
Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Aplicaciones de Física en Biología
Introducción
La materia que compone los seres vivos estáformada en un 95% por
cuatro átomos: C, H, O y N, a partir de los cuales se forman las
moléculas:
• Moléculas orgánicas o biomoléculas: ácidos nucleicos, proteínas,
glúcidos y lípidos
• Moléculas inorgánicas: agua, sales minerales
Energía trabajo útil
Síntesis de moléculas pequeñas
Síntesis de macromoléculas
Transporte de iones y moléculas
Movimiento
Emisión de luz

5. E. Muñoz
Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Aplicaciones de Física en Biología
Introducción
Problema biológico Campo de la Física
Moléculas (macromoléculas)
-Estudio de las interacciones
débiles.
-Complejo de transferencia de
carga.
-Interacciones hidrofóbicas.
Bioenergía
-Termodinámica de procesos
irreversibles lineales.
-Transmisión de radiación por
excitones.
Autoorganización
(problemas filosóficos)
-Termodinámica de procesos
irreversibles lineales.
-Comportamientos caóticos.
-Teoría de catástrofes.

6. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Leyes de Newton
Mecánica
Hormigas transportando una hoja
Las hormigas son ampliamente reconocidas por su aparente habilidad para
realizar trabajo en equipo, basados en esta creencia podemos plantear la
siguiente pregunta, ¿ Es realmente optimo el trabajo realizado por un grupo
de hormigas que trasladan un hoja??
Supongamos un caso simple de tres
hormigas
y
x
amF

.

7. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Conservación de Energía Mecánica
Mecánica
Zancudo Vs. El Cóndor de los Andes
Resulta sorprendente observar repentinamente un zancudo que vuela
con una velocidad dada y de modo súbito frena sin perder equilibrio ni
elegancia en el aterrizaje en una superficie cualquiera. Por otro lado en
palomas, águilas y de un modo mas interesante el Cóndor de los Andes,
se observa que para aterrizar se requiere una preparación previa al que
consiste fundamentalmente en reducción de rapidez y en definición de
equilibrio

8. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Inercia
Mecánica
Zancudo Vs. El Cóndor de los Andes
amF

.
La inercia es una propiedad física de los cuerpos a oponerse al cambio de
movimiento, si el zancudo (M
Z
) o cóndor (M
C
) se encuentra en vuelo con
intención de aterrizar entonces es necesario vencer la inercia para poder
detenerse:
M
z
<<M
c

9. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Conservación de Energía Mecánica
Mecánica
El Salto de la Rana
El salto de rana es un espectáculo de la naturaleza que deja en evidencia la
potencia muscular del anfibio, a continuación se analizara si dos ranas de la misma
clase con diferentes masas saltarían igual o una mas que la otra
mghmv
2
1
2
1
0.9m
En la figura se presentan dos ranas, la de la izquierda de
masa 2m y la de la derecha de masa m. si ambas quieren
alcanzar el madero horizontal de la figura, ¿ Qué diferencia
entre sus velocidades iniciales debe existir?
Conservación de Energía Mecánica
gh
m
mgh
v 2
2
2
1

Despejando la velocidad:
smmsmghv /2.4)9.0(*)/8,9(*22
2


10. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
¿Cómo flotan los peces?

11. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
¿Cómo flotan los peces?
La vejiga natatoria es un órgano
membranoso en forma de saco,
situado por encima de la mayoría de
los órganos internos, que está lleno
de gases (oxígeno, nitrógeno y
dióxido de carbono) y que tiene como
principal función la regulación de la
flotabilidad del pez. Mantiene una
estrecha relación con los vasos
sanguíneos, por lo que se facilita la
difusión de gases a través de la
membrana

12. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
El Caimán del Orinoco y su particular técnica de inmersión
El caimán del Orinoco es un reptil de sangre fría, y debido a que no cuenta
con una vejiga natatoria usa una técnica muy peculiar para controlar su
flotabilidad en el agua. La misma consiste en ingerir piedras en las orillas
de la fuente de agua, estas son utilizadas para poder sumergirse hasta las
profundidades del rio (Además facilitan la digestión), y cuando se encuentra
en las profundidades puede salir a flote nuevamente expulsando las
piedras.

13. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
El Caimán del Orinoco y su particular técnica de inmersión
Flotabilidad del caimán
Fuerza que ejerce el
agua sobre el caimán
(Fa)
Peso del caimán (Pc)
Fuerza que ejerce el
caimán hacia abajo (Fc)
0. amF

Modelo
 
cca
FPF



14. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
El Caimán del Orinoco y su particular técnica de inmersión
Flotabilidad del caimán
Fuerza que ejerce el
agua sobre el caimán
(Fa)
Peso del caimán (Pc)
Fuerza que ejerce el
caimán hacia abajo (Fc)
amF

.
Modelo
  0
cpcacpca FPPFFPPF
Peso de las piedras (Pp)

15. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Flotabilidad
Mecánica
El Caimán del Orinoco y su particular técnica de inmersión
Flotabilidad del caimán

16. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Impulsos Eléctricos
Electricidad
Comunicación Neuronal
Actualmente, la estructura y la función de las células nerviosas individuales
se comprende con gran detalle. La función de una neurona es comunicar
información. Esto puede ser realizado mediante la transmisión de señales
eléctricas (procesado y transmisión de información dentro de una célula) o
de señales químicas (normalmente entre células).
En este proceso, un estímulo externo es captado por receptores
especializados de las neuronas sensoriales que los convierten en señales
eléctricas, estas se convierten en químicas y se transmiten a otras
células, las interneuronas, que las vuelven a transformar en señales
eléctricas. Finalmente la información se transmite a las neuronas motoras
que estimulan el músculo y a otros neuronas que estimulan otras células

17. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Impulsos Eléctricos
Electricidad
Comunicación Neuronal
La mayoría de las neuronas contienen cuatro regiones con diferentes
funciones:
•El cuerpo celular: contiene el núcleo y los lisosomas, es donde se
sintetizan las proteínas y membranas
•El axón: la mayoría de las neuronas tienen un único axón. Los axones se
encuentran especializados en la conducción del potencial de acción. El
axón se encuentra unido al cuerpo celular por el cono del axón.
•Las dendritas: las neuronas presentan múltiples dendritas, que se extienden
desde el cuerpo celular y están especializadas en recibir señales químicas
desde el axón terminal de otras neuronas, convirtiendo estas señales químicas
previamente en pequeños impulsos eléctricos
•Los axones terminales: ramificaciones del axón que forman la sinapsis o
conexión con otras células

18. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Impulsos Eléctricos
Electricidad
Comunicación Neuronal
Un potencial de acción es una
serie de cambios repentinos en el
potencial eléctrico a través de la
membrana plasmática del axón
neuronal. En el estado de reposo
el potencial de membrana, PM -60
mV, es similar al de la mayoría de
células no neuronales. Durante un
potencial de acción este valor
llega a alcanzar los 50 mV. Un
cambio neto de unos 110 mV.
Esta despolarización de la
membrana va seguida de una
rápida repolarización para volver
al potencial de reposo.
Potencial de Acción

19. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Acústica
Ondas
Comunicación y Ecolocalización en cetáceos
La comunicación auditiva entre Ballenas es muy efectiva dentro del agua
por razones físicas, y es que el sonido en los líquidos se propaga a
1500m/s (En el aire se desplaza a 340m/s), además tiene baja atenuación;
esto unido a la habilidad que tienen los cetáceos para distinguir la
dirección de los sonidos recibidos hacen posible la Ecolocalizacion.

20. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Acústica
Ondas
Comunicación y Ecolocalización en cetáceos

21. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Energía
Mecánica
Un Modo fácil de recuperar energía
Subir montañas es una actividad deportiva muy conocida y en ocasiones es
el componente de una dieta para disminuir de peso. Se plantea el siguiente
dilema, ¿Cómo puedo determinar la energía que se gasta subiendo la
montaña, así como una posible ración de alimento que la retribuya.
Los alimentos proporcionan energías escaladas según el sistema
internacional de unidades en calorías, y además es posible determinar la
energía gastada por un cuerpo humano al subir una montaña empleando
ley de conservación de la energía mecánica; por otro lado usando el factor
de conversión de energía se tiene:

22. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Energía
Mecánica
Un Modo fácil de recuperar energía
400m
Una persona de 70 Kg. escala el monte UC hasta su pico a
400m de altura, ¿cuanta energía gasta?
KJmsmKgmghU 4,274)400*/8,9*70(
2

Transformando a calorías:65,5Kc
Esta cantidad de energía es recuperada
consumiendo tan solo 100gr de uvas

23. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Conclusiones
La Física es considerada como ciencia básica por que sus
fundamentos tienen aplicaciones en la mayoría de las ciencias
modernas. En esta presentación solo se mencionaron aplicaciones
sencillas sobre la biología con la intención de compartir una breve y
muy sencilla introducción a esta área de investigación.
Radiografía

24. E. Muñoz
 Introducción
Algunas Aplicaciones Elementales
Conclusiones
Referencias
Conclusiones
La integración de la física y la biología nos adentra a una filosofía del
pensamiento bastante abstracta y ambiciosa; ya que nos permite
pensar en procesos de optimización de sistemas biológicos, y si bien
es cierto estamos lejos de diseñar un motor tan rendidor como el
biológico (corazón, aparatos respiratorios, etc.), la biofísica fundamenta
futuros adelantos al respecto
+
=