Este documento presenta una introducción sencilla a los principios físicos que sustentan la vida. Explica brevemente conceptos como potencial de movimiento, desorden-entropía, conservación de energía y transferencia, que son fundamentales para comprender la biología desde una perspectiva física. El objetivo es proveer una base para ingenieros interesados en tecnologías relacionadas con la vida.
2. Principios físicos de la biología
Mg. Ing. Gabriel Rojas
El presente documento solo pretende ser una base simplista de los conceptos físicos en los cuales se sustenta
la vida, explicado para ingenieros.
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mencionar al autor.
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ProfesorGavit0@gmail.com
lgabrielrojas@mail.unicundi.edu.co
https://ProfesorGavit0.blogspot.com
Universidad de Cundinamarca
Facultad de ingeniería
Ingeniería de sistemas
Sede: Chía – 2017
www.unicundi.edu.co
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3. Principios físicos de la
biología
Mg. Ing. Gabriel Rojas
Una introducción a los conceptos físicos en los
cuales se sustenta la vida, para ingenieros en
tecnologías de la información.
El contenido de este documento fue extraído del libro: Johnson, A. T. (2011). Biology for engineers. CRC Press.
4. ¿Qué es la física?
La física es una ciencia que se
ocupa de la materia y la energía, y
sus interacciones.
Es una ciencia cuantitativa de
medición, experimentación y
sistematización de resultados
experimentales.
5. ¿Para qué la física?
El estudio de la física es el
fundamento de la manipulación y
el control de nuestro entorno
físico.
Los movimientos que hacemos,
los procesos que usamos para
extraer energía y las fuerzas de
los miembros del cuerpo se
describen con modelos físicos.
6. ¿Cómo se desarrolla
la física?
El método científico se utiliza en
su sentido más clásico para
formular principios o leyes que
pueden aplicarse ampliamente
para predecir resultados.
7. ¿La física en la
ingeniería?
La física es la ciencia básica sobre
la que descansa toda la ingeniería.
La física es el paradigma de una
ciencia que utiliza observaciones
empíricas y las transforma en
principios fundamentales.
Las descripciones cuantitativas de
eventos físicos son modelos para
el análisis y diseño de ingeniería.
8. La física de la vida
Los seres vivos obedecen las leyes de la física
y se acomodan a ellos tan bien como pueden.
La comprensión de las leyes físicas, entonces,
es importante para comprender el contexto
en el que se ha desarrollado la biología.
9. ¿Cómo explicar la
vida usando la física?
Existen muchos y muy diversos
principios y modelos físicos que
permiten comprender
características de los entes vivos.
Sin embargo, algunos pueden ser
seleccionados por su mayor
importancia para la comprensión
de las unidades biológicas (UB).
1. Potencial de movimiento
2. Desorden - Entropía
3. Conservación de energía
4. Trabajo mecánico
5. Transferencia
6. Resistencia mecánica
7. Aceleración y reposo
8. Calor
9. Presión
10. Flujo y transporte de sustancias
10. Hay lugares con mayor potencial y lugares con menor potencial.
Las cosas se mueven de mayor a menor potencial. "Potencial" es
una palabra usada para describir la tendencia de algo para que el
potencial, que puede ser positivo o negativo, puede atraer o
repeler cosas móviles. Estas cosas pueden ser partículas, energía
o UB.
Resistencia
Capacidad
Inercia
Esfuerzo requerido
Potencial de
movimiento
11. Resistencia
▪Resistencia describe el límite
de la variable de flujo para
cualquier cantidad de esfuerzo
determinado.
▪Sin resistencia, la cantidad de
flujo resultante de una pequeña
cantidad de esfuerzo sería
ilimitada.
▪Matemáticamente, la
resistencia se da como:
Flujo
Resistencia
12. Capacidad
▪La capacidad es la habilidad de
acumular, almacenar, y fluir
con el tiempo.
▪A medida que la capacidad se
hace mayor, más cosas se
pueden acumular en un tiempo
dado para cualquier cantidad de
esfuerzo. Por lo tanto, se
puede almacenar más calor en
un cuerpo con mayor capacidad
calorífica.
▪La capacidad se da
matemáticamente como el flujo
acumulado dividido por el valor
de la variable esfuerzo:
13. Inercia
▪Inercia es el término que
describe la resistencia a un
cambio en el flujo (movimiento)
en el tiempo.
▪La inercia es lo que evita que
los cambios ocurran
instantáneamente.
▪La inercia es la razón por la que
los fluidos biológicos no
cambian la velocidad
inmediatamente.
▪Matemáticamente, la inercia
se da como la cantidad de
esfuerzo requerida para
producir una tasa de cambio de
variable de flujo con el tiempo:
15. Los seres vivos están altamente ordenados en lugar de aleatorio.
Es decir, se mantienen estructuras particulares, se mantienen
actividades particulares y se mantienen relaciones particulares.
El mantenimiento del orden requiere energía.
Como consecuencia, los seres vivos requieren un gasto constante
de energía.
Sin lo anterior, los sistemas vivos son insostenibles.
Desorden
Entropía
16. Debido a que la energía nunca puede fluir espontáneamente de un
potencial inferior a un potencial más alto, que el nivel de energía
se degrada en cada paso de un proceso.
Es decir, la energía total disponible siempre es menor en cada
etapa.
Sin energía suficiente, las estructuras biológicas, las actividades y
las relaciones no pueden ser mantenidas, y el sistema vivo muere.
Los sistemas biológicos muertos se degradan rápidamente a
elementos y moléculas simples, y después de un tiempo, es difícil
de reconocerlos como provenientes de cualquier estructura,
participando en actividades biológicas o manteniendo relaciones
significativas.Desorden
Entropía
17. El hecho de que un flujo sólo pueda ocurrir espontáneamente desde un
valor de la variable de esfuerzo más alto a más bajo significa que:
1. La corriente eléctrica nunca fluye de un voltaje más bajo a un
voltaje más alto
2. El calor nunca fluye de una temperatura más baja a una
temperatura más alta (segunda ley de la termodinámica)
3. Un objeto nunca se mueve contra una fuerza neta aplicada
4. La energía nunca se crea espontáneamente
5. Una solución nunca se vuelve más concentrada
6. Un fluido nunca fluye contra un gradiente de presión
7. La información nunca se arregla espontáneamente en los libros
8. Los objetos oscuros nunca transmiten luz a objetos más brillantes
9. Una célula nunca se reproduce sin entrada de energía
10. La vida no se crea espontáneamente
Desorden
Entropía
18. Lo que entra pero no sale se almacena en su interior.
Este principio abarca la idea de el equilibrio y la conservación de la
materia o energía.
Cuando hay un espacio definido con límites identificables, la
energía o el material que fluye a través de esos límites está
relacionado por el equilibrio:
tasa de material de entrada - tasa de material de salida -+
material generado = tasa de material almacenado
Conservación de
energía
19. La energía es una variable de flujo y puede ser tratada de manera
similar a otros flujos tales como flujo de fluido y flujo de masa.
Considere un equilibrio térmico:
calor que entra - calor que sale + calor generado = calor almacenado
Aplicaciones y predicciones:
1. La cantidad de agua almacenada en un humedal puede
determinarse tomando en cuenta las entradas y salidas. El
agua no se genera en un humedal, aunque el agua se evapora
(generación negativa).
2. El gasto cardíaco en un ser humano puede determinarse
usando un balance de masa sobre una sustancia trazadora en
la sangre.
3. Si la diferencia de presión entre la boca y los alvéolos
respiratorios permanece constante, entonces el flujo de aire
respiratorio disminuirá a cero cuando el pulmón se llene.
Conservación de
energía
20. Aplicaciones y predicciones:
4. El tiempo necesario para eliminar los metales pesados del
suelo se puede determinar usando un balance en iones de
metales pesados.
5. El potencial transmembrana celular puede determinarse a
partir de un balance de carga sobre las concentraciones de
iones dentro y fuera de la célula.
6. La velocidad de perfusión de oxígeno del tejido puede
obtenerse a partir de la velocidad de oxígeno que entra en el
lecho capilar menos la velocidad de oxígeno que sale del lecho
capilar.
7. El aumento de peso está relacionado con la ingesta de
alimentos menos la parte indigestible.
8. Se conserva la energía.Conservación de
energía
21. Pueden usarse diferentes formas de energía para realizar trabajos
mecánicos.
El trabajo mecánico es extremadamente importante para la UB, y
este trabajo se utiliza para definir el significado de la energía.
El trabajo mecánico hace referencia a cuando algo se mueve de
uno lugar a otro. El trabajo mecánico para mover una cosa se
calcula así:
trabajo = (fuerza) (distancia movida)
Trabajo mecánico
22. La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo útil.
Así, la energía se puede convertir en trabajo, y viceversa.
Existe, pues, una equivalencia entre el trabajo y la energía.
La relación entre la energía útil y la energía requerida define la
eficiencia:
Eficiencia = Energía útil / Energía requerida
Trabajo mecánico
23. La transferencia de algo de un lugar a otro depende directamente
de la superficie y es inversamente proporcional a la distancia
entre los dos lugares.
Sin importar si el "algo" es calor, masa, corriente eléctrica, o algo
más, UB debe tratar con el restricciones impuestas por la
geometría.
El movimiento de la materia es crítico para los sistemas vivos
en todos los niveles.
Transferencia
24. El movimiento de la materia es crítico para los sistemas vivos en
todos los niveles. Las fuentes de energía toman a menudo la
forma de compuestos ricos en energía, y éstos deben moverse
desde dondequiera que se ubican en células.
Transferencia
25. La consecuencia del metabolismo es la producción de productos
de desecho, que deben ser eliminados o almacenados en forma
inmovilizada.
La acumulación de estos productos de desecho (incluyendo
dióxido de carbono, lactato, urea, alcohol y otros) puede dañar
severamente el organismo, y por lo tanto debe ser transportado
lejos.
Transferencia
26. La ósmosis es el proceso relacionado con la difusión de
materiales, que ocurre principalmente a través de las membranas
semipermeables que se encuentran en los seres vivos.
Las membranas se utilizan para separar diferentes moléculas y
para controlar las condiciones ambientales locales. Hay
membranas que rodean la célula y muchas de sus inclusiones.
Transferencia
27. La resistencia mecánica depende de la configuración geométrica,
la cantidad de material presente, y las propiedades del material.
Varias UB mantienen sus integridades físicas equilibrando estas
tres consideraciones, algunas por sus formas, otras por depósitos
de materiales fuertes y otros utilizando materiales con
propiedades inusuales.
Resistencia
mecánica
28. Geometría
▪La superficie superior del ala
de un avión se curva más que la
superficie inferior, y la distancia
para que el fluido viaje sea más
larga desde el frente hasta la
parte trasera del ala.
▪Con una distancia más larga
para viajar en la misma cantidad
de tiempo, el fluido fluye más
rápido sobre la parte superior
del ala que sobre el fondo.
29. Cantidad de material
▪La segunda ley de Newton
establece que:
La aceleración producida en
un cuerpo por una fuerza
externa desequilibrada es
proporcional a la magnitud de la
fuerza e inversamente
proporcional a la masa del
objeto.
▪ Fuerza = Masa * Aceleración
▪La tercera ley de Newton
establece que:
Para cada acción hay una
reacción igual y opuesta.
30. Propiedades del
material
▪Las propiedades físicas de los
fluidos son muy importantes.
▪Los fluidos finos son fáciles de
mover.
▪Los fluidos gruesos son justo
lo contrario.
▪La propiedad física que mide el
espesor del fluido se denomina
viscosidad y la viscosidad del
agua es aproximadamente 50-
100 veces mayor que la
viscosidad del aire.
▪Disolver o suspender los
materiales en el agua puede
mejorar su viscosidad mucho.
▪La viscosidad de la sangre
humana total es
aproximadamente 10 veces la
del agua.
31. Las fuerzas mecánicas desequilibradas causan aceleración.
Si no hay fuerzas netas, entonces un cuerpo en movimiento sigue
en movimiento y un cuerpo en reposo permanece en reposo.
Debido a que la fuerza es la variable de esfuerzo y la aceleración
es la tasa de cambio de tiempo de la variable de flujo, la masa
puede ser vista como la inercia (o inercia) del objeto.
Los sistemas biológicos utilizan una variedad de esquemas para
aumentar o disminuir las fuerzas de fricción. Las moscas
caminando en una pared usan una sustancia pegajosa en sus pies
para mantener un alto coeficiente de fricción para que no Resbalar
y caer.
Aceleración y
reposo
32. El calor residual de baja calidad es inútil para realizar cualquier
tipo de trabajo.
Todas las otras formas de energía fluyen desde un potencial más
alto hasta bajar, y eventualmente degradarse en calor.
El calor puede ser transformado en otras formas de energía, pero
la transformación nunca es 100% eficiente, por lo que se deja algo
de calor.
Calor
33. La transferencia de calor es importante para los organismos
biológicos. El exceso de calor debe ser removido y las deficiencias
de calor deben ser llenados. De lo contrario, los organismos no
sobrevivirán.
El calor puede ser transferido a través de cuatro mecanismos
comunes:
(1) Conducción,
(2) Convección,
(3) Radiación, y
(4) Cambio de estado.
Calor
35. Convección
▪Convección requiere que haya
un fluido en movimiento (líquido
o gas) que puede calentar o
enfriar y mover el calor junto
con el líquido.
37. Cambio de estado
▪El cambio de estado de
transferencia de calor es
importante cuando una
sustancia, como el agua, se
evapora, se condensa, se funde
o se congela.
38. Las presiones hidrostáticas son iguales en todas las direcciones.
Las paredes fuertes son innecesarias si la las presiones son
iguales en ambos lados.
La presión puede distorsionar objetos o puede apoyarlos.
Los líquidos son importantes para los organismos biológicos
porque llenan espacios interiores y rodean completamente cada
organismo.
Los sistemas circulatorios en plantas y animales se ajustan a los
principios físicos.
Presión
39. El agua y el aire son los dos fluidos más importantes para los
sistemas biológicos; aire porque suministra oxígeno, actúa como
sumidero para el exceso de dióxido de carbono y puede secar el
organismo; y el agua porque actúa como disolvente.
Cada sistema tiene un medio para impulsar el fluido, porque, a
partir de las leyes de movimiento de Newton, el fluido no se
moverá por sí mismo.
Presión
40. Fluidos que fluyen requieren energía para superar la resistencia.
El movimiento de líquidos es importante en los sistemas
biológicos para suministrar oxígeno, nutrientes y productos
químicos de control, y para eliminar los desechos.
La capacidad del corazón para mover estos fluidos depende
principalmente de la capacidad de superar la resistencia, y la
configuración de la trayectoria del flujo logra un equilibrio entre
altas y débiles resistencias.
Flujo y transporte
de sustancias
