Калькулятор биофизики
Мембранный потенциал (Нернст, ГХК), диффузия через мембрану (Фик), электрофорез и седиментация, радиационная доза (ОБЭ, Зиверт), оптические свойства биотканей (Бугера-Ламберта-Бера).
Основы биофизики: физика живых систем
Биофизика — междисциплинарная наука, применяющая физические методы и концепции для изучения биологических систем на всех уровнях организации: от отдельных молекул до целых организмов и экосистем. Она объединяет физику, математику, химию и биологию, предоставляя количественные модели для описания процессов жизнедеятельности. Химические основы биомолекул рассматривает калькулятор биохимии.
Российская биофизика имеет богатые традиции. Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН (ИТЭБ РАН, Пущино) ведёт исследования в области фотобиологии, мембранной биофизики и моделирования биосистем. Институт биофизики СО РАН (ИБФ СО РАН, Красноярск) известен работами по замкнутым системам жизнеобеспечения (БИОС-3) и биолюминесценции. Кафедра биофизики физического факультета МГУ, основанная в 1953 году, — старейшая в стране.
Мембранная биофизика и электрофизиология
Клеточная мембрана — липидный бислой толщиной ~7 нм, который разделяет внутриклеточную и внеклеточную среды. Неравномерное распределение ионов (K+, Na+, Cl−, Ca²+) создаёт электрохимический потенциал на мембране. Na+/K+-АТФаза (насос) поддерживает градиенты: выкачивает 3 Na+ наружу и закачивает 2 K+ внутрь клетки, затрачивая 1 молекулу АТФ.
Потенциал покоя нейрона (~−70 мВ) определяется преимущественно проницаемостью для K+-ионов. При возбуждении открываются потенциал-зависимые Na+-каналы, возникает потенциал действия (деполяризация до +30 мВ, реполяризация, гиперполяризация). Модель Ходжкина-Хаксли (Нобелевская премия, 1963) количественно описывает генерацию и проведение потенциала действия через систему дифференциальных уравнений.
⚡Уравнение Нернста
Равновесный потенциал для одного вида ионов определяется соотношением их внеклеточной и внутриклеточной концентраций. Вальтер Нернст предложил уравнение в 1889 году (Нобелевская премия по химии, 1920). Для одновалентного катиона при 37°C: E = 61.5 · lg([C]out/[C]in) мВ.
E = (RT / zF) · ln([C]out / [C]in)🧬Уравнение ГХК
Мембранный потенциал при одновременном транспорте K+, Na+ и Cl−. Учитывает относительные проницаемости мембраны для каждого иона. Является обобщением уравнения Нернста на многоионную систему. Описывает как потенциал покоя, так и изменения при возбуждении (Goldman, 1943).
Vm = (RT/F) · ln[(PK[K]o + PNa[Na]o + PCl[Cl]i) / ...]🌀Диффузия (Закон Фика)
Первый закон Фика описывает пассивный транспорт вещества по градиенту концентрации. Коэффициент диффузии зависит от размера молекулы, вязкости среды и температуры. Для газов (O2, CO2) мембрана легко проницаема, для ионов — практически непроницаема без каналов.
J = −D · (dC / dx)☢️Радиационная биофизика
Ионизирующее излучение повреждает ДНК (прямой и непрямой механизм). Биологический эффект определяется не только дозой (Гр), но и типом излучения (ОБЭ/wR): альфа-частицы в 20 раз опаснее гамма при той же дозе. Линейно-квадратичная модель — основа лучевой терапии.
S = exp(−αD − βD²)6 инструментов биофизика
Охватывают ключевые расчёты мембранной, радиационной и молекулярной биофизики
Потенциал Нернста
Равновесный потенциал для K⁺, Na⁺, Cl⁻, Ca²⁺. Пресеты физиологических концентраций.
Уравнение ГХК
Мембранный потенциал с учётом проницаемостей трёх ионов. Потенциалы покоя и возбуждения.
Диффузия (Фик)
Плотность потока, проницаемость мембраны, градиент концентрации. Транспорт через липидный бислой.
Электрофорез
Подвижность, коэффициент диффузии Эйнштейна-Стокса, коэффициент седиментации (Сведберг).
Радиационная доза
Гр → Зв: ОБЭ (wᵣ), тканевые факторы (wᵀ), мощность дозы, выживаемость (LQ-модель).
Оптика биотканей
Бугер-Ламберт-Бер: поглощение, рассеяние, глубина проникновения. Пресеты тканей.
Мембранная биофизика и ионные каналы
Ионные каналы и транспорт
Ионные каналы — трансмембранные белки, формирующие водные поры для селективного транспорта ионов. Потенциал-зависимые Na+-каналы (Nav), K+-каналы (Kv), Ca²+-каналы (Cav) — основа электрической активности нервных и мышечных клеток.
- • Na+/K+-АТФаза: 3 Na+ наружу, 2 K+ внутрь
- • Patch-clamp (Неер и Закман, 1991) — регистрация токов одиночных каналов
- • Лиганд-зависимые каналы: ГАМК, глутамат, ацетилхолин
- • Механочувствительные каналы (Piezo1/2, Нобелевская премия 2021)
- • Аквапорины — каналы для воды (Нобелевская премия 2003)
Модель Ходжкина-Хаксли
Математическая модель генерации потенциала действия в гигантском аксоне кальмара (1952). Описывает мембрану как электрическую цепь: ёмкость (Cm), ионные проводимости (gNa, gK, gL), батареи (потенциалы Нернста). Нобелевская премия 1963 года.
- • Cm dV/dt = −gNam³h(V−ENa) − gKn&sup4;(V−EK) − gL(V−EL)
- • Ворота m, h, n — вероятности открытого состояния
- • Рефрактерный период: абсолютный (~1 мс) и относительный
- • Скорость проведения: 1–120 м/с (миелинизация)
- • Развитие: FitzHugh-Nagumo, Morris-Lecar, Izhikevich
Радиационная биофизика и дозиметрия
Дозиметрия
Поглощённая доза (Гр) — энергия, переданная веществу (1 Гр = 1 Дж/кг). Эквивалентная доза (Зв) = D × wR. Эффективная доза учитывает тканевые факторы. Предел для населения: 1 мЗв/год (НРБ-99/2009). Естественный радиационный фон ≈ 2.4 мЗв/год.
Радиобиология
Основная мишень — ДНК. Прямой механизм: ионизация ДНК треком частицы. Непрямой: радиолиз воды → OH-радикалы → повреждение ДНК. Двухнитевые разрывы (DSB) — наиболее опасные. Системы репарации: NHEJ, гомологичная рекомбинация. ЛПЭ — линейная передача энергии.
Лучевая терапия
LQ-модель: S = exp(−αD − βD²). Фракционирование: стандартное (2 Гр/фракция), гипофракционирование, SBRT. Протонная и ионная терапия — пик Брэгга для точного подведения дозы. В России: НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина, МРНЦ им. А.Ф. Цыба.
Молекулярная биофизика и оптические методы
Оптика биотканей и фотобиология
Взаимодействие света с биотканью определяется поглощением (μa) и рассеянием (μs). Основные хромофоры: гемоглобин (Hb/HbO2), меланин, вода, липиды. Методы: теория переноса излучения (RTE), диффузионное приближение, метод Монте-Карло для моделирования распространения фотонов.
- • ФДТ — фотодинамическая терапия опухолей
- • ОКТ — оптическая когерентная томография
- • НИЛИ — низкоинтенсивная лазерная терапия
- • fNIRS — спектроскопия ближнего ИК для мозга
- • Пульсоксиметрия — SpO2 по двум длинам волн
Структурная биофизика
Определение трёхмерной структуры биомолекул — ключевая задача биофизики. Рентгеноструктурный анализ (Уотсон и Крик, 1953 — структура ДНК), ЯМР-спектроскопия, крио-электронная микроскопия (крио-ЭМ, Нобелевская премия 2017), SAXS, нейтронное рассеяние. Молекулярную массу биомолекул рассчитайте с помощью калькулятора молекулярного веса.
- • Protein Data Bank (PDB): >200 000 структур
- • AlphaFold — предсказание фолдинга белков (ИИ)
- • Курчатовский синхротрон — источник синхротронного излучения
- • Молекулярная динамика (МД) — моделирование движения атомов
- • FRET — резонансный перенос энергии (наноразмерная линейка)
Как использовать калькулятор биофизики
Выберите нужный инструмент
Калькулятор содержит 6 вкладок: «Нернст» для равновесного потенциала одного иона, «Гольдман-Ходжкин-Катц» для мембранного потенциала с учётом трёх ионов, «Диффузия (Фик)» для расчёта потока через мембрану, «Электрофорез» для подвижности и седиментации, «Радиация» для перевода доз и оценки биологического эффекта, «Оптика тканей» для закона Бугера-Ламберта-Бера.
Введите параметры
Для уравнений Нернста и ГХК: концентрации ионов в мМ (используйте пресеты для типичных физиологических значений). Для диффузии: коэффициент D в м²/с, толщину мембраны в нм. Для электрофореза: заряд в элементарных зарядах, радиус в нм, вязкость. Для радиации: дозу в Гр, тип излучения и ткань. Для оптики: коэффициенты поглощения и рассеяния.
Проанализируйте результаты
Результаты отображаются мгновенно с цветовой индикацией. Для Нернста: сравните Eₖ (≈−90 мВ) и E₁ₑₐ (≈+67 мВ). Для ГХК: Vₘ ≈ −70 мВ в покое. Для радиации: выживаемость по LQ-модели с зелёной/красной индикацией. Для оптики: глубина проникновения показывает, до какой глубины дойдёт свет.
Используйте справочную информацию
Под каждым расчётом приведены формулы, единицы и типичные значения. Для исследовательских расчётов рекомендуются: NEURON/GENESIS (моделирование нейронов), MCNP/Geant4 (моделирование переноса излучения), Monte Carlo for Multi-Layered media (MCML) для оптики тканей. Калькулятор предназначен для экспресс-оценки и обучения.
Часто задаваемые вопросы
Лиана Арифметова
Миссия: Демократизировать сложные расчеты. Превратить страх перед числами в ясность и контроль. Девиз: «Любая повторяющаяся задача заслуживает своего калькулятора».
Отказ от ответственности
Только для информационных целей. Все расчёты, результаты и данные, предоставляемые данным инструментом, носят исключительно ознакомительный и справочный характер. Они не являются профессиональной консультацией — медицинской, юридической, финансовой, инженерной или иной.
Точность результатов. Калькулятор основан на общепринятых формулах и методиках, однако фактические результаты могут отличаться в зависимости от индивидуальных условий, исходных данных и применяемых стандартов. Мы не гарантируем полноту, точность или актуальность приведённых расчётов.
Медицинские, финансовые и профессиональные решения должны приниматься исключительно на основании консультации с квалифицированными специалистами — врачом, финансовым советником, инженером или другим профессионалом в соответствующей области. Не используйте результаты данного инструмента как единственное основание для принятия важных решений.
Ограничение ответственности. Авторы и разработчики сервиса не несут никакой ответственности за прямой или косвенный ущерб, возникший в результате использования данных расчётов. Пользователь принимает на себя всю ответственность за интерпретацию и применение полученных результатов.
Похожие инструменты
Калькулятор FIRE (финансовая независимость)
Когда достичь финансовой независимости. Правило 4%, коэффициент накоплений, пассивный доход.
Калькулятор пенсии РФ (ИПК, страховая, накопительная)
Рассчитайте будущую пенсию по формуле СФР: ИПК, фиксированная выплата, накопительная часть. Учет стажа и зарплаты.
Калькулятор пени: налоги (ст. 75 НК) и договор
Расчет налоговой пени (1/300 и 1/150). Поиск неустойки по ст. 395 ГК РФ и договорам. История ключевой ставки ЦБ.
Калькулятор сейсмологии
Магнитуда Рихтера, моментная магнитуда, энергия землетрясения, шкала MSK-64, расстояние до эпицентра, закон Гутенберга-Рихтера.
Калькулятор гомеопатии: разведения, потенции, молекулы и реперторий
Гомеопатические расчёты онлайн: разведение D/C/LM, конвертер потенций, число молекул, реперторий, дозировка, приготовление раствора.
Калькулятор протезирования: длина протеза, K-levels, нагрузки и ортезы
Расчёты протезирования онлайн: длина протеза, функциональные уровни K-levels, нагрузка на протез, биомеханика сустава, подбор ортеза.
Калькулятор электромагнитных волн
Конвертер длины волны, частоты и энергии фотона. Спектр электромагнитных волн, распространение в среде.
Калькулятор RLC
Расчет параметров конденсаторов и индуктивностей, постоянной времени RC/RL цепей и резонанса LC контура.
Калькулятор тренировочного объёма
Рассчитайте объём: сеты × повторения × вес. Анализ недельного объёма по группам мышц с ориентирами MEV, MAV, MRV.
Геотермальный калькулятор
Расчёты геотермальной энергии: тепловые насосы, градиент, скважины, экономика
Калькулятор CDN
Расчёты CDN: трафик, кеширование, задержка, видеостриминг, сравнение провайдеров, ROI
Калькулятор керамики
Расчёты керамики: шихта, обжиг, усадка, прочность, глазурь, плотность и пористость
Калькулятор аудита (риски, выборка, существенность)
Профессиональный расчёт аудиторских рисков (МСА 200), уровня существенности (МСА 320), объёма аудиторской выборки (МСА 530) и трудозатрат. Для аудиторов и бухгалтеров РФ.
Калькулятор передаточных чисел (КПП)
Передаточное число, скорость на передачах, обороты двигателя. Для автомобилей, мотоциклов и велосипедов.
Калькулятор потребления электроэнергии и экономии
Рассчитайте расход электроэнергии бытовыми приборами. Узнайте стоимость использования и сколько можно сэкономить при замене техники.