Fundamentos Físicos de Los Procesos Biológicos V3

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  • Fundamentos fsicos de los procesos biolgicos

    Vol. 3 - Bioelectromagnetismo, ondas y radiacin

    Ral Villar LzaroCayetano Lpez Martnez

    Fernando Cuss Prez

  • Fundamentos fsicos de los procesos biolgicos. Volumen III

    Fernando Cuss Prez Cayetano Lpez Martnez Ral Villar Lzaro

    ISBN: 9788416113248

    e-book v.1.0

    ISBN edicin en Papel: 9788415787952

    Edita: Editorial Club Universitario. Telf.: 96 567 61 33C/. Decano, 4 San Vicente (Alicante)www.ecu.fm

    Maqueta y diseo: Gamma. Telf.: 965 67 19 87C/. Cottolengo, 25 San Vicente (Alicante)www.gamma.fmgamma@gamma.fm

    Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningn procedimiento electrnico o mecnico, incluyendo fotocopia, grabacin magntica o cualquier almacenamiento de informacin o siste ma de reproduccin, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

  • iii

    IntroduccinEste libro, Fundamentos fsicos de los procesos biolgicos, se ha conce-

    bido como una ayuda para los estudiantes de los primeros cursos de titula-ciones cuyo objeto de estudio principal sean las Ciencias de la Vida, como la Biologa, la Medicina, la Farmacia, la Veterinaria y otras, en las que sea necesario manejar algunas nociones bsicas de la Fsica. No se supondr, por lo tanto, la existencia de ningn conocimiento previo en esta materia, circuns-tancia frecuente en quienes inician estudios en Ciencias de la Vida. Lo nico que se presupone es el conocimiento de las matemticas elementales corres-pondientes al nivel de bachillerato. De todas formas, se recuerdan algunos conceptos y frmulas importantes en el texto y en los apndices.

    El contenido del libro resulta de una modificacin de un libro anterior, escrito por los mismos autores, llamado Fsica de los procesos biolgicos y publicado en 2004 por Ariel. La modificacin principal consiste en la elimi-nacin de las partes ms generales de la Fsica y un enfoque ms centrado en las aplicaciones al mundo de la Biologa, lo que se ha traducido en una reduc-cin neta de contenidos y una ms estricta seleccin de estos en lo que afecta a la explicacin de ciertos fenmenos biolgicos. Una gran parte del texto que ahora presentamos es similar al anterior, aunque se ha cambiado el contexto en que se introducen algunas nociones de Fsica con objeto de hacerlas ms directamente aplicables a las Ciencias de la Vida. Al mismo tiempo, se han incorporado ms ejercicios para mejor adaptarse a los cambios que se estn produciendo en el perfil y desarrollo de los estudios universitarios.

    Con todo, sigue siendo y se ha construido como un libro de Fsica en el que se introducen los conceptos y la metodologa propios de esta ciencia, aunque se busca, en todo momento, aplicar los resultados obtenidos al mbito de los seres vivos. El hecho, adems, de que no se requieran conocimientos previos en esta materia por parte del lector implica que cada tema sea presen-tado desde su inicio, indicando lo que significa en el mundo fsico en general, con aplicaciones y ejemplos, y con un nfasis especial en el mbito de las Ciencias de la Vida, a fin de mejor entender sus leyes y familiarizar al lector con el modo de tratar y formular los problemas fsicos.

  • iv Fundamentos fsicos de los procesos biolgicos

    El programa, igual que el del texto anterior, cubre todos los contenidos mnimos u obligatorios de los programas de las carreras mencionadas en el primer prrafo, a desarrollar en uno o dos semestres. Pero va ms all, tanto en el desarrollo de cada tema como en el catlogo de temas, incorporando otros contenidos que sern de inters en estados ms avanzados del estudio de la relacin entre Fsica y Ciencias de la Vida. Intentamos que sirva de refe-rencia permanente para aclarar las nociones de Fsica que aparecen una y otra vez en determinadas ramas del estudio de los seres vivos.

    Para el estudiante y el pblico en general, la Fsica y la Biologa se presentan como disciplinas cientficas muy distintas, incluso contradictorias o incompati-bles en sus mtodos. Y es cierto que hay diferencias en su objeto de estudio, en su metodologa y tambin en su lenguaje. La Fsica se ocupa normalmente de sis-temas simples que se pueden caracterizar con unos pocos parmetros, incidiendo siempre en los aspectos cuantitativos de las leyes que rigen su comportamiento, lo que implica un alto grado de formalizacin matemtica y un mtodo deduc-tivo a partir de unos principios generales, lo que le confiere una gran potencia predictiva. Por supuesto, se llega a esos principios generales desde la observa-cin y la experimentacin de los fenmenos naturales, es decir, tienen una natu-raleza emprica, muy distinta de la de los postulados puramente matemticos. La Biologa, por su parte, se ocupa de los sistemas ms complejos que existen en el mundo fsico, los seres vivos, cuyo comportamiento no puede caracterizarse nicamente con ayuda de unos pocos parmetros y cuya estructura no puede entenderse fuera del marco evolutivo, de la historia concreta de la vida sobre este planeta, sujeta a contingencias impredecibles que cristalizan en las formas de vida actualmente existentes. La Biologa es ms descriptiva, menos deductiva, y su lenguaje no es el lenguaje altamente formalizado de las matemticas.

    Y, sin embargo, los seres vivos forman parte del mundo fsico y, por lo tanto, se ven afectados por las leyes generales que rigen el comportamiento de cual-quier sistema fsico, ya sea la gravedad, la tensin superficial, los intercambios de energa, la dinmica de los fluidos o las interacciones electromagnticas. El funcionamiento de los seres vivos y de sus distintos rganos y tejidos, su estruc-tura y su relacin con el entorno, estn condicionados por las leyes generales de la Fsica, lo que constituye el nivel ms bsico de relacin entre Fsica y Ciencias de la Vida. Existe otro nivel, ms instrumental, que se refiere a la utilizacin, en los laboratorios de prcticas y de investigacin, as como en otros mbitos de la actividad profesional relacionados con las Ciencias de la Vida, de equipos e ins-trumentos basados en fenmenos fsicos, o surgidos de la actividad de investi-gacin en Fsica, que permiten observar ciertas caractersticas de los seres vivos. Ambos aspectos, bsico e instrumental, estn presentes en el libro.

  • Introduccin v

    Desde luego, sera absurdo pretender que entenderemos a los seres vivos si conocemos bien los fenmenos fsicos en los que se basa su actividad vital. Se trata de sistemas tan complejos y con una componente histrica tan fuerte que, en nuestro estado actual de conocimientos, solo es posible formular en trminos fsicos algunos aspectos de su actividad y estructura. Pero tambin sera absurdo pensar que podemos entenderlos haciendo abs-traccin del mundo fsico en el que viven y evolucionan y cuyas leyes les afectan. Es de gran importancia comprender que se trata de sistemas que deben ajustarse a lo estipulado por las leyes de la Fsica, desde las que se refieren a los tomos y molculas que los constituyen, hasta las que regulan el comportamiento trmico y dinmico de conjuntos de muchas partculas y extrema complejidad. Las leyes de la Fsica plantean lmites a la actividad vital que deben ser tenidos en cuenta, de forma que el juego de la evolucin biolgica debe discurrir dentro de esos lmites. Como veremos en muchos de los casos tratados en el texto, lo difcil es plantear de forma correcta la aplicacin de una ley fsica general al caso particular de un organismo o una funcin biolgica.

    En todo caso, la finalidad de las dos ciencias es idntica: entender e inter-pretar los fenmenos naturales en trminos de hiptesis que puedan ser con-frontadas con la observacin o el experimento. Aunque, teniendo en cuenta que la complejidad de los seres vivos es superior a la de cualquier sistema inanimado, la aproximacin usual en la Fsica se enfrenta con numerosas limitaciones y requiere adaptaciones a su nuevo objeto de estudio. Lo que no obsta para que, cuando se dilucida el fenmeno fsico que subyace a una deter-minada funcin vital, se entienda esta de forma clara, as como el espectro de alternativas posibles permitidas por las leyes de la Fsica y la lgica del proceso evolutivo que ha conducido a esa solucin especfica.

    A los autores, cientficos cuya disciplina de origen es la Fsica, nos resulta especialmente grato dejar constancia de que, durante nuestra experiencia docente en la materia y la preparacin de este texto, hemos adquirido con-ciencia de las contribuciones que la Fsica, a lo largo de su historia, debe a numerosos bilogos, fisilogos y mdicos, especialmente en el desarrollo de las teoras termodinmicas y la fsica de fluidos.

    Como se ha indicado anteriormente, el presente texto resulta de la modi-ficacin de un libro anterior. Afrontar una revisin y reelaboracin de una obra con objetivos similares slo es concebible si se ha recibido la justa com-binacin de elogios y crticas relativas al primer texto que nos ha permitido concluir que el esfuerzo merece la pena. As que, adems de los agradeci-mientos que figuran en esa primera obra a las personas que nos ayudaron en

  • vi Fundamentos fsicos de los procesos biolgicos

    la tarea de componerla, los autores nos sentimos en la obligacin de aadir aqu nuestro agradecimiento a los muchos colegas y amigos que han tenido la generosidad de hacernos partcipes de sus opiniones y sugerencias de modi-ficacin, lo que nos ha ayudado a identificar tanto aquellos contenidos que deban cambiarse como aquellos merecedores de mantenerse en este nuevo empeo. En particular, Jos Manuel Calleja, Juan Rojo y Elena Escudero, quienes han realizado una detallada lectura de la obra y cuyos comentarios han resultado especialmente esclarecedores. Sin olvidar a Carmen Gilabert y lvaro Moreno, que han corrido con la siempre peliaguda tarea de crear las ilustraciones que ayudan a mejor entender el texto. Huelga decir que los res-ponsables de posibles deficiencias somos nicamente los autores. Por ltimo, deseamos expresar nuestro agradecimiento a los estudiantes de Fsica del grado en Biologa de la Universidad Autnoma de Madrid, que son respon-sables de muchos de los elogios y crticas a los que nos hemos referido, y que han constituido la principal referencia para juzgar la adecuacin de nuestra descripcin de los fundamentos fsicos de los procesos biolgicos.

  • vii

    AgradecimientosMuchas son las personas que nos han ayudado en la tarea de componer

    este libro. Proponindonos temas o enfoques o leyendo captulos o fragmentos y mejorndolos con sus sugerencias, como Magdalena Caete, ngeles Villanueva, Elena Escudero, Jos Manuel Calleja, Arkadi Levanyuk, Sebastin Vieira, Francisco Jaque, Gines Lifante y Cristina Bernis. O proporcionndonos fotografas, ilustraciones o referencias con las que completar el texto, como M. C. y A. V., ya citadas, Estrella Rausell, Rodolfo Miranda, Jorgina Satrustegui, Eduardo Elizalde, Toms Lpez, Isabel Jimeno, Nicols Fernndez Baillo, Luis Munuera, Jos Mara Segura y Jos Manuel Surez de Parga, as como el Servicio Interdepartamental de Investigacin de la Universidad Autnoma de Madrid. Mencin aparte merecen las personas que se han responsabilizado de las ilustraciones, una notable aportacin sin la que el libro perdera una gran parte de su inters, sobre todo Carmen Gilabert, que ha debido plasmar gr-ficamente muchas de las ideas, y hasta los caprichos, de los autores, y lvaro Moreno, as como E. E., ya citado, Carmen Morant y Eugenio Cantelar. Por ltimo, es necesario agradecer a las numerosas promociones de alumnos de Biologa que han debido cursar con nosotros la asignatura Fsica de los Procesos Biolgicos en la UAM, por su paciencia, por sus sugerencias y por permitirnos hacernos una idea de cmo abordar esta disciplina. En realidad, hemos aprendido al mismo tiempo que ellos.

  • ix

    ndice general abreviadoVolumen I. Biomecnica y leyes de escala

    Captulo 1. Cinemtica. La percepcin de la aceleracinCaptulo 2. Dinmica. La fuerza en los animalesCaptulo 3. Fuerzas elementales y derivadas. Entornos con friccinCaptulo 4. Bioesttica y locomocinCaptulo 5. Trabajo y energa. La tasa metablicaCaptulo 6. Leyes de escala en los seres vivosCaptulo 7. El metabolismo y las leyes de escalaApndices A-F

    Volumen II. Calor y dinmica de fluidos en los seres vivosCaptulo 8. Temperatura, calor y trabajoCaptulo 9. El primer principio: balance energtico de los seres vivosCaptulo 10. Procesos espontneos: segundo principio de la termodinmicaCaptulo 11. Transiciones de fase: la transpiracin en los seres vivosCaptulo 12. Teora cintica molecular de los gases: la difusinCaptulo 13. Fluidos ideales: la flotacinCaptulo 14. El flujo viscoso: la circulacin sangunea y el vueloCaptulo 15. Fenmenos de superficie y disolucionesCaptulo 16. Propiedades mecnicas de los biomateriales

    Volumen III. Bioelectromagnetismo, ondas y radiacinCaptulo 17. Fuerzas, campos y potenciales elctricosCaptulo 18. Corriente elctricaCaptulo 19. La membrana celular y el impulso nerviosoCaptulo 20. Magnetismo y campos electromagnticosCaptulo 21. Ondas: luz y sonidoCaptulo 22. La visin y los instrumentos pticosCaptulo 23. tomos, ncleos y radiactividad

  • xi

    ndice Volumen III. Bioelectromagnetismo, ondas y

    radiacinIntroduccin ................................................................................................ iiiAgradecimientos ......................................................................................... viindices .......................................................................................................... ix

    Captulo 17. Fuerzas, campos y potenciales elctricos 17.1 Carga elctrica y estructura de la materia ........................................ 117.2 Fuerzas elctricas: ley de Coulomb .................................................. 317.3 Campo elctrico ................................................................................ 517.4 Campos elctricos en la materia. Polarizacin ............................... 1217.5 Interaccin electrosttica y energa ................................................ 1617.6 Propiedades elctricas de la membrana celular .............................. 2517.7 Ejercicios propuestos ...................................................................... 3017.8 Referencias ..................................................................................... 37

    Captulo 18. Corriente elctrica18.1 Movimiento de cargas: cargas libres, conductores y aislantes ....... 3918.2 Intensidad de corriente elctrica ..................................................... 4218.3 Resistencia. Ley de Ohm ................................................................ 4318.4 Aspectos energticos. FEM y circuitos .......................................... 4718.5 Circuitos simples ............................................................................ 5018.6 Circuitos con resistencia y capacidad (RC) ......................................

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