Caracterizarea fizico-chimica a substantei vii

Caracterizarea fizico-chimica a substantei vii

1. Sistemul fizic. Clasificarea sisfemelor fizice

0 trasatura caracteristica a corpurilor materiale este faptul ca fiecare dintre ele se comporta ca un intreg, ca o unitate fata de corpurile inconjuratoare, pastrandu-si individualitatea un timp mai mult sau mai putin indelungat. Aceasta se datoreste legaturilor (conexiunilor) dintre partile componente ale fiecarui corp. Din punct de vedere fizic, se considera ca aceste corpuri materiale, fie vii, fie lipsite de viata, reprezinta sisteme.

In general, prin sistem fizic se intelege un ansamblu de componente identice sau diferite, unite intr-un intreg prin legaturi si interactiuni reciproce. Sistemul fizic este delimitat in spatiu si in timp, dar componentele sistemului pot interactiona si cu mediul exterior inconjurator (tot ceea ce nu apartine sistemului considerat).,

Notiunea de sistem, cuprinzind intreaga diversitate a corpurilor din natura, permite compararea acestora si, deci, intelegerea legilor generale de organizare si functionare a sistemelor.

Clasificarea sistemelor fizice se face dupa mai multe criterii :

- In functie de strutura interioara a sistemului, se disting doua categorii de sisteme :

1. Sistem omogen, care este format din acelasi constituent, deci care nu prezinta suprafete de separatie macroscopice in interiorul lui.

Sistem eterogen, format din constituenti diferiti si care prezinta suprafete de separatie in interiorul lui.

- In functie de variatia proprietatilor pe diferitele directii din sistem, se disting doua categorii de sisteme :

Sistem izotrop, in care proprietatile nu variaza pe diferitele directii.

Sistem anizotrop, in care proprietatile variaza pe diferitele directii.

- In functie de relatiile sistemului cu mediul inconjurator, se disting trei categorii de sisteme

1. Sistem izolat, care nu schimba energie si substanta cu mediul exterior. Cantitatea de energie si substanta dintr-un sistem izolat sint marimi constante in timp.

Sistem inchis (pentru substanta), care schimba numai energie cu mediul exterior. Cantitatea de energie dintr-un sistem inchis este variabila, in schimb, cantitatea de substanta este constanta.

3. Sistem deschis, care schimba atit energie, cit si substanta cu mediul exterior. Pentru un sistem deschis, atit cantitatea de energie, cit si cantitatea de substanta sint vambile in timp,

Organismele vii sint cele mai tipice sisteme, eterogene, anizotrope si deschise. Metabolismul, cresterea, dezvoltarea organismelor vii si toate celelalte fenomene care au loc in ele se realizeaza prin structuri adecvate bazate pe eterogenitate si anizotropie. Conditia esentiala pentru mentinerea vietii consta in schimbul permanent de energie si substanta dintre organismul viu si mediul inconjurator. In cazul fiintei umane, intreruperea acestei legaturi pentru o perioada mai mare de 5 minute determina degradari ireversibile ale sistemului.

Sistemul biologic

Este un ansamblu (delimitat in spatiu si timp) de unitati structurale, carora le corespund o anumita functie conditionata de structura si in interactiune cu mediul inconjurator.

Compozitia atomica a materiel vii, care cuprinde aceleasi elemente chimice ca si materia nevie, nu poate explica particularitatile specifice ale lumii vii. Rezulta ca aceste particularitati decurg din modul cum se grupeaza elementele chimice constitutive, din felul compusilor chimici rezultati, din asocierea elementelor constitutive si din modul de organizare sistemica a organismelor.

La baza proceselor vietii se regasesc fenomene si legi specifice formelor inferioare de miscare a materiei, respectiv fenomenele si legile fizice si chimice.

Datorita organizarii sistemice pe care o prezinta organismele vii, fenomenele si legile fizice si chimice actioneaza in conditii speciale, care confera acestor fenomene si legi caractere proprii, specifice organismelor vii. Aceste conditii fac sa actioneze o serie de fenomene si legi noi, fenomenele si legile biologice.

Astfel, la nivel atomic, molecular si supramolecular de organizare a materiei vii, actioneaza legile simple ale miscarii fizice si chimice. De indata ce se, trece de la nivelul supramolecular de organizare la cel celular, apar legile miscarii biologice (s-a produs un salt calitativ al legilor) care includ in ele (integreaza) toate celelalte legi ale treptelor inferioare de organizare a materiei. Astfel, toate legile biologice care vor actiona la nivelul unui tesut le vor ingloba pe cele ale celulelor care compun acel tesut etc. sau, altfel spus, proprietatile si procesele de la nivelele inferioare de organizare a materiei conditioneaza proprietatile si procesele de la nivelele superioare de organizare.

Pentru studiul proceselor biologice, al proceselor patologice, trebuie studiate fenomenele fizice si chimice care se produc in conditiile specifice ale organizarii sistemice a organismelor.

Organismul viu functioneaza ca un sistem deschis, ca un sistem biologic, constituit dintr-o serie de subsisteme. Sistemele biologice se caracterizeaza printr-o serie de particularitati.

3. Particularitatile sistemelor biologice

Integralitatea sistemelor biologice. Aceasta consta in faptul ca partile componente nu pot exista si functiona normal decat in cadrul intregului din care fac parte. Aceasta particularitate este consecinta modului in care sunt organizate sistemele, a conexiunilor dintre partile diferentiate ale lor. Astfel, cele trei parti componente ale unui animal : capul, trunchiul si membrele reprezinta de fapt, fiecare, complexe de organe si tesuturi. Fiecare din aceste parti este specializata pentru indeplinirea unor anumite functiuni.

Specializarea structurala si functionala a partilor face ca ele sa nu poata exista separat, sa depinda unele de altele, sa fie indisolubil legate intr-un intreg.

Insusirile intregului sint diferite fata de insusirile partilor lui. De subliniat ca insusirile intregului nu se pot reduce la suma insusirilor partilor lui, intregul prezentind insusiri noi, care apar in urma conexiunilor, a interactiunii partilor, in urma integrarii lor in intregul din care fac parte.

Functionarea si insusirile partilor componente ale unui sistenm biologic sint subordonate legilor mai generale ale intregului din care fac parte si sint coordonate de aceste legi.

Echilibrul dinamic. Spre decsebire de sistemele fizice care. rezista foarte mult in timp, fara a-si degrada structura, sistemele biologice nu-si pot mentine structura decat consumind substanta si energie din mediul inconjurator. In procesul metabolismului - sub aspectul sau material si energetic - prin organism trece un permanent flux de materie si energie, care face ca organismul sa se autoreinnoiasca mereu, desi el ramane acelasi, pastrandu-si individualitatea in tot cursul vietii. Aceasta reinnoire are loc la nivel atomic si molecular ; cinetica ei este diferita pentru diversele elemente constitutive,structura sistemului ramanand aceeasi.

Cercetarile cu izotopi radioactivi au demonstrat ca in decurss de 100 de zile se reinnoieste majoritatea constituentilor unui organism animal.

Aceasta stare aparte a sistemului biologic, caracterizata printr-un flux permanent de substanta si energie prin sistem, cu pastrarea integritatii sistemului aflat in continua reinnoire a capatat denumirea de echilibru dinamic (echilibru curgator).

Autoreglarea sistemelor biologice. Este premisa si, totodata, consecinta necesara a primelor doua caracteristici.

Orice organism este supus in permanenta actiunii factorilor externi (temperatura, umiditate, vint, dusmani etc.). Acesti stimuli tind, in general, sa deranjeze echilibrul dinamic al sistemului dat, sa-1 deregleze. Sistemul res-pectiv, pentru a-si mentine homeostazia (aceeasi stare data de variatia in limite foarte stranse a diferitelor constante ale mediului intern), trebuie sa se comporte, sa functioneze in acelasi fel, incit sa faca fata acestor stimuli.

Sistemele biologiee isi mentin homeostazia datorita capacitatii lor de a receptiona, de a stoca si prelucra informatiile primite, de a elabora ,,comenzi' si de a transmite aceste comenzi organelor de reactie.

Sistemele biologice au proprietatea sa-si autocontroleze si sa-si autoregleze functiile in fiecare moment, datorita faptului ca organismele vii sunt si sisteme cibernetice.

Nasterea, cresterea, dezvoltarea, reproducerea si moartea. Acestea sunt caracteristici ale tuturor sistemelor biologice. Asa cum spus-a poetul, in momentul in care ne-am nascut, ne-am imbolnavit de moarte. Organismele vii au existenta finita in timp.Un embrion de planta sau animal parcurge un sumum de schimbari calitative si cantitative , schibari care inseamna nu numai o crestere, ci si o dezvoltare, o diversificare si o specializare a tesuturilor si organelor componente.

La organismele superioare, evolutia de la simplu la complex a impus o diferentiere atat de profunda , incat celulele lor sunt entitati bine individualizate. Fiecare tip de celula si chiar fiecare celula in parte prezinta individualitatea ei caracteristica, trecutul, prezentul si viitorul ei.

In dezvoltarea sistemelor biologice se aplica legea biogenetica fundamentala formulata de biologul german E.Haeckel in anul 1886, si anume: ontogenia (dezvoltarea unui organism din momentul fecundarii pana la stadiul de individ) repeta filogenia( dezvoltarea speciei privita ca un proces de dezvoltare istorica, ca rezultat al evolutiei lumii vii).

Organizarea si componenta materiei vii

ELEMENTELE CHIMICE CONSTITUTIVE ALE MATERIEI VII

Materia vie se caracterizeaza, din punct de vedere chimic, printr-o deosebita eterogenitate. Pe baza multiplelor cercetari microchimice si histo-chimice s-a ajuns la concluzia ca elementele chimice intra in organismele vii in combinatii foarle complicate si extrem de instabile. Datorita labilitatii acestor combinatii, pina in prezent s-a reusit sa se identifice natura numai unui numar redus de substante.

Materia vie este alcatuita din mii de feluri de molecule organice care, formeaza substantele organice (glucide, lipide, protide), o mare cantilate de apa si numeroase substante anorganice (minerale), care se afla fie dizolvate in apa, fie sub forma de combinatii organominerale.

Eterogenitatea materiei vii este si mai evidenta daca se analizeaza deosebirile care exista de la o specie la alta, de la un organism la altul, de la o varsta la alta si chiar de la un organ la altul al aceluiasi organism.

Pentru a exprima compozitia chimica a materiei vii, ar trebui sa se cunoasca formulele tuturor constituentilor, ceea ce deocamdata nu este, posibil. Dupa o apreciere a cunoscutului savant american Linns Pauling, ,.corpul uman ar fi constituit din aproximativ 100 000 de feluri de proteine din care astazi nu se cunosc inca bine nici zece'.

S-ar putea spune ca omul este un ,,mecanism' foarte complicat. Poate ca ar fi mai bine sa se considere constituentii chimici ai unor organisme mai simple, ai unor rame sau chiar ai unor microbi sau plante. Dar si in aceste cazuri problema constituentilor organismelor vii este complicata. Una din cele mai simple fiinte, virusul mozaicului tutunului, este format din 2 200 de macromolecule de proteine si, in plus, din molecule de acid nucleic. Citeva sute de pagini ar fi necesare pentru a insira formulele acestor constituenti (daca ar fi toate cunoscute).

In trecutul indepartat, in conditiile unui mediu adecvat, substantele minerale, inerte, s-au structurat si printr-un salt calitativ au castigat proprietati noi, transformindu-se in substante organice, specifice materiei vii. Baza acestor structurari consta in sinteza substantelor proteice, care au imprimat o noua calitate materiei vii.

Din cele aratate rezulta ca nu se poate vorbi despre compozitia chimica a materiei vii, asa cum se vorbeste despre compozitia unui anumit compus anorganic.

Totusi, analiza chimica a materialului tisular de orice provenienta indica compozitia chimica elementara a materiei vii, aratand cu aproximatie valorile medii si proportia in care elementele chimice intra in compozitia tuturor vietuitoarelor.

Substantele care se gasesc in materia vie (plante si animale) sint formate din elementele chimice constitutive ale materiei anorganice, dar aceste substante, datorita proprietatilor specifice lumii vii, se deosebesc fundamental de substantele studiate in chimia anorganica (minerala). Pina in prezent, din cele 105 elemente chimice identificate in Univers si cuprinse in Sistemul periodic al elementelor (tabelul Mendeleev) , au fost identificate in materia vie peste 60 de elemente care au capatat denumirea de elemente biogene sau bioelemente. Faptul ca materia vie este constituita din aceleasi elementechimice care ase gasesc si in mediul abiotic, si ca nu exista nici un element chimic specific materiei vii, demonstreaza unitatea lumii.

Elementele constitutive ale materiei vii provin din lumea minerala. Ele patrund in organismele vii prin procese de fotosinteza, de respiratie sau nutritie.

In functie de concentratia in care se regasesc in organismele vii, bioelementele se clasifica in doua categorii, si anume: macroelemente si microelemente

Macroelementele (Poligoelementele)

Se gasesc in materia vie in concentratii mai mari de 10^-3 si intra in constitutia majoritatii substantelor organice si anorganice din structurile biologice. Deci, ele au rol plastic, constructiv. Dintre acestea fac parte : H(l), C(6), N(7), 0(8), Na(ll), Mg(12), P(15), S(16), Cl(17), K(19), Ca(20) (numerele din paranteze sint numerele de ordine ale elementelor din tabelul lui Mendeleev).

Elementele constitutive ale materiel vii formeaza in organism atat compusi organici, cit si compusi anorganici. Rareori aceste elemente se gasesc izolate, in stare libera.

Compusii organici sint cuprinsi in trei clase mari: protidele, lipidele si glucidele la care se mai adauga enzimele, acizii nucleici, vitaminele si hormonii.

Compusii anorganici sint: apa, sarurile minerale si gazele.

La om, protidele detin circa din masa corpului, lipidele circa glucidele circa 1 %, substantele anorganice circa 71 %, din care apa circa

Pentru unele animale, aceste valori medii sint redate in tabelul 1.5.

Tabelul 1.1

Continutul organismului animal in apa, protide,lipide si substante minerale (dupa Manta, D.,

Dupa cum se cunoaste, protidele rezulta in procesul de biosinteza din multiple posibilitati de combinare a celor 20 de aminoacizi (circa 10⁴ tipuri de proteine intr-o celula) si, de aceea, varietatea de functii ale acestora este foarte mare, prezentand o specificitate deosebita, manifestata prin interactiunea, practic, cu toate tipurile de molecule din organismele vii.

Lipidele au rol energetic si mai putin plastic, rol de vehiculanti ai unor componente importante din punct de vedere biologic, dar insolubile in apa (vitamina A, D, E, K), iar unii acizi grasi nesaturati au rol de vitamine (vitaminele F).

Glucidele, dintre care esentiale pentru metabolismul energetic sint amidonul la plante si glicogenul la animale. Pe langa acestea, in celulele vegetale se intilneste celuloza.

Acizii nucleici (ADN si ARN) au rol unanim recunoscut in conservarea, exprimarea si transmiterea informatiei genetice. Structura acizilor nucleici din polinucleolide explica fenomene ca multiplicarea celulara, biosinteza de proteine si reglajul celulelor de care depinde metabolismul, capacitatea de reactie si miscare a celulelor si a organismelor, inmultirea lor etc.

Macroelementele (poligoelementele) se pot imparti in trei categorii (valorile din paranteze arata procentul lor mediu din organismele animale) :

a) elementele biogene principale de constitutie (plastice), reprezentate de oxigen (65%), carbon (18%), hidrogen (10%), azot (3%), care impreuna reprezinta din constitutia unui organism animal; 6) elementele metalice (biometale) : calciu, magneziu, potasiu si sodiu ; c) elementele metaloide (biometaloide) : fosfor, sulf si clor.

Biometalele si biometaloidele depasesc impreuna 3% din constitutia unui animal, astfel incit macroelementele constituie peste 99% din ponderea unui organism.

Din cele prezentate rezulta ca oxigenul se gaseste in cea mai mare cantitate, dupa care urmeaza carbonul, hidrogenul si azotul. Carbonul reprezinta mai mult de jumatate din masa moleculelor organice. Cea mai mare parte din oxigen si hidrogen se gaseste sub forma de apa.

Datorita faptului ca materia vie contine o cantitate mare de apa si a faptului ca masa atomica a carbonului este mica, densitatea materiei vii este cu putin mai mare decit densitatea apei.

Microelementele (oligoelementele)

Se gasesc in materia vie in concentratii cuprinse intre 10^-3 -10^-5 si chiar mai mici de 10^-5. In ciuda faptului ca microelementele se gasesc in concentratii infinitezimale, totalizand in materia vie o cantitate mai mica de 1%, oligoelementele prezinta o importanta biologica speciala datorita functiilor lor vitale. Microelementele au rol catalitic, asigurind desfasurarea unor importante procese biochimice. De aceea, oligoelementele se mai numesc si .,elemente catalilice'.

Studiile experimentale din ultimele decenii au aratat ca insuficienta sau excesul diferitelor microelemente influenteaza cresterea plantelor si productia la hectar, productivitatea animalelor si raspindirea unor boli.

Identificarea oligoelementele in materia vie se datoreste introducerii unor tehnici fizice moderne de identificare si dozare, ca radioactivarea cu neutroni, spectrografia de masa etc.

Rolul exact al tuturor oligoelementelor nu este inca pe deplin elucidat. Prezenta oligoelementelor se evidentiaza tot mai frecvent in structuri si substante biologice active. In general, ele intra in compozitia unor enzime, hormoni si vitamine. Aceasta distributie preferentiala pune in evidenta rolul lor catalitic.

Microelementele intilnite in organismele vii sint, in ordinea proportiei : Fe (in medie 0,005%), F, Si, Zn, Cu, Br, Sn, Mn, I, B, As, Co, Se (in medie, 0,0000025%) s.a. Ele ajung in organismele animale direct (din apa, saruri), prin intermediul hranei vegetale si indirect, prin consumul de carne.

Fierul. Dintre oligoelemente, fierul este cunoscut de cea mai multa vreme. Corpul unui om adult contine cam 3,5 grame de fier, deci circa din masa sa corporala. In proportie aproape egala se gaseste si in plantele verzi. Fierul intra in compozitia hemoglobinei, a pigmentilor respiratori ai vertebratelor si ai altor pigmenti inruditi - citocromii - care au rol foarte important in respiratia celulelor. Absenta fierului in organism ar duce la moarte imediata. Iata, deci, ca, desi exista in cantitate foarte mica, acest element chimic este indispensabil vietii.

Florul se gaseste in structura smaltului dentar.

Siliciul, element important in scoarta Pamintului, se gaseste in multe plante si este un component structural al diatomeelor. Datorita structurii cristaline si compozitiei chimice asemanatoare cu carbonul, siliciul a stat la baza unor ipoteze prinvind alte forme de viata in univers.

Zincul este un component structural si functional al unor sisteme biochimice si se gaseste in insulina.

Cuprul se gaseste in muschi, schelet, ficat, singe. El are un rol foarte important in procesul de hematopoeza.

Manganul, arsenul si fierul au rol in stabilizarea structurii in dublu-helix a ADN-uIui.

Iodul, care se gaseste in hormonul tiroidian (tiroxina), prezinta importanta in metabolismul tiroidian.

Borul este esential pentru cresterea plantelor si se gaseste in cantitati foarte mici si in corpurile animalelor. Functia lui biologica este inca putin cunoscuta.

Cobaltul este un constituent esential al vitaminei B₁

Seleniul, care se gaseste in cantitate mare in retina, are rolul de a reactiona ca traductor al senzatiei vizuale.

In viitor, pe masura ce fenomenele biologice vor fi studiate din ce in ce mai profund, este posibil sa se precizeze pentru cele mai multe oligoelemente rolul lor activ in procesele fundamentale ale vietii.

Miscarea oligoelementelor in ecosistem se desfasoara dupa legi destul de bine stabilite, in cadrul carora un rol esential revine modului cum organismele vii pot sa le capteze, sa le foloseasca si sa le excrete.

In fond, in circuitul sol-planta-animal-om-sol partenerul oarecum inert este solul, celelalte trei verigi ale lantului biologic fiind reprezentate de organisme vii, dispunand de propriile lor conditionari si care, desi neinsemnate in raport cu imensitatea materiei nevii, intervin totusi decisiv in distribuirea, redistribuirea si miscarea oligoelementelor in natura.

Captarea oligoelementelor de catre plante este conditionata, fireste, de solubilitatea sarurilor respective din sol, fiind, in general, un proces pasiv. Aceasta nu inseamna insa si faptul ca sarurile in cauza sunt utilizabile de catre plante.

In aceasta situatie se ivesc cateva aspecte fundamentale, care trebuie subliniate. In primul rand, incontestabil ca determinarea concentratiei unor oligoelemente in anumite soluri constitute un mijloc important de a aprecia gradul de acoperire a necesarului in oligoelementele respective la plante, animale si la om. Acelasi lucru este si mai valabil, in primul rand in acelea care constituie uzual hrana omului si a animalelor. Pe aceste criterii s-au si intocmit in multe tari harti cu distributia oligoelementelor, de care se tine cont pentru elaborarea unor suplimente aplicate atat pe sol si/sau plante, sub forma de fertilizanti, cat si in hrana animalelor, ca supliment (premixuri minerale).

In general, daca se analizeaza elementele chimice care intra in constitutia materiei vii, se constata ca rolul important in structurile biologice il au elementele usoare din primele patru perioade ale Sistemului periodic al ele-mentelor dupa D.I.Mendeleev. Acestea sunt cele mai raspindite elemente din natura, cele mai reactive si cele care dau cei mai multi compusi solubili in apa.

Cele patru elemente biogene principale se caracterizeaza prin mase atomice mici, nuclee atomice stabile si putine straturi electronice.

Elementele chimice grele se gasesc in cantitati infime in organismele vii (de ex. I) pentru ca ele sunt mai putin raspandite la suprafata pamintului, sunt putin reactive si atat ele cit si compusii lor se dizolva greu in apa sau sunt insolubile.

Organizarea materiei vii si posibilitati de investigare a acesteia

Organizarea materiei vii

Intreaga natura inconjuratoare de la galaxii si stele, pana la roci, plante, animale si oameni, totul este alcatuit din molecule si atomi. Aceste particule de substanta nu sunt insa amestecate haotic, dezordonat, ci sunt aranjate in diferite feluri, sunt organizate, formand diferite corpuri, dintre care unele sunt lipsite de viata, iar altele sunt vii.

In tabelul urmator sint prezentate treptele de organizare ale materiei, de la particulele fundamentale pana la organismele pluricelulare superioare.

Fiecare treapta de organizare a materiei poate fi studiata in diferite feluri.

Trepte de organizare a materiei

Conform tabelului de mai sus se poate observa ca structurarea materiei vii intervine odata cu constituirea structurii leptonice (submicroscopice)

Posibilitatile de investigare microscopica

Organizarea materiel vii este vizibila, cu ochiul liber, pentru treptele structural-functionale care au dimensiuni suficient de mari, de la organismele pluricelulare (macroorganisme) pina la unele celule cu diametrul mai mare de 0,1 mm.

Pentru observarea si cercetarea elementelor de structura cu dimensiuni mai mici de 0,1 mm se folosesc lupa si microscopul optic. Cu ajutorul lor pot fi vazute toate celulele, chiar cele mai mici si toate detaliile de structura cu dimensiuni pina la 0,2 m. Aceasta, datorita puterii de rezolutie (rezolvare, se-parare) a microscopului optic, care este limitata ca valoare.

Priu pulere de rezolutie (rezolvare, separare) a unui microscop se intelege capacitatea microscopului de a pune in evidenta, distinct, doua puncte cit mai apropiate. Puterea de rezolutie a unui microscop se apreciaza in functie de distanta (y) dintre punctele vazute distinct, distanta data de formula fizicianului german E. Abbe, si anume :

y= / (n . sin u)

In care este lungimea de unda a radiatiei folosite la microscop, ; n este indicele de refractie al mediului aflat intre obiectivul microscopului (lentila frontala si obiectul de cercetat; u este unghiul de apertura (unghiul dintre axa optica a microscopului si raza extrema a fascicolului care patrunde in lentila frontala)

Expresia numitorului din relatia de mai sus , adica marimea n.sin u se numeste apertura numerica. Puterea de rezolutie a microscopului optic are o valoare limitata de dimensiunea fizica a radiatiilor luminoase din spectrul vizibil care variaza intre 760 si 400 nm.

Caracteristici fizice ale substantelor vii

Caracterizarea substantei vii prin insusirile sale fizice reprezinta un mijloc important de cunoastere a acesteia. Privita la modul general, substanta vie se prezinta sub cele trei stari fundamentale bine cunoscute: solida, lichida si gazoasa. Totusi o delimitare riguroasa nu poate fi facuta, avand in vedere caracteristicile de baza ale sistemelor vii.In cadrul structurii acestora se intalnesc frecvent stari intermediare si mixte. De exemplu, sangele este un tesut lichid care are in suspensie celule ( hematii, leucocite, etc.) cu insusiri de substanta plastica si elastica, si in care sunt dizolvate gaze. Starea lichida este practic o stare de tranzitie intre solid si gaz, prezentand insusiri comune atat cu una dintre stari cat si cu cealalta. Apa. Lichidul cel mai intalnit pe pamant este o structura extrem de importanta in existenta si evolutia vietii. In cantitate mare, are structura tipica a unui lichid, insa in straturi subtiri, in pelicule, mai ales in structurile biologice, are comportament un comportament tipic solid, manifestand proprietatea de elasticitate (asa numita "apa legata"). Structura cristalina, caracteristica unui corp solid, nu se regaseste in substante aparent solide ( sticla, ceara, unele proteine, etc.) dar se poate regasi in apa lichida intr-un proces dinamic de distrugere si refacere.

Corpuri solide

Starea solida de agregare a corpurilor este caracterizate de existenta unei forte foarte puternice de atractie intre molecule, fapt ce are ca rezultat forma si volumul proprii ale corpurilor solide. Intr-un solid, distanta dintre atomii alaturati este de acelasi ordin de marime cu diametrul norului electronic din jurul fiecarui atom.

In caracterizarea solidelor naturale se porneste de la modelul fizic al solidului ideal, adica , solidul la care distanta intre particule reprezinta o constanta invarianta la actiunea oricarei forte exterioare. Acest model poarta denumirea de solid rigid. In natura, acest model nu are un corespondent identic, pentru ca , orice corp se deformeaza mai mult sau mai putin la actiunea unei forte exterioare. Deformarile suferite de un corp pot fi de doua feluri:

deformari elastice - care sunt acele deformari care au ca efect revinirea la forma initiala dupa incetarea actiunii fortei. Acest fapt se datoreaza aparitiei unei forte elastice la deplasarea particulelor sub actiunea fortei exterioare, care este de sens contrar cu aceasta si proportionala cu deformarea suferita si care readuce particulele la pozitia initiala de echilibru dupa incetarea actiunii fortei exterioare. Trebuie remarcat faptul ca si acest fenomen este studiat cu ajutorul unui model, pentru ca , in general, toate corpurile supuse actiunii unei forte raman cu o deformare remanenta, extrem de mica, neglijabila in cele mai multe din cazuri. De exemplu, deformarea remanenta a arcului de la suspensia unui autoturism devine sesizabila dupa foarte multe cicluri de tip deformare-revenire.

deformari plastice - care sunt specifice corpurilor solide fara structura cristalina si au ca efect ramanea in starea deformata dupa incetarea actiunii fortei exterioare. Acest lucru este datorat in principal absentei structurii de solid rigid , adica a structurii cristaline, care, datorita distantelor relativ mari dintre particulele constituente, nu pot genera acele forte elastice in structura intima a corpului respectiv.

Dupa modul de aplicare a fortelor si dupa orientarea lor, deformarile existente in natura pot fi grupate in mai multe categorii si anume:

de tractiune

de compresiune

de torsiune

de forfecare

de indoire

de incovoiere

Oricare ar fi felul deformarii suferite de un corp oarecare, exista un model determinat de legea lui Hooke, care arata ca deformarea x suferita de un corp este proportionala cu forta F aplicata acestuia, dupa relatia:

x = k.F

k fiind un factor constant (intre anumite limite de variatie a fortei) care depinde de natura materialului.

In ceea ce priveste deformatiile prin tractiune sau compresiune, factorul de proportionalitate este reprezentat de coeficientul de elasticitate , si legea lui Hooke devine:

sau

in care l/l reprezinta alungirea relativa, adica alungirea unitatii de lungime a substantei, si F/S reprezinta forta exercitata pe unitatea de suprafata. E=1/ (inversul coeficientului de elasticitate) reprezinta modului lui Young.

Tractiunea si compresiunea sunt deformatii plastice care , in general sunt insotite si de modificarea celorlalte dimensiuni ale corpului studiat, in speta grosimea. Raportul dintre deformarea relativa in lungime si deformarea relativa in grosime poarta denumirea de coeficientul lui Poisson si are valori cuprinse in general intre 0.25 si 0.30.

Iata in tabelul urmator cateva valori caracteristice ale modulului lui Young, limitei de elasticitate si coeficientului Poisson pentru cateva materiale:

Asa cum s-a subliniat mai sus, legea lui Hooke reprezinta o aproximare convenabila a realitatii. Nici un corp, oricat de lestic ar fi . nu revine exact la forma initiala dupa incetarea fortei aplicate, fapt ce conduce la aparitia fenomenului de deformatie remanenta. La aceasta se daduga si faptul ca daca intensitatea fortei extertioare aplicate depaseste o anumita valoare, deformarea devine permanenta, iar daca poate creste valoarea acestei forte se ajunge la fenomenul de rupere a corpului respectiv. Astfel, osul rezista la rupere daca forta exterioara destul de intensa actioneaza progresiv in timp dar se rupe daca actiunea acestei este exercitata brusc.

Elasticitatea corpurilor elastice variaza in timp daca solicitarea continua. Fie E₀ valoarea modulului de elasticitate la momentul initial al solicitarii, t₀ = 0; la momentul de timp t valoarea modulului devine:

unde T este un factor denumit timp de relaxare. Intr-un sistem alcatuit din elemente elastice inseriate, poate fi pusa in evidenta urmatoarea relatie existenta intre modului lui Young E, vascozitate si coeficientul lui Poisson

In rezolvarea problemelor de elasticitate se obisnuieste a se considera ca sistemul este alcatuit din resorturi si din portiuni vascoase. Factorii externi( ca de exemplu temperatura) modifica inegal parametrii E si T. Prin variatii ale E,T si se poate obtine orice comportament elastic al substantei.

La majoritatea tesuturilor vii, elasticitatea este insotita si de prezenta unei anume rigiditati, la fel cum rigiditatea anumitor corpuri sau structuri de corpuri vii este insotita de manifestari elastice. Dintre structurile cu elasticitate mare in raport cu rigiditatea enumeram: muschi, vase de sange, pulmoni, etc. Structuri in care predomina manifestarea rigiditatii sunt: oase, dinti, tulpini ale arborilor, etc. aceasta varietate comportamentala a structurilor este explicata prin functia lor mecanica si contextul de manifestare a acesteia. O anumita elasticitate este necesara in general pentru ca structura sa reziste actiunii fortelor mecanice externe.

Solidele organice opun rezistenta la actiunea de penetrare a altor solide in masa lor, adica prezinta o anumita duritate. Aceasta este obtinuta fie printr-o cantitate marita de substante minerale cristaline din structura (cum este apatitul din structura osoasa sau silicatii din tulpina gramineelor) , fie din continutul proteic cu multe punti de sulf intre lanturile peptidice (cheratina din unghii si copite). Organele dure au rol de aparare, de sustinere, de atac,etc.

Cu toate ca la solide fortele de atractie dintre particulele constituente ale corpului sunt foarte intense, , acestea nu se afla in stare de repaus, ci se afla intr-o permanenta miscare de oscilatie in jurul punctului de echilibru. In afara de aceasta miscare, particulele prezinta si o miscare de rotatie in jurul axei proprii. La aceste miscari importante pentru structura corporilor se adauga si miscarile de natura complexa a particulelor elementare, precum si cele ale grupurilor de atomi in cdrul structurilor moleculare.

Particulele unui corp solid au in cele mai multe cazuri o asezare ordonata, cu o simetrie pronuntata.