Читать книгу Hals über Kopf - Richard P. McCall - Страница 5

Was hat Physik mit dem menschlichen Körper zu tun? „Ich werde Medizin studieren. Warum muss ich mich mit Physik beschäftigen? Geht es in der Physik nicht hauptsächlich um Mathematik?“ Vielleicht haben Sie sich selbst diese Fragen gestellt, als Sie einen Physikkurs belegt haben oder weil Sie Physik in Zukunft studieren müssen. Häufig denken wir bei Physik an Objekte in Bewegung, wie zum Beispiel an Bälle und Autos, oder an Ingenieurwissenschaften und Mathematik. Tatsächlich haben Physiker eine besondere Vorliebe für die Bewegung von Objekten. Nehmen Sie ein beliebiges Physiklehrbuch für Schule oder Hochschule zur Hand, und Sie werden darin Themen finden wie zum Beispiel: Kräfte, lineare und kreisförmige Bewegungen, Wärme und Thermodynamik, Schwingungen und Wellen, Elektrizität und Magnetismus, Optik und Quantenmechanik. Diese Bücher gehen sehr ins Detail und behandeln zahlreiche Anwendungsbeispiele, in denen es jedoch meistens um unbelebte Objekte geht.

Immer mehr Physiker möchten jedoch die Relevanz der Physik für andere Wissensgebiete untersuchen und erörtern. Die Physik des menschlichen Körpers ist ein Thema, das viele Menschen interessiert. Erst in den letzten Jahren sind in Lehrbüchern Anwendungen und Beispiele aufgetaucht, die mit dem menschlichen Körper zu tun haben.

Der Zweck dieses Buches besteht darin, anhand grundlegender Prinzipien der Physik wichtige Funktionen und Eigenschaften des menschlichen Körpers zu beschreiben. Da ich an einer Hochschule für Pharmazie unterrichte, an der jeder Student im Hauptfach Pharmazie studiert, habe ich mich absichtlich bemüht, in meinem Physiklehrgang auch auf einige andere Fächer einzugehen, besonders auf Chemie, Anatomie und Physiologie. Darüber hinaus habe ich nach Wegen gesucht, Verbindungen zu naturwissenschaftlichen Kursen im pharmazeutischen Hauptstudium herzustellen, besonders zu einem als Pharmazeutik bezeichneten Spezialgebiet.

Typische Hochschullehrbücher der Physik und Physikkurse behandeln viele mathematische Themen sehr ausführlich. Dieses Buch ist nicht als Lehrbuch für einen solchen Kurs gedacht, da es seinem Wesen nach sehr viel deskriptiver ist. Ich gehe in diesem Buch zwar auf einige der grundlegenden mathematischen Theoreme ein, die darin zur Anwendung kommen, gehe jedoch größtenteils der Frage nach, wie physikalische Prinzipien auf den Körper des Menschen anwendbar sind. Mathematische Aspekte können dabei durchaus instruktiv sein, und es war meine Absicht, einige der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern deutlich werden zu lassen. So hilft uns beispielsweise, im Kapitel über Flüssigkeiten, die Erläuterung des Gesetzes von Hagen-Poiseuille zu verstehen, warum sich der Blutstrom mehr als verdoppelt, wenn es gelingt, ein fast vollständig blockiertes Herzkranzgefäß um nur 20 % zu erweitern.

Dieses Buch wurde so geschrieben, dass es ein wissbegieriger Oberstufenschüler verstehen könnte. Die Behandlung der mathematischen Themen wurde auf ein Minimum beschränkt; was jedoch als Ausgangspunkt für eigene Vertiefungen ausreichen sollte. Ein Student oder Oberschüler, der an Beispielen aus der Medizin interessiert ist, könnte dieses Buch dazu verwenden, um sich mit Begriffen vertraut zu machen, die auch in der Anatomie und Physiologie eine Rolle spielen können. Auch jemand, der im Gesundheitswesen arbeitet (eine Ärztin, ein Krankenpfleger, ein Pharmazeut, ein Physiotherapeut oder ein Bewegungsphysiologe) und mehr über die grundlegenden physikalischen Prinzipien des menschlichen Körpers erfahren möchte, dürfte dieses Buch hilfreich finden.

Das erste Kapitel erörtert die Bewegungen des menschlichen Körpers und beschreibt, wie der Einsatz von Kräften und Drehmomenten es uns möglich macht zu gehen, ein Objekt zu heben oder das Gleichgewicht zu halten. Wir schauen uns das Zusammenspiel von Muskeln, Knochen und Gelenken bei der Bewegung des Körpers an. Das Thema von Kapitel 2 sind Flüssigkeiten und Druckverhältnisse im Körper, was uns natürlich zur Behandlung des Blutdrucks, des Herzens (das diesen Druck aufbaut) und des Blutstroms durch die Arterien und Venen führt. Wir gehen ferner auf die Druckverhältnisse in verschiedenen Organen ein, wie z.B. der Lunge, dem Gehirn, der Blase und in den Augen. Darüber hinaus betrachten wir, welche Rolle Druck in festen Strukturen wie den Knochen spielt, und gehen dabei kurz auf das Thema Knochendichte ein.

Kapitel 3 beschreibt, in welchen Formen Energie im Körper vorkommt. Erörtert werden die Themen Arbeit, Temperatur, Wärme und Stoffwechsel. Zu den anderen in diesem Kapitel behandelten Themen gehören die Körpertemperatur, der Kaloriengehalt der Nahrung sowie die körperliche Betätigung. Kapitel 4 erläutert die Prinzipien der Akustik und welche Rolle sie beim Sprechen und Hören spielen. Das Kapitel erläutert Wellen und harmonische Schwingungen, das Schallfrequenzspektrum, die Spracherzeugung im Kehlkopf sowie die Schallerkennung im Ohr. In diesem Kapitel finden Sie außerdem eine Erörterung von Hörschwierigkeiten und anderer Anwendungsbeispiele für Schallwellen, wie z.B. der Bilderzeugung durch Ultraschall.

In Kapitel 5 wenden wir uns den elektrischen Eigenschaften des Körpers zu. Behandelt werden elektrische Kräfte und Felder sowie elektrische Energie und Spannung. Zu den behandelten Themen gehören die statische Elektrizität und die Weiterleitung elektrischer Signale entlang der Nervenfasern. Außerdem werden das Membranpotential sowie einige Anwendungen beschrieben, wie beispielsweise das Elektrokardiogramm oder EKG. Im Mittelpunkt von Kapitel 6 steht die Optik des Auges. Hier wird die Bilderzeugung durch Linsen im Allgemeinen behandelt und insbesondere erläutert, wie das Licht im Auge gebrochen wird und ein Bild auf der Retina entstehen lässt. Außerdem werden Sehschwierigkeiten und die Methoden beschrieben, mit denen sie korrigiert werden können, wie zum Beispiel Kontaktlinsen und die LASIK-Methode.i

Die biologischen Auswirkungen radioaktiver Strahlung sind das Thema von Kapitel 7. In diesem Kapitel werden der Aufbau des Atomkerns beschrieben und die radioaktive Strahlung sowie ihre schädlichen Auswirkungen auf menschliches Gewebe erläutert. Wir beschäftigen uns in diesem Kapitel jedoch auch mit wichtigen Anwendungen der radioaktiven Strahlung, besonders auf dem Gebiet der Medizin, zum Beispiel mit diagnostischen Bildgebungsverfahren und Methoden der Krebstherapie.

Das achte und letzte Kapitel behandelt ein Thema, das aus dem Rahmen eines typischen Physikkurses herausfällt, selbst des von mir selbst unterrichteten. Das Thema dieses Kapitels ist die Konzentration von Medikamenten im menschlichen Körper, besonders insofern sie mit den verschiedenen Verabreichungsmethoden und der Beseitigung des Medikaments aus dem Körper in Zusammenhang steht. Dieses letzte Kapitel enthält mehr Mathematik als die anderen, doch sein Schwerpunkt liegt auf der Zeitabhängigkeit der Konzentrationsänderungen. Es handelt sich hierbei um das Beispiel eines mathematischen Modells, wie es von Wissenschaftlern häufig zur Beschreibung physikalischer Phänomene verwendet wird.

Die meisten Kapitel dieses Buches sind voneinander unabhängig und können in beliebiger Reihenfolge gelesen werden. Gelegentlich habe ich Querverweise auf andere Kapitel eingefügt und so versucht, die verschiedenen Themen und Theorien zueinander in Beziehung zu setzen. Um ein umfassenderes Verständnis zu erlangen, kann es daher erforderlich sein, die relevanten Abschnitte der anderen Kapitel zu Rate zu ziehen.

An dieser Stelle möchte ich einer Reihe von Personen danken, die mir geholfen haben, dieses Buch zu schreiben und die Verbindungen zu anderen wissenschaftlichen Fachrichtungen herzustellen. Ich danke Eric Venker, einem Studenten des St. Louis College of Pharmacy (StLCoP), für seine sorgfältige Durchsicht des Manuskripts und für zahlreiche hilfreiche Kommentare. (Eric ist einer der besten Studenten, die je an einem meiner Physikkurse teilgenommen haben.) Für wertvolle Diskussionen über Anatomie, Physiologie, Chemie und verschiedene Medikamente danke ich Dayton Ford, Marlene Katz, Leonard Naeger, Lucia Tranel und Margaret Weck. Rasma Chereson und Theresa Laurent haben mir geholfen, die Konzentration von Medikamenten im menschlichen Körper besser zu verstehen. Mein Dank gilt ferner der gegenwärtigen Dekanin, Kimberly Kilgore, die mir die Zeit und die Ressourcen gewährte, ohne die ich dieses Buch nicht hätte schreiben können, sowie ihrem Vorgänger Ken Kirk, der meine Arbeit am St. Louis College of Pharmacy besonders unterstützt hat.