Биофизика (БФ), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов. Возникновение БФ -это прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. БФ – с лекции – это физическая химия; это химическая физика биолог. систем. Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте.

Живые огранизмы

Точки зрения: 1) эволюционисты (редукционисты): все био проц. можно свести к законам физики и химии; 2) антиэволюц. (антиредукционт.): нельзя свести.

Физ. методы достаточно грубые и ведут к разрушению биосист. (напр: воздействие током) => необходимо проникновение ч/з химию.

Методы: 1) Микроэлектронный. Для изуч. биоэлектр-ого потенциала. Принцип: отбир. объект (аксон кальмара). 2) Метод моделирования био мембран. Исп. искусственные мембраны: а) липосомы, б) бислойные био мембраны, в) протеолипосома. Изуч. процесс транспорта и св-ва биомембран. 3) оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.

Задачи БФ (проблемы) :

1. изучение вопросов связанных с возникнов., обменом, передачей Е в живых сист.

2. исслед. роли микроскопич. единиц, физ.-хим. структур в функционировании биосистем.

3. возн. и проведение нервн. импульсов.

5. действие ионизирующего излучения (на м-лы, органы, организмы).



7. проблема проницаемости кл. и тканей.

8. изуч. биолог. мембран: характер молек. мембран; возникнов. потенциала.

9. изуч. высокомол-ных соединений с т.зр. физики.

10. изуч. м-мов хранения и передачи насл. инфо.

11. автономность.

Разделы биофизики :

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем.

История: 1892- начали смотреть на био. с т.зр физики. Прорыв в конце 30х гг – первый институт БФ в СССР (лучистая Е и биосист., возникн. и провед. импульсов, биоэлектричество). 1953 – кафедра БФ в МГУ. 1974 – кафедра БФ в БГУ.


Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.

Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.

Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте; мышечное сокращение объяснялось работой пьезо элементов; рост клетки. Первоначально физика проникла в химию - необходимость объяснить как разл. соединения взаимод-ют в организме - физическая химия и химическая физика.

Сущ 2 лагеря современ. физики:

1) Редукционисты: Любой био процесс происх. в жив организме можно свести к суме хим., физ. и механич. процессов. Объяснение сложного ч/з более простое, непонятное ч/з известное. Зная св-ва отдельных элементов, сост. систему и особенности их взаимод-вия, можно вывести все свойства этой системы. Обр. более сложного уровня - это результат усложнения более простых. Иногда: попытки заменить исследова­ние реального объекта его упрощенной моделью. Достижение: предсказание существования планеты Нептун. Но как метод мышления не является универсальным. Неудача в биологии: не могут объяснить с этой т.зр. феномен жизни.

2) Антиредукционисты: Принцип качественной несводимости или био антиред., т.е. невозможность свести законы и принципы, управляющие живой материей к элементарной сумме физико-хим и мех. процессов процесс жизнедеятельности. Т.е. физико-матем. модели не м.б. адекватными, если в них не сод-ся элементы функциональной организации живых систем. Т.е. существует предел, после которого физические представления перестают быть самодостаточ­ным средством познания, а дальше определяющим фактором становятся некоторые био истины, без кото­рых уже не обойтись.


Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов.

Разделы биофизики : (и уровни такие же… наверно))))

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул, биополимеров и надмол-ных систем.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем. БФ мембранных процессов – св-ва био мембран и их частей; БФ фотобиол. процессов - воздействия внешних источников света на живые системы; радиационная БФ: влияния ионизирующего излучения на организм.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем - преобразования Е в живых структурах.

Современная БФ стремительно развивается, ее достижения способствуют переходу биологии на качественно более высокий молекулярный уровень исследования.

Не знаю, что сюда ещё, из Википедии, можно как направления: математическая БФ. Прикладная БФ: биоинформатика (хотя не является собственным разделом БФ, но очень тесно связана с ней); биометрия; биомеханика (функции и структура опорно-двигального аппарата и физ. движения биосистем); БФ эволюционных процессов; медицинская БФ; экологическая БФ.

Био объекты очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, кот. зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, кот. описываются законами ТД, электродинамики, квантовой и классической механики. С пом. корреляции физ. данных с биол-ми можно получить более глубокое понимание процессов в био объекте. Для получения инфо в био системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это исп. для медицинской диагностики и терапии.


4. Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи. Практическое значение ТД в БФ исследованиях.

ТД – это н. о превращения Е. ТД - это н., изуч. наиболее общие закономерности превращения различных видов Е в системе.

Предмет ТД: Е; возникновение Е в живых сист.; взаимодейств. жив. сист. с окруж. средой. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют ТД параметры только в исходном и конечном состоянии.

Методы: статистический (но не даёт представление о процессе).

Направления: 1) изуч. и расчёт Е в состоянии покоя и при совершении работы. Изуч-ся и опр-ся КПД разл биол процессов. 2) изуч. динамических процессов в живых сист. (транспорт в-ва).

Значение: Позволяет оценить энергетические изменения, происх. в результате биохим. р-ций; рассчитать Е разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмот. давление по обе стороны полупрониц. мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в р-ре на растворимость макром-л. Применяется для описания процессов, происх. в электрохим. ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.

Предмет: изучение изменения баланса в системе живой организм - окружающая среда.

Выделяют 2 осн. направления использования термодинамики:

а) расчёт Е превращения в живом орг-ме и в отд системах орг и в состоянии покоя и при совершении работы. Определение КПД разл биол процессов.

б) Исследование живых организмов как отрытых т\д систем.

Термодинамика биологических процессов

1. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.

2. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле

БИОФИЗИКА (биологическая физика), наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Становление и развитие биофизики проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой. Согласно классификации, принятой Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961) и отражающей основные объекты и области биофизических исследований, биофизика включает в себя следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. В рамках биофизики выделяют также биомеханику, биологическую оптику, биомагнетизм, биологическую термодинамику. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующие излучения, электромагнитные поля и др.).

История становления биофизики. Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 век), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Р. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 году У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 веке важное значение в познании физико-химических явлений, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтой и Л. Гальваны по поводу открытого последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии.

В 19 веке развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениусом, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернстом. Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон и Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лё6а (США), В. Нернста и Р. Герера (Германия). Всё это позволило Э. Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действием каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».

Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И. М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В. Ю. Чаговцом. К. А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественную закономерность между скоростью процесса фотосинтеза и поглощением хлорофиллом листьев света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 годах Н. К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов и других катионов) в жизни клетки. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в том числе С. И. Вавилов, С. В. Кравков, В. В. Шулейкин, С. В. Дерягин и др.). В 1919 году им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Открытие А. Г. Гурвичем (1923) митогенетических лучей, стимулирующих деление клеток, получило развитие в работах Г. М. Франка. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В. И. Вернадского («Биосфера», 1926), Э. С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д. Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н. К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др. Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с развитием и совершенствованием физических и химических методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии.

Современные направления биофизики . В современной биофизике можно выделить 2 основных направления: теоретическую биофизику (решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, изучает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, трансформацию в них энергии) и биофизику конкретных биологических процессов, анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого. К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Р. Пригожин); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях.

Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах. Анализ конкретных биологических процессов в биофизике основан на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки внутримолекулярной подвижности и т. д. Большое значение имеет использование современных экспериментальных методов, и прежде всего рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР), спектрофотометрии, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. Так, при рентгеноструктурном анализе белка в 1954 году Дж. Кендрю и М. Перуц предложили способ расчёта расположения атомов в молекуле, что позволило им установить пространственную структуру миоглобина и гемоглобина (к началу 21 века установлена структура около 1000 белков). Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях (Л. А. Блюменфельд, М. В. Волькенштейн), стохастических свойствах белка (О. Б. Птицын) составляют основу понимания принципов функционирования биологических макромолекул.

Традиционно биофизика изучает свойства биологических мембран, их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, выяснению их проницаемости для неэлектролитов и различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии (смотри Биоэнергетика) в структурах, где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации (Н. М. Эмануэль, Б. Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией, - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергий, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает квантовая биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез, зрение, воздействие на кожные покровы и так далее), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты) на биологические объекты. Ещё в 1940-х годах А. Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов. Позднее А. А. Красновский показал способность возбуждённого светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза. Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в частотном диапазоне 10 -15 -10 -6 с -1 и более.

Достижения в биофизике в большой степени связаны с развитием медицины и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, биолюминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологическая биофизика анализирует влияние абиотических факторов (температура, свет, электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на организмы, их жизнеспособность и устойчивость. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс-методов для оценки состояния экосистем.

Научные учреждения, общества, периодические издания . В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и вузов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1952 году был организован Институт биологической физики Академии Наук СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки и Институт теоретической и экспериментальной биофизики. Биофизика активно развивается в Институте биофизики Министерства здравоохранения Российской Федерации, Институте молекулярной биологии и Институте белка РАН, Институте биофизики СО РАН, в университетах Москвы, Санкт-Петербурга и Воронежа, в Московском физико-техническом и Московском инженерно-физическом институтах и др. Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики была организована в 1953 году на биолого-почвенном (Б. Н. Тарусов), в 1959 - на физическом факультете (Л. А. Блюменфельд) МГУ, а затем в ряде других вузов страны. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах многих стран мира. Международные конгрессы, организуемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, проводятся регулярно - каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы. Среди периодических изданий, в которых публикуются труды по биофизике: «Биофизика» (М., 1956); «Молекулярная биология» (М., 1967); «Радиобиология» (М., 1961); «Биологические мембраны» (М., 1984); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.; Amst., 1947); «Biophysical Journal» (N.Y., 1960); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi., 1939); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.; L., 1959); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.; L., 1957);«Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (N. Y., 1950); «Progress in Biophysics and Molecular Biology» (Oxf., 1963) и др.

Лит.: Байер В. Биофизика. М., 1962; Аккерман Ю. Биофизика. М., 1964; Биофизика. М., 1968; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М., 1974; Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания. М., 1974; Блюменфельд Л. А. Проблемы биологической физики. 2-е изд. М., 1977; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И., Сельков Е. Е. Математическая биофизика клетки. М., 1978; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Хакен Г. Синергетика. М., 1980; Кантор Ч., Шаммел П. Биофизическая химия. 2-е изд. М., 1984; Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984; Рубин А. Б. Термодинамика биологических процессов. М., 1984; он же. Биофизика. М., 1999-2000. Т. 1-2; Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г. Ю. Кинетика биологических процессов. 2-е изд. М., 1987; Волькенштейн М. В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988; Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М., 2002; Аксенов С. И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004.

Познание функций человека - одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит - дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача - как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов

Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.

Выделяют-

  • молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
  • биофизика клеток - изучение структуры клеток и физико-химические проявления - проницаемость, образование биопотенциалов
  • биофизика органов чувств - физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
  • Биофизика сложных системы - процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
  • Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света

Задачи биофизика

  1. Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
  2. Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм

Эйлер(1707-1783) - законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам

Лавуазье (1780) - изучал обмен энергии в организме

Гальвани(1786) - основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве

Гельмгольц(1821)

Рентген - пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов

Аррениус - законы классической кинетики для объяснения биологических процессов

Ломоносов - закон сохранения и превращения энергии

Сеченов - изучал транспорт газа в крови

Лазарев - основоположник отечественной биофизической школы

Полинг - открытие пространственной структуры белка

Уотсон и Крик - открытие двойной структуры ДНК

Ходжкин, Хаксли, Катц - открытие ионной природы биоэлектрических явлений

Пригожин -теория термодинамики необратимых процессов

Эйген - теория гиперциклов, как основа эволюции

Сакман, Неер - установили молекулярную структуру ионных каналов

Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.

Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне

Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов - радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки

Методы биофизических исследований

  • Рентгеноструктурный анализ - исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
  • Колоночная хроматография - различное распределение и анализ смесей между 2 фазами - подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом - колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
  • Спектральный анализ - качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания - эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения - абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию - электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
  • Изотопная индикация
  • Электронная микроскопия
  • Ультрафиолетовая микроскопия - исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата

Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс - регуляция и управление физиологическими функциями.

Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика - искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.

Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»

Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.

Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.

Системы - организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива - люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.

Программа - последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.

Связь - процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.

Сообщения бывают непрерывными и дискретными.

Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).

Дискретное - состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)

Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода - символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).

Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.

Сообщение и информация - это не одно и тоже, ибо по теории информации

Информация - мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.

Возможность наступления события - априорная информация .

Та вероятность события после получения информации - апостериорная информация.

Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.

Свойства информации.

  1. Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) - «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
  2. Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
  3. Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
  4. Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
  5. Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Дезинформация - отрицательное значение информации.

Мера неопределенности событий - энтропия (H)

Если log2 N=1, тогда N=2

Единица информации - бит (двойничная единица информации)

H=lg N (хартли)

1 хартли - количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит

Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции

Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.

Наиболее древний - гуморальный механизм регуляции.

Нервный механизм.

Нервно-гуморальный механизм.

Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.

Форпостный механизм (у человека) - в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.

С расширением и углублением человеческих знаний о живых организмах появились такие разделы науки, которые изучают процессы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знаний. Среди таких научных дисциплин биологическая физика, или биофизика. Что же она изучает и каковы ее методы исследований?

Известно, что физика изучает основные законы природы: строение атомов и ядер, свойства элементарных частиц, взаимодействие электромагнитных волн и частиц и т. д. Биофизика, возникшая на стыке биологии и физики, - это наука об основных физических и физико-химических процессах в живом организме и их регулировании.

Биофизикам нужно познать закономерности строения и работы живых организмов, не нарушая их свойств, сохраняя организм в живом, деятельном состоянии. Ведь, отмирая, организм теряет присущие ему свойства, все процессы в нем изменяются, и он становится обычной неживой системой. В этом заключается большая трудность. Отсюда возникла необходимость изучать живые организмы на разных «уровнях» - исследовать свойства биологических молекул, характерные особенности и работу клеток, изучать совместную работу органов в целом организме и т. д. Поэтому в биофизике выделились такие крупные разделы: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика процессов управления и регуляции и др. Кратко расскажем о каждом из основных разделов биофизики.

Молекулярная биофизика изучает свойства биологических молекул, физико-химические процессы в рецепторных клетках. Эти клетки называются рецепторными или чувствительными, так как они первыми воспринимают сигналы о свете, вкусе, запахе (по-латински «рецептио» - чувствую).

Молекулярная биофизика исследует, например, процессы, которые протекают в органах чувств животных - в органах зрения, слуха, осязания и обоняния. Мы привыкли, что в нашем организме все совершается просто, само собой, и подчас не задумываемся, насколько сложные биофизические процессы происходят, например, когда мы ощущаем вкус сахара или чувствуем запах цветов. А это одна из проблем, над которой много лет работает молекулярная биофизика. Дело в том, что ощущения вкуса или запаха возможны благодаря сложным физико-химическим процессам в рецепторных клетках при взаимодействии с ними молекул различных веществ.

Известно, что химики создали 1 млн. органических соединений и почти каждое из них имеет свой характерный запах. Человек может различать несколько тысяч запахов, причем некоторые вещества мы ощущаем при исключительно малой концентрации - всего миллионные и миллиардные доли миллиграмма на литр воды. Например, чтобы ощутить такие вещества, как скатол, тринитробутилтолуол, достаточно их концентрации 10 -9 мг/л. Животные намного чувствительнее человека. Например, геологи используют специально обученных собак для поиска по запаху рудных месторождений, расположенных глубоко под землей. Всем хорошо известна работа собак-ищеек, находящих след по ничтожно слабому запаху. Но, пожалуй, остротой обоняния всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают пахучее вещество, даже если оно содержится в воде в исчезающе малых концентрациях - всего 10 -11 мг/л. Бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 м 3 воздуха.

Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различие в чувствительности и строении органов обоняния у различных животных, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установлено, что имеется 6-7 основных запахов, разными сочетаниями которых объясняется их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятельных клеток.

Молекулярная биофизика изучает свойства и процессы не только у животных, но и у растений. В частности, она занимается изучением фотосинтеза. В зеленом листе березы, черемухи, яблони или пшеницы происходят удивительные и сложные процессы. Солнце посылает на Землю колоссальное количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавливающие ее и создающие с ее помощью из воды и углекислого газа органическое вещество и тем самым дающие жизнь всем живым организмам.

Фотосинтез протекает в зеленых частицах - хлоропластах, находящихся в клетках листа и содержащих растительный пигмент - хлорофилл. Порции световой энергии (фотоны) поглощаются пигментом и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а протон используется для восстановления углекислого газа до углеводов. Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом «по частям» отнимается у молекулы воды. В процессе фотосинтеза освобождается кислород, которым дышат все живые организмы.

Основа фотосинтеза - самый первый элементарный процесс: взаимодействие порций световой энергии (фотонов) с молекулой хлорофилла. Именно этот процесс изучает молекулярная биофизика в фотосинтезе, с тем чтобы познать, как происходит преобразование световой энергии в энергию химических связей и последующее превращение веществ. Если этот фундаментальный процесс будет познан до конца, его можно будет осуществлять в искусственных условиях. Тогда человечество овладеет самым быстрым и самым экономичным способом получения органических веществ, следовательно, продуктов питания и ценного сырья, которые дают сегодня человеку зеленые растения.

Существует тесная связь между изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологических молекул и системы, образуемые молекулами в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, другая исследует свойства и функционирование различных клеток - выделительных, сократительных, обонятельных, светочувствительных и др.

Развитию биофизики клетки во многом способствовали успехи физики, радиоэлектроники, именно благодаря этим наукам биофизика получила электронные микроскопы, позволившие увеличивать микроскопические объекты в сотни тысяч раз. На вооружении биофизиков появился электронный парамагнитный резонанс, с помощью которого можно изучать особые активные части молекул - так называемые свободные радикалы, играющие очень важную роль во всех биологических процессах. С помощью высокочувствительных к свету приборов - фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) стало возможным определять крайне малые потоки света. Использование этих приборов привело к большому открытию в биофизике клетки.

Давно была известна способность к свечению у живых организмов: светлячков и различных водных организмов, называемая биолюминесценцией. Но с помощью ФЭУ удалось обнаружить, что способностью к свечению обладают органы почти всех животных и растений. Это так называемое сверхслабое свечение - биохемилюминесценция - происходит в результате физико-химических реакций внутри клеток, и связано оно с внутриклеточным окислением веществ липидов, входящих в структурные элементы. Большую роль в этих процессах играют упомянутые нами свободные радикалы. По интенсивности сверхслабого свечения можно следить за уровнем окислительных обменных реакций и выделением энергии в результате многообразных реакций, идущих внутри клеток.

Обнаружение сверхслабого свечения, наличия свободных радикалов, связи их с жизнедеятельностью клетки резко изменило представления о клеточных процессах. Перед биофизикой клетки встала задача не только разобраться в ультрамикроскопическом строении клетки и ее органелл, но и выяснить, как связаны друг с другом эти элементы, как они работают, в чем причина слаженности, согласованности процессов, совершающихся в клетках.

При исследовании клетки в электронном микроскопе ученым открылся новый мир ультрамикроскопических, т. е. самых мельчайших, клеточных структур. Были обнаружены внутриклеточные мембраны, канальцы, трубочки, пузырьки. Все эти структуры, в миллионы раз тоньше человеческого волоса, играют определенную роль в жизнедеятельности клетки. Любая клетка, кажущаяся простым комочком цитоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших частиц (структурных элементов), действующих точно и согласованно, в строгом порядке, тесно связанных между собой. Количество этих структурных элементов очень велико, например в нервной клетке до 70 тыс. частиц - митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности.

В любой клетке живого организма происходит поглощение необходимых веществ и выделение ненужных, совершается дыхание, деление, наряду с этим клетки выполняют специальные функции. Так, клетки сетчатки глаза определяют силу и качество света, клетки слизистой носа определяют запах веществ, клетки различных желез выделяют физиологически активные вещества - ферменты и гормоны, регулирующие рост и развитие организма.

О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки нервной ткани животных сообщают электрическими импульсами в головной мозг - главный координирующий центр. Биофизика клетки в целом и один из ее важных разделов, называемый электрофизиологией клетки, изучают, как клетки получают необходимые сведения из окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах - импульсах, как образуются в клетках биологические токи и потенциалы.

Клетки живого организма тесно связаны между собой, с головным мозгом - главным управляющим центром. В самих клетках, в тысячах их структурных элементов, происходят упорядоченные биохимические процессы. Благодаря чему так согласованно и точно совершаются эти сотни тысяч реакций?

Дело в том, что и клетка, и отдельный орган, и целостный организм представляют собой определенную систему, основанную на специфических законах регулирования и взаимосвязи. Вот эти особенности изучает самый молодой раздел - биофизика процессов управления и регуляции.

Расскажем об этом разделе биофизики, воспользовавшись следующим примером. Каждый орган человека состоит из большого числа клеток, выполняющих специфическую работу. Например, особую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа - так называемый слизистый эпителий. Площадь его не более 4 см 2 , но содержит он чуть ли не 500 млн. обонятельных клеток - рецепторов. Сведения об их работе передаются по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., в обонятельный нерв и затем в головной мозг. Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов, должны быть правильно расшифрованы. Для этого они направляются в различные отделы головного мозга, состоящие из громадного числа клеток. Например, только большие полушария головного мозга содержат 2*10 10 клеток, мозжечок -10 11 клеток. Мозг принимает необходимые "решения" и передает ответные сигналы - указания о том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы. В центральную нервную систему поступают сотни тысяч разнообразных сигналов из внешней среды о звуках, свете, запахах и сигналы о состоянии клеток самого организма. Из сказанного видно, насколько сложны взаимосвязи в любой живой системе - в отдельной клетке или целом организме, как сложна работа по управлению клетками, регулированию их состояния и контролю за согласованностью всех жизненных процессов.

Этот важный отдел биофизики опирается на закономерности, открытые другой наукой - кибернетикой. Биофизики, изучающие процессы управления и регуляции, пользуясь ее методами, разработали ряд электронных моделей, например черепахи, нервной клетки и процесса фотосинтеза, которые облегчают изучение сложных явлений регуляции в организме.

Исследование регуляторных процессов в живом организме показало, что они обладают удивительным свойством - саморегуляцией. Клетки, ткани, органы живых организмов представляют собой САМОрегулирующиеся, САМОорганизующиеся, САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы. Это означает, что работа клеток, органов и организма в целом определяется свойствами и качествами, заложенными в самом организме. Поэтому каждая клеточка или орган самостоятельно, без помощи извне регулирует постоянство состава среды внутри них. Если под воздействием какого-либо фактора их состояние изменяется, это удивительное свойство помогает им вернуться вновь в нормальное cостояние.

Хлоропласты в клетках листа изменяют свое расположение в зависимости от силы освещения: при сильном освещении они располагаются вдоль стенок клеток (слева); при слабом - по всей клетке. Это пример клеточной саморегуляции.

Вот только один простой пример такой саморегуляции. Мы уже рассказывали о важной роли хлоропластов, находящихся в клетках зеленого листа. Хлоропласты способны к самостоятельному передвижению в клетках под влиянием света, поскольку они очень чувствительны к нему. В солнечный яркий день при большой интенсивности света Хлоропласты располагаются вдоль клеточной стенки, как бы стараясь избежать действия сильного света. В пасмурные облачные дни хлоропласты располагаются по всей поверхности клетки, чтобы поглощать больше лучей. Переход хлоропластов из одного положения в другое под влиянием света (фототаксис) совершается благодаря клеточной саморегуляции.

Познание человеком природы, разнообразных живых организмов идет так стремительно и приводит к таким неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки какой-либо одной науки. Биофизика положила начало новым разделам науки, расширяющим горизонты человеческих знаний. Так выделилась в самостоятельную отрасль биологии радиобиология - наука о действии различных видов радиации на живые организмы, космическая биология, изучающая проблемы жизни в космосе, механохимия, исследующая превращение химической энергии в механическую, происходящее в мышечных волокнах. На основе биофизических исследований возникла новая наука - бионика, изучающая живые организмы с целью использования принципов их работы для создания новых и более совершенных по конструкции приборов и аппаратов.

Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше, как в области изучения молекул, субклеточных структур, так и организма в целом. Каждый день приносит новые открытия, изобретения, ценные идеи. Наш век - это время больших успехов во всех областях знания, в том числе и в изучении природы.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНСТВА ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ»

И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова

ЛЕКЦИИ ПО БИОФИЗИКЕ

Учебно-методическое пособие Под редакцией проф. Баскакова М.Б.

УДК: 577.3(042)(075)

ББК: E901я7 Л: 436

И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова. Лекции по биофизике: Учебно-методическое пособие / Под редакцией проф. Баскакова М.Б.– Томск, 2007. – 175 с.

Пособие предназначено для студентов 3-5 курсов медико-биологического факультета и студентов 1 и 2 курса фармацевтического факультета Сибирского государственного медицинского университета. Им могут также пользоваться студенты медицинских вузов и биологических специальностей университетов, самостоятельно изучающие основы биофизики.

В пособии систематически изложен теоретический и фактический материал курса общей биофизики, биофизики клетки и биофизики органов и систем.

Печатается по постановлению методической комиссии фармацевтического факультета (протокол №1 от 12.11.2006 г.) Сибирского государственного медицинского университета.

Рецензенты:

© Сибирский государственный медицинский университет, 2007

ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ...............................................................................

I. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.......................

Основные понятия термодинамики. ..............................................................

Законы термодинамики...................................................................................

Неравновесная термодинамика......................................................................

II. КИНЕТИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.....................................

Молекулярность и порядок реакции.............................................................

Кинетика реакции нулевого порядка............................................................

Кинетика прямой реакции первого порядка................................................

Кинетика обратимой реакции первого порядка..........................................

Кинетика реакции второго порядка...............................................................

Сложные реакции.............................................................................................

Зависимость скорости реакции от температуры..........................................

Кинетика ферментативного катализа............................................................

III. КВАНТОВАЯ БИОФИЗИКА.......................................................................

Классификация и стадии фотобиологических процессов...........................

Природа света и его физические характеристики. Понятие кванта.

Орбитальная структура атомов и молекул и энергетические уровни. ........

Взаимодействие света с веществом................................................................

Пути размена энергии возбужденного состояния молекулы......................

Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция), ее механизмы,

законы и методы исследования.......................................................................

Миграция энергии. Виды и условия миграции. Правила Ферстера.........

Фотохимические реакции. Законы фотохимии............................................

Задачи..................................................................................................................

Тест–задания......................................................................................................

IV. МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА.............................................................

Предмет молекулярной биофизики................................................................

Методы исследования биомакромолекул......................................................

Силы внутримолекулярного взаимодействия биомакромолекул.............

Пространственная структура белка...............................................................

Тест–задания......................................................................................................

V. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН............................................

Функции биологических мембран..................................................................

Химический состав мембран...........................................................................

Липид–липидные взаимодействия. Динамика липидов в мембране........

Белки мембраны и их функции.......................................................................

Модель биологических мембран.....................................................................

Сигнальная функция биологических мембран............................................

Тест–задания......................................................................................................

VI. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ......................................

Классификация видов транспорта.................................................................

Методы изучения транспорта.........................................................................

Пассивный транспорт и его виды...................................................................

Активный транспорт........................................................................................

Задачи по IV – VI разделам..............................................................................

Тест–задания......................................................................................................

VII. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ...........................................................................................................

Действие постоянного электрического тока на биологические объекты.

ЭДС поляризации..............................................................................................

Статическая и поляризационная емкость.....................................................

Виды поляризации в биологических тканях................................................

Проводимость биологических объектов для переменного тока................

Тест–задания......................................................................................................

VIII. БИОФИЗИКА ЭЛЕКТРОВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ.

ЭЛЕКТРОГЕНЕЗ...............................................................................................

Общие положения...........................................................................................

Электродный потенциал................................................................................

Диффузионный потенциал.............................................................................

Доннановское равновесие..............................................................................

Ионная теория электрогенеза Бернштейна.................................................

Теория постоянного поля и потенциал покоя (ПП) ...................................

Потенциал действия (ПД) ..............................................................................

Современные методы регистрации биопотенциалов................................

Ионная природа потенциала действия (ПД). Формальное описание

ионных токов...................................................................................................

Проведение возбуждение по нервным волокнам.......................................

Задачи по разделам VII - VIII ........................................................................

Тест–задания....................................................................................................

IX. БИОФИЗИКА СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ..................................

Общие положения...........................................................................................

Электрические синапсы.................................................................................

Химический синапс.........................................................................................

X. БИОФИЗИКА СОКРАЩЕНИЯ..................................................................

Введение............................................................................................................

Скелетные мышцы.........................................................................................

Молекулярные механизмы мышечного сокращения................................

Биомеханика скелетной мышцы..................................................................

Миокард............................................................................................................

Гладкая мускулатура......................................................................................

Тест–задания....................................................................................................

XI. БИОФИЗИКА КРОВООБРАЩЕНИЯ......................................................

Введение. Классификация сосудистого русла.............................................

Энергетика кровообращения........................................................................

Основные положения гемодинамики. Закон Гагена–Пуазейля...............

Применимость закона Гагена–Пуазейля.....................................................

Задачи................................................................................................................

XII.БИОФИЗИКА ДЫХАНИЯ........................................................................

Введение............................................................................................................

Основные объемы и емкости легкого..........................................................

Основной уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера............

Работа дыхания...............................................................................................

Тест–задания по разделам XI – XII...............................................................

XIII. БИОФИЗИКА ВСАСЫВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ...............................

Введение............................................................................................................

Ассиметричный эпителий и его функции...................................................

Методы изучения трансцеллюлярного транспорта...................................

XIV. БИОФИЗИКА АНАЛИЗАТОРОВ..........................................................

Общие положения...........................................................................................

Орган зрения....................................................................................................

Орган слуха......................................................................................................

Задачи................................................................................................................

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................

ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ

Предмет биофизики

Как самостоятельная наука биофизика возникла в 1966 году, когда был организован международный научный союз биофизиков, и появилось следующее определение этой науки: «Биофизика представляет собой особую ориентацию мысли». Тем не менее, дискуссия о сути биофизики, как науки, продолжается и до сегодняшнего дня.

Биофизика возникла на стыке биологии и физики и, в силу этого, состав биофизиков всегда был неоднороден. До сих пор просматриваются два направления в развитии биофизики, и их ассимиляция происходит не всегда гладко. Так, с одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения, и нередко все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, наоборот, предполагается, что наряду с физическими закономерностями живым системам присущи особые свойства, в принципе необъяснимые с точки зрения физики. По этим причинам определения биофизики несут нередко диаметрально противоположный характер. Например:

«Биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических процессов» (П.О.Макаров, 1968).

«Биофизика – физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях» (Волькенштейн, 1981).

И в то же время:

«Биофизика – часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем» (Л.А.Блюменфельд, 1977).

Приведенные формулировки определяют по сути два подхода к биофизике, основанных на противоположных методологиях этих подходов.

Аргументы «физиков» чаще всего сводятся к тому, что многие сложные биологические процессы хорошо укладываются в рамки сравнительно простых математических моделей (ферментативный катализ, фотоинактивация ферментов, популяционная модель «хищник-жертва»).

Сторонники «биологического» подхода утверждают, что в живых системах можно найти множество явлений, не присущих неживой природе. Основным предметом этой затянувшейся дискуссии является вопрос «Сводятся ли все проявления жизни к физико-химическим закономерностям?»

Методологической основой решения данного вопроса стал принцип качественной несводимости. Он предполагает, что по мере накопления научных знаний будут предлагаться физико-химические объяснения биологических проблем и, в то же время, обнаруживаться новые знания о живой природе, не объяснимые на данном этапе с точки зрения физики. Главное практическое следствие из принципа качественной несводимости – лишь «качественный сплав» методов физики и биологии может обеспечить биофизике продвижение

вперед. Отсюда наиболее рациональным, на наш взгляд, является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):

«Биофизика – естественнонаучное направление, целью которого является рациональное объяснение связи физического и биологического аспектов живой материи».

История развития биофизики

Можно утверждать, что свою историю биофизика начинает вести с фундаментального трактата Цицерона (II-III век н.э.) «Физиология». Это название происходит от слова физика – так тогда называли науку о природе. Науку же о живой природе Цицерон назвал физиологией. Такое название уже свидетельствует о большой роли физики в формировании науки о жизни.

Изучение физических свойств биологических объектов началось в XVII веке – с тех пор, когда были заложены основы первого раздела физики – механики. В биологии в то время наиболее интенсивное развитие получила анатомия. В этот период опубликованы работы У. Гарвея (1628) «Кровообращение»; Р. Декарта (1637) «Диоптика»; Дж. Борелли (1680) «О движении животных», в которых были представлены основы биомеханики. В 1660 году А. Левенгук изобрел микроскоп, который сразу же нашел широчайшее применение в биологических исследованиях, став, по сути, первым истинно биофизическим методом изучения живой природы.

В XVIII веке в физике происходит развитие разделов гидродинамики, теории газовых состояний, термодинамики, закладываются основы учения об электричестве. В математике формируются методы дифференциального и интегрального исчисления. Ф.Лейбниц предложил понятие «живой силы»- mV 2 в противовес количеству движения mV . В это время описаны основные принципы гемодинамики, которые позже относят к биофизике (Л.Эйлер).

Классические эксперименты А. Лавуазье и П. Лапласа, позволившие установить аналогичную природу процессов дыхания и горения, указать на кислород как источник теплоты, опубликованы в трактате «О теплоте» (1783). А. Лавуазье и Ж. Сегэн в «Мемуарах о дыхании животных» описали связь потребления кислорода с совершаемой механической работой.

Следующий серьезный шаг в развитии биофизики связан с открытием Л. Гальвани биологического электричества (1791). Он обнаружил феномен подергивания лягушачьих лапок в ответ на электрический разряд и предположил главную роль электричества в нервно-мышечной передаче. Л. Гальвани установил количественную зависимость раздражения и возбуждения, ввел понятие «порога». В 1837 году Маттеучи, используя гальванометр, впервые зарегистрировал электрический потенциал живых клеток.

В XIX веке классическая физика сформировалась уже в том виде, как мы знаем ее сегодня. На границе XIX – XX веков шло формирование и биофизики как комплексной и целостной системы знаний о живой природе. Сегодня биофизика включает целый ряд разделов, каждый из которых сформировался в

самостоятельное научное направление. И если в 1930 – 40-е годы еще можно было считать себя специалистом в биофизике «вообще», то сегодня одному человеку явно не под силу охватить все ее направления.

Что изучает биофизика?

Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику.

Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем, изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П. Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И. Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.

Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является – учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен.

Фотобиология , или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М. Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки.

Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика – по изучению молекулы ДНК.

Раздел II. Биофизика клетки . Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран.

Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В. Пфеффер и Х. де Фриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле).

Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.

Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется.

Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов.

Биофизика все глубже внедряется в медицину. Новые биофизические подходы находят применение в диагностике и лечении различных заболеваний. В качестве примеров можно назвать магниторезонансную томографию, воздействие электромагнитными волнами высокочастотного диапазона, методы клеточной терапии и т.д.

Особенности биофизических методов

Как упоминалось выше, принцип качественной несводимости в биофизике обуславливает необходимость «качественного сплава» методов физики и биологии. Биофизические методы исследования характеризуются рядом общих свойств.

Во-первых , биофизика оперирует количественными методами, позволяющими измерить и объективно оценить исследуемое явление. Этот методологический принцип привнесен из физики.

Во-вторых , биофизика рассматривает изучаемый объект в целом, не расчленяя его. Естественно, что любое измерение неизбежно вносит в изучаемую систему некоторые возмущения, но биофизические методы стремятся свести это возмущение к минимуму. По этой причине в настоящее время широкое распространение в биофизике получают такие методы, как инфракрасная спектроскопия, исследование отраженного света, флуоресцентные методы исследований.

В-третьих , важным методологическим принципом биофизики является «стратегия системного подхода». Биофизические методы основываются на неразрывности структуры и функции, рассматривая структурно-функциональные взаимосвязи в живых системах как основной принцип их организации.

Названные особенности определяют биофизику как самостоятельное научное направление, имеющее собственный предмет исследований и методологические подходы. В следующих лекциях будут рассмотрены отдельные разделы биофизики, описаны достижения этой важной науки на современном этапе. Особое внимание будет уделено применению биофизических методов в биологии и медицине.