Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований. Биофизика. Предмет, цели, методы Развитие биофизического образования в России

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

История научных институтов биологического профиля в России идет с конца ХIХ века и начинается с укусов бешеных собак. Под впечатлением от успеха прививок от бешенства, разработанных Пастером, в конце ХIХ века в Санкт-Петербурге был создан Институт экспериментальной медицины. Организацию института инициировал и финансировал принц А.П.Ольденбургский. Перед этим принцу пришлось посылать на прививку в Париж одного из своих офицеров. В 1917 году на средства купца Х.С.Леденцова в Москве был создан Институт физики и биофизики. Этот институт возглавил П.П.Лазарев, который вскоре оказался близок "к телу Ленину": после покушения на вождя мирового пролетариата ему понадобилось рентгенологическое исследование.

Биофизика в Советской России стала на какое-то время "баловнем судьбы". Большевики были одержимы обновлениям в обществе и демонстрировали готовность поддерживать новые направления в науке. Позже именно из этого Института вырос Институт физики Российской Академии наук. Заметим, что многие фундаментальные физические открытия произошли благодаря интересу ученых к биологическим системам. Так, знаменитый итальянец Луиджи Гальвани сделал открытия в области электричества, изучая животное электричество на лягушках, а Алессандро Вольта догадался, что речь идет о более общем физическом феномене.

В Советском Союзе власти были заинтересованы в проведении научных исследований "широким фронтом". Нельзя было пропустить ни одного из перспективных направлений, которые могли бы сулить в будущем военные или экономические преимущества. До начала 90-х годов государственная поддержка обеспечивала приоритетное развитие молекулярной биологии и биофизики. В 1992 году новые власти послали ученым недвусмысленный сигнал: зарплата научного сотрудника стала меньше прожиточного минимума, и ученые были вынуждены выбирать между эмиграцией и сменой сферы деятельности. Многим биофизикам, не помышляющим прежде об эмиграции, пришлось уехать на Запад. Сообщество биофизиков в России относительно невелико, и если из нескольких тысяч исследователей уезжают сотни, не заметить этого невозможно.

В первое время российская биофизика от "экономической" эмиграции пострадала незначительно. Развитие таких средств коммуникации, как электронная почта и интернет, позволило сохранить связи ученых с коллегами. Многие стали оказывать помощь своим институтам реактивами и научной литературой, продолжили исследования по "своим" темам. Известные ученые после приезда на новое место создали "площадки" для стажировки и пригласили коллег. Уехали самые энергичные ученые, по большей части молодые. Это привело к "старению" научных кадров, чему способствовало также падение престижа специальности. Из-за невозможности прожить на академическую зарплату уменьшился приток студентов в науку. Возник разрыв поколений, который теперь, после 15 лет перемен, начинает сказываться все сильнее: средний возраст сотрудников в некоторых лабораториях Академии наук уже превышает 60 лет.

Российская биофизика не утратила ведущих позиций в ряде направлений, которые возглавляют ученые, получившие образование в 60-80-е годы ХХ века. Значительные открытия в науке сделаны именно этими учеными. Так, в качестве примера можно привести создание в последние годы новой науки - биоинформатики, основные достижения которой связаны с компьютерным анализом геномов. Основания этой науки были заложены еще в 60-е годы молодым биофизиком Владимиром Туманяном, который первым разработал компьютерный алгоритм анализа последовательностей нуклеиновых кислот. Из этого примера становится понятно, насколько важно сейчас привлечь в науку одаренную молодежь, которая смогла бы заложить основания новых научных направлений.

Биофизик Анатолий Ванин еще в 60-е годы открыл роль оксида азота в регуляции клеточных процессов. Позже оказалось, что оксид азота имеет важное медицинское значение. Оксид азота является основной сигнальной молекулой сердечно-сосудистой системы. За исследование роли оксида азота в этой системе была присуждена Нобелевская премия в 1998 году. На основе оксида азота был создан самый популярный в мире лекарственный препарат для повышения потенции "Виагра". Между тем статья Анатолия Ванина "Свободные радикалы нового типа" была опубликована в 1965 году в журнале "Биофизика". Американские ученые демонстрируют ее теперь как первую работу по окиси азота в живом организме. Похожая история произошла и с клонированием - первая работа тоже была опубликована в отечественной "Биофизике"?

Многие достижения в области биофизики связаны с открытой еще советскими учеными автоколебательной реакцией Белоусова-Жаботинского. Эта реакция дает пример самоорганизации в неживой природе, она послужила основанием для многих моделей модной ныне синергетики. Олег Морнев из Пущино недавно показал, что автоволны распространяются по законам оптических волн. Это открытие проливает свет на физическую природу автоволн, что также может считаться вкладом биофизиков в физику.

Одно из самых интересных направлений современной биофизики - анализ связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей белки. Это связывание лежит в основании явления "РНК-интерференции". Открытие этого явления было отмечено в 2006 году Нобелевской премией. Мировое научное сообщество возлагает огромные надежды на то, что это явление позволит бороться со многими заболеваниями. Анализ механизмов связывания молекул РНК успешно проводится в последние годы интернациональной группой исследователей, которыми руководит Ольга Матвеева, работающая ныне в США.

Важнейшим направлением молекулярной биофизики является изучение механических свойств одиночной молекулы ДНК. Развитие тонких методик биофизического и биохимического анализа позволяет следить за такими свойствами молекулы ДНК, как жесткость, способность к растяжению, изгибу и прочность на разрыв. Такие свойства выявляются в экспериментальных и теоретических работах, проводимых в последние годы в России под руководством Сергея Гроховского и в США под руководством Карлоса Бустаментэ . Эти работы смыкаются с исследованиями механических напряжений в живой клетке. Дональд Ингбер был первым, кто указал на сходство механических конструкций живой клетки с "самонапряженными конструкциями". Такие конструкции были изобретены в начале 20-х годов ХХ века российским инженером Карлом Иогансоном и "переоткрыты" позже американским инженером Бакминстером Фуллером.

Традиционно сильны позиции российских биофизиков в области теории. Физический факультет МГУ, где в ХХ веке работали и преподавали сильнейшие в стране теоретики, много дал выпускникам кафедры биофизики. Выпускники этой кафедры выдвинули целый ряд оригинальных теоретических концепций и создали немало уникальных разработок, которые нашли свое применение в медицине. Например, Георгий Гурский и Александр Заседателев разработали теорию связывания биологически активных соединений с ДНК. Они предположили, что в основании такого связывания лежит феномен "матричной адсорбции". Исходя из этой концепции, они предложили оригинальный проект синтеза низкомолекулярных соединений. Такие соединения могут "узнавать" определенные места на молекуле ДНК и регулировать активность генов. В последние годы этот проект успешно развивается, синтезируются лекарства от ряда тяжелых заболеваний. Александр Заседателев успешно применяет свои разработки для создания отечественных биочипов , которые позволяют диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. Под руководством Владимира Поройкова был создан комплекс компьютерных программ, позволяющих предсказывать биологическую активность химических соединений по их формулам. Это направление позволяет существенно облегчить поиск новых лекарственных соединений.

Галина Ризниченко с коллегами разработала компьютерные модели реакций, проходящих при фотосинтезе. Она возглавляет ассоциацию "Женщины в науке, культуре и образовании", которая совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ проводит ряд важнейших для сообщества российских биофизиков конференций. В советское время подобных конференций было много: несколько раз в году биофизики собирались на совещания, симпозиумы и семинары в Армении, Грузии, Украине и Прибалтике. С распадом СССР эти встречи прекратились, что негативно сказалось на уровне проводимых в ряде стран СНГ исследований. Научный совет по биофизике при Академии наук за последние 15 лет провел два Всероссийских биофизических съезда, которые стимулировали научные контакты и обмен информацией между отечественными учеными. Важную роль в последние годы начали играть конференции, посвященные памяти Льва Блюменфельда и Эмилии Фрисман. Эти конференции проходят регулярно на физических факультетах МГУ и СПбГУ.

Если судить по финансовым показателям, то "пальму первенства" за наибольшие достижения следует отдать биофизику Армену Сарвазяну, который создал ряд уникальных разработок в области исследования организма человека с помощью ультразвука. Эти исследования щедро финансируются военным ведомством США: так, Сарвазяну принадлежат открытия связи между гидратацией тканей (степенью обезвоживания) и состоянием организма. Работы лаборатории Сарвазяна востребованы в связи с проводимыми США военными операциями в странах Ближнего Востока.

Мировоззренческие потрясения сулят открытия Симона Шноля: он обнаружил влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций. Речь идет о том, что известный закон Гаусса, или нормального распределения ошибок измерений, оказывается результатом грубого усреднения, которое не всегда бывают правомочным. В реальности все происходящие процессы обладают определенными "спектральными" характеристиками, обусловленными анизотропией пространства. "Космический" ветер, о котором писали фантасты ХХ века, находит свое подтверждение в тонких экспериментах и оригинальных концепциях ХХI века.

Наиболее значимыми для всех людей, живущих на нашей планете, могут оказаться исследования биофизика Алексея Карнаухова. Его климатические модели предсказывают, что нас ожидает глобальное похолодание, которому будет предшествовать потепление. Неудивительно, что к этой теме привлечен огромный общественный интерес. Удивительно, что фильм "Послезавтра" ("Day after tomorrow") основывается не только на этой идее, но и даже на конкретной модели похолодания, предложенной Карнауховым. Течение Гольфстрим, которое согревает Северную Европу, перестанет приносить тепло из Атлантики из-за того, что встречное ему лабрадорское течение из-за таяния ледников и увеличения стока северных рек будет опресняться, благодаря этому станет легче и перестанет "подныривать" под Гольфстрим. Наблюдаемое в последние годы увеличение стока северных рек и таяние ледников придает прогнозам Карнаухова все большие основания. Риски климатических катастроф резко увеличиваются, и общественность ряда европейских стран уже бьет тревогу.

Исследования Роберта Бибилашвили из Кардиологического центра привели к значительным результатам в вопросах излечения ряда заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми. Оказалось, что своевременное вмешательство (впрыскивание в участки мозга больных, пораженных инсультом, фермента урокиназы) способно полностью снять последствия даже очень тяжелых приступов! Урокиназа - это фермент, который образуется клетками крови и сосудов и является одним из компонентов системы, препятствующей развитию тромбозов.

Российская биофизика до последнего времени сохраняла приоритет в большом числе научных направлений: Всеволод Твердислов занят оригинальными исследованиями в области происхождения жизни, Фазоил Атауллаханов получил ряд принципиальных результатов в понимании функционирования кровяной системы, под руководством Михаила Ковальчука развивается ряд направлений в новой науке - нанобиологии, интереснейшие концепции разрабатывают сейчас Генрих Иваницкий, Владимир Смолянинов и Дмитрий Чернавский...

Мировое биофизическое сообщество с восторгом встретило книгу "Физика белка", написанную Алексеем Финкельштейном и Олегом Птицыным. Вместе с книгой "Век ДНК" (в первом русском издании - "Самая главная молекула") Максима Франк-Каменецкого эта книга стала настольным пособием для студентов и ученых из многих стран. В целом за последние 15 лет отечественная биофизика, несмотря на существенное снижение финансирования, не утратила способности генерировать новые идеи и получать оригинальные результаты. Однако ухудшение научной инфраструктуры и приборной базы, отток молодежи в более прибыльные секторы экономики привели к тому, что ресурсы для дальнейшего развития науки оказались исчерпаны. Отечественная наука немного потеряла в скорости и интенсивности своего развития. Поддержали науку самоотверженность ученых, помощь западных коллег и фондов, а также значительность инерции, определяемая трудоемкостью образования. "Спасительную" роль здесь сыграла и консервативность пристрастий ученых. Наука на протяжении столетий поддерживалась благодаря интересу к ней выходцев из высших слоев общества, финансирующих исследования из своего кармана (вспомним принца Ольденбургского). Известный аристократизм академический науки спас ее носителей от рыночных искушений "переходного периода".

Сейчас эти "благородные доны" в биофизике уже не могут найти и воспитать себе подобных: молодежь идет в офисы не потому, что она не любит науку, а потому, что не может найти полноценного вознаграждения своим трудам. Недо-образованность стала бичом нашего времени: для того чтобы "сделать" настоящего ученого, требуется не менее 8-10 лет: 5-6 лет обучения в вузе или Университете и три года в аспирантуре. Все это время молодого человека должны содержать родители, если же он начинает "подрабатывать", то, как правило, это завершается уходом "в офис". Однако найти родителей, которые на протяжении десятка лет готовы пестовать свое дитя и ублажать его интерес к науке, довольно трудно. Такие родители могли бы найтись в научной среде, если бы сами ученые имели достаточное финансирование. Благодаря длительному образованию получается "долгоиграющий" специалист, однако обрыв образования на полпути приводит к "недоучкам". Именно невосполнимая потеря молодых специалистов (а не достижений) в науке - главный итог перемен в отечественной биофизике. Утрата достижений и потеря мирового уровня исследований - процесс, который нас еще ожидает, если молодежь не вернется в науку.

Из последних достижений зарубежных ученых можно отметить два: во-первых, группа американских исследователей из Университета Мичиган под руководством С.Дж. Вайса открыла один из генов, ответственных за "трехмерность" развития биологической ткани, во-вторых, ученые из Японии показали, что механические напряжения помогают создать искусственные сосуды. Японские ученые поместили стволовые клетки внутрь полиуретановой трубки и пропускали через трубку жидкость под переменным давлением. Параметры пульсирования и структуры механических напряжений были примерно теми же, что и в реальных человеческих артериях. Результат обнадеживает - стволовые клетки "превратились" в клетки выстилки кровеносных сосудов. Эта работа позволяет глубже понять роль механических напряжений в развитии органов. На повестке дня создание искусственных "запчастей для ремонта" кровеносной системы. Новости науки можно посмотреть на сайте scientific.ru .

Суммируя, можно сказать, что российская биофизика немало потеряла в настоящем, но ей угрожает более серьезная опасность - потерять будущее.

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.

Лекция № 1

Предмет и задачи биофизики

Биофизика как медико-биологическая наука, изучающая механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах. Место биофизики в ряду фундаментальных биологических и медицинских дисциплин, связь с биологическими и медицинскими науками. Краткий исторический очерк развития биофизики. Методы и направления современной биофизики.

Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Существуют и более емкие определения биофизики. Например, лауреат Нобелевской премии А. Сент-Дьердьи утверждал, будто биофизика − «все то, что интересно». Термин «биофизика» закрепился в научной литературе с 1892 г., когда Карл Пирсон, автор книги «Грамматика науки», на ее страницах заявил: «...наука, пытающаяся показать, что факты биологии − морфологии, эмбриологии и физиологии образуют частные случаи приложения общих физических законов , получила название этиологии... Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой». А. Фик и вслед за ним другие немецкие ученые называли эту область знания медицинской физикой, но французский физиолог Ж. А. д"Арсонваль еще до предложения К. Пирсона предпочитал термину «медицинская физика» словосочетание «биологическая физика».

Современная биофизика исследует механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах на субмолекулярном , молекулярном, надмолекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

По природе объектов исследования, биофизика − типичная биологическая наука. По методам изучения биообъектов и анализа результатов исследований , биофизика является своеобразным разделом физики (по мнению М.В. Волькенштейна, «биофизика − физика явлений жизни»). Она идет в авангарде тех областей биологии, которые превращают эту древнейшую область человеческого знания из гуманитарной в точную науку. Внедрение физических принципов анализа биологических явлений в медицину позволяет ей стать не только искусством, но и наукой. В этом особая роль биофизики среди других медицинских теоретических дисциплин.

Зачастую о биофизике говорят как о новой, молодой науке. Так, 9 ноября 1934 г. П.Л. Капица писал: «Биофизика − совершенно новая область, она пришла вместе с биохимией на смену старой классической физиологии. Вместо того чтобы изучать физиологические процессы в целом... биофизика и биохимия изучают отдельные элементы живого существа и стараются объяснить его функцию посредством законов физики и химии». Действительно, в отдельную научную дисциплину биофизика выделилась сравнительно недавно, но зачатки биофизики возникли сразу по появлении работ в области экспериментальной физики. Так, некоторые изыскания Г. Галилея (измерение температуры тела, определение работы , совер­шаемой человеком, и т. п.) можно отнести к биофизическим исследованиям.

Стремление объяснить процессы жизнедеятельности человека и животных физическими законами было весьма характерно для творчества многих ученых XVII и XVIII вв. (Р. Бойль, Р. Гук, И. Ньютон, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье, М.В. Ломоносов и многие другие). XIX в. стал веком торжества аналитических методов в исследовании биологических явлений. Эти методы получили наибольшее развитие в физиологии, в недрах которой зародилась современная биофизика. Многие физиологические процессы, вплоть до нервной деятельности, пытались объяснить на основе физических законов. В отличие от аналогичных попыток предшественников, такие объяснения в значительной мере подтверждались экспериментально. Герман Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Эмиль Дюбуа-Реймон изучил биоэлектрогенез почти всех органов и тканей организма. Эрнст Вебер объяснил некоторые свойства гемодинамики на основе физических законов. Выдающиеся открытия были сделаны в области биофизики органов чувств − достаточно назвать хотя бы закон Вебера-Фехнера.

Вместе с тем XIX в. определил весьма характерную тенденцию в последующем развитии биофизики. Одним из первых ученых, подметивших и утвердивших эту тенденцию, был Иван Михайлович Сеченов – отец русской физиологии. С не меньшими основаниями его можно назвать основоположником отечественной биофизики. Он использовал методы математики и физической химии для исследования дыхания , установил количественные закономерности растворения газов в биологических жидкостях. В работах И.М. Сеченова прослеживается наиболее перспективный путь развития физиологии и биофизики, связанный, прежде всего с физической химией. В докторской диссертации (1860) И.М. Сеченов утверждал: «Физиолог − физико-химик, имеющий дело с явлениями животного организма».

Однако только в XX в. биофизика стала самостоятельной наукой. С этих пор она приступила к изучению фундаментальных проблем биологии: наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетики.

Большинство исследователей (биофизиков) XVII−XIX вв. рассматривали живой организм как физическую систему, причем основным методом такого изучения биологических явлений был поиск внешних аналогий. Заметим, что и сейчас подобный прием не без успеха применяется в биофизике. Например, сокращение мышцы можно моделировать обратным пьезоэлектрическим эффектом, амебовидное движение клеток – перемещениями ртутной капли в растворе кислоты , проведение нервного импульса – миграцией царапины по железной проволоке, обработанной азотной кислотой (модель Лилли), и т. п.

Познавательное значение таких моделей довольно ограниченно. Зачастую при моделировании одного и того же биологического явления они сменяют одна другую вслед за появлением новых технических устройств. Например, рефлекторная деятельность рассматривалась во времена Р. Декарта по аналогии с работой паровой машины, в начале прошлого века – телефонной станции, сейчас – электронно-вычислительной машины. Однако и подобные (феноменологические) модели нужны. Они позволяют уточнить некоторые детали уже понятых в принципе явлений, создавать бионические системы, в которых используются закономерности биологической организации для построения сложных технических устройств, например роботов. И все же это полезное направление физического моделирования не является главным в решении кардинальных биофизических задач.

Основная цель биофизического исследования состоит в выяснении интимных (внутренних) механизмов биологических процессов, а не в рассмотрении внешних аналогий. Принято считать , что живые организмы представляют собой сложные физико-химические системы. Поэтому не физическое, а физико-химическое моделирование оказалось наиболее плодотворным. Оно привело к созданию ионной теории возбуждения, вскрытию природы биоэлектрогенеза, выяснению свойств биологических мембран и т. д. На этом пути особенно значительны достижения биофизики в последние годы.

По существу, современная биофизика – это физическая химия и химическая фи зика биологических систем. Именно такое направление является ведущим в работе двух крупнейших в мире институтов биофизики РАН, которые находятся в городе Пущино под Москвой. Проблемами биофизики занимаются сейчас многие научно-исследовательские учреждения Академии наук, Академии медицинских наук, Минздрава России. Среди них – институты физической химии и химической физики РАН , Институт биофизики Минздрава России. Развитием биофизики в нашей стране занимаются также университетские кафедры биологической физики.

Биофизика – пограничная область знаний, причем границы между ней и рядом других биологических наук довольно условны. При проведении этих границ исходят из самого определения предмета биофизики – к биофизическим относятся исследования, вскрывающие физические, а также физико-химические механизмы биологических процессов. В биофизических исследованиях применяется основной принцип экспериментального изучения природы – количественный анализ реакций организма на определенные стимулы с построением функциональных зависимостей между ними. Процессы жизнедеятельности получают строгую интерпретацию в виде количественных закономерностей, представляющих собой абстрактную форму выражения функциональной зависимости реакции от стимула.

Функции организма с незапамятных времен изучает физиология. В разное время содержание физиологии изменялось. Сейчас она рассматривает функцию как форму деятельности с определенным конечным результатом, проявлением которого служат физиологические свойства (Шидловский, 1981). В их внутренние механизмы невозможно проникнуть, используя традиционные физиологические подходы к изучению функций. Эти механизмы, поскольку они имеют физическую и химическую природу , изучают биофизика и биохимия. Различие задач биофизики и физиологии в изучении функций организма можно проиллюстрировать таким примером. Исследуя биопотенциалы, биофизик интересуется, прежде всего, механизмом возникновения электромагнитных процессов в живых тканях, физико-химическими основами этого феномена, его энергетическим обеспечением, тогда как для физиолога биопотенциалы являются показателями жизнедеятельности организма, служат количественной характеристикой важнейших физиологических свойств (прежде всего – возбудимости). Так, по электрокардиограмме физиолог судит о свойствах сердечной мышцы (автоматизме, возбудимости, проводимости). Его меньше занимает физико-химическая природа электрогенеза в миокарде, это составляет основную задачу биофизического исследования электрических процессов в сердце.

Биохимия, подобно биофизике , также стремится проникнуть в механизмы физиологических явлений, но изучает их химическую природу. Понятны трудности в разграничении биофизических и биохимических исследований, но это необходимо делать. «Не подлежит сомнению, – утверждал академик Г.М. Франк (1974), – что любые проявления жизни и живые организмы в целом в конечном итоге – „химические машины". Однако, несмотря на примат химии, химический язык и химические концепции недостаточны, чтобы раскрыть материальную сущность явлений жизни. Это в первую очередь относится к путям превращения энергии, природе сил взаимодействия и разнообразным физическим процессам, таким, например, как генерация электрических потенциалов , возникновение механической энергии, механизмы управления и регуляции».

Биофизические методы создаются на основе физических и физико-химических методов изучения природы. В них должны сочетаться трудно совместимые свойства: высокая чувствительность и большая точность. Этому условию отвечают, прежде всего, достижения современной электроники. Весьма плодотворно использование оптических методов. Широко применяют различные методы спектроскопии, включая радиоспектроскопию (методы электронного парамагнитного резонанса – ЭПР и ядерного магнитного резонанса – ЯМР). Давно вошли в обиход радиоизотопные методики.

Любое исследование требует, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс. Для биофизического эксперимента соблюдение этого требования особенно актуально. Известный советский биофизик Б.Н. Тарусов считал, что в этом требовании заключена важнейшая особенность биофизических методов, отличающая их от применения аналогичных методических приемов в других областях физики. Такая несколько утрированная формулировка специфики биофизических методов имеет определенные основания. Трудно сравнить какую-либо физическую систему с живым организмом по необычайно высокой чувствительности последнего к любым воздействиям на него. Они не просто нарушают нормальный ход биологических процессов, а вызывают сложные приспособительные реакции , разнообразные в разных органах и в различных условиях. Искажение смысла истинных явлений может оказаться столь существенным, что становится невозможным вносить поправки в артефакты (явления, не свойственные изучаемому объекту в естественных условиях и возникающие в ходе его исследования), поскольку методы коррекции, используемые с успехом в физике и технике, зачастую бесплодны в биофизике.

Чтобы лучше понять области применения биофизических методов, рассмотрим основные направления научных изысканий в биофизике. Согласно решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики, к ним относят исследования на молекулярном и клеточном уровнях, а также биофизическое изучение органов чувств и сложных систем.

Методы и направления современной биофизики. Молекулярная биофизика изучает функциональную структуру и физико-химические свойства биологически важных (биологически функциональных) молекул, а также физические процессы, обеспечивающие их функционирование , исследует термодинамику биологических систем, перенос энергии и заряда по биомолекулам, квантовомеханические особенности их организации. Эта часть молекулярной биофизики постепенно выделяется в новый раздел под названием квантовой биофизики. В целом задача молекулярной биофизики – раскрыть физико-химические механизмы биологической функциональности молекул.

Работы по биофизике клетки посвящены физическим и физико-химическим свойствам клеточных и субклеточных структур, закономерностям деления и дифференцировки клеток, особенностям их обмена веществ (метаболизма), а также биофизическим механизмам специализированных функций клеток (мышечного сокращения, секреции, нервной импульсации и др.).

Биофизика органов чувств вскрывает физические и физико-химические механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторными аппаратами сенсорных систем (анализаторов) человека и животных (на квантовом, молекулярном, клеточном уровнях).

Задача биофизики сложных систем состоит в разрешении общих физико-биологических проблем (происхождение жизни, наследственность, изменчивость и т. д.) на основе физико-математического моделирования важнейших биологических процессов.

Многие биофизики настаивают на выделении еще одного направления биофизических исследований − биофизических основ экологии. Его содержанием является выяснение механизмов воздействия на организм физических и химических факторов среды. Существует тенденция отождествления всей биофизики с молекулярной биофизикой, что нашло отражение в учебнике М.В. Волькенштейна «Биофизика», изданном для студентов биологических и физических факультетов университетов. Такое ограничение можно допустить для определения области наиболее актуальных научных изысканий современной биофизики, хотя и с этим далеко не все согласны. Так, академик Г.М. Франк еще в 1974 г. утверждал, что «центр тяжести физико-химического рассмотрения основы жизненных явлений смещается теперь в область биологии клетки», поскольку «явления жизни возникают только в системе, называемой клеткой», и, по словам Е.Б. Вильсона (1925), «ключ к каждой биологической проблеме нужно искать в клетке», а современная биофизика стала обладать методами, позволяющими сделать клетку объектом точного физического эксперимента. Это не означает, что другим направлениям биофизических исследований отводится вспомогательная роль. По мнению Г.М. Франка, в развитии биофизики должна соблюдаться «...непрерывность линии исследования от раздела , который мы обозначили как „молекулярная биофизика", далее через биофизику клетки к биофизике сложных процессов».
Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология.

Живые организмы – открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

Задачи биофизики:

1.Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.

2.Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития , саморегуляции и самовоспроизведения.

3.Выяснение связей между строением и функциональными свойствами биополимеров и других биологически активных веществ.

4.Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биообъектов.

5.Физическое истолкование обширного комплекса функциональных явлений (генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.)

Разделы биофизики:

· Молекулярная – изучает строение и физико-химических свойства, биофизику молекул. Основными объектами исследования молекулярной биофизики являются функционально активные вещества и среди них белки и нуклеиновые кислоты.

· Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем. Биофизика клетки имеет дело с надмолекулярными структурами живой клетки, среди которых особое место занимают мембранные структуры клеток и субклеточных структур.

· Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем. Биофизика сложных систем рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физико-математического моделирования. Объектами исследования в этом случае являются сообщества клеток, живые ткани, физиологические системы , популяции организмов. Построение моделей является одним из главных этапов биофизического исследования. Живой организм представляет собой очень сложную систему, не всегда доступную для точного физического эксперимента. В этом случае плодотворным становится использование физических, аналоговых, математических моделей. Любое крупное открытие в биофизике получено путём применения моделей.

Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить молекулярную структуру гемоглобина и миоглобина. Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое применение получили физические модели мембран в виде моно- и бимолекулярных липидных плёнок. С развитием и совершенствованием вычислительной техники моделирование получает новое развитие.

Такие науки как биология, медицина, сельскохозяйственные науки становятся всё более точными. Трудно переоценить в этом случае роль биофизики призванной исследовать явления жизни с использованием физических представлений и методов.

История развития биофизики.
Математические модели описывают целый класс процессов или явлений, которые обладают сходными свойствами, или являются изоморфными. Наука конца 20 века – синергетика, показала , что сходными уравнениями описываются процессы самоорганизации самой разной природы: от образования скоплений галактик до образования пятен планктона в океане.
Несмотря на разнообразие живых систем, все они обладают следующими специфическими чертами, которые необходимо учитывать при построении моделей.

Все биологические системы являются сложными многокомпонентными, пространственно структурированными, элементы которых обладают индивидуальностью. При моделировании таких систем возможно два подхода. Первый – агрегированный, феноменологический. В соответствии с этим подходом выделяются определяющие характеристики системы (например, общая численность видов) и рассматриваются качественные свойства поведения этих величин во времени (устойчивость стационарного состояния, наличие колебаний, существование пространственной неоднородности). Такой подход является исторически наиболее древним и свойственен динамической теории популяций.

Другой подход – подробное рассмотрение элементов системы и их взаимодействий. Имитационная модель не допускает аналитического исследования, но ее параметры имеют ясный физический и биологический смысл , при хорошей экспериментальной изученности фрагментов системы она может дать количественный прогноз ее поведения при различных внешних воздействиях.

Размножающиеся системы (способные к авторепродукции). Это важнейшее свойство живых систем определяет их способность перерабатывать неорганическое и органическое вещество для биосинтеза биологических макромолекул, клеток, организмов. В феноменологических моделях это свойство выражается в наличии в уравнениях автокаталитических членов, определяющих возможность роста, возможность неустойчивости стационарного состояния в локальных системах и неустойчивости гомогенного стационарного состояния в пространственно распределенных системах.

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.