Разделы и методы биофизики

Предмет и задачи биофизики. Место биофизики в естествознании.

По определению, физика- это наука изучающая свойство материи а также их формы в пространстве. В данном определении материя не разделяется на живую и не живую, живая материя также подчиняется законам физика. Таким образом биофизика- это наука изучающая физические и физико- химические процессы протекающие в биологических системах на разных уровнях организаций и является основой физиологических актов. Приведенное определение не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует, что конечные теоретические основы любой отрасли естествознания имеют физический характер.

Биология есть наука о живой природе, объекты которой неизмеримо сложнее не живых. Исходя из сказанного, определим биологическую физику как физику явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом. Такое определение биофизики противостоит ее пониманию как вспомогательной области биологии или физиологии. Содержание биофизики не обязательно связано с применением физических приборов в биологическом эксперименте. Медицинский термометр, электрокардиограф, микроскоп физические приборы, но врачи или биологи, пользующими этими приборами, вовсе не занимаются биофизикой. Биологическое исследование начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе. Это означает, что такая задача формулируется, исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения вещества. Тем самым конечная цель биофизики состоит в обосновании теоретической биологии. Одновременно биофизика решает многочисленные теоретические и практические (прикладные) проблемы частного характера.

Биофизика - наука XX века. Из этого не следует, что ранее не решались биофизические задачи. Максвелл построил теорию цветного зрения, Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Число примеров такого рода велико. Однако лишь в наше время биофизика перешла от изучения физических свойств организмов и физических воздействий на них (свет, звук, электричество) к фундаментальным проблемам — к исследованию наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетика. Это оказалось возможным именно благодаря мощному развитию биологии и биохимии.

Задачи биофизики те же, что и биологии. Они состоят в познании явлений жизни. Биофизик должен обладать и физическими, и биологическими знаниями. Для успешной работы в области биофизики желательно общее понимание живой природы, определяемое знанием основ зоологии и ботаники, физиологии и экологии.

Несмотря на большие трудности, современная биофизика достигла круглых успехов в объяснении ряда биологических явлений. Мы узнали многое о строении и свойствах биологически функциональных молекул, о свойствах и механизмах действий клеточных структур, таких, как мембраны, биоэнергетические органоиды, механохимические системы. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов, вплоть до онтогенеза и филогенеза. Реализованы общетеоретические подходы к явлениям жизни, основанные на термодинамике, теория информации, теории автоматического регулирования.

Разделы и методы биофизики.

Биофизика условно подразделяется на три области: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Это деление не обязательно, но удобно.

Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биологических функциональных молекул, прежде всего биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функциональность молекул. Молекулярная биофизика наиболее развитая область биофизики. Она неотделима от молекулярной биологии и химии.

Поскольку главные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности, мы можем рассматривать равновесные свойства молекул. Теоретический аппарат молекулярной биофизики - равновесная термодинамика, статистическая механика и, конечно, квантовая механика. Для экспериментального исследования биологических функциональных молекул применяется широкий арсенал физических методов. Это во-первых,.методы, употребляемые в физике макромолекул для определения их молекулярных масс, размеров и формы — седиментации в ультрацентрифуге, рассеяние рентгеновских лучей растворами исследуемых веществ и т. д. Во-вторых, методы исследования структуры молекул, основанные на взаимодействии вещества со светом, включают рентгеноструктурный анализ, -резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры, т. е. спектры поглощения и люминесценции в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния. Сюда же относятся спектрополяриметрия, т.е. исследования естественного и магнитного вращения плоскости поляризации света и кругового дихроизма. Очень ценную информацию дают спектры ядерного и электронного парамагнитного

резонансов (ЯМР и ЭПР). В случае ЭПР особенно важно применение парамагнитных спиновых меток. В-третьих, методы калориметрии применяемые для изучения превращений биологических макромолекул. И, наконец, прямое значение структуры белков и нуклеиновых кислот посредством электронной микроскопии.

Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучающую строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Эта область биофизики является самой старой и традиционной. Ее главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки включает изучение генерации и распространения нервного импульса, изучение механохимических процессов, изучение фотобиологических явлений. В этой области также применяются уже перечисленные экспериментальные методы. Биофизика клетки имеет дело с более сложными задачами и встречается с большими трудностями по сравнению с молекулярной биофизикой.

Биофизикой сложных систем условно показывается преимущественно теоретическая область биофизики, посвященная рассмотрению общих физико-биологических проблем и физико-математическому моделированию биологических процессов. Перечислим основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем.

1.                Общая теория диссипативных нелинейных динамических систем —
 термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирование.

2. Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологических колебательных процессов.

3. Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений.

4. Общая теория и моделирование процессов биологического развития -
эволюции, онтогенеза, канцерогенеза, иммунитета.

Все разделы биофизики находят сегодня важные практические приложения, прежде всего в медицине и фармакологии, а также в сельском хозяйстве.