Биофизика

Наука
Биофизика др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. φύσις — природа
Биологическая физика
Тема	изучение биологических систем с использованием методов физических наук

Биофизика (др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. φύσις — природа) — наука изучающая физические и физико-химические явления в живых организмах, структуру и свойства биополимеров, влияние различных физических факторов на живые системы, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации живой материи — от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма.

История

Отдельные исследования биофизического характера прослеживались с XVII века. В этот период были сделаны попытки применить понятия, созданные в физике и химии, для анализа биологических явлений. Французский учёный Рене Декарт рассматривал человеческое тело как сложную машину. Он опубликовал ряд работ по исследованию органов чувств — биоакустике и оптике. Итальянский учёный Джовани Борелли пытался объяснять движение живых существ чисто физическими закономерностями. Профессор Петербургского университета Леонард Эйлер, впервые математически описал движение крови по сосудам. В 1756 году Михаил Ломоносов выдвинул одну из первых гипотез цветного зрения. Огромным толчком к физико-химическим исследованиям явлений жизни послужили опыты итальянского учёного Луиджи Гальвани, который доказал наличие «животного электричества». Во второй половине XIX века немецкие учёные Герман Гельмгольц и Вильгельм Вундт сформулировали основные закономерности физиологической акустики и физиологической оптики. Немецкий врач Юлиус Майер, наблюдая насыщение кислородом гемоглобина в крови человека в тропическом и умеренном климате, сформулировал закон сохранения энергии. Тот же Герман Гельмгольц и Макс Рубнер продолжили исследования этого закона на живых организмах. Работами немецких учёных Германа Гельмгольца и Эмиля Дюбуа-Реймона были заложены основы представлений о механизме возникновения электрических потенциалов в тканях и распространения возбуждения по нерву. В работах американского исследователя Жака Леба, немецких учёных Вальтера Нернста и Рудольфа Гебера было выяснено значение ионного состава и реакции среды в жизни клеток и тканей.

В конце XIX века в России, Иван Сеченов исследовал физические закономерности растворения газов в крови и биомеханику движений. В 1903 году Клемент Тимирязев изучал фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нём и особенностями спектра поглощения хлорофилла. В 1916 году Александр Самойлов описал акустические свойства среднего уха, а Петру Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения. В 1910—1920 годах Михаил Шатерников использовал термодинамические представления в исследованиях энергетического баланса организмов. В 1905—1915 годах были выполнены классические исследования Николая Кольцова о роли физико-химических факторов в жизни клетки. Этот этап предыстории Биофизики, охватывающий период до 20 годов XX века, характерен появлением отдельных работ с использованием идей и методов физики и физической химии при исследовании движения, слухового и зрительного аппаратов, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. После 1917 года XX века сложились благоприятные условия для развития Биофизики в Советском Союзе. В 1919 году Пётр Лазарев создал в Москве институт биологической физики, где вели работы по ионной теории возбуждения, кинетике реакций, идущих под действием света, исследовали спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного действия на организм различных факторов внешней среды. В 20-е годы Николай Кольцов сформулировал концепцию о молекулярной структуре гена и матричном механизме передачи наследственной информации и синтеза макромолекул. В 20—30-е годы вышел ряд книг, оказавших глубокое влияние на последующее развитие Биофизики в Советском Союзе: в 1926 году — «Биосфера» Владимира Вернадского, в 1932 году — «Физико-химические основы биологии» Дмитрия Рубинштейна, в 1935 году — «Теоретическая биология» Эрвина Бауэра, в 1936 году — «Организация клетки» Николая Кольцова, в 1940 году — «Реакция живого вещества на внешние воздействия» Дмитрия Насонова и Владимира Александрова. После Второй мировой войны в Советском Союзе и ведущих странах мира в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной промышленности и резкого увеличения финансирования биологических исследований началось бурное развитие Биофизики.

Структура и области применения

Развитие Биофизики тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии, физики, химии и математики. Развитие биологии показало, что для понимания и изучения элементарных биологических явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. Такой подход оправдан тем, что все биологические объекты представляют в конечном итоге совокупность атомов и молекул и подчиняются физическим и химическим закономерностям. Но так как биологические системы это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологических систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Биофизика в основном рассматривает целостные системы, не разлагая их, по возможности, на химические компоненты. В связи с этим возникает необходимость перерабатывать известные физико-химические методы, создавая высокоспециализированные биофизические методы и приёмы.

Современная Биофизика, согласно классификации, принятой в 1961 году Международным союзом теоретической и прикладной биофизики (англ. International Union for Pure and Applied Biophysics, IUPAB), включает следующие основные разделы: молекулярная биофизика, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы, а также характера взаимодействия и энергетики протекающих в них процессов. Биофизика клетки, изучающая физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функцией, механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов. Биофизика процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием внутренних связей системы управления в организмах, их физической природой, исследованием физических закономерностей живого на уровне целого организма.

Молекулярная биофизика исследует механизм биологических явлений с точки зрения взаимодействия атомов и молекул, ионов и радикалов. В задачу этого раздела входит изучение пространств, строения, физико-химических свойств биологических систем на молекулярном уровне. Эта проблематика тесно связана с биохимией, что особенно ярко видно на примере изучения строения биологически важных макромолекул, выяснение пространственной структуры которых требует биофизического подхода и решается методом рентгеноструктурного анализа. Последний был успешно использован для расшифровки относительно простых биологических молекул. К Биофизике относится: изучение влияния физических факторов на организм: вибрация, ускорение, невесомость. Исследование биологического действия ионизирующих излучений, которое в связи с важностью и актуальностью этого вопроса стало предметом радиобиологии, специальной науки, выделившейся из Биофизики. Физический анализ деятельности органов чувств, в первую очередь оптики глаза, анализ работы органов движения, дыхания, кровообращения как физических систем, вопросы прочности и эластичности тканей: биомеханики — существенные, исторически сложившиеся разделы Биофизики. Важное значение имеет и разработка физических методов исследования биологических систем — от макромолекул до целого организма, без которых невозможно современное биологическое исследование. Традиционный раздел Биофизики это изучение физико-химических свойств клетки и проницаемости биологических мембран для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов. Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области биофизикой, биохимией и физиологией, является создание искусственной почки.

Важной проблемой Биофизики является изучение биоэлектрических явлений. В этой области Биофизика тесно связана с физиологией. Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 вольт. Её источник — создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким и английскими учёными изучавшими изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении. Значительное место занимают также исследования других физико-химических свойств клеток — вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологических состояниях и тех или иных воздействиях. Биофизические закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики. Биофизика процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической и биомеханикой. Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования советского учёного Николая Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи в биологических системах. Изучение биомеханики движений, дыхания и кровообращения имеет исключительную важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полётами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусственного дыхания и кровообращения.

Литература

• Биофизика / Большая Российская энциклопедия // научно-редакционный совет: председатель — Ю. С. Осипов и др. — Москва : Большая Российская энциклопедия, Т. 3: "Банкетная кампания" 1904 - Большой Иргиз. — 2005. — 766 с. — ISBN 5-85270-320-6
• Биофизика / Большая советская энциклопедия // Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 3: Бари-Браслет. — 1970. — 640 с
• Биофизика / Пер. с англ. В. А. Отрощенко и В. Н. Сойфера ; Под ред. С. Ю. Лукьянова. — Москва : Мир, 1964. — 683 с.
• Биофизика / Под общ. ред. акад. АН СССР П. Г. Костюка. — Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. — 504 с.
• Биофизика / М. В. Волькенштейн. — 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Наука, 1988. — 590 с. — ISBN 5-02-013835-5

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Биофизика», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Биофизика» «https://znanierussia.ru/articles/Биофизика». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»