Предмет, задачи и становление биофизики

Лекция 1

ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ И СТАНОВЛЕНИЕ БИОФИЗИКИ

Биофизика — это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических актов.

История развития биофизики.

Развитие биофизики можно разделить на 3 этапа:

1-ый этап характеризуется накоплением отдельных фактов о биофизических процессах (длился с 17 по 18 век). В этот период развитие биофизики непосредственно связано с открытиями в других областях знаний: физике, химии, биологии (физиологии).

После разработки основ механики в 17 в. У. Гарвей (врач) использовал учение о гидродинамике для объяснения механизма кровообращения. Р. Декарт (математик, физик, философ) дал описание устройства глаза как оптического прибора à появление очков. Дж. Борелли использовал механику для объяснения движений человеческого тела.

Двигало науку вперёд и изобретение новых приборов. А. Ван Левенгук создал линзы (160-кратное увеличение) à М. Мальпиги увидел капилляры и подтвердил теорию У. Гарвея.

В 18 веке активно развивается учение о составе газов, физика света, учение об электричестве, появляется высокочувствительная техника. М.В. Ломоносов выдвигает гипотезы по термодинамике, цветном зрении. В работах М.В. Ломоносова были использованы количественные физико-химические методы в биологии, то есть биофизические методы.

Наиболее важные биофизические исследования начались с работ Луиджи Гальвани.

Л. Гальвани (1737-1798), профессор университета в Болонье, обнаружил в 1780 году странное явление. Он изучал препарат мышцы лягушки, когда один из его помощников случайно коснулся нерва лягушки скальпелем. Это привело к сильному сокращению всей мышцы. Другой сотрудник Гальвани заметил, что это явление наблюдается только, когда рядом с препаратом находилась дающая искры «электрическая машина». С этого момента Гальвани начал свои знаменитые эксперименты по «животному электричеству». Главный эффект был открыт, когда Гальвани обнаружил, что то же явление наблюдается, если спиной мозг лягушки соединить с другими частями препарата металлической проволокой.

Исследования Гальвани создали два направления в науке: электрические явления в живой материи на разных уровнях организации и статическое электричество в физике.

2-ой этап развития биофизики отличается широким проведением экспериментов, длился с 19 века до середины 20.

В 19 веке значительные достижения в биологии (появление клеточной теории, теории эволюции, теории онтогенеза, открытия в физиологии растений, человека и т.д.) привели к необходимости активно использовать количественные физико-химические методы. Широкое распространение получает эксперимент.

Г. Майер (врач), сопоставляя цвет крови (зависит от содержания О₂) моряков в тропиках и в северных широтах, пришёл к выводу, что теплота и работа могут трансформироваться друг в друга à первый закон термодинамики. Дальнейшие исследования учёных подтвердили это предположение.

С. Карно, Р.Л. Клаузиус (ввёл термин энтропия) и ряд других учёных разработали второй закон термодинамики (принцип необратимости).

Г. Гельмгольц - математически обосновал закон сохранения энергии и предложил термодинамическую теорию химических процессов, теорию слуха и оптику зрения.

Активно изучаются электрические явления в мышечной и нервной ткани, возникает мембранология.

Важным шагом было появление знаменитой «зеленой тетради», опубликованной в 1935 году Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком. В этой экспериментальной работе, сопровождаемой глубоким теоретическим анализом, было дано представление о генах и механизмах мутаций. В конце 1940 и начале 1950-х годов началось создание теории информации и применение ее в термодинамике и биофизике.

На 3-ем этап е биофизики идёт формирование собственного понятийного аппарата, разработка сложных биофизических методов исследования (с середины 20 века до наших дней)

Изучение фотосинтеза, клеточного дыхания и др. потребовало разработки новых биофизических подходов и методов. Начал формироваться новый понятийный аппарат и система взглядов свойственных только биофизике à методология биофизики. Стали использоваться сложные специфические методы: регистрация замедленной флуоресценции, электрический парамагнитный резонанс, ядерный парамагнитный резонанс, рентгенография, микроэлектродная техника, методы математического моделирования и др.

И. М. Лившицем разработан новый подход к статистической физике биополимеров. Работа Лившица создала новую главу статистической физики: статистическая физика неупорядоченных систем.

С появлением ядерного оружия возникла новая область биофизики - радиобиология.

С началом освоения космоса изучается влияние на человеческий организм невесомости, космического излучения.

На данный момент биофизика занимает лидирующие позиции в экспериментальной биологии.

В 1961 году был создан Международный союз чистой и прикладной биофизики (IUPAB), и началась эра периодических Международных биофизических конгрессов. В связи с этим были сформулированы задачи биофизики и определены разделы биофизики.

Задачи биофизики:

1. Раскрытие общих закономерностей поведения открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических 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, рецепция, фотосинтез и др.)

Разделы биофизики:

1. Молекулярная биофизики — изучает строение и физико-химические свойства, биофизику молекул.

2. Биофизика клетки — изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.

3. Биофизика сложных систем — изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем.

Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биологически функциональных молекул, прежде всего биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функциональность молекул, например за каталитическую активность белков-ферментов. Молекулярная биофизика — наиболее развитая область биофизики. Она неотделима от молекулярной биологии и химии. Крупные успехи в этой области понятны — легче изучать молекулы (даже наиболее сложные из известных науке молекулы белков), чем клетки или организмы.

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 фотобиологических явлений (фотосинтез, рецепция света, зрение, биолюминесценция).

Биофизикой сложных систем условно называется преимущественно теоретическая область биофизики, посвященная рассмотрению общих физико-биологических проблем и физико-математическому моделированию биологических процессов.

Конечная цель изучения биологической системы—расшифровка механизмов функционирования организма, выявление взаимосвязанных изменений структуры и функции на всех уровнях — от субклеточного до популяционного.

Возникновение биофизики во многом связано с вопросами, поставленными физиологией. Физиология исследует функции органов, место и роль этих функций в обеспечении жизнедеятельности, в то время как задача биофизики—изучение первичных механизмов, лежащих в основе физиологических функций.

Объект и предмет исследования.

Значительная часть биофизических исследований выполнена на субклеточном и молекулярном уровнях, поэтому биофизика чаще, чем другие биологические дисциплины, использует результаты и методы физики, химии и физической химии. В первичных биофизических процессах, лежащих в основе физиологических функций, обнаруживается большое сходство. Поэтому биофизика не имеет своего постоянного объекта, а имеет предмет исследования – физические и физико-химические явления в биологических системах.

Целью биофизического исследования является первичный механизм функционирования, как отдельной клетки, так и ее органелл и молекул при естественных условиях функционирования биосистемы.

Задачи биофизики в области аграрных наук. Можно выделить ряд задач биофизики в области аграрных наук.

1. Создание методов экспресс-диагностики состояния живых систем, например, степени повреждения при действии повреждающих факторов (высокой и низкой температуры, недостатка и избытка воды, избытка солей, недостатка кислорода, избытка вредных газов, токсичных металлов в почве).

2. Разработка методов оценки устойчивости растений к повреждающим факторам среды.

3. Новые физические методы стимуляции роста растений, повышения урожайности, качества продукции (лазерные лучи, СВЧ-излучение, радиация).

4. Усиление проницаемости клеток растений для средств защиты растений.

Практическая значимость. Разработаны методы оценки степени повреждения растений, методы оценки степени жароустойчивости, морозоустойчивости, солеустойчивости.

Открыты новые явления – замедленная, или фотосинтетическая, люминесценция, спонтанное сверхслабое свечение живых объектов.

Дата добавления: 2015-10-21