Біофізика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Біофізика

Біофізика, біологічна фізика, наука, що вивчає фізичні і физико-хімічні процеси, що протікають в живих організмах, а також ультраструктуру біологічних систем на всіх рівнях організації живої матерії, — від субмолекулярного і молекулярного до клітки і цілого організму. Розвиток Би. тісно пов'язано з інтенсивним взаємопроникненням ідей, теоретичних підходів і методів сучасної біології, фізики, хімії і математики. Розвиток біології показало, що для розуміння і вивчення елементарних біологічних явищ необхідне вживання понять і методів точних наук. Такий підхід виправданий тим, що всі біологічні об'єкти представляють зрештою сукупність атомів і молекул і підкоряються фізичним і хімічним закономірностям. Але оскільки біологічні системи — це системи, що самоорганізующиеся, склалися в процесі еволюції, їм властиві багато властивостей, що не мають місця в неживій природі. Складність біологічних систем забезпечує протікання процесів, маловірогідних для умов, що зазвичай розглядаються у фізиці. Б. в основному розглядає цілісні системи, не розкладаючи їх, по можливості, на хімічні компоненти. У зв'язку з цим виникає необхідність переробляти відомі физико-хімічні методи, створюючи високоспеціалізовані біофізичні методи і прийоми.

загрузка...

  Сучасна Б., згідно класифікації, прийнятої Міжнародним союзом теоретичної і прикладної біофізики (1961), включає наступні основні розділи: молекулярна Б., у завдання якої входить дослідження фізичних і физико-хімічних властивостей макромолекул і молекулярних комплексів, складових живі організми, а також характеру взаємодії і енергетики процесів, що протікають в них; Би. клітки, що вивчає физико-хімічні основи функції клітки, зв'язок молекулярної структури мембран і клітинних органел з їх функцією, механічні і електричні властивості, енергетику і термодинаміку клітинних процесів; Би. процесів управління і регуляції, яка займається дослідженням і моделюванням внутрішніх зв'язків системи управління в організмах, їх фізичною природою, дослідженням фізичних закономірностей живого на рівні цілого організму.

  Проте круг проблем, якими займається Б, що історично склався., ширше. ДО Б. відноситься: вивчення впливу фізичних чинників на організм (див. Вібрація . Прискорення, Невагомість ); дослідження біологічної дії іонізуючих випромінювань, яке у зв'язку з важливістю і актуальністю цього питання стало предметом радіобіології, спеціальної науки, що виділилася з Б. Фізічеський аналіз діяльності органів чуття, в першу чергу оптики ока, аналіз роботи органів руху, дихання, кровообігу як фізичних систем, питання міцності і еластичності тканин (див. Біомеханіка ) істотні розділи Б. Важноє, що історично склалися, значення має і розробка фізичних методів дослідження біологічних систем — від макромолекул до цілого організму, без яких неможливе сучасне біологічне дослідження.

  Окремі дослідження біофізичного характеру можна прослідити з 17 ст У цей період були зроблені спроби застосувати поняття, створені у фізиці і хімії, для аналізу біологічних явищ. Французький учений Р. Декарт розглядав людське тіло як складну машину. Він опублікував ряд робіт по дослідженню органів чуття — біоакустиці і оптиці. Послідовник Декарта — італійський учений Дж. А. Бореллі намагався пояснювати рух живих істот чисто фізичними закономірностями. Л. Ейлер, професор Петербурзького університету, вперше математично описав рух крові по судинах. М. В. Ломоносов висунув в 1756 одну з перших гіпотез кольорового зору. Могутнім поштовхом до физико-хімічних дослідженням явищ життю послужили досліди італійського вченого Л. Гальвані, який довів наявність «тваринної електрики». У 2-ій половині 19 ст німецькі учені Г. Гельмгольц і В. Вундт сформулювали основні закономірності фізіологічної акустики і фізіологічної оптики. Німецька лікарка Ю. Р. Майєр, спостерігаючи насичення киснем гемоглобіну в крові людини в тропічному і помірному кліматі, сформулював закон збереження енергії. Г. Гельмгольц і М. Рубнер продовжили дослідження цього закону на живих організмах. Роботами німецьких учених М. Гельмгольца, Е. Дюбуа-Реймона, Д. Бернштейна і ряду ін. були закладені основи уявлень про механізм виникнення електричних потенціалів в тканинах і поширення збудження по нерву. Значення іонного складу і реакції середовища в житті кліток і тканин було з'ясоване в роботах американського дослідника Ж. Леба, німецьких учених В. Нернста і Р. Гебера.

  В Росії І. М. Сеченов в кінці 19 ст досліджував фізичні закономірності розчинення газів в крові і біомеханіку рухів. К. А. Тімірязев вивчав фотосинтетичну активність окремих ділянок сонячного спектру у зв'язку з розподілом енергії в нім і особливостями спектру поглинання хлорофілу (1903). А. Ф. Самойлов описав акустичні властивості середнього вуха. П. П. Лазареву належить заслуга в розвитку іонної теорії збудження (1916). М. Н. Шатерников використовував термодинамічні вистави в дослідженнях енергетичного балансу організмів (1910—20). У 1905—15 були виконані класичні дослідження Н. К. Кольцова про роль физико-хімічних чинників (поверхневого натягнення, концентрації водневих іонів, катіонів) в житті клітки. Цей етап передісторії Б., період, що охоплює, до 20 рр. 20 ст, характерний появою окремих робіт з використанням ідей і методів фізики і фізичної хімії при дослідженні руху, слухового і зрітельного апаратів, фотосинтезу, механізму генерації електрорушійної сили в нерві і м'язі, значення іонного середовища для життєдіяльності кліток і тканин.

  Після Жовтневої революції склалися сприятливі умови для розвитку Б. у СРСР. У 1919 П. П. Лазарев створив в Москві інститут біологічної фізики, де вели роботи по іонній теорії збудження, кінетиці реакцій, що йдуть під дією світла, досліджували спектри поглинання і флуоресценції біологічних об'єктів, а також процеси первинної дії на організм різних чинників зовнішнього середовища. Пізніше такі інститути були створені і в інших країнах. У 20-і рр. Кольцов сформулював концепцію про молекулярну структуру гена і матричний механізм передачі спадкової інформації і синтезу макромолекул. У 20—30-і рр. вийшли ряд книг, що зробили глибокий вплив на подальший розвиток Би. у СРСР: «Біосфера» В. І. Вернадського (1926),»Теоретічеськая біологія» Е. С. Бауера (1935), «Физико-хімічні основи біології» Д. Л. Рубінштейна (1932), «Організація клітки» Н. К. Кольцова (1936), «Реакція живої речовини на зовнішні дії» Д. Н. Насонова і В. Я. Александрова (1940).

  В ці роки йшло поступове формування бази для біофізичних досліджень, розроблялися нові методи, зростало технічне оснащення лабораторій. Після 2-ої світової війни в СРСР і провідних капіталістичних країнах в результаті величезного розмаху досліджень по фізиці і хімії, виникнення потужної приладобудівної промисловості і різкого збільшення фінансування біологічних досліджень починається бурхливий розвиток Би.

  Формування окремих областей Би. Молекулярна Б. досліджує механізм біологічних явищ з точки зору взаємодії атомів і молекул, іонів і радикалів. У завдання цього розділу входить вивчення просторів будови, физико-хімічних властивостей біологічних систем на молекулярному рівні. Ця проблематика тісно пов'язана з біохімією, що особливо яскраво видно на прикладі вивчення будови біологічно важливих макромолекул, з'ясування просторової структури яких вимагає біофізичного підходу і вирішується методом рентгеноструктурного аналізу. Останній був успішно використаний для розшифровки відносно простих біологічних молекул (у 20-х рр. в Англії В. Астбері удалося частково розшифрувати структуру молекули целюлоза ) . Роботи по структурі білка були початі в 30-х рр. англійським ученим Дж. Берналом. До 1954 англійські дослідники Дж. Кендрю і М. Перуц знайшли метод розрахунку просторового розташування атомів в молекулі білка. Це дозволило розрахувати структуру міоглобіну і гемоглобіну, що дозволило розкрити механізм виникнення серповидноклітинної анемії і глибше зрозуміти природу активного центру білкової молекули. Роботи по вивченню просторової структури білків ведуться до СРСР на фізичному факультеті МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова), в інституті біофізики АН(Академія наук) СРСР і інших установах. Дослідження структури фіблярних білків (колагену, фіброїну шовку) показали наявність регулярної структури з групами амінокислот, що періодично чергуються. Побудована статистична теорія редуплікації (подвоєння) дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). До 1968 визначена структура близько 200 білків. Поряд з вивченням будови окремих молекул великі успіхи досягнуті в дослідженні молекулярних комплексів — ультраструктур, що створюють функціональні одиниці клітки.

  Дослідження по молекулярній Би. тісно пов'язані з біохімією, генетикою і цитологією, молекулярною біологією .

  Значне місце в молекулярній Би. займає проблема збуджених станів молекул в біологічних системах; такі молекули набувають високої хімічну активність. Найбільш вивчені збуджені стани, що виникають на первинній стадії фотобіологічних процесів, — фотосинтезу, зір і біолюмінесценції .

  Оригінальним напрямом у вітчизняній Би. можна рахувати вивчення надслабкого ультрафіолетового свічення біологічних систем ( мітогенетичного випромінювання, А. Р. Гурвіч, 1923—48). У 30-і рр. Г. М. Франк і С. Ф. Родіонов розробили фізичний метод виявлення надслабких свічень біологічних об'єктів. Успіхи в розробці методів реєстрації надслабких світлових потоків за допомогою фотоелектронних помножувачів привели в 50-х рр. 20 ст до відкриття надслабкого свічення ряду тваринних і рослинних об'єктів у видимої області спектру. Був показаний зв'язок цього свічення з рекомбінацією вільних радикалів. А. Н. Тереніним із співробітниками були досліджені механізми елементарних фотофізичних процесів за участю пігментів, вказана роль станів молекул, відкритий механізм міграції енергії в них при фотохімічних реакціях, вивчений механізм люмінесценції білків (1950—65). А. А. Красновський відкрив і досліджував реакцію оборотного фотохімічного відновлення хлорофілу і його аналогів (1949—60). Ці роботи сприяли розвитку біологічної фотохімії.

  В одному з важливих розділів Би. розглядається перетворення енергії в живих організмах, починаючи з перетворення і міграції енергії на молекулярному рівні і кінчаючи енергетичним балансом цілого організму (див. Біоенергетика ). Дослідження взаємної трансформації хімічної і механічної енергії при скороченні м'язового волокна, молекулярні механізми руху вій і джгутиків в простих, рухи протоплазми і клітинних органел стали предметом вивчення механохімії, що знаходиться на стику біохімії і молекулярної Б. У 1938 в роботі радянських учених В. А. Енгельгардта і М. Н. Любімової, що вивчали механізм м'язового скорочення, було вперше продемонстровано наявність прямого зв'язку між механічними і хімічними процесами. Надалі ці роботи були розвинені американським ученим А. Сент-Дьердьі.

  Традиційний розділ Би. — вивчення физико-хімічних властивостей клітки і проникність біологічних мембран для різних речовин. Всього більшого значення набувають проблеми моделювання штучних мембран і активного транспорту іонів . Одним з прикладів практичного вживання знань, отриманих в цій області Б., біохімією і фізіологією, є створення штучної бруньки .

  Важливою проблемою Б. є вивчення біоелектричних явищ. У цій області Б. тісно пов'язана з фізіологією (див. Біоелектричні потенціали ). Дослідження показали, що між зовнішнім і внутрішнім середовищем кожної живої клітини підтримується різниця потенціалів близько 0,1 ст Її джерело — створюваний кліткою іонний градієнт між зовнішнім і внутріклітинним середовищем. Ці дані послужили основою для створення мембранної теорії генерації потенціалів в клітці, висунутій на початку століття німецьким ученим Д. Бернштейном і експериментально обгрунтованою в 50—60-і рр. роботами англійських учених А. Ходжкина, А. Хакслі і Б. Каца, що вивчали зміну проникності мембрани нервового волокна і іонні потоки в нерві при збудженні (див. Мембранна теорія збудження ). Значне місце займають також дослідження інших физико-хімічних властивостей кліток — в'язкості, оптичних властивостей, їх змін при різних фізіологічних станах і тих або інших діях.

  Біофізичні закономірності, властиві організму в цілому, розглядаються у відповідних розділах біоенергетики (вивчення механізму тепловіддача, теплоізоляції, теплопродукциі, швидкості охолоджування за різних умов і т.п.).

  Би. процесів управління нерозривно пов'язана з кібернетикою біологічною і біомеханікою . Створенню систем управління, з'ясуванню принципів управління рухами тварин і людини поклали початок дослідження радянського ученого Н. А. Бернштейна. Він першим приступив до вивчення зворотному зв'язку в біологічних системах (1934). Вивчення біомеханіки рухів (ходьба, біг, трудові рухи і ін.), дихання і кровообіги має виняткову важливість у зв'язку з питаннями фізіології праці і спорту, космічними польотами, а також для вивчення причин сердечних і судинних захворювань і створення апаратів штучного дихання і кровообігу.

  Біофізичні дослідження ведуться до СРСР в багатьох наукових установах, зокрема в інституті біофізики АН(Академія наук) СРСР, інституті цитології АН(Академія наук) СРСР, інституті молекулярної біології АН(Академія наук) СРСР, на кафедрах біофізики в МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова), БРЕШУ(Ленінградський державний університет імені А. А. Жданова) і в інших установах. Одна з перших в світі кафедр Би. була заснована в МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова) у 1953 Б.Н. Тарусовим. Дослідження по Б. і підготовка кадрів ведуться в багатьох країнах світу. Великобританія — Лондонський університет, Інститут молекулярної біології, Кембрідж; Угорщина — університет в р. Печ; ГДР(Німецька Демократична Республіка) — Інститут біології і медицини, Берлін; Ізраїль — Інститут Вейцмана, р. Реховот; Індія — Інститут кристалографії, молекулярної біології і ядерної фізики до Делі і університету в Мадрасе; КНР(Китайська Народна Республіка) — Інститут біофізики, Пекін; Польща — Варшавський університет і Інститут біохімії і біофізики АН(Академія наук) ПНР(Польська Народна Республіка); Румунія — Інститут біофізики, Бухарест; США — університет Йельський, Массачусетсський технологічний інститут, Каліфорнійський університет, Гарвардський університет, Рокфеллеровський інститут і багато що др.; Франція — Інститут физико-хімічної біології в Парижі, Інститут макромолекулярних досліджень в Страсбуре і др.; ФРН(Федеральна Республіка Німеччини) — Інститут біофізики суспільства М. Планка, Франкфурт-на-Майне, Інститут біологічної і медичної фізики при Геттингенському університеті і др.; Чехословакія — Інститут біофізики до Брно, Празького університету; Швеція — Відділення біофізики при Нобелівському інституті в Стокгольмі; Японія — університет до Осака, Інституту білка, там же, Токійський університет.

  На 1-м-коді Міжнародному біофізичному конгресі що відбувся в Стокгольмі в 1961, був створений Міжнародний союз теоретичної і прикладної біофізики, в центральну раду якого входять представники СРСР.

  Періодичні видання, в яких публікуються роботи по Б.: «Біофізика» (М., 1956—); «Молекулярна біологія» (М., 1967—); «Радіобіологія» (М., 1961—); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948—); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.— Amst., 1947—); «Biophysical Journal» (N. Y., I960—); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939—); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962—; у 1955— 1961 наз.(назив)—»Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.—L., 1959—); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.—L., 1957—); «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950—).

  Літ.: Бернштейн Н. А., Про побудову рухів, М., 1947; Лазарев П. П., Вигадування, т. 2 М.— Л., 1950; Бреслер С. Е., Введення в молекулярну біологію, М. —Л., 1966; Молекулярна біологія. [Сб. ст.], пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963; Пасинський А. Р., Біофізична хімія, М., 1963; Аккерман Ю., Біофізика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Питання біофізики. Матеріали I Міжнародного біофізичного конгресу. Стокгольм, липень — серпень 1961, М., 1964; Сетлоу Р., Поллард Е., Молекулярна біофізика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Волькенштейн М. Ст, Молекули і життя. Введення в молекулярну біофізику, М., 1965; Біофізика, М., 1968; Casey Е., Biophysics. Concepts and mechanisms, N. Y.—L., 1962; Physical techniques in biological research, v. 1—5, N. Y., 1955—64.

  Би. Н. Вепрінцев.