Что такое биофизика
Биофизика - раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом; это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности. Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества. Биофизика - наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских. В биофизике выделяют следующие разделы: кинетика биологических процессов; термодинамика биологических процессов: преобразования энергии в живых структурах; молекулярная биофизика; биофизика мембранных процессов: свойства биологических мембран и их частей; биофизика фотобиологических процессов; радиационная биофизика; математическая биофизика и др.
Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью соотношения физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.
2. Структурные основы цитоплазматической мембраны её биологическое значение.
Живая клетка – элементарная живая система, являющаяся основой строения всех животных и растений.
Важнейшими условиями существования клетки являются:
1) Автономность по отношению к окружающей среде (вещество клетки не должно смешиваться с веществом окружения);
2) Постоянный, регулируемый обмен веществом и энергией с окружающей средой. Эти 2 условия обеспечиваются нормальным функционированием биологических мембран.
С точки зрения структуры мембрана представляет собой матрицу для мембранных ферментов, рецепторов и других компонентов, создающих барьерную функцию. Молекулы фосфолипидов состоят из полярной головки (П), в состав которой входит одно из полярных соединений (холин, этаноламин и др.) и неполярного хвоста (Г), который содержит глицерин, жирные кислоты, фосфорную кислоту. Фосфолипидные молекулы обладают свойством амфильности: полярная головка гидрофильна, т.е. смачивается водой, а «хвост» является гидрофобным, т.е. не смачивается водой. По форме молекулы фосфолипидов представляют сплющенные цилиндры, ¼ которых гидрофильна, а ¾ гидрофобны. В водных растворах такие молекулы самособираются, стараясь спрятать от воды гидрофобные хвосты, и образуют двойной фосфолипидный слой – собственно основу мембраны. В этот слой встраиваются поверхностные (ПБ) и интегральные (ИБ) белки. Поверхностные белки удерживаются электростатическими силами, а интегральные – прочными гидрофобными взаимодействиями. Также в состав мембраны могут входить белки 3-го типа – эти белки насквозь пронизывают мембрану. Белки 4-го типа образуют белковые каналы. Фосфолипидные молекулы могут быть лишены одно из хвостов, в таком случае они перестраиваются и образуют поры а мембране, что нарушает барьерную функцию мембраны. Такая модель мембраны получила название жидкостно-мозаичной и является общепринятой.
Выделяют 3 основные функции биологических мембран:
1) Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый активный и пассивный обмен веществом с окружающей средой;
2) Матричная – обеспечивает определённое взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие;
3) Механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур.
Кроме этого выделяют другие функции:
1) Энергетическая – синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий;
2) Генерация и проведение биопотенциалов;
3) Рецепторная (большое кол-во рецепторов на наружной поверхности мембраны).
КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ
Методические указания
студентам по теме практического занятия
БИОФИЗИКА КЛЕТКИ.
МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ.
Воронеж 2009
Методические указания разработаны на основании примерных рабочих программ по медицинской и биологической физике (специальности: лечебное дело, педиатрия, медико-профилактическое дело), физике и биофизике (специальности: фармация, сестринское дело), рекомендованных Центральным методическим советом ВГМА. Содержат основные теоретические вопросы по данной теме и дидактические единицы для подготовки к занятию и самоконтроля. Предназначены для студентов IиIIкурсов лечебного, педиатрического, медико-профилактического, фармацевтического факультетов, МИМОС (лечебное дело), ИСО.
Печатается по решению Центрального методического совета ВГМА
(протокол №6 от 16.04.2009 г.).
ТЕМА: Биофизика клетки
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:
1. Овладеть необходимыми теоретическими знаниями в области мембранологии.
2. Выработать умения применять полученные знания для анализа конкретных физических явлений, наблюдаемых в биологических системах.
После изучения темы студент должен знать:
а) принципы организации, строение, физические свойства и функции клеточных мембран;
б) основные механизмы транспорта веществ через мембрану;
в) природу, механизм образования и способы распространения биоэлектрических потенциалов.
а) решать типовые задачи по количественному расчету процессов диффузии, осмоса, фильтрации;
б) проводить анализ и количественную оценку процессов, происходящих при формировании потенциала покоя и генерации потенциала действия.
МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ
Плазматическая мембрана является ключевым компонентом, обеспечивающим жизнедеятельность клетки, и многие патологические состояния связаны с изменением структуры и функциональных свойств биомембран. Вопросы селективного транспорта веществ важны для понимания принципов применения фармакологических препаратов в терапии. Процессы биоэлектрогенеза лежат в основе функционирования нервной системы, сердца, скелетной мускулатуры. Поэтому тема "Биофизика клетки" в рамках дисциплины "Медицинская и биологическая физика" необходима студентам для прохождения профессиональных дисциплин и дисциплин специальности.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ
Задание 1.
Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендуемую литературу по следующей логической структуре учебного материала:
1. Современные представления об организации плазматической мембраны
а) жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны;
б) функции биологической мембраны;
в) подвижность компонентов биомембраны;
г) физические свойства биомембраны.
2. Селективный транспорт веществ
а) диффузия
– диффузия нейтральных и заряженных частиц через липидную фазу мембраны;
– диффузия веществ через мембранные поры и белковые каналы;
– облегченная диффузия
в) фильтрация
г) активный транспорт веществ
3. Биоэлектрогенез
а) мембранно-ионная теория возникновения потенциала покоя;
б) биофизические механизмы образования потенциала действия;
в) способы распространения биоэлектрических потенциалов.
Задание 2.
Подготовить реферативные сообщения на темы, полученные у преподавателя на предыдущем занятии.
Средства для самоподготовки студентов
во внеаудиторное время
1. Учебная и методическая литература
а) основная
– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 184-213.
– Физика и биофизика / Под ред. В.Ф. Антонова. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – С. 180-271.
– Лекционный материал по теме "Биофизика клетки".
– Ремизов А.Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2001. – С. 79-85.
б) дополнительная
– Самойлов В.О. Медицинская биофизика / В.О. Самойлов. – СПб.: СпецЛит, 2004. – С. 19-131, 262-314.
– Артюхов В.Г. Биофизика / В.Г. Артюхов, Т.А. Ковалева, В.П. Шмелев. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1994. – С.146-227.
– Физиология человека / Под ред. Г.И. Косицкого. – М.: Медицина, 1985. – С. 19-44.
2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ
Строение и физические свойства биологических мембран.
Клеточная (плазматическая) мембрана – ультратонкая пленка (4-13 нм) на поверхности клетки или внутриклеточных органоидов, ограничивающая их от внешних объектов.
В 1972 г. С.Дж. Синджером и Г.Л. Николсоном была предложена жидко-кристаллическая мозаичная модель строения мембраны: в основе мембраны лежит текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки, образующие в нем своеобразную мозаику.
Фосфолипиды являются амфифильными соединениями – имеют полярную гидрофильную часть (несущую электрический заряд) и длинные гидрофобные фрагменты. Такие молекулы в водном растворе будут самопроизвольно ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы гидрофобные углеводородные цепи были закрыты от воды. Образуются двухслойные липосомы (рис. 1). Это расположение термодинамически выгодно, поскольку соответствует наименьшему значению свободной энергии Гиббса. Если количественно преобладают фосфолипиды с одним хвостом (лизолецитин), то формируются однослойные мицеллы. В составе мембран сосредоточения таких молекул формируют поры (рис. 1), через которые осуществляется транспорт воды, ионов и т.д., поскольку внутренняя часть поры гидрофильна.
|
|
|
||||
|
|
|||||
|
Рис. 1. Самоорганизация липидных молекул в водном растворе |
|||||
липосомаЛипиды, формирующие бислой мембраны, обладают достаточно высокой подвижностью и способны к:
вращению вокруг собственной оси (поворот на 1 радиан за 10 –9 с);
латеральной диффузии – хаотичное тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Среднее квадратическое перемещение (S кв) определяется по формуле Эйнштейна:
,
где D– коэффициент латеральной диффузии молекулы,t– время. ЭкспериментальноS кв можно определить методом флюоресцентных меток.
Частота перескоков молекулы рассчитывается по формуле:
,
где f– площадь, занимаемая одной молекулой в мембране.
транс-переходам ("флип-флоп") – перемещение из одного монослоя в другой (среднее время перескока молекулы ≈ 1 час).
В физиологических условиях липиды мембран, находятся в жидком агрегатном состоянии, что обеспечивает относительную подвижность белковых молекул. Часть белков "заякорена" на структурах цитоскелета (микротрубочки и микрофиламенты) и их диффузия затруднена. Кроме того, липидный бислой содержит особые домены – рафты (от англ. плот, паром), которые обладают высокой плотностью, упорядоченностью, включают в себя мембранные белки и диффундируют в плоскости мембраны как единое целое.
Белковые молекулы имеют различную степень погруженности в липидную фазу. Различают: поверхностные белки, полупогруженные, погруженные (интегральные).
Углеводы, входящие в состав мембран химически связаны с белками или липидами.
Общие функции биологической мембраны:
структурная – обеспечивает автономность клетки и внутриклеточных компартментов;
барьерная – осуществляет селективный транспорт веществ;
матричная – обеспечивает оптимальное расположение белковых ансамблей (например, ЭТЦ митохондрий);
сигнальная – связывает информационные молекулы (например, гормоны) и выступает триггером дальнейших внутриклеточных событий.
Наряду с этим клеточные мембраны выполняют функции, зависящие от специализации клеток (генерация и проведение нервного импульса, мышечное сокращение, окисление субстратов и т.д.).
Физические свойства мембран.
Жидкокристаллическая структура мембраны чрезвычайно чувствительна к действию физических факторов среды. При снижении температуры происходит фазовый переход в твердокристаллическое состояние (гель), при этом меняются характеристические свойства мембраны (рис. 2). Увеличивается плотность гексагональной упаковки фосфолипидов (для лецитина от 0,6-0,8 нм 2 до 0,46-0,48 нм 2) и толщина мембраны (от 3,9 нм до 4,7 нм). В физиологических условиях текучесть мембраны уменьшается при повышении содержания в ней холестерина, ионов кальция, магния. Фазовые переходы подчиняются закону "все или ничего" – при плавном изменении действующего фактора физико-химические свойства мембраны изменяются скачкообразно.
Рис. 2. Фазовые переходы мембран.
Отдельная жирнокислотная цепь в жидкокристаллической мембране может принимать множество различных конфигураций за счет вращения одинарных С–С связей. В твердом бислое молекулы принимают полностью транс-конформацию и возможны лишь небольшие колебательные движения:
В жидком бислое возможны тепловые движения, сопровождающиеся транс-гош-переходами:
|
|
– транс-гош-конформация |
Расположенные рядом гош-конформации могут образовывать в бислое полости – кинки (от англ. kink – петля), в которые могут попасть молекулы из внемембранного пространства. Последующее изменение конформации цепей приводит к движению кинка и перемещению вещества в продольной или поперечной плоскости мембраны (рис. 3)
Рис. 3. Движение кинка с веществом.
Для биологической мембраны характерен трансмембранный биопотенциал – разность потенциалов на внутренней и наружной сторонах. Его величина составляет ≈ – 60-90 мВ. Вследствие малой толщины мембраны напряженность электрического поля достигает 6-910 6 В/м. Емкостные свойства мембраны как конденсатора составляют 0,5-1,3 мкФсм –2 .
Транспорт веществ через мембрану.
Одна из основных функций биологической мембраны – селективный транспорт веществ. Принято различать
пассивный транспорт – происходящий в направлении действия электрохимического градиента (концентрационного, электрического и т.д.);
активный транспорт – процессы переноса веществ против существующих градиентов и требующие затрат энергии.
Пассивный транспорт объединяет ряд механизмов переноса веществ.
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из области большей концентрации в область меньшей концентрации вследствие хаотического теплового движения молекул.Уравнение диффузии (уравнение Фика ) имеет вид:
,
где J– плотность потока
– количество вещества переносимое
через единицу площади за единицу времени
[моль/м 2 с];
– градиент молярной концентрации;D– коэффициент диффузии [м 2 /с]:
,
где R– универсальная газовая постоянная (8,31 Джмоль –1 К –1); Т – абсолютная температура (К);N A – постоянная Авогадро (6,0210 23 моль –1);r– радиус диффундирующих частиц (м);- вязкость среды (Нс/м 2). Таким образом, скорость диффузии будет зависеть от температуры, вязкости растворителя и размера частиц.
Для расчета диффузии через биологическую мембрану часто используют формулу:
,
где Р – коэффициент проницаемости; с i и с 0 – молярная концентрация частиц в клетке и снаружи. Коэффициент проницаемости прямо пропорционален коэффициенту диффузии (D), коэффициенту распределения вещества между водным раствором и липидной фазой мембраны (k) и обратно пропорционален толщине мембраны (l):
Коэффициент распределения тем выше, чем легче вещество растворяется в липидной фазе. Следовательно, переход гидрофильных соединений непосредственно через липидный бислой будет крайне затруднен (так, молекулы пропиленгликоля диффундируют через мембрану примерно в 20 раз быстрее, чем молекулы мочевины).
Если происходит перенос заряженных частиц (ионов), то помимо концентрационного градиента необходимо учитывать величину разности потенциалов биологической мембраны. Уравнение диффузии для таких частиц называется уравнением Нернста-Планка и имеет вид:
,
где u m – подвижность диффундирующих частиц
выраженная для моля (u = u m N A);Z– заряд иона;F– постоянная Фарадея; с – молярная
концентрация ионов;
– градиент мембранного потенциала.
Кроме диффузии через липидный бислой мембраны транспорт веществ может происходить через липидные поры и белковые каналы (рис. 4).
Мембранный канал представляет собой интегральный белок (белковый комплекс, гликопротеид), пронизывающий липидный каркас мембраны и обеспечивающий перенос веществ через мембрану в сторону более низкого электрохимического потенциала. Вторичная структура белкового комплекса имеет-складчатый характер с цилиндрической полостью внутри, заполненной водой. Коэффициент проницаемости ионных каналов для гидрофильных веществ составляет 10 –8 -10 –9 м/с, что на 5-6 порядков меньше скорости переноса ионов в водной среде, но значительно превышает скорость их диффузии через липидную фазу.
Ионный канал содержит два основных компонента: селективный фильтр и воротный механизм. Первый имеет жесткую структуру, т.е. в этой части белковый комплекс не может изменять размеры поры и регулировать проницаемость мембраны. Функция селективного фильтра – пропускать через канал определенное вещество или группу сходных с ним веществ, т.е. избирательная проницаемость. Регулирование мембранной проницаемости обеспечивается воротными процессами. Они осуществляются "воротами канала", которые представляют собой части белкового комплекса, способные "раскручиваться" и "скручиваться" в ходе их механохимических реакций и благодаря этому создавать просвет внутри белкового комплекса или перекрывать его (сжимать или восстанавливать пору).
Проницаемость мембраны для данного вещества определяется только числом открытых в данный момент каналов. Поэтому мембранную проницаемость (Р) при переносе веществ по каналам рассчитывают по формуле:
,
где n– число открытых каналов на единице поверхности;r– радиус канала;D– коэффициент диффузии;l– длина канала (примерно соответствует толщине мембраны).
Переход канала из закрытого состояния в открытое и обратно осуществляется под действием определенных стимулов (сдвиг мембранного потенциала, химические, механические, световые модальности).
Облегченная диффузия происходит с участием специальных переносчиков. Например, антибиотик валиномицин осуществляет перенос ионов калия через мембрану. Его структура напоминает браслет (рис. 5) образованный изнутри полярными группами (обеспечивают связывание калия), а снаружи – неполярными (обуславливают гидрофобность молекулы). Ион калия встраивается в центральную область антибиотика на наружной поверхности мембраны, заряженный комплекс под действием электрического поля диффундирует через мембрану и на ее внутренней стороне распадается. Калий поступает в цитоплазму, а свободная молекула валиномицина возвращается обратно.
По современным представлениям, аналогично происходит перенос аминокислот, сахаров и ряда других веществ.
Примером фиксированного переносчика является антибиотик грамицидин. Две его молекулы встраиваются в мембрану и формируют полый цилиндр, в котором полярные группы расположены внутри. Скорость переноса ионов может составлять 10 10 с –1 , что примерно в 10 5 раз превышает производительность подвижных переносчиков.
Характерные черты облегченной диффузии:
для ее реализации обязательно должен существовать концентрационный градиент переносимого вещества;
при увеличении градиента концентрации скорость облегченной диффузии повышается до определенного предела ("насыщение" определяется концентрацией переносчика);
скорость облегченной диффузии значительно превышает скорость простой, поскольку переносчик приводит к значительному повышению мембранной проницаемости для данного вещества;
возможна конкуренция близких по структуре веществ за связывание с молекулой переносчика.
Осмос – движение растворителя через полупроницаемую мембрану (непроницаемую для растворенного вещества) в сторону более концентрированного раствора. По своей сути осмос – это простая диффузия молекул воды.
Осмотическое давление измеряется в атмосферах (в СИ – паскали) и определяется по формуле:
Р осм =RTCi,
где R– универсальная
газовая постоянная, 8,3110 3 
;
Т – температура, К; С – концентрация
растворенного вещества, г/моль;i– изотонический (изоосмотический)
коэффициент (для не электролитовi= 1, для разбавленных растворов солей,
кислот, щелочейi≈ 2-3).
Сила, противодействующая осмосу –
упругое сопротивление мембраны или
дополнительная величина гидростатического
давления. В тот момент, когда величина
осмотического давления уравновешивается
противодействующей силой, система
переходит в состояние равновесия. Р осм большинства клеток организма человека
составляет около 780 кПа (7,5-8,1 атм). В
местах воспаления (опухоли) возможно
увеличение до 15-20 атм.
Явление осмоса играет ключевую роль в жизнедеятельности организма, обеспечивая поступление воды через мембраны и тургор или упругость клеток (формообразование, эластические свойства тканей).
По сравнению с осмотическим давлением клеток, внешние растворы могут быть:
Изотоническими – имеют ту же величину осмотического давления, не вызывают изменения клеточных структур (0,9% водный растворNaClназывают физиологическим раствором). Для инъекций лекарственных препаратов используются преимущественно изотонические растворы.
Гипертоническими – растворы с большим осмотическим давлением, приводят к плазмолизу клеток ("сморщиванию") вследствие выхода из них воды.
Гипотоническими – растворы с меньшим осмотическим давлением приводят к разбуханию и разрыву клеточной оболочки – лизису, поскольку вода начинает поступать внутрь клетки. Повязки с гипертоническим раствором (10%NaCl) применяют в медицине при лечении гнойных ран (за счет осмоса происходит ток жидкости из раны и она очищается от микроорганизмов, продуктов распада). Горькую соль (MgSO 4 7H 2 O) и глауберову соль (Na 2 SO 4 10H 2 O) используют как слабительные средства. Они плохо всасываются в желудочно-кишечном тракте, и при применении гипертонических растворов этих солей в просвет кишечника переходит значительное количество воды из слизистой оболочки.
Фильтрация – движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления. В общем виде, скорость переноса при фильтрации подчиняется закону Пуазейля:
Фильтрация играет огромную роль в капиллярном транспорте, поскольку обеспечивает перенос воды и растворенных в ней веществ из плазмы крови в тканевую жидкость. Направление и скорость движения воды определяется по формуле:
Q=f((Р гк – Р гт) – (Р ок – Р от)),
где Q– объемная скорость движения воды через капиллярную стенку;f– коэффициент фильтрации (определяется вязкостью раствора, количеством пор и т.д.); Р гк – гидростатическое давление в капилляре; Р гт – гидростатическое давление в тканевой жидкости; Р ок – онкотическое давление крови; Р от – онкотическое давление тканевой жидкости. Онкотическое давление – часть осмотического, создаваемое за счет белковых макромолекул (более мелкие молекулы свободно проходят через капиллярную стенку и не участвуют в формировании осмотического давления). Под действием Р гк и Р от жидкость стремится выйти из капилляра в ткань (фильтрация), а под действием Р гт и Р ок – возвратиться обратно в капилляр (реабсорбция). Градиент гидростатического давления в капиллярном русле приводит к тому, что в артериальной части артериол происходит фильтрация, а в венозной части – реабсорбция, причем между объемами отфильтрованной и реабсорбированной жидкости в норме существует динамическое равновесие (≈ 10% объема жидкости возвращается из интерстициального пространства в кровяное русло с помощью лимфатической системы).
Активный транспорт идет против существующих электрохимических градиентов и сопровождается ростом энергии Гиббса. Следовательно, он всегда происходит с затратой энергии запасенной в макроэргических связях АТФ. Впервые существование активного транспорта было показано в опытах Уссинга (1949 г).
Камера Уссинга (рис. 6) заполнена раствором Рингера и разделена на две половины кожей лягушки. Наблюдались потоки ионов Na + , при этом внутренняя сторона кожи приобретала положительный заряд по отношению к наружной. С помощью блока компенсации напряжения разность потенциала кожи приводили нулю и поддерживали одинаковую концентрацию ионов по обе стороны мембраны. Если бы транспорт ионов осуществлялся только пассивными механизмами, то потоки ионов через мембрану в обе стороны были бы равны, а ток в цепи отсутствовал. Однако электрический ток продолжал протекать через мембрану, следовательно, происходит однонаправленный перенос заряженных частиц. Метод радиоактивных изотопов показал, что поток ионовNa + внутрь клетки превышает поток из клетки. Дальнейшие опыты показали, что истощение запасов АТФ в коже лягушки приводит к остановке однонаправленного потока ионовNa + .
БИОФИЗИКА (биологическая физика), наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Становление и развитие биофизики проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой. Согласно классификации, принятой Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961) и отражающей основные объекты и области биофизических исследований, биофизика включает в себя следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. В рамках биофизики выделяют также биомеханику, биологическую оптику, биомагнетизм, биологическую термодинамику. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующие излучения, электромагнитные поля и др.).
История становления биофизики. Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 век), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Р. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 году У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 веке важное значение в познании физико-химических явлений, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтой и Л. Гальваны по поводу открытого последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии.
В 19 веке развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениусом, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернстом. Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон и Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лё6а (США), В. Нернста и Р. Герера (Германия). Всё это позволило Э. Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действием каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».
Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И. М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В. Ю. Чаговцом. К. А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественную закономерность между скоростью процесса фотосинтеза и поглощением хлорофиллом листьев света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 годах Н. К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов и других катионов) в жизни клетки. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в том числе С. И. Вавилов, С. В. Кравков, В. В. Шулейкин, С. В. Дерягин и др.). В 1919 году им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Открытие А. Г. Гурвичем (1923) митогенетических лучей, стимулирующих деление клеток, получило развитие в работах Г. М. Франка. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В. И. Вернадского («Биосфера», 1926), Э. С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д. Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н. К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др. Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с развитием и совершенствованием физических и химических методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии.
Современные направления биофизики . В современной биофизике можно выделить 2 основных направления: теоретическую биофизику (решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, изучает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, трансформацию в них энергии) и биофизику конкретных биологических процессов, анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого. К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Р. Пригожин); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях.
Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах. Анализ конкретных биологических процессов в биофизике основан на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки внутримолекулярной подвижности и т. д. Большое значение имеет использование современных экспериментальных методов, и прежде всего рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР), спектрофотометрии, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. Так, при рентгеноструктурном анализе белка в 1954 году Дж. Кендрю и М. Перуц предложили способ расчёта расположения атомов в молекуле, что позволило им установить пространственную структуру миоглобина и гемоглобина (к началу 21 века установлена структура около 1000 белков). Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях (Л. А. Блюменфельд, М. В. Волькенштейн), стохастических свойствах белка (О. Б. Птицын) составляют основу понимания принципов функционирования биологических макромолекул.
Традиционно биофизика изучает свойства биологических мембран, их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, выяснению их проницаемости для неэлектролитов и различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии (смотри Биоэнергетика) в структурах, где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации (Н. М. Эмануэль, Б. Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией, - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергий, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает квантовая биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез, зрение, воздействие на кожные покровы и так далее), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты) на биологические объекты. Ещё в 1940-х годах А. Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов. Позднее А. А. Красновский показал способность возбуждённого светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза. Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в частотном диапазоне 10 -15 -10 -6 с -1 и более.
Достижения в биофизике в большой степени связаны с развитием медицины и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, биолюминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологическая биофизика анализирует влияние абиотических факторов (температура, свет, электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на организмы, их жизнеспособность и устойчивость. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс-методов для оценки состояния экосистем.
Научные учреждения, общества, периодические издания . В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и вузов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1952 году был организован Институт биологической физики Академии Наук СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки и Институт теоретической и экспериментальной биофизики. Биофизика активно развивается в Институте биофизики Министерства здравоохранения Российской Федерации, Институте молекулярной биологии и Институте белка РАН, Институте биофизики СО РАН, в университетах Москвы, Санкт-Петербурга и Воронежа, в Московском физико-техническом и Московском инженерно-физическом институтах и др. Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики была организована в 1953 году на биолого-почвенном (Б. Н. Тарусов), в 1959 - на физическом факультете (Л. А. Блюменфельд) МГУ, а затем в ряде других вузов страны. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах многих стран мира. Международные конгрессы, организуемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, проводятся регулярно - каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы. Среди периодических изданий, в которых публикуются труды по биофизике: «Биофизика» (М., 1956); «Молекулярная биология» (М., 1967); «Радиобиология» (М., 1961); «Биологические мембраны» (М., 1984); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.; Amst., 1947); «Biophysical Journal» (N.Y., 1960); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi., 1939); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.; L., 1959); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.; L., 1957);«Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (N. Y., 1950); «Progress in Biophysics and Molecular Biology» (Oxf., 1963) и др.
Лит.: Байер В. Биофизика. М., 1962; Аккерман Ю. Биофизика. М., 1964; Биофизика. М., 1968; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М., 1974; Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания. М., 1974; Блюменфельд Л. А. Проблемы биологической физики. 2-е изд. М., 1977; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И., Сельков Е. Е. Математическая биофизика клетки. М., 1978; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Хакен Г. Синергетика. М., 1980; Кантор Ч., Шаммел П. Биофизическая химия. 2-е изд. М., 1984; Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984; Рубин А. Б. Термодинамика биологических процессов. М., 1984; он же. Биофизика. М., 1999-2000. Т. 1-2; Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г. Ю. Кинетика биологических процессов. 2-е изд. М., 1987; Волькенштейн М. В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988; Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М., 2002; Аксенов С. И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004.
Биофизика
I
Биофи́зика
наука, изучающая физические свойства биологически важных молекул, молекулярных комплексов, клеток и сложных биологических систем, а также протекающие в них физические и физико-химические процессы. Биофизические исследования используются при изучении механизмов возникновения болезней человека, разработке новых лекарственных средств, методов лечения и диагностики, а также при создании современной медицинской техники. Изучение физико-химической основы биологических явлений, протекающих на молекулярном уровне, стало возможным благодаря успехам физики и физической химии в конце 19 - начале 20 в. По мере совершенствования методов физико-химических исследований возможности Б. значительно расширялись. Интенсивному развитию науки способствовало появление новых физических методов - рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, прецизионной спектрометрии и спектрофлюориметрии, электрометрии, оптических измерений, методов, основанных на ядерном магнитном резонансе (Ядерный магнитный резонанс) (ЯМР) и др., а также компьютерной техники. Изучение явления ЯМР и распространения ультразвуковых волн в тканях с применением компьютерной техники привело к созданию новых, перспективных методов диагностики - ЯМР и ультразвуковой томографии. Разрабатываются методы автоматической расшифровки , изучения магнитных полей человека, современные методы лабораторной диагностики, основанные на измерении люминесценции, хемилюминесценции, светорассеяния. Создаются новые аппараты для физиотерапии, основанные на действии колебаний сверхвысокой частоты в различных диапазонах частот, лазеров разных спектров, УФ-излучения в сочетании с хемотерапией и др. Б. включает квантовую биофизику, молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных систем (органов, тканей, организма).
Сведения из различных разделов Б., используемые в медицине, условно объединяют в комплекс под названием «медицинская биофизика». Квантовая биофизика
изучает вопросы взаимодействия света и биологических структур (молекул, биологических мембран, клеток, тканей), а также электронную структуру биологически важных соединений и ее связь с их химическими свойствами и биологической активностью. При этом используются теоретические расчеты молекулярных орбиталей, спектральный и люминесцентный (см. Оптические методы исследования),
методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе в сочетании с техникой импульсного и непрерывного облучения биологических объектов различными источниками света, включая , при обычных температурах и в условиях глубокого охлаждения объектов жидким азотом или гелием. С помощью этих методов медицинская Б. изучает первичные процессы, возникающие при действии УФ-излучения на кожу, клетки, плазму крови и зрительный , участие в них молекул белков, нуклеиновых кислот и коферментов, поглотивших квант света, а также продуктов окисления липидов (см. Фотобиологические процессы).
В присутствии фотосенсибилизирующих средств (Фотосенсибилизирующие средства) эти процессы могут происходить при облучении организма не только коротковолновым (240-300 нм
), но и длинноволновым (более 300 нм
) и даже видимым светом. Интенсивный видимый , например свет лазеров, может вызвать фотохимические реакции в активных центрах ферментов, лежащие в основе механизма терапевтического действия низкоэнергетических лазеров (Лазеры).
Большой интерес представляет изучение роли свободных радикалов в жизнедеятельности клеток и развитии патологических процессов в организме (см. Радикалы свободные).
Как выяснилось, образование свободных радикалов может происходить не только в результате фотохимических реакций или действия на клетки ионизирующего излучения, но и в процессе биохимических реакций, протекающих при активации фагоцитирующих клеток (макрофагов и гранулоцитов). нарушении функций митохондрий и системы гидроксилирования чужеродных соединений в эндоплазматаческом ретикулуме. Образующиеся при этом активные формы кислорода, включая супероксидный радикал, обладают сильным цитотоксическим действием. Изучение механизма этих процессов привело к созданию методов контроля за их интенсивностью, основанных на измерении хемилюминесценции (свечения, возникающего за счет этих реакций), а также лекарственных препаратов, ограничивающих развитие свободнорадикальных реакций - супероксиддисмутазы, токоферола, ретинола и др. Молекулярная биофизика
изучает структуру макромолекул, их физические свойства и связь строения молекул с их функцией. Основные объекты исследования - и белки, а также и липидные комплексы. Эти исследования способствуют раскрытию природы ряда патологических процессов, развитию генной и белковой инженерии, открывающих большие перспективы для создания наиболее эффективных методов лечения болезней человека. Получение белков с заданными свойствами может послужить основой для разработки принципиально новых лекарственных средств, физические свойства и биологическая которых могут быть предсказаны на основании анализа этих свойств у белков и пептидов и путем компьютерных расчетов их структуры. Биофизика клетки
изучает строение и функции клеточных мембран (см. Мембраны биологические),
природу клеточной подвижности, биоэлектрогенез, межклеточные взаимодействия и другие вопросы, связанные с физическими свойствами клетки. Большие успехи достигнуты в изучении физических свойств липидного слоя мембран, которых зависит функционирование большинства мембранных ферментов, транспорт ионов и различных химических веществ, а также биоэлектрических потенциалов. Исследования показали, что изменение вязкости липидного слоя мембран приводит к нарушению их функций, которое в свою очередь может вызвать развитие в тканях патологических процессов. Тяжелые последствия (потеря мембранами барьерных свойств, внутриклеточных процессов и гибель клетки) отмечаются вследствие резкого увеличения проницаемости липидного слоя мембран или его электрического пробоя собственной трансмембранной разностью потенциалов. В основе многих сердечно-сосудистых, нервных болезней и болезней почек лежат нарушения проводимости ионных каналов; механизм этих нарушений также является предметом изучения биофизики клетки. Исследование проницаемости и электрических свойств мембран лежит в основе изучения механизма и эффективности действия многих лекарственных препаратов. Выявлены физические основы межклеточных и межмембранных взаимодействий - () между клетками и при контакте клеток с различными поверхностями, а также их электрические контакты. Значительные успехи достигнуты в расшифровке механизма слияния мембран, наблюдаемого на определенных стадиях различных клеточных процессов, таких, например, как , секреция, клетки (см. Клетка).
Эти исследования имеют большое значение в онкологии, так как нарушение межклеточных взаимодействий характерно для опухолевого процесса. Биофизика сложных систем
достигла наибольших успехов в области изучения электрических полей в органах и тканях и, в первую очередь, электрического поля сердца и биопотенциалов головного мозга. Благодаря применению ЭВМ стали возможны расчеты электрического поля сердца, основанные на электрических свойствах отдельных клеток, а хорошо разработанные теоретические основы электрокардиографии и ее модификаций (например, вектор электрокардиографии) позволяют при анализе изменений электрической активности сердца выявить механизмы нарушений функции отдельных участков сердечной и отдельных клеточных структур, распространения возбуждения в возбудимых тканях, к которым относится сердца, а также механизмы возникновения спонтанных очагов возбуждения, приводящего к аритмиям. Все эти исследования используются при создании систем мониторного наблюдения (Мониторное наблюдение) за состоянием больных, находящихся в условиях интенсивной терапии, и во время хирургических операций. Недостаточно изучена электрическая активность головного мозга в силу исключительной сложности его сигналов, обусловленной суперпозицией большого числа биопотенциалов отдельных клеток. Использование статистических методов обработки сигналов - один из подходов к их анализу. Информация об электрической активности головного мозга расширилась благодаря измерению электрической активности отдельных его участков с помощью набора электродов во время нейрохирургических операций. Изучением механических свойств биологических тканей и жидкостей, а также различных механических процессов в организме, таких, например, как , внешнее , гемодинамика, занимается Биомеханика .
Исследования в биомеханике осуществляются методами Б. с использованием достижений смежных наук - биохимии, цитологии, физиологии. Исследование физических процессов в органах чувств проводится на молекулярном и клеточном уровнях. Центральной проблемой в этой области стало изучение физической основы процесса рецепции, т.е. механизма преобразования различных раздражений (звуковых, механических, химических, световых и др.) в электрические сигналы, поступающие в головного мозга. Наиболее значительны достижения в изучении физико-химической основы зрительной рецепции. Расшифрован механизм превращений родопсина после поглощения кванта света. Выявлена связь между превращениями родопсина и активацией систем вторичных мессенджеров (кальция и циклических нуклеотидов) в зрительных рецепторах с последующим формированием в них электрического сигнала. Результаты этих исследований, а также достижения других разделов Б. (квантовой, молекулярной) позволили изучить механизмы развития ряда болезней . В частности, стало известно, что в патогенезе катаракты и дегенерации сетчатки ведущую роль играет активация свободнорадикальных процессов, вызванная нарушением функции защитных систем клеток - ферментов глутатионпероксидазы и супероксиддисмутазы, а также систем связывания ионов , антиоксидантов. На основе этих исследований осуществляется поиск новых лекарственных средств для лечения болезней глаз. Результаты изучения физики и физиологии органов слуха и зрения позволили приступить к созданию искусственных органов чувств. наука, изучающая физические явления в клетках, тканях, органах и в организме, их физические свойства, а также физико-химические основы процессов жизнедеятельности.
1. Малая медицинская энциклопедия. - М.: Медицинская энциклопедия. 1991-96 гг. 2. Первая медицинская помощь. - М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. - М.: Советская энциклопедия. - 1982-1984 гг .
Синонимы : Лекция № 1Предмет 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.
