Биофизика это наука


Биофизика | это... Что такое 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 ЭКГ, 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 анализ (см. Оптические методы исследования), методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе в сочетании с техникой импульсного и непрерывного облучения биологических объектов различными источниками света, включая лазеры, 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 аппарат, 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 свет, 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 — нуклеиновые кислоты и белки, а также полисахариды 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 активность 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, от которых зависит функционирование большинства мембранных ферментов, транспорт ионов и различных химических веществ, а также генерация 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, дезорганизация 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 — адгезия (сцепление) 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 пиноцитоз, секреция, деление 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 мышцы и отдельных клеточных структур, распространения возбуждения в возбудимых тканях, к которым относится мышца 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 мышечное сокращение, внешнее дыхание, 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 анализаторы головного мозга. Наиболее значительны достижения в изучении физико-химической основы зрительной рецепции. Расшифрован механизм превращений родопсина после поглощения им 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 глаз. 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 железа, 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.

II Биофи́зика (Био- + физика)

наука, изучающая физические явления в клетках, тканях, органах и в целом 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.

Биофизика | Кинезиолог

Краткое описание: 

Сазонов В.Ф. Биофизика [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2016: [сайт]. Дата обновления: 29.02.2016. URL: http://kineziolog.su/content/biofizika (дата обращения: __.__.201_). _Материалы для учебного курса Биофизика для биологических специальностей. Биофизика – это наука, изучающая функционирование биологических систем (биосистем) на физическом и физико-химическом уровне.

Определение понятия, предмет и задачи биофизики

Биофизика – это наука, изучающая функционирование биосистем (биологических систем) на физическом и физико-химическом уровне.

Биофизика изучает физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации, которые являются основой физиологических явлений. Возникновение биофизики произошло как одно из направлений развития физики, свой вклад также вносят такие науки, как математика, химия и биология.

Живой огранизм как биосистема – это сложная, динамичная, равновесная, открытая, саморегулирующаяся, адаптирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, в которой важнейшими функциональными веществами являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, имеющие сложное атомно-молекулярное строение и взаимодействующие между собой. .

Задачи биофизики

1. Раскрытие общих закономерностей поведения биосистем как открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.
2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции, самообновления и самовоспроизведения.
3. Выяснение связей между строением, свойствами и функциями биополимеров и других биологически активных веществ.
4. Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биологических объектов.
5. Физическое истолкование важнейших функциональных явлений биосистем: генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.

Разделы биофизики

1. Молекулярная биофизика – изучает строение и физико-химические свойства биомолекул.
2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.
3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, динамику (поведение во времени) разнообразных процессов, присущих живой материи, и термодинамику биосистем.

Содержание

Молекулярная биофизика

1. Введение

   Биомолекулы. Состав → строение → свойства → функции → роль → значение.

   Предмет биофизики, её разделы.

   История Молекулярной биофизики

2. Аминокислоты.

   Заряды аминокислот.

3. Нуклеотиды. Выполнить задания на этой страничке.

Строение ДНК. Выполнить задания на этой страничке.

Задание

  • Знать и уметь писать структурные формулы нуклеотидов: А, Т, Г, Ц, У.
  • Знать способы связывания нуклеотидов в ДНК по вертикали и горизонтали. Иметь понятие о 3'-5' связях.

4. Пептидная связь, пептидные биополимеры.

5. Белки.

   Строение белка.

6. Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК.

   Свёртывание ДНК в хромосому

7. Липиды.

8. Углеводы.

9. Витамины.

10. Взаимодействие биомолекул.

11. Вода.

Биомембраны

1. Строение, свойства, функции.

   Структура клеточных мембран. Ч. 1.

   Структура клеточных мембран. Ч. 2.

   Рафтовая теория строения биомембран

2. Мембранный транспорт.

   Мембранные патологии.

Биоэлектрические явления

1. Потенциал покоя.

2. Локальные потенциалы.

3. Потенциал действия.

Биосистемы как открытые системы

1. Термодинамика биосистем.

2. Устойчивость и саморегуляция биосистем.

3. Кинетика биопроцессов.

4. Динамика биосистем.

   Люминесценция

 

Что такое биофизика? | UM LSA Биофизика

Выдержка из
Биофизического общества:

Биофизика — это отрасль знаний, которая применяет принципы физики и химии, а также методы математического анализа и компьютерного моделирования к биологическим системам с конечной целью понимания на фундаментальном уровне структуру, динамику, взаимодействие и, в конечном счете, функцию биологических систем. Биофизика стремится объяснить биологическую функцию с точки зрения физических свойств конкретных молекул. Размер этих молекул варьируется от небольших жирных кислот и сахаров (~1 нм = 10–9m), до макромолекул, таких как белки (5–10 нм), крахмалы (> 1000 нм) и чрезвычайно вытянутые молекулы ДНК (более 10 000 000 нм = 1 см в длину, но всего 20 нм в ширину). Эти строительные блоки живых организмов собираются в клетки, ткани и целые организмы, образуя сложные индивидуальные структуры с размерами 10, 100, 1000, 10 000 нм и более. Таким образом, белки собираются в казеиновые мицеллы молока, которые объединяются, образуя сгусток сыра; белки и рибонуклеиновые кислоты собираются в рибосомы, механизмы для построения белков; липиды и белки собираются в клеточные мембраны, внешние барьеры и внутренние поверхности клеток; а белки и ДНК превращаются в хромосомы, носители генетического кода.

Много усилий в биофизике направлено на определение структуры и динамики конкретных биологических молекул и более крупной архитектуры, в которую они собираются. Некоторые из этих усилий включают изобретение новых методов и создание новых инструментов для наблюдения за этими динамическими структурами в действии. Кроме того, биофизики все больше интересуются механическими свойствами биологических систем в масштабе от нанометров до метров.

Биофизика имеет отношение к медицине, и многие биофизики направляют свои исследования на биомолекулы, которые играют ключевую роль в развитии болезней. В Мичигане примеры включают болезнь Альцгеймера, БАС («болезнь Лу Герига»), ВИЧ, диабет, рак молочной железы и рассеянный склероз. Следовательно, хотя основное внимание биофизики уделяется фундаментальной науке, а не медицинским приложениям, многие из наших биофизиков тесно взаимодействуют с преподавателями медицинских школ, и многие из них работают в медицинских школах.

Биологические вопросы, представляющие интерес для биофизики, так же разнообразны, как организмы в биологии:

  • Как линейные полимеры всего из 20 различных аминокислот складываются в белки с точной трехмерной структурой и специфическими биологическими функциями?
  • Как одна чрезвычайно длинная молекула ДНК раскручивается и точно воспроизводит себя во время клеточного деления?
  • Как РНК сворачивается в сложные трехмерные структуры и выполняет сложные операции, когда она состоит из четырех химически сходных нуклеотидов?
  • Как звуковые волны, или фотоны, или запахи, или вкусы, или прикосновения обнаруживаются органом чувств и преобразуются в электрические импульсы, которые обеспечивают мозг информацией о внешнем мире?
  • Как мышечная клетка преобразует химическую энергию гидролиза АТФ в механическую силу и движение?
  • Как клеточная мембрана, липидный барьер, непроницаемый для водорастворимых молекул, избирательно переносит такие молекулы через свою неполярную внутреннюю часть?

Биофизика пытается ответить на эти вопросы, используя в высшей степени междисциплинарный подход, сочетающий химический и биохимический анализ для идентификации молекул, спектроскопические методы и вычислительные методы для изучения взаимосвязей между их физическими свойствами и биологической функцией. Таким образом, биофизика объясняет биологические функции с точки зрения молекулярных механизмов: точное физическое описание того, как отдельные молекулы работают вместе, подобно крошечным «наномашинам», для выполнения определенных биологических функций.

Биофизика | наука | Britannica

Ключевые люди:
Ричард Хендерсон Майкл Росбаш Жак Дюбоше Джеймс Уотсон Мария Телкес
Похожие темы:
биология физика

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

биофизика , дисциплина, связанная с применением принципов и методов физики и других физических наук к решению биологических проблем. Относительно недавнее появление биофизики как научной дисциплины можно объяснить, в частности, впечатляющим успехом биофизических инструментов в расшифровке молекулярной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), фундаментального наследственного материала, и в установлении точной детальной структуры белков. таких как гемоглобин, чтобы можно было узнать положение каждого атома. Биофизика и тесно связанная с ней молекулярная биология в настоящее время прочно утвердились в качестве краеугольных камней современной биологии.

Историческая справка

Возникновение биофизики предшествовало разделению естественных наук на отдельные дисциплины. Биолюминесценцию следует считать одним из самых древних объектов биофизических исследований, поскольку излучение света живыми организмами издавна возбуждало любопытство естествоиспытателей. Возможно, первое научное исследование люминесценции животных было проведено Афанасием Кирхером, немецким священником-иезуитом XVII века, который посвятил две главы своей книги Ars Magna Lucis et Umbrae к биолюминесценции. В разгар своих более научных наблюдений Кирхер нашел время, чтобы разоблачить как заблуждение представление о том, что экстракт, сделанный из светлячков, можно использовать для освещения домов.

Связь между электричеством и биологией стала предметом спекуляций в 17 веке и предметом интенсивных исследований в 18 и 19 веках. Сэр Исаак Ньютон в Principia (1687) писал о «некоем тончайшем духе, который проникает во все грубые тела и сокрыт в них», и что «все ощущения возбуждаются, и члены животных тел двигаются по команде воли, а именно колебаниями этого духа, взаимно распространяющимися по твердым нитям нервов, от наружных органов чувств к мозгу и от мозга к мышцам». Увлечение человека животным электричеством проиллюстрировано в письме, написанном Джоном Уолшем в 1773 году американскому изобретателю и государственному деятелю Бенджамину Франклину; Уолш подробно описал свое открытие электрической природы разряда торпеды или электрического луча:

Я обеспокоен тем, что другие обязательства помешали мне предоставить Королевскому обществу до их перерыва полный отчет о моих экспериментах с электричеством торпеды; предмет не только серьезный сам по себе, но и открывающий обширную область интересных исследований как для электрика, занимающегося физикой, так и для всех, кто занимается, в частности или в целом, животноводством.

Характерным для преобладавшего тогда единства науки были успехи, иногда делавшиеся либо профессорами физики, которые интересовались биологическими явлениями, либо профессорами анатомии, предмета, который в то время включал физиологию. Так, аббат Джованни Беккариа, профессор физики в Турине и ведущий итальянский исследователь электричества в середине 18 века, проводил опыты по электрической стимуляции мышц. Альбрехт фон Галлер, профессор анатомии и хирургии в Геттингене, рассуждал о «нервной жидкости» и предположил, являются ли «электрическая материя» и «животные духи» одним и тем же. В 1786 году Луиджи Гальвани, врач из Болоньи, провел решающий эксперимент, который помог положить конец этому спору. Предположительно, Гальвани проводил опыты с машиной в компании друзей, когда случайно один из членов группы лениво прощупал ножом нервы бедра снятой с кожи лягушки, чтобы использовать ее для супа. Когда мышцы лягушачьей лапки внезапно и неожиданно сократились, жена Гальвани заметила, что электрическая машина произвела искру, и «почудилось, что существует соглашение по времени». Хотя собственный отчет Гальвани о происшествии несколько отличался в деталях от предыдущего, несомненно, что эксперимент был повторен и проверен, что подготовило почву для длительного спора между сторонниками взгляда Гальвани на то, что ток, создаваемый животным, может вызывать сокращение, и теми, кто Алессандро Вольта, который утверждал, что лягушачья лапка служит только детектором мельчайших различий во внешнем по отношению к ней электрическом потенциале. Партизаны Гальвани провели эксперимент, в котором не присутствовали внешние источники электричества, тем самым доказав, что ток, генерируемый животным, может вызывать сокращение мышц. Но также можно было вызвать сокращение при контакте с металлами; Вольта провел такие исследования, и они завершились изобретением им электрической батареи, которая была настолько важна, что затмила исследования Гальвани. В результате изучение электрического потенциала у животных исчезло из научного рассмотрения до 1827 г.

Поскольку в течение многих лет лягушачья лапка была наиболее чувствительным детектором различий в электрическом потенциале, окончательному принятию мнения о том, что токи могут генерироваться живыми тканями, пришлось ждать создания гальванометров, достаточно чувствительных для измерения мельчайших токов, генерируемых в мышцах и мышцах. небольшие разности потенциалов на мембранах нервов. Гальванометры были построены великим немецким электрофизиологом XIX века Дюбуа-Реймоном, профессором физиологии в Берлине. Его исследования мышечного тока и электрического потенциала нервов зависели от разработанного им гальванометра, для которого требовалось 3,17 мили (5,10 км) проволоки, намотанной за 24 000 витков. Исследования в этой области, называемой нейрофизиологией, набирали силу по мере углубления понимания как электрических явлений, так и клеточной физиологии; она послужила отправной точкой для биофизики.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Биофизика также выросла из исследований градиентов диффузии и осмотического давления — двух сил, ответственных за пассивный поток вещества в живых организмах. Осмотическое давление, давление, возникающее в растворе, отделенном от растворителя мембраной, проницаемой только для растворителя, впервые было описано аббатом Ж. А. Нолле, который стал профессором экспериментальной физики в Наваррском колледже. Полупроницаемые мембраны, необходимые для создания потока жидкости, характеризующего осмотические явления, первоначально произошли из биологических источников; Французский ученый Рене Дютроше писал в 1828 году: «Из этих новых исследований явствует, что открытые мною эндосмотические и экзосмотические явления принадлежат к новому классу физических явлений, мощное вмешательство которых в жизненные явления более не вызывает сомнений». После первых количественных измерений, проведенных ботаником В.Ф.П. Пфеффера, фундаментальные законы, управляющие диффузией, были сформулированы Адольфом Фиком, опубликовавшим в 1856 г., вероятно, первый труд по биофизике9.0058 Die medizinische Physik («Медицинская физика»). Фик вывел законы диффузии не из эксперимента, а по аналогии с законами течения тепла; последующие лабораторные эксперименты подтвердили количественную точность аналогии.

Физические и химические исследования объединились в физическую химию, предмет, который начал развиваться с появлением в 1887 году Zeitschrift für Physikalische Chemie , журнала, основанного голландским химиком Якобусом ван’т Хоффом и немецким химиком Вильгельмом Оствальдом. Первый том содержит работы наиболее известных физико-химиков того времени, в том числе Вант-Гоффа, Оствальда, Франсуа Рауля и Сванте Аррениуса. Они занимались реакциями в растворе — центральной темой биологии, поскольку внутренняя среда всех живых клеток — водная, а химические реакции, поддерживающие жизнь, происходят в воде. Научные интересы Вант-Гоффа, в частности, выходили за границы между дисциплинами. Он подчеркивал важность четко обозначенных им законов осмоса для экономики всех жизненных процессов.

Биофизика созрела в ХХ веке. Британский биофизик А.В. Хилл так описал современного биофизика:

Биологические явления, как и многие другие, демонстрируют аспекты и отношения, поддающиеся физическому анализу и интерпретации. Именно выбором проблем и интеллектуальными процессами, с помощью которых они формулируются и исследуются, а не конкретными используемыми методами, предмет может быть наиболее четко определен. Есть люди, к которым физическая интуиция приходит естественным образом, которые могут сформулировать проблему в физических терминах, которые могут распознать физические отношения, когда они возникают, которые могут выразить результаты в физических терминах. Эти интеллектуальные качества более важны для биофизика, чем какие-либо специальные средства с физическими инструментами и методами. Не менее важны, однако, и соответствующие качества, интуиция и опыт биолога. У физика, который не может развить биологический подход, у которого нет интереса к жизненным процессам и функциям, который не желает тратить время на изучение привычек живых существ, который рассматривает биологию просто как раздел физики, нет важного будущего в биофизике. (от Наука , 21 декабря 1956 г.)

Большинство биофизических исследований было проведено физиками, интересующимися биологией; следовательно, должен быть способ, с помощью которого ученые, получившие образование в области физики и физической химии, могли бы проникнуть в биологию и познакомиться с проблемами, которые могут быть открыты для физической интерпретации. Хотя классически ориентированные биологические факультеты часто предлагают должности биофизикам, они не заменяют собой центры, в которых биофизические исследования имеют центральное значение.

Биофизик обладает способностью разделять биологические проблемы на сегменты, поддающиеся точной физической интерпретации, и формулировать гипотезы, которые можно проверить экспериментально. Основным инструментом биофизика является отношение ума. К этому можно добавить возможность использовать сложную физическую теорию для изучения природных объектов — например, ту, что используется в методах дифракции рентгеновских лучей, используемых для определения структуры больших молекул, таких как белки. Биофизик обычно признает полезность новых физических инструментов — например, ядерный магнитный резонанс и электронный спиновой резонанс — при изучении конкретных проблем биологии. Но он также может, благодаря предыдущему опыту создания специализированного оборудования для решения физических задач, не полагаться на коммерческие инструменты.

Разработка приборов биологического назначения — важный аспект новой области — прикладной биофизики. Биомедицинское оборудование, вероятно, наиболее широко используется в больницах. Прикладная биофизика важна в области терапевтической радиологии, в которой измерение дозы имеет решающее значение для лечения, и в диагностической радиологии, особенно с методами, включающими изотопную локализацию и сканирование всего тела, чтобы помочь в диагностике опухоли. Компьютеры, помогающие в диагностике и уходе за больными, приобретают все большее значение. Автоматизация химических анализов, обычно проводимых в больницах, скоро станет реальностью. Возможности для применения биофизики кажутся безграничными, потому что длительный промежуток между разработкой исследовательского инструмента и его применением означает, что многие научные инструменты, основанные на уже известных физических принципах, будут иметь большой потенциал для медицины.

Междисциплинарная работа

Биофизический подход объединяет рассмотрение биологических проблем в свете физических представлений, так что биофизика поневоле является междисциплинарной. Биофизику можно рассматривать как центральный круг в двумерном массиве перекрывающихся кругов, включающих физику, химию, физиологию и общую биологию. Отношения с химией опосредуются через биохимию и химию; те, у кого есть физиология, через нейрофизиологию и сенсорную физиологию. Биология, которую можно рассматривать как общий предмет, пронизывающий биофизические исследования, превращается из чисто описательной науки в дисциплину, все более и более посвященную пониманию природы первичных двигателей биологических событий. Эволюция биологии в этих направлениях получила большой импульс благодаря биофизическим и биохимическим открытиям 20 в. Понимание физических принципов, управляющих биологическими эффектами, является надлежащей целью биофизики.

Направления обучения

Содержание и методы биофизики проиллюстрированы на примере нескольких значительных вкладов в науку.

Белковая структура

Через два дня после первоначальной публикации об открытии Вильгельмом Рентгеном рентгеновских лучей в 1895 году хирург из Шотландии использовал рентгеновские лучи для наблюдения за иглой, когда он извлек ее из ладони несчастной швеи. Хотя это медицинское применение привело к развитию радиологической диагностики и лечения заболеваний с помощью излучения, физические аспекты открытия Рентгена также предоставили средства для выяснения структуры белков и других больших молекул. Законы дифракции рентгеновских лучей были открыты двумя Брэггами, сэром Уильямом и сэром Лоуренсом, которые были отцом и сыном. В Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где сэр Лоуренс был профессором, Дж. Д. Бернал изучал использование дифракции рентгеновских лучей для определения структуры больших биологических молекул. Он уже использовал рентгеновские лучи для определения размера и формы вируса табачной мозаики и показал, что он имеет правильную внутреннюю структуру. В Кавендишской лаборатории группа, сформировавшаяся вокруг Бернала, человека с широкими общественными и научными интересами, включала лауреатов Нобелевской премии Макса Перуца и Джона Кендрю, которые в 1937 начал использовать рентгеновские лучи для анализа двух основных белков жизни, миоглобина и гемоглобина, оба из которых участвуют в транспорте газов в крови. Прошло двадцать два года, прежде чем были установлены структуры этих белков; значение работы состоит в том, что она дала основу для понимания механизма действия ферментов и других белков, что является активным и плодотворным предметом современных исследований.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Интерес к биофизике в Кавендишской лаборатории привел к еще одному важному открытию - структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), генетического материала. Это достижение британского биофизика Фрэнсиса Х.К. Криком и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном на основе данных рентгеновского излучения, полученных Морисом Уилкинсом в Королевском колледже в Лондоне. Когда Крик впервые поступил в Кавендишскую лабораторию для обучения биофизике, он работал под руководством Перуца; когда Уотсон отправился в Кавендиш, он и Крик начали сотрудничество, которое привело к установлению структуры ДНК, за которую Уотсон, Крик и Уилкинс позже были удостоены Нобелевской премии.

Большой импульс биофизическим исследованиям после Второй мировой войны исходил от желания физиков отойти от физики и заняться биологией; это стремление было усилено публикацией в 1944 году книги Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?». Шрёдингер, австрийский физик, внесший существенный вклад в развитие волновой механики, стремился определить, можно ли объяснить биологические явления с точки зрения известных законов физики и химии, или полное объяснение потребует формулировки физических законов, а не еще известно, что они существуют. Поскольку биологическое размножение, казалось, ставит неразрешимые проблемы, он посвятил главу своей книги рассмотрению гена. Обсуждение было основано на модели, предложенной Максом Дельбрюком, физиком, который в течение нескольких лет изучал генетику вирусов, поражающих бактерии (бактериофаги). Летний курс Дельбрюка по бактериофагам в 1945 в Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке запустила цепь событий, которая привела к пониманию генетического кода, с помощью которого последовательность нуклеотидов в ДНК транслируется в последовательность аминокислот в белке. Использование бактериофага также предоставило возможность для экспериментов с примитивным живым организмом, который можно было изучать без анатомических сложностей. Этот аспект биофизики стал более биохимически ориентированным по мере своего развития и теперь известен как молекулярная биология; иногда ее считают отдельной дисциплиной, а иногда относят к биофизическим наукам.

Нервный импульс

Важные аспекты биофизики были получены из физиологии, особенно в исследованиях, связанных с проведением нервных импульсов. Один из важных научных результатов Второй мировой войны — разработка значительно улучшенной электроники — во многом стал результатом радарных устройств, которые использовались в основном для обнаружения самолетов. Другой продукт — атомная бомба — был создан с помощью ядерных реакторов, которые могли бы в мирное время обеспечить обильный запас радиоактивных изотопов, имеющих большое значение не только в биофизических исследованиях, но и в биохимии и медицине. Эти два разрозненных достижения сыграли важную роль в работе двух лауреатов Нобелевской премии, Алана Ходжкина и Эндрю Хаксли, которые показали, как потоки натрия и калия через мембраны нервов могут быть соединены для создания потенциала действия, короткого электрического события, которое инициирует потенциал действия, распространяющий нервный сигнал.

Модель нервного аксона, предложенная Ходжкиным и Хаксли, выросла из слияния идей 19-го века. Юлиус Бернштейн, нейрофизиолог-экспериментатор, использовал физико-химические теории для разработки мембранной теории нервной проводимости; Первоначальные эксперименты Ходжкина были разработаны для проверки конкретных предсказаний гипотезы Бернштейна. В начале 1938 года Ходжкин узнал о важных результатах недавно разработанной методики, позволившей исследовать ход нервной проводимости во времени. После Второй мировой войны Ходжкин, к которому присоединился Хаксли, снова занялся исследованиями. Свое объяснение механизма нервной проводимости они представили в пяти научных работах от 19 октября до51 и март 1952 г.

Биологические мембраны

Доступность радиоактивных изотопов обеспечила технологию, необходимую для понимания того, как молекулы транспортируются через биологические мембраны, которые представляют собой очень тонкие границы живых клеток; среда, поддерживаемая мембранами в клетках, отличается от внешней среды и обеспечивает функционирование клетки. Основу этого предмета заложил датский физиолог Август Крог; его ученик Ганс Уссинг разработал концептуальные средства, с помощью которых можно идентифицировать перенос ионов (заряженных атомов) через мембраны. Определение активного транспорта, данное Уссингом, позволило понять на клеточном уровне, каким образом ионы и вода перекачиваются в живые клетки и из них, чтобы регулировать ионный состав и водный баланс в клетках, органах и организмах. Однако молекулярный механизм, по которому происходят эти процессы, еще предстоит выяснить.

В дополнение к функции транспорта мембраны также используются в качестве матриц, на которых такие молекулы, как ферменты, которые должны функционировать последовательно, могут поддерживаться в необходимом порядке. Хотя был достигнут большой прогресс в понимании механизмов, с помощью которых определенные атомы собираются в большие биологические молекулы, принципы сборки молекул в мембраны, представляющие собой организованные структуры более высокой степени сложности, чем большие молекулы, еще недостаточно изучены. понятно хорошо. Есть основания полагать, что встраивание молекулы в мембрану придает ей свойства, отличные от свойств молекулы в растворе. Первичная задача биофизики состоит в том, чтобы понять физический характер этих совместных взаимодействий, необходимых для жизни.

Сокращение мышц

А.В. Хилл разработал исключительно чувствительные датчики температуры для измерения тепла, выделяемого при мышечном сокращении; он инициировал исследования, связывающие это тепло с термодинамическими параметрами, ответственными за него. Электронный микроскоп в годы после Второй мировой войны позволил описать мышечное сокращение на структурном уровне, хотя механизмы, участвующие в потоке тепла во время этого процесса, еще не известны. Одновременно в 1960-х годов, но независимо друг от друга, разные физики постулировали теорию мышечного сокращения со скользящими нитями, согласно которой мышцы сокращаются за счет скольжения одной нити по другой, а не за счет пружинящего скручивания. Замечательные достижения, основанные на использовании таких методов, как дифракция рентгеновских лучей и электронная микроскопия, позволили визуализировать многие молекулы, участвующие в этом процессе.


Learn more