Биофизика как биологическая наука

1



План



1. Определение биофизики как науки.

2. Развитие и становление биофизики как науки

3. Основные разделы биофизики

4. Задачи биофизики как фундаментальной и прикладной науки на современном этапе.


1. Определение биофизики как науки



Биофизика как наука начала формироваться ещё в XIX веке. Многие физиологи того периода уже работали над вопросами, которые в настоящее время являются объектами биофизического исследования. Пионером в этой области является выдающийся русский физиолог И.М. Сеченов. Изучая динамику дыхательного процесса с помощью методов физической химии и использую определенный математический аппарат он установил количественные законы растворимости газов в биологических жидкостях. По его предложению такая область исследования стала именоваться молекулярной физиологией. Другой исследователь, известный немецкий физик Гемгольц (H. Hemholz), разрабатывая проблемы термодинамики, предпринимает попытку использования этих законов для пониманию энергетики живых систем. Изучая работу органов зрения, он впервые определил скорость проведения возбуждения по нерву.

В формировании биофизики как биологической науки выдающуюся роль сыграли исследования К.А. Тимирязева в области фотосинтеза, которые явились началом становления фотобиофизики.

Таким образом, биофизика это наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений. 

Теоретическое построение и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Эти понятия отражают природу основных взаимодействий и законов движения материи, что, как известно, составляет предмет физики – как фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики – проникновение на самые глубокие, элементарные уровни, составляющие молекулярную основу структурной организации живого.



2. Развитие и становление биофизики как науки



Развитие и становление биофизики как пограничной науки проходило ряд стадий. Уже на начальных этапах биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики.

Проникновение и применение законов физики для описания различных закономерности живой природы встретило целый ряд трудностей.

Ещё в прошлом веке делались попытки использовать методы и теории физики для изучения и понимания природы биологических явлений. Причём исследователи рассматривали живые ткани и клетки как физические системы и не учитывали того факта, что основную роль в этих системах играет химия. Именно поэтому попытки решать задачи оценки свойств биологического объекта с чисто физических позиций носили наивный характер.

Основным методом этого направления являлись поиски аналогий.

Биологические явления, сходные с явлениями чисто физическими трактовались, соответственно, как физические.

Например эффект мышечного сокращения объясняли по аналогии с пьезоэлектрическим эффектом, на основании только того факта, что при наложении потенциала на кристалл происходило изменение длины кристалла, примерно так же как происходило изменение длины мышцы при сокращении. Рост клеток считали аналогичным росту кристалла. Клеточное деление рассматривали как явление, обусловленное только поверхностно-активными свойствами наружных слоёв протоплазмы. Амебоидное движение клеток уподоблялось изменению поверхностного натяжения и, соответственно, его моделировали движением ртутной капли в растворе кислоты.

Даже значительно позже, в двадцатые годы нашего столетия, детально рассматривали и изучали модель нервного проведения на анализе поведения так называемой модели Лили. Эта модель представляла собой железную проволоку, которая погружалась в раствор кислоты и покрывалась при этом плёнкой окиси. При нанесении на поверхность царапины окись разрушалась, а затем восстанавливалась, но одновременно разрушалась в соседнем участке и так далее. Другими словами, получилось распространение волны разрушения и восстановления, очень похожее на распространение волны электроотрицательности возникающей при раздражении нерва.

Возникновение и развитие в физике квантовой теории привело к попытке объяснить действие лучистой энергии на биологические объекты с позиции статистической физики. В это время появляется формальная теория, которая объясняла лучевое поражение как результат случайного попадания кванта (или ядерной частицы) в особо уязвимые клеточные структуры. При этом совершенно упускались из вида те конкретные фотохимические реакции и последующие химические процессы, которое определяют развитие лучевого поражения во времени.

Ещё сравнительно недавно на основании формального сходства закономерностей электропроводности живых тканей и электропроводности проводников полупроводников пытались применить теорию полупроводников для объяснения структурных особенностей целых клеток.

Это направление, базирующееся на моделях и аналогиях, хотя и может привлечь к работе весьма совершенный математический аппарат, вряд ли приблизит биологов к пониманию сущности биологических процессов. Попытки использования чисто физических представлений для понимания биологических явлений и природы живой материи дали большое количество спекулятивных теорий и ясно показали, что прямой путь физики в биологию не продуктивен, так как живые организмы стоят несравненно ближе к химическим системам, чем к физическим.

Значительно более плодотворным оказалось внедрение физики в химию. Применение физических представлений сыграло большую роль в понимании механизмов химических процессов. Возникновение физической химии сыграло революционную роль. На основе тесного контакта физики и химии возникли современная химическая кинетика и химия полимеров. Некоторые разделы физической химии, в которых физика получила доминирующее значение, стали называться химической физикой.

Именно с возникновением физической химии связано развитие биофизики.

Многие важные для биологии представления пришли в неё из физической химии. Достаточно напомнить, что применение физико-химической теории растворов электролитов к биологическим процессам, привело к представлению о важной роли ионов в основных процессах жизнедеятельности.

С развитием физической и коллоидной химии расширяется фронт работ в области биофизики расширяется. Появляются попытки объяснить с этих позиций механизмы реагирования организма на внешние воздействия. Так большую роль в развитии биофизики сыграла школа Лёба (J. Loeb 1906 г). В работе Лёба были выявлены физико-химические основы явлений партеногенеза и оплодотворения. Конкретную физико-химическую интерпретацию получило явление антагонизма ионов. 

Позднее появились классические исследования Шаде (H. Schde) о роли ионных и коллоидных процессов в патологии воспаления. Эти исследования завершаются фундаментальным трудом «Физическая химия во внутренней медицине», которые издаётся в России в 1911–1912 гг.

Первая мировая война приостановила развитие биофизики как науки.

Но уже в 1922 году в СССР открывается «Институт биофизики», которым руководит П.П. Лазарев. Здесь он разрабатывает ионную теорию возбуждения, которая в это же время разрабатывается и Нернстом Было установлено, что в явлениях возбуждения и проведения решающая роль принадлежит именно ионам. 

С.И. Вавилов занимается вопросами предельной чувствительности глаза. В.Ю. Чаговец разрабатывает ионную теорию возникновения биопотенциалов, Н.К. Кольцов обосновывает роль поверхностного натяжения, ионов и рН в морфогенезе.

Школа Кольцова сыграла видную роль в развитии биофизики в СССР. Его ученики широко разрабатывали вопросы влияния физико-химических факторов внешней среды на клетки и их структуры.

Несколько позже (1934) Родионов С.Р. и Франк Г.М. открыли явление фотореактивации, Завойский (1944) метод электронного парамагнитного резонанса.

Основной итог начального периода развития биофизики – это вывод о принципиальной возможности использования в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи.

Важное общеметодическое научное значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики),

Применение представлений коллоидной химии к анализу некоторых биологических процессов показало, что в основе протоплазмы различными факторами лежит коагуляция биоколлоидов. В связи с возникновением учения о полимерах коллоидная химия протоплазмы переросла в биофизику полимеров, и, особенно, полиэлектролитов.

Появление химической кинетики также вызвало появление аналогичного направления в биологии. Ещё Аррениус – один из основателей химической кинетики, показал, что общие закономерности химической кинетики применимы к изучению кинетических закономерностей в живых организмах и к отдельным биохимическим реакциям.

Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений нашли отражение и в медицине.

Была выявлена роль коллоидных и ионных явлений в воспалительном процессе. Физико-химическую интерпретацию получили закономерности клеточной проницаемости и её изменений при патологических процессах, то есть физико-химическая (биофизическая патология).

С развитием биофизики в биологию проникли и точные экспериментальные методы исследований – спектральные, изотопные, радиоскопические.



3. Основные разделы биофизики



По решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики, к разделам этой дисциплины относятся:

1.	Молекулярная биофизика. Изучает строение и физические свойства молекул, входящих в состав организма (прежде всего белков и нуклеиновых кислот), исследует условия равновесия молекулярных биологических процессов, изменения их течения во времени, термодинамику биологических процессов. Основная проблема заключается в том, чтобы раскрыть природу взаимодействия атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику биологических макромолекул, механизмы взаимодействия электронных и конформационных переходов и этой основе понять механизм функционирования биополимеров в живых системах.

2.	Биофизика мембранных процессов или биофизика клетки. Изучает физические и физико-химические особенности клеточных структур, закономерности деления и дифференцировки клеток, а также такие высокоспециализированные функциональные проявления клеток, как генерация возбуждения и биопотенциалы. Эта часть биофизики изучает молекулярную организацию и конформационные свойства биологических мембран, биофизику процесса транспорта веществ через мембрану, электрогенез.

3.	Биофизика фотобиологических процессов. Изучает механизмы фотоэнергетических и фоторецепторных систем, выясняет роль и механизмы участия электронно-возбужденных состояний в биологических процессах.

4.	Биофизика органов чувств. Изучает функционирование этих систем в физических и биологических аспектах и исследует превращение энергии, которые происходят при восприятии внешних раздражений.

5.	Биофизика сложных систем. Изучает проблемы регулирования и саморегулирования сложноустроенных многоклеточных организмов.



4. Задачи биофизики как фундаментальной и прикладной науки на современном этапе



На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные, прежде всего с развитием биофизики сложных систем и молекулярной биофизикой. Именно в этих областях, занимающихся закономерностями динамического поведения биологических систем и механизмами молекулярных взаимодействий в биоструктурах, получены общие результаты, на основании которых в биофизике сформировалась собственная теоретическая база. 

Современный этап развития биофизики характеризуется тем, что на первый план выступает проблема формулировки исходных теоретических понятий, отражающих фундаментальные механизмы взаимодействия в биологических системах на молекулярном уровне. Вместе с тем специфика биологических систем представляется в своеобразии физических механизмов молекулярных процессов. Принципиальная особенность заключается в том, что характерные параметры элементарных взаимодействий могут изменяться в зависимости от условий их протекания в организме. Например, эффективность скоростей отдельных элементарных актов переноса электрона в реакционном центре фотосинтеза не только изменяются направленно в течение жизненного цикла развития, но и различна у сортов растений, отличающихся по физико-биохимическим показателям и продуктивности. Изучение глубоких биофизических механизмов в связи с физиолого-биохимическими особенностями объекта создают базу и для практического применения биофизических исследований, в частности в медицине.

Так в настоящее время приоритетными считаются исследования в области физико-химической биологии в целом и биофизики в частности следующие вопросы:

1)	Изучение структуры и механизмов выражения генов; 

2)	Разнообразные аспекты клеточной биологии (в том числе хромосомно-генетические исследования, проблемы клеточной дифференцировки и межклеточных взаимодействий); 

3)	Изучение структуры биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и их комплексов друг с другом и низкомолекулярными лигандами). 

Решение этих задач осуществляется как с помощью теоретического анализа, так и с помощью большого набора физических, химических и биологических методов. При этом среди экспериментальных методов ведущая роль принадлежит рентгеноструктурному анализу кристаллов белков, высокоразрешающей ЯМР-спектроскопии белков и полипептидов в растворе и методам микросеквенирования белков. 

Без термодинамического подхода к исследованию биологических процессов невозможно правильно рассчитать пищевой рацион для человека.

Изучение скорости биологических процессов позволяет установить закономерности ряда биологических явлений – роста, размножения, метаболизма не только в условиях нормального функционирования организма, но при патологических изменениях – бактериальной интоксикации, действие ионизирующего излучения, аллергии и т.д.

Изучение проницаемости клеток и тканей в биофизическом аспекте позволяют фармакологам и токсикологам установить закономерности всасывания в организме и выведения из организма различных препаратов. Физиологи, патофизиологи и врачи, изучая проницаемость различных веществ могут выяснить изменения водно-ионного обмена, происходящие в организме в норме и в патологии.

Особое значение эти вопросы приобрели в настоящее время в связи с установлением взаимосвязи расстройств водно-солевого баланса с различными патологическими процессами и наиболее часто встречающимися послеоперационными осложнениями.

Биофизические методы (ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ) и проведение электрического тока в живых системах имеют важное значение для ранней диагностики ряда заболеваний, а также для оценки процессов роста, развития, регенерации и жизнеспособности тканей, используемых при трансплантации.

Без соответствующих биофизических исследований нельзя достоверно выявить все проблемы связанные с функционированием органа зрения. слуха, вкусовым ощущениям, нельзя установить все закономерности работы сердца, влияния излучений различной природы.