1Проблеми і напрямки розвитку біофізики


Проблеми і напрямки розвитку біофізики1 Біофізика як наука про фізичні та фізико-хімічні закономірності в живих системах.
2. Предмет,завдання і розділи біофізики.
3. Прикладна біофізика, біоніка, біоелектроніка, біосенсорика.
1. Біофізика – галузь науки, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні явища життя на всіх рівнях, починаючи з молекул і клітин і закінчуючи організмами в цілому. Зміст біофізики не обов’язково пов’язано із застосуванням фізичних приладів у біологічному експерименті.
Біофізичне дослідження характеризує фізична постановка завдання, котре стосується живої природи, та застосування фізичних понять і термінів щодо опису біологічних явищ. Біофізика вивчає також дію фізичних факторів навколишнього середовища на живу матерію. Великою перевагою біофізики є можливість використання непрямих, опосередкованих методів дослідження об’єктів пізнання (безпосереднє вивчення яких з певних причин неможливе) шляхом дослідження їх моделей. Для розуміння перебігу фізико-хімічних процесів у клітинах вищих організмів використовуються як моделі більш прості організми, ізольовані клітини або культури клітин, де механізми, що вивчаються, влаштовані простіше. Застосовуються також чисто фізико-хімічні моделі, призначення яких полягає у виділенні явища в «чистому» вигляді з метою показу його сутності.
Сучасна біофізика використовує найновіші методи кількісного дослідження, що дає змогу одержувати кількісні залежності між змінами різних фізико-хімічних параметрів живої системи. Удосконалення й розроблення в цьому напрямку методів з вимірювання електричних потенціалів, іонних струмів, діелектричних властивостей, електропровідності, спектральних характеристик, хемілюмінесценції та інших є важливим джерелом при розв’язанні багатьох проблем сучасної біології.
2. Біофізика з’ясовує важливі практичні завдання і разом з іншими науками є теоретичною основою біології та медицини.
Сучасна біофізика поділяється на кілька підрозділів.
•Молекулярна біофізика вивчає фізико-хімічні властивості й функціональну роль біологічних макромолекул (біополімерів) та молекулярних комплексів (ультраструктур) живих організмів, які створюють функціональні одиниці клітин, характер взаємодії їх з іонами, молекулами і радикалами, їх просторової будови й енергетики процесів, що в них відбуваються.•Біофізика клітини вивчає фізико-хімічні основи функціонування клітини, будову й основні функції біологічних мембран (поверхневої плазматичної мембрани та мембран внутрішньоклітинних органоїдів) – їх проникності, адгезивності, каталітичної активності, електро- та хемозбудливості, – енергетичні процеси клітини, її механічні та електричні властивості.
•Біофізика органів чуття з’ясовує молекулярні фізико-хімічні механізми рецепції, вивчає процеси трансформації енергії зовнішніх стимулів у специфічні реакції нервових клітин і механізмів кодування інформації в органах чуття.•Біофізика складних систем досліджує проблеми регулювання й саморегулювання складно влаштованих багатоклітинних систем, а також термодинамічні й кінетичні особливості їх функціонування.
•Теоретична і математична біофізика розглядає теоретичні основи біофізики, зокрема питання кінетики і термодинаміки, здійснює математичне моделювання біологічних процесів, структури та властивостей окремих макромолекул і субклітинних утворень (макромолекулярних комплексів).
Біофізика — немолода наука. Уже здавна ставилися фізичні проблеми, пов'язані з життєдіяльністю організмів, такі, наприклад, як визначення швидкості поширення нервового збудження (Гельмгольц) чи дослідження спектральних основ кольорового зору (Максвелл). Фізичні методи застосовувалися в біології здавна — досить згадати про мікроскопи.
Однак лише в другій половині XX століття фізика об'єдналася з біологією у вивченні основних явищ життя, і почалося формування теоретичної й експериментальної біофізики як великої і різноманітної області фізики, а не підсобного розділу фізіології.
Розвиток біофізики безпосередньо пов’язаний з вирішальними досягненнями біології, насамперед молекулярної, з виникненням кібернетики, з успіхами фізики конденсованих систем (зокрема, фізики полімерів).
Сучасну біофізику розділяють на три області - молекулярну біофізику, біофізику клітини, біофізику складних систем. Хоча цей розподіл умовний, сьогодні він доцільний.
Молекулярна біофізика - область перекривання молекулярної фізики і молекулярної біології. Це — молекулярна фізика біологічних процесів, біологічно функціональних молекул.
Побудова біофізики в цілому вимагає молекулярного обґрунтування. Молекулярна біофізика — фізика білків і нуклеїнових кислот найбільш розвинута в даний час. У молекулярній біофізиці ми зустрічаємося зі специфічними властивостями і будовою дуже складних молекул, що визначають явища життя. Тим самим, молекулярна біофізика повинна бути основою для розгляду процесів життєдіяльності клітин і організмів на всіх рівнях структури і функціональності.
Молекули, якими займається біофізика, характеризуються багатьма особливостями, що відрізняють їх від молекул неживої природи. Будучи макромолекулами, білки і нуклеїнові кислоти не є статичними системами, на відміну від макромолекул синтетичних полімерів. Це — динамічні системи, свого роду машини, поводження яких визначається положенням і функціональністю кожного елемента, що утворить молекулу.
Молекулярна фізика і молекулярна біофізика вирішують три групи задач. Вони досліджують структуру молекул, їхні рівноважні взаємини та властивості і кінетику їхніх взаємодій і перетворень.
Істотна особливість основних біологічно-функціональних речовин — їх макромолекулярність. Білки і нуклеїнові кислоти — великі молекули, біополімери. Тому молекулярна біофізика є переважно макромолекулярна біофізика чи фізика біополімерів. У ній широко застосовуються методи теоретичної й експериментальної фізики, раніше розроблені для вивчення макромолекул небіологічного походження.
Фізика ферментів стає однією з центральних областей молекулярної біофізики. Її задачі - розробка експериментальних і теоретичних методів дослідження ферментів і ферментативних процесів, розкриття фізичних і фізико-хімічних механізмів ферментативного каталізу. Проблеми молекулярної кінетики в біофізиці широкі і різноманітні - це й активний транспорт, і іонний обмін, і механо-хімічні процеси.
Біофізика клітини - умовне найменування самої старої, традиційної області біофізики. Це — фізика окремих процесів у живому організмі, що контактує з фізіологією. Вичленовування означає уявний (і експериментальний) розрив зв'язків цих процесів з єдиною живою системою — прийом, зовсім необхідний на визначеному рівні дослідження. Можна вказати три найбільш розвиті області біофізики клітини — біофізика скорочувальних систем (насамперед біофізика м'язової діяльності), біофізика нервової провідності і біофізика органів чуття.
Сучасна біофізика складних систем присвячена дослідженню фізичних основ поводження організму чи деякої його функціональної підсистеми як цілого. Тут на перший план виступають ті особливості, від яких практично цілком відволікається молекулярна біофізика і майже цілком — біофізика клітки. Це — властивості організму як відкритої системи, саморегуляція і самовідтворення. Складною системою в цьому сенсі є не тільки організм, але і популяція, і біогеоценоз, і біосфера в цілому. Біофізика складних систем поєднується з теоретичною біологією.
Центральна проблема теоретичної біології і біофізики складних систем - проблема розвитку (філогенезу й онтогенезу). Диференціація клітин, виникнення складного організму з зиготи ставлять перед наукою безліч невирішених питань. Їхнє рішення буде мати величезне теоретичне і практичне значення (проблема раку!).
Методи дослідження в біофізиці складних систем специфічні. Сьогодні вони складаються в експериментальному і теоретичному моделюванні, у розробці адекватного математичного апарата, що дозволяє інтерпретувати складні явища регуляції, і т.д. Складна біологічна система вивчається в її динаміці, у взаєминах з навколишнім середовищем.
Таким чином, сьогодні біофізика складних систем - феноменологічна область фізики, що широко застосовує представлення кібернетики, математичне моделювання.
3. Сучасні галузі досліджень біофізики: вплив космогеофізіческіх факторів на перебіг фізичних і біохімічних реакцій, фотобіологічні процеси, математичне моделювання, фізика білкових і мембранних структур, нанобіології та ін.
Особливе місце належить прикладній біофізиці, серед основних розділів якої є наступні:
біоінформатика: хоча не є власним розділом біофізики, але дуже тісно пов'язана з нею;
біометрія;
біомеханіка : функції і структура опорно-двігального апарату і фізичні рухи біологічних систем;
біофізика еволюційних процесів та індивідуального розвитку в біомедицині;
медична (патологічна) біофізика:
патогенез і методи компенсаторного і реконструктивного відновлення;
фізичні методи дослідження і впливу та їх ефективність (дозвіл, вплив, післядія застосування);
оптимізація біофізичних умов середовищ продуктивності та якості процесів в біотехнологіях.
Біологічні об'єкти, як правило, дуже складні і на що протікають в них процеси впливають багато факторів, які часто залежать один від одного. Фізика дозволяє створити спрощені моделі об'єкта, які описуються законами термодинаміки, електродинаміки, квантової і класичної механіки. За допомогою кореляції фізичних даних з біологічними можна отримати більш глибоке розуміння процесів в досліджуваному біологічному об'єкті.
У фізиці є безліч методів, які у своїй первісній формі не можуть бути використані для досліджень біологічних об'єктів. Тому ще одним завданням біофізики є пристосування цих методів і методик для вирішення завдань біології. Сьогодні для отримання інформації в біологічних системах застосовують різні оптичні методи, рентгено-структурний аналіз з використанням синхротронного випромінювання, ЯМР-та ЕПР-спектроскопію, 7-резонансну спектроскопію, різні електрометричні методи, мікроелектродну техніку, методи хемілюмінесценції, лазерну спектроскопію, метод мічених атомів і ін Це використовується, зокрема, для медичної діагностики і терапії.
Також розробляються спеціальні методики з використанням ефектів при сприйнятті деяких впливів на біологічну форму матерії.

Приложенные файлы

  • docx 23616536
    Размер файла: 24 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий