Биофизика и медфизика

Главная > Эволюция природы > Эволюция жизни > Биофизика
Исследование физических процессов в живых системах

Биофизика - это наука

  1. о физических процессах, протекающих в органических и биологических системах разного уровня организации (от молекулы и клетки до биосферы),
  2. и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов.

Согласно первой задаче, биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности (взгляд физика на живую систему изнутри). Согласно второй, биофизика также должна изучать влияние космогеофизических и других внешних физических факторов на течение физических и биохимических реакций (взгляд физика на живую систему снаружи)

Биофизика разрабатывает вопросы термодинамики и биологической кинетики. С этих позиций рассматривается, в частности, проблема адаптации отдельных клеток и целых организмов к различным условиям окружающей среды. Одной из центральных проблем биофизики является проблема структуры и функции биологических мембран.

Биофизика - одна из основных дисциплин в изучении биосферы. Она помогает понять свойства биологических структур, которые используются в бионике. Также с ее помощью создаются органические материалы с необходимыми свойствами (биотехнологии в органической физике). Поэтому биофизика - не только междисциплинарное, но и мультидисциплинарное направление исследований биотических процессов и явлений.

Разделы страницы по физике органического мира:

  • Биофизика - взгляд на живое глазами физиков
  • Медицинская физика [медфизика]
  • Криобиология и криомедицина
  • Радиобиология и радиобиофизика
  • Воздействие на организмы электромагнитных полей
  • Воздействие космической погоды на биосферу [космоэкология]
  • Квантовая биология
  • Новости по биологической физике [пока пусто]
  • Биофизическая литература

Смежные научные дисциплины и исследования:

Читайте также авторские статьи о биофизических и ноофизических проблемах:


Биофизика - взгляд на живое глазами физиков

Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека, часто среди них можно выделить процессы, близкие к физическим. Например, такой сложный физиологический процесс, как кровообращение, в своей основе является физическим, так как связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество) и т.п. Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения) и т.п.

В организме, кроме физических макропроцессов, как и в неживой природе, имеют место молекулярные процессы, которые в конечном итоге определяют поведение биологических систем. Понимание физики таких микропроцессов необходимо для правильной оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действия лекарств и т.д.

Во всех этих вопросах физика настолько связана с биологией, что формирует самостоятельную науку — биофизику, которая изучает физические и физико-химические процессы в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации — от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма.

История биофизических исследований

Научные основы биофизики начали закладываться еще в XVIII веке. В настоящее время биофизика преподается как самостоятельная дисциплина во всех мединститутах, а в некоторых из них открыты кафедры биофизики. Создан целый ряд научных центров, занимающихся различными аспектами биофизики. Издаются научные журналы, освещающие достижения в этой области человеческого знания.

Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как

Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам.

В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика [граничные области]. Современные области исследований биофизики:

  1. влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций,
  2. фотобиологические процессы,
  3. математическое моделирование,
  4. физика белковых и мембранных структур,
  5. нанобиология и др.

Биофизические порталы

Биофизика (биологическая физика) — наука, изучающая физические свойства и явления в целом организме, отдельных его органах, тканях, клетках, а также физико-химические основы процессов жизнедеятельности.

Биофизические конференции

Биофизика изучает физические процессы внутри организмов, физическую основу биологических процессов и физические взаимодействия, которые являются частью или фазой биологических.

Молекулярная биофизика

В задачи молекулярной биофизики входит исследование физических и физико-химических свойств сложных химических соединений, в т. ч. белков и нуклеиновых кислот, входящих в состав живых организмов, а также характера их взаимодействия.

Методы биофизики и молекулярной биологии обеспечили расшифровку структуры крупных биомолекул, выявление пространственного расположения атомов в молекуле и т. д. Значительные успехи достигнуты в изучении механизмов превращения в клетках организмов физической энергии в химическую, в частности при фотосинтезе органических соединений в зеленых растениях под влиянием света.

Биофизика клетки

Задачей биофизики клетки является изучение:

  1. физико-химических основ функции клетки,
  2. связи клеточных структур с их функцией,
  3. механических и электрических свойств клетки,
  4. а также энергетики и термодинамики течения клеточных процессов и т. д.

Сверхслабые воздействия неживого на живое

Медицинская физика [медфизика]

Живой организм нормально функционирует, только взаимодействуя с окружающей средой. Он остро реагирует на изменение таких физических характеристик среды, как температура, влажность, давление воздуха и пр. Действие внешней среды на организм учитывается не только как внешний фактор, оно может использоваться для лечения (климатотерапия и баротерапия). Эти примеры свидетельствуют о том, что врач должен уметь оценивать физические свойства и характеристики окружающей среды. Перечисленные выше применения физики в медицине составляют медицинскую физику — комплекс разделов прикладной физики и биофизики, в которых рассматриваются физические законы, явления, процессы и характеристики применительно к решению медицинских задач.

Будучи тесно связанной с медициной, биофизика занимается изучением физико-химических особенностей механизмов возникновения и течения различных патологических процессов. В частности, биофизика внесла свой вклад в теоретические представления о воспалении, отеке, нефрите, механизмах регуляции водно-солевого равновесия и т. д. Широко используются биофизические представления о природе возбуждения и проведении его по нервным волокнам, о фотохимических процессах, происходящих в зрительных органах, и т. д. Большую роль играет биофизика в понимании механизмов лучевого поражения, разработке основ профилактики и лечения этого поражения. Методами биофизики изучают физико-химические и молекулярные механизмы и особенности развития злокачественных опухолей, физико-химические механизмы действия многих лекарственных веществ (наркотики, яды), разрабатывают методы количественной оценки их, токсического действия и др.

Физические методы диагностики заболеваний и исследования биологических систем

Многие методы диагностики и исследования основаны на использовании физических принципов и идей. Большинство современных медицинских по назначению приборов конструктивно является физическими приборами. Чтобы это проиллюстрировать, достаточно рассмотреть некоторые примеры в рамках сведений, известных читателю из курса средней школы. Механическая величина — давление крови — является показателем, используемым для оценки ряда заболеваний. Прослушивание звуков, источники которых находятся внутри организма, позволяет получать информацию о нормальном или патологическом поведении органов. Медицинский термометр, работа которого основана на тепловом расширении ртути, — весьма распространенный диагностический прибор. За последнее десятилетие в связи с развитием электронных устройств широкое распространение получил диагностический метод, основанный на записи биопотенциалов, возникающих в живом организме. Наиболее известен метод электрокардиографии — запись биопотенциалов, отражающих сердечную деятельность. Общеизвестна роль микроскопа для медико-биологических исследований. Современные медицинские приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматривать внутренние полости организма.

Спектральный анализ используется в судебной медицине, гигиене, фармакологии и биологии; достижения атомной и ядерной физики — для достаточно известных методов диагностики: рентгенодиагностики и метода меченых атомов.

Воздействие физическими факторами на организм с целью лечения

В общем комплексе различных методов лечения, применяемых в медицине, находят место и физические факторы. Укажем некоторые из них. Гипсовая повязка, накладываемая при переломах, является механическим фиксатором положения поврежденных органов. Охлаждение (лед) и нагревание (грелка) с целью лечения основаны на тепловом действии. Электрическое и электромагнитное воздействия широко используются ь физиотерапии. С лечебной целью применяют свет видимый и невидимый (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения), рентгеновское и гамма-излучения.

Криобиология и криомедицина

Криобиология (от греч. κρύος — холод, bios — жизнь и logos — наука) — раздел биологии, в котором изучаются эффекты воздействия низких температур на живые организмы. На практике, в рамках криобиологии занимаются исследованиями биологических объектов или систем при температурах ниже нормальных. В качестве объектов могут служить белки́, клетки, ткани, органы, или целые организмы. Используются диапазон температур от умеренно низких до криогенных.

Научные основы криобиологии были заложены в конце XIX века П. И. Бахметьевым - выдающимся русским учёным, изучавшим переохлаждение у насекомых и анабиоз у летучих мышей.

Важнейшие направления исследований:

Радиобиология и радиобиофизика

В радиационной биофизике ведутся работы по изучению превращения энергии при действии на живые организмы ионизирующих излучений.

Воздействие на организмы электромагнитных полей

Крымские исследователи пришли к заключению, что космическая погода влияет на биосферу через электромагнитные поля. Сотрудник КрАО кандидат физ.-мат. наук Б. М. Владимирский впервые предположил, что таким фактором может быть переменное магнитное поле (ПеМП) сверхнизких частот (СНЧ), интенсивность которого наиболее высока по сравнению с интенсивностью поля других частотных полос как в спокойные периоды, так и особенно во время геомагнитных возмущений, когда его интенсивность может возрастать в 10–100 раз, чего не наблюдается в других частотных диапазонах.

Исключительный интерес представляют данные, полученные нейрофизиологами В. Г. Сидякиным, А. М. Сташковым и его сотрудниками, которые сначала обнаружили нарушение условнорефлекторной деятельности у лабораторных животных, а затем целенаправленными экспериментами воспроизвели этот эффект, действуя ПеМП на «резонансных» частотах 5 и 8 Гц. Оказалось, что ... ПеМП частотой 8 Гц была более эффективна, чем ПеМП частотой 5 Гц. Эти результаты, явились, прямым доказательство того, что вариации электромагнитного фона СНЧ следует рассматривать как психотропный фактор.

Важное значение для доказательства биологической активности столь слабых раздражителей как ПеМП СНЧ имели исследования на систему крови, которые проводились под руководством Н. А. Темурьянц.

Накопленный экспериментальный материал позволял сделать вывод, что если поля указанных параметров биологически эффективны, то их действие на биосубстрат должно быть в высокой степени избирательным. Иначе как реализуется их влияние при высоком уровне внешних шумов — в том числе, индустриального происхождения? Можно было ожидать, что действие этих полей на биосистемы должно быть «резонансным». Н.А. Темурьянц и В.Б. Макеев решили эту масштабную задачу путем перебора всех частот в полосе 0,1-100 Гц (с некоторым шагом). В качестве основного тестпоказателя использовались изменения активности энзимов форменных элементов периферической крови.

Статистический анализ всего накопленного массива данных позволил выявить следующие биологические активные частоты ПеМП (Гц):

  1. 0,02;
  2. 0,06 (это – частота геомагнитных микропульсаций типа Рс3);
  3. 0,5 (близко к частоте геомагнитных микропульсаций типа Рс1);
  4. 5;
  5. 8-12 (8 Гц – частота ионосферного шумановского резонанса);
  6. 80 Гц.

Так был получен первый в мире «спектр действия» электромагнитных полей крайне низких частот (зарубежные исследователи, не зная этих результатов, и десятилетия спустя изучали действия слабых переменных полей на одной и той же частоте сети электропитания 60 Гц).

Воздействие космической погоды на биосферу [космоэкология]

Весь спектр влияния космоса на организмы приведён в трудах XIII Международной крымской конференции “КОСМОС И БИОСФЕРА”, 2019 (стр. 11):

Каналы воздействия космической погоды на среду обитания

Квантовая биология

Принято считать, что в условиях тепла и беспорядка, царящих в живых клетках, квантовые эффекты можно, по сути, игнорировать. Между тем некоторые ученые предполагают, что существуют биологические феномены, которые можно объяснить квантовой механикой — и только. На самом деле, квантовая биология сильно влияет на жизненные процессы:

  1. Например, оказалось, что ферментыкатализаторы реакций в клетке — используют так называемый туннельный эффект, или квантовое туннелирование. При помощи этого механизма они могут перемещать электрон или протон из одной части молекулы в другую.
  2. Туннельный эффект также играет роль в мутациях ДНК.
  3. Фотосинтез — один из самых важных процессов жизни. Когда фотон света попадает в пигмент, он поглощается, а вместо него освобождается электрон. Затем электрон попадает в электрон-транспортную цепь, накапливающую химический потенциал, который можно использовать для генерации АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфатная кислота). Но чтобы попасть в электрон-транспортную цепь, электрону нужно переместиться из одной точки, из которой его освобождает фотон, через хлорофилл, в точку, известную как реакционный центр. Есть множество путей, по которым электрон может достичь его. При помощи принципов квантовой когерентности и квантового запутывания электроны могут перемещаться по самым эффективным путям, не затрачивая энергию на тепло. Согласно квантовой когерентности электроны могут двигаться в нескольких направлениях одновременно из-за своих волнообразных свойств. Таким образом, электроны способны перемещаться по нескольким разным путям одновременно для достижения реакционного центра. Этот феномен позволяет максимально эффективно переносить энергию.
  4. Квантовая когерентность может влиять и на другие аспекты жизни. Некоторые ученые предполагают, что сетчатка человеческого глаза использует когерентность для передачи сигналов из глаза в мозг.
  5. Квантовая запутанность — одна из самых сложных для понимания концепций квантовой механики. Она описывает взаимодействие между двумя или более квантовыми частицами. И пусть это еще не подтверждено, считается, что запутанность может объяснить магниторецепцию — способность организмов чувствовать магнитное поле и определять свое расположение на местности в соответствии с ним.
  6. Некоторые считают, что обоняние — то, как мы чувствуем запахи — может быть результатом квантовых вибраций молекул. В то же время существуют исследования, указывающие на то, что с квантовой механикой связано броуновское движение внутри клетки.

Новости по биологической физике

Биофизическая литература


Главная   Науки о природе   Биология :

Биохимия | Генетика | Эволюционная теория | Биокризисы | Палеонтология | Биогенез | Вирусология | Микробиология | Ботаника | Микология | Зоология | Биопорталы | Биоцентры | Биокнига

На правах рекламы (см. условия):    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 26.09.2019
Яндекс.Метрика