Биофизика сложных систем кратко

Обновлено: 05.07.2024

Биофизика – это наука о самых простых и фундаментальных взаимодействиях, которые лежат в основе биологических процессов. В основании биофизических моделей лежат физические понятия энергии, силы, типы взаимодействия, общие понятия физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Данные понятия отображают природу основных физических взаимодействий и законов движения материи. Центром внимания биофизики как биологической науки являются биологические процессы и явления.

Трендом биофизики на современном этапе является проникновение на элементарные уровни молекулярной основы структуры организации живого.

Биофизика является одной из фундаментальных биологических дисциплин. Изучение данной науки позволяет формировать научное мышление современного медицинского работника.

Биофизические методы входят в практику исследовательских лабораторий и стали основанием для методов диагностики заболеваний и их лечения.

Биофизика имеет большое методологическое значение.

Законы физики и химии являются базисом биофизических положений и теорий, которые в свою очередь стали их развитием. На первоначальном этапе развития биофизики главным выводом стал вывод о том, что основные законы физики, как науки о законах движения материи, применимы к области биологии.

Важное методологическое значение для разных областей биологии имеют эмпирические доказательства закона сохранения энергии (первое начало термодинамики), принципы химической кинетики, как основы динамического поведения биосистем, концепции открытых систем и второго начала термодинамики в биосистемах.

Биофизика – это фундаментальная наука, которая исследует свойства биологических объектов с точки зрения физических законов. Объектом исследования этой науки являются физико-химические процессы в живых организмах, которые составляют основу их существования, а также их механизмы.

Готовые работы на аналогичную тему

Биофизику можно считать физикой живых систем разного уровня: молекулы, мембраны, клетки, органа, популяции. Биофизику определяют как науку, которая строит и исследует идеальные системы, являющиеся моделями отображающими основные свойства живого для различных уровней организации.

Биофизика была признана самостоятельной наукой в 50- е годы XX века. Эта наука возникла на стыке биологии, физики и математики.

Биологическая форма движения материи очень сложна, но ее можно представить как совокупность более простых физических и химических форм движения, которые дают новые качественные сочетания.

Биофизика, в совокупности с другими науками, на сегодняшний момент, является теоретической основой биологии.

Предмет и объекты биофизики

Предмет биофизики весьма сложен и многогранен. Для его изложения необходимо использование материалов разных разделов биологии, использования современных методов и представлений физики, математики, химии.

Исследование человеческого организма и процессов, которые нарушают его жизнедеятельность, в первую очередь, составляют предмет биофизики.

Биофизика имеет большой круг объектов изучения. Данная наука рассматривает физические свойства и явления на уровне:

сложных систем, таких как организм;
отдельных органов;
биологических тканей;
отдельных клеток;
субклеточных структур (например, биологические мембраны);
макромолекул (например, белки, нуклеиновые кислоты);
электронные структуры молекул;
влияния внешних магнитных полей на электрические процессы, протекающие в теле человека.

В состав биофизики входят авиационная и космическая биомеханика.

Методы биофизики

Многие методы, которые используют в биофизике, она позаимствовала из физики и химии. Но следует отметить, что объект исследования и задачи, которые ставятся перед учеными, привели к значительной трансформации первоначальных методов физики и соответствующих им приборов. Например, процедура измерения биологических потенциалов нервных клеток при помощи микроэлектродов и фиксирующей напряжение аппаратуры значительно отличается от методов измерения в физике.

Правильное применение физических законов возможно только при установке определенных границ системы, для которой можно проводить исследования и расчеты. В биофизике могут применяться классические методы измерения физики. Так если используется, например, спектральный анализ, то особенности биологических объектов такие как, широкие полосы поглощения, значительное рассеяние света и другие, заставляют создавать специальные приборы, которые приспособлены для экспериментов в биологии.

Современная биофизика имеет систему специальных методов, которые приспособлены для решения ее задач, например:

электрофорез;
ультрацентрифунгирование;
калориметрия;
малоугловое рассеяние света;
рентгеноструктурный анализ;
нейтроноскопия;
спектрофотомерия;
рамановская спектроскопия;
люминесцентный анализ;
ядерный магнитный резонанс и др.

В среде биологических дисциплин биофизика является наиболее точной наукой. Биофизики ориентируются на логичные строгие доказательства каждого положения. Эти доказательства основываются на точных экспериментах. Исследуемые биофизикой явления количественно описываются. Исследования проводятся при помощи современной аппаратуры. Биофизика применяет методы физического и математического моделирования.

Особенности моделирования в биофизике

Модели в биофизике основываются на результатах прямых экспериментов, данных о реальных молекулярных свойствах биологических объектов. Они не могут быть просто перенесены из физики в биологию, как схема похожего процесса.

Значимой особенностью является то, что создание моделей в биофизике требует модификации идей смежных наук. Это равносильно созданию новых понятий в этих науках при применении к анализу биологических процессов.

Содержание биофизики как науки

В содержание биофизики включены:

поиск общих принципов биологически значимых взаимодействий на уровне молекул;
объяснение природы взаимодействий молекул при использовании законов физики и химии;
применение достижений математики для решения биологических задач;
разработка обобщенных понятий, соответствующих описываемым биологическим явлениям.

Теоретические основы биофизики включают: вопросы кинетики, термодинамики, математического моделирования биосистем, основ молекулярной (квантовой) биофизики.

К прикладной биофизике относят: биофизику конкретных процессов, которые текут на разных структурных уровнях организации живого.

Биофизик Михаил Пантелеев о системе свертывания крови, принципах системной биологии и математическом моделировании сложных систем

Над материалом работали

доктор физико-математических наук, профессор кафедры медицинской физики физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией клеточного гемостаза и тромбоза ФНКЦ ДГОИ им. Д. Рогачева

Речь идет о следующем. Сейчас ученые знают довольно много об устройстве живых организмов. Объем информации, который ежедневно получают люди в разных лабораториях, зашкаливает за все вообразимые пределы.

Еще недавно исследование генома человека было огромной задачей для большого коллектива нескольких институтов, а сейчас уже можно сделать геном человека персональным образом с достаточно хорошей точностью. И в целом просеквенировать тот или иной организм все больше и больше становится рутинной задачей.

Геномика — это только самое популярное из таких направлений. Между тем такие направления, как протеомика, метаболомика, липидомика, позволяют получать массовую информацию о том, что происходит внутри живых организмов, и в этой информации очень легко потеряться.

Например, сейчас мы знаем все гены в организме человека. Но мы при этом очень плохо понимаем, чем эти гены занимаются, как происходит взаимодействие между белками, которые являются продуктами этих генов. И даже в том случае, если мы получаем формальную информацию, понять, как это работает, все равно сложно.

Я приведу пример из близкой мне области. Это система свертывания крови, которая занимается остановкой кровотечений, точнее, одна из частей системы, которая занимается остановкой кровотечений. В этой системе около 50–60 белков, около 300 реакций, в которых этих белки взаимодействуют друг с другом, с клетками крови, со стенками сосудов, с липопротеинами, микровезикулами. Наверное, 300 — это все-таки оптимистическая оценка. Если считать менее значимые реакции, то их около 500. Это все происходит неравномерно во времени и пространстве. Когда у вас появляется рана, то у вас на поверхности раны идут одни реакции, а в объеме — другие. То есть процессы распределяются в пространстве и времени, белки диффундируют из одной области в другую, у нас сложный процесс в трех измерениях и во времени. И на все это накладывается присутствие потока крови и соображения гидродинамики.

Естественно, что даже если представить чисто теоретически, что мы знаем все компоненты этой системы (это сейчас более или менее верно), что мы знаем все реакции в этой системе (это я уже не решусь утверждать), то все равно представить себе, как эта система работает, немного за пределами невооруженного человеческого разума.

Так вот, если мы теперь возьмем систему сигнализации, скажем, основной каскад сигнализации в тромбоцитах крови, она примерно на один-два порядка сложнее. Там нет гидродинамики, а вот биохимически — по количеству компонентов и взаимодействий между ними — эта система действительно в 10–100 раз сложнее. И, в свою очередь, тромбоцит — это одна из простейших клеток, у которой крайне примитивная задача — прикрепиться к месту повреждения и активироваться.

Если мы теперь возьмем серьезную клетку, скажем клетку иммунной системы или мышечную клетку, то задачи, которые стоят перед этими клетками, еще сложнее. Можно попробовать это проиллюстрировать следующим образом. Если у нас есть фермент, то один из самых популярных способов переключить активацию этого фермента внутри клетки — это фосфорилировать, то есть модифицировать одну из аминокислот путем прикрепления к ней фосфата.

Это значит, что если у нас есть белок с сайтом фосфорилирования, то он может находиться в двух состояниях. Если у нас есть белок, в котором, что достаточно часто бывает, десяток сайтов фосфорилирования, этот белок может находиться в числе состояний, которое определяется 210 (тысяча состояний).

Если у нас есть два таких белка, которые способны формировать комплекс, мы получаем миллион состояний. Это всего два белка.
А в каскаде реакций этих белков могут быть десятки. Это все я пытаюсь запугать, чтобы примерно описать ту сложность, с которой сталкивается сейчас биолог. С одной стороны, он получает массу информации, а с другой стороны, он не знает, как с этой информацией чаще всего поступать.

Достигается это путем нескольких важных шагов. Во-первых, это отказ от априорного упрощения. Потому что в сложной системе даже слабая реакция, если она, например, оказывается в положительной обратной связи, соединяющей нижнюю часть каскада с верхней, даже очень слабая реакция, с точки зрения биохимика, может оказываться играющей регуляторную роль. Или как, например, древний и классический результат в регуляции метаболизма, скорость метаболического пути определяется лимитирующей, самой медленной реакцией, а вовсе не самой быстрой. Таким образом, первый шаг — это отказ от априорных упрощений.

Второй ключевой шаг — использование математического моделирования. Для современной биологии жизнь без математического моделирования, в первую очередь компьютерного моделирования, потому что аналитически такие системы почти никогда не решаются, невозможна.

Третий шаг — не верить результатам компьютерного моделирования, потому что когда у вас есть система, которую я описал, то сделать надежную модель очень сложно . Например, если говорить опять-таки о близком мне примере свертывания крови, то, если я знаю константу с разбросом ±50%, это очень хороший результат. Плохой результат — это когда я знаю какую-то константу реакции с точностью до четырех порядков. Есть как минимум одна реакция в свертывании крови, которая имеет сложную регуляцию и для которой экспериментаторы сообщают такие драматические различия.

Поэтому следующий шаг — то, что компьютерная модель не должна отходить больше чем на шаг от эксперимента.

И последний важный элемент — использование специализированных приемов, методов, предназначенных для исследования сложных систем. Это пришедший из математики метод анализа чувствительности, это другая область математики, метод анализа так называемой временной иерархии, когда мы рассматриваем систему и пытаемся выделить там процессы, идущие с разными характерными скоростями.

Дело в том, что биологические системы, с точки зрения ученого, имеют одно уникальное преимущество. Поскольку это эволюционно сложившиеся системы, которые служат конкретной цели, то они в своей основе часто устроены достаточно просто, во всяком случае, они устроены осмысленно. И то, что внешне эти системы выглядят безумно сложными, вызвано тем, что природа вынуждена реализовывать простую идею на языке доступных ей механизмов — ферментов и реакций между ними.

На самом деле, как правило, у этих систем есть четкие цели. И если начать заниматься детальным анализом блоков, из которых устроена эта система, то становится понятно, для чего служат те или иные блоки.

Мне очень нравится следующая аналогия. Представьте себе, что вам в руки попал реактивный самолет, притом что вы не являетесь представителем культуры, которая эти самолеты запускает. Вы дикари, которые пытаются разобраться в устройстве этого сложного прибора. И люди, которые занимаются разными направлениями, используют разные подходы.

Например, врачей можно уподобить экстремальным летчикам-испытателям: им неважно, как этот самолет летает, а им важно, чтобы он прилетел и благополучно приземлился. То есть перед врачом стоит задача вылечить человека, и неважно, если ученые не придумали лекарств, не придумали механизма болезни — все равно лечить нужно.

Классического биохимика можно уподобить мастеру, который разбирает этот самолет на запчасти, тщательно выделяя каждый винтик и пытаясь потом эти винтики сложить вместе.

Люди, которые занимаются системной биологией, скорее инженеры, которые, с одной стороны, пользуются данными врачей, испытателей, с другой стороны, используют информацию, которую дают биохимики.
И они пытаются собрать из этого цельную картину, смоделировать и понять, как этот самолет летает, понять, что он летает, а не, скажем, копает землю. Пожалуй, вот это центральная идея. И вторая центральная идея: они опираются на то, что это самолет, а не коллекция винтиков. Это позволяет очень сильно упростить рассмотрение этих систем.

Я сейчас очень много рассказывал об общих вещах. Чем конкретно занимается наша команда? Мы берем различные системы, начиная с метаболизма и заканчивая сигнализацией. Как правило, в силу исторических причин для нас это системы, которые имеют отношение к крови. Это каскад свертывания, который определяет желирование крови в месте повреждения, это каскад системы комплемента (система врожденного иммунитета, которая атакует бактерии или свои клетки, если их нужно уничтожить), это каскады сигнализации в клетках крови, в первую очередь в тромбоцитах, и каскады сигнализации, которые управляют, скажем, синтезом гликогенов в мышечных клетках.

Мы пытаемся, с одной стороны, применить к этим системам те подходы, которые существуют в данной области и которые мы сами разработали. С другой стороны, мы пытаемся разработать новые подходы, направленные на понимание этих систем, потому что сейчас для разных сложных биологических систем существует разная ситуация. Например, метаболизм — те системы, которые занимаются поддержанием постоянной, стационарной жизни клетки, — изучен относительно хорошо, и первые теории метаболизма появились еще в 1970-е годы.

Сигнализация нестационарной во времени системы, которая занимается реакцией на неожиданные ситуации, изучена гораздо хуже. И, например, какой-то единой теории устройства сигнальных систем не существует. Есть только некоторые общие соображения, что, например, каскад реакций важен для усиления и обеспечения взрывной динамики ответа.

По определению, физика- это наука изучающая свойство материи а также их формы в пространстве. В данном определении материя не разделяется на живую и не живую, живая материя также подчиняется законам физика. Таким образом биофизика- это наука изучающая физические и физико- химические процессы протекающие в биологических системах на разных уровнях организаций и является основой физиологических актов. Приведенное определение не означает сведения всего естествознания к физике, но из него следует, что конечные теоретические основы любой отрасли естествознания имеют физический характер.

Биология есть наука о живой природе, объекты которой неизмеримо сложнее не живых. Исходя из сказанного, определим биологическую физику как физику явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом. Такое определение биофизики противостоит ее пониманию как вспомогательной области биологии или физиологии. Содержание биофизики не обязательно связано с применением физических приборов в биологическом эксперименте. Медицинский термометр, электрокардиограф, микроскоп физические приборы, но врачи или биологи, пользующими этими приборами, вовсе не занимаются биофизикой. Биологическое исследование начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе. Это означает, что такая задача формулируется, исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения вещества. Тем самым конечная цель биофизики состоит в обосновании теоретической биологии. Одновременно биофизика решает многочисленные теоретические и практические (прикладные) проблемы частного характера.

Биофизика - наука XX века. Из этого не следует, что ранее не решались биофизические задачи. Максвелл построил теорию цветного зрения, Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Число примеров такого рода велико. Однако лишь в наше время биофизика перешла от изучения физических свойств организмов и физических воздействий на них (свет, звук, электричество) к фундаментальным проблемам — к исследованию наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетика. Это оказалось возможным именно благодаря мощному развитию биологии и биохимии.

Задачи биофизики те же, что и биологии. Они состоят в познании явлений жизни. Биофизик должен обладать и физическими, и биологическими знаниями. Для успешной работы в области биофизики желательно общее понимание живой природы, определяемое знанием основ зоологии и ботаники, физиологии и экологии.

Несмотря на большие трудности, современная биофизика достигла круглых успехов в объяснении ряда биологических явлений. Мы узнали многое о строении и свойствах биологически функциональных молекул, о свойствах и механизмах действий клеточных структур, таких, как мембраны, биоэнергетические органоиды, механохимические системы. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов, вплоть до онтогенеза и филогенеза. Реализованы общетеоретические подходы к явлениям жизни, основанные на термодинамике, теория информации, теории автоматического регулирования.

Разделы и методы биофизики.

Биофизика условно подразделяется на три области: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. Это деление не обязательно, но удобно.

Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биологических функциональных молекул, прежде всего биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Задачи молекулярной биофизики состоят в раскрытии физических механизмов, ответственных за биологическую функциональность молекул. Молекулярная биофизика наиболее развитая область биофизики. Она неотделима от молекулярной биологии и химии.

Поскольку главные задачи молекулярной биофизики относятся к структуре молекул и их функциональности, мы можем рассматривать равновесные свойства молекул. Теоретический аппарат молекулярной биофизики - равновесная термодинамика, статистическая механика и, конечно, квантовая механика. Для экспериментального исследования биологических функциональных молекул применяется широкий арсенал физических методов. Это во-первых, .методы, употребляемые в физике макромолекул для определения их молекулярных масс, размеров и формы — седиментации в ультрацентрифуге, рассеяние рентгеновских лучей растворами исследуемых веществ и т. д. Во-вторых, методы исследования структуры молекул, основанные на взаимодействии вещества со светом, включают рентгеноструктурный анализ, -резонансную спектроскопию, электронные и колебательные спектры, т. е. спектры поглощения и люминесценции в ультрафиолетовой и видимой областях, инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния. Сюда же относятся спектрополяриметрия, т.е. исследования естественного и магнитного вращения плоскости поляризации света и кругового дихроизма. Очень ценную информацию дают спектры ядерного и электронного парамагнитного

резонансов (ЯМР и ЭПР). В случае ЭПР особенно важно применение парамагнитных спиновых меток. В-третьих, методы калориметрии применяемые для изучения превращений биологических макромолекул. И, наконец, прямое значение структуры белков и нуклеиновых кислот посредством электронной микроскопии.

Молекулярная биофизика естественно переходит в биофизику клетки, изучающую строение и функциональность клеточных и тканевых систем. Эта область биофизики является самой старой и традиционной. Ее главные задачи связаны сегодня с изучением физики биологических мембран и биоэнергетических процессов. Биофизика клетки включает изучение генерации и распространения нервного импульса, изучение механохимических процессов, изучение фотобиологических явлений. В этой области также применяются уже перечисленные экспериментальные методы. Биофизика клетки имеет дело с более сложными задачами и встречается с большими трудностями по сравнению с молекулярной биофизикой.

Биофизикой сложных систем условно показывается преимущественно теоретическая область биофизики, посвященная рассмотрению общих физико-биологических проблем и физико-математическому моделированию биологических процессов. Перечислим основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем.

1. Общая теория диссипативных нелинейных динамических систем —
термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирование.

2. Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологических колебательных процессов.

3. Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений.

4. Общая теория и моделирование процессов биологического развития -
эволюции, онтогенеза, канцерогенеза, иммунитета.

Все разделы биофизики находят сегодня важные практические приложения, прежде всего в медицине и фармакологии, а также в сельском хозяйстве.

Предмет и задачи биофизики. Место биофизики в естествознании.

Разделы и методы биофизики.

2. Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологических колебательных процессов.

3. Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений.

Читайте также: