История развития биофизики кратко

Обновлено: 05.07.2024

Биофизика — это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических актов.

История развития биофизики.

Развитие биофизики можно разделить на 3 этапа:

1-ый этап характеризуется накоплением отдельных фактов о биофизических процессах (длился с 17 по 18 век). В этот период развитие биофизики непосредственно связано с открытиями в других областях знаний: физике, химии, биологии (физиологии).

После разработки основ механики в 17 в. У. Гарвей (врач) использовал учение о гидродинамике для объяснения механизма кровообращения. Р. Декарт (математик, физик, философ) дал описание устройства глаза как оптического прибора à появление очков. Дж. Борелли использовал механику для объяснения движений человеческого тела.

Двигало науку вперёд и изобретение новых приборов. А. Ван Левенгук создал линзы (160-кратное увеличение) à М. Мальпиги увидел капилляры и подтвердил теорию У. Гарвея.

В 18 веке активно развивается учение о составе газов, физика света, учение об электричестве, появляется высокочувствительная техника. М.В. Ломоносов выдвигает гипотезы по термодинамике, цветном зрении. В работах М.В. Ломоносова были использованы количественные физико-химические методы в биологии, то есть биофизические методы.

Наиболее важные биофизические исследования начались с работ Луиджи Гальвани.

Исследования Гальвани создали два направления в науке: электрические явления в живой материи на разных уровнях организации и статическое электричество в физике.

2-ой этап развития биофизики отличается широким проведением экспериментов, длился с 19 века до середины 20.

В 19 веке значительные достижения в биологии (появление клеточной теории, теории эволюции, теории онтогенеза, открытия в физиологии растений, человека и т.д.) привели к необходимости активно использовать количественные физико-химические методы. Широкое распространение получает эксперимент.

Г. Майер (врач), сопоставляя цвет крови (зависит от содержания О₂) моряков в тропиках и в северных широтах, пришёл к выводу, что теплота и работа могут трансформироваться друг в друга à первый закон термодинамики. Дальнейшие исследования учёных подтвердили это предположение.

С. Карно, Р.Л. Клаузиус (ввёл термин энтропия) и ряд других учёных разработали второй закон термодинамики (принцип необратимости).

Г. Гельмгольц - математически обосновал закон сохранения энергии и предложил термодинамическую теорию химических процессов, теорию слуха и оптику зрения.

Активно изучаются электрические явления в мышечной и нервной ткани, возникает мембранология.

Биофизика рассматривает механизмы физических и физико-химических явлений в биологических системах на уровнях:

субмолекулярном;
молекулярном;
надмолекуляром;
клеточном;
тканевом;
органном;
организменном.

Предмет биофизики и ее название

Предметом биофизики считают физические и физико-химические процессы, которые лежат в основе жизни. Существуют и другие определения предмета этой науки. Так, например, лауреат Нобелевской премии А. Сент – Дьердьи говорил, что биофизика – это все то, что интересно.

В соответствии с предметом изучения биофизика является биологической наукой. Однако методы изучения биологических объектов и способы анализа полученных данных, говорят нам о том, что биофизика – это своеобразный раздел физики биологических процессов.

М.В. Волькенштейн определяет физику как физику явлений жизни.

Биофизика – это новая или старая наука?

Часто о биофизике говорят как о новой науке. Так в 1934 году П.Л. Капица писал, что биофизика - это новая область исследований, приходящая совместно с биохимией на место классической физиологии. Действительно, отдельной научной дисциплиной биофизика стала не так давно, однако ее элементы появились вместе с первыми работами по экспериментальной физике. Такие исследования Г. Галилея как измерение температуры тела, вычисление работы, которую совершает человек, можно считать биофизическими.

Многие ученые XVII – XVIII веков, И. Ньютон, М.В. Ломоносов, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье и другие, стремились объяснить процессы жизни человека и животных, применяя законы физики.

Готовые работы на аналогичную тему

В XIX веке массово стали применять аналитические методы исследования явлений в биологии. Максимальное развитие данные приемы получили в физиологии, внутри которой и возникла биофизика. Делались попытки большинство физиологических процессов, вплоть до высшей нервной деятельности, рассмотреть на основе законов физики. Эти объяснения сопровождались экспериментальными доказательствами. Известный физик Г. Гельмгольц получил скорость распространения нервного импульса. Э. Дюбуа – Реймон исследовал биоэлектрогенез практически всех органов и тканей организма. Э. Вебер описал часть свойств гемодинамики, как физических процессов. В это время физиками исследователями были сделаны ряд открытий в области чувств, например, закон Вебера – Фехнера.

XIX век определил тренд в развитии биофизики. Так, И.М. Сеченов, выдающийся русский физиолог, последовательно применял физику и химию, развивая исследования в медицине и физиологии. Он использовал математические методы и физическую химию при рассмотрении процесса дыхания. Это позволило ему установить количественные законы, описывающие процессы растворения газов в биологических жидкостях. В трудах И.М. Сеченова намечен путь развития физиологии и биофизики, который связан с физикой и химией. В своей диссертации И.М. Сеченов писал о том, что физиолог – это физико-химик, который рассматривает процессы в живом организме.

XX век сделал биофизику самостоятельной наукой. Она стала изучать фундаментальные проблемы биологии такие как:

наследственность,
изменчивость,
онтогенез,
филогенез,
метаболизм,
биоэнергетики.

Метод внешних аналогий в биофизике

Первым основным методом, который применялся в биофизике, стал метод внешних аналогий. Его применяли большинство биофизиков XVII – XIX веков. Эти ученые рассматривали живой организм как физическую систему.

В настоящее время метод внешних аналогий успешно применяется в биофизике. Так, сокращение мышц уподобляют обратному пьезоэффекту и моделируют на этом основании. Амебное перемещение клеток рассматривают как движение капли ртути в кислотном растворе. Проведение нервного импульса моделируют так же, как миграцию царапины по проволоке из железа, которую обработали азотной кислотой.

Отметим, что значение таких моделей имеет существенные ограничения. Появление новых аппаратов для проведения исследований заставляет создавать новые модели одного и того же биологического процесса. Так, рефлекторную деятельность во времена Декарта рассматривали в аналогии с работой паровой машины, позднее в аналогии с телефонной станцией, сейчас аналогию проводят с компьютером. Нельзя не отметить, что подобные феноменологические модели необходимы, они дают возможность уточнять детали исследованных ранее явлений, создавать бионические системы, использующие законы биологических организаций для создания сложных технических аппаратов. Но данное направление моделирования не стало основным в решении задач, стоящих пред биофизикой, поскольку основной целью биофизики является раскрытие внутренних механизмов биологических процессов, а не построение внешних аналогий.

В настоящее время принято считать, что живые организмы являются сложными физико-химическими системами. Следовательно, именно физико-химическое моделирование является наиболее эффективным. Именно такой вид моделей вскрыл природу биоэлектрогенеза, позволил объяснить природу мембран, дал почву для создания ионной теории возбуждения и др.

Современная биофизика

Современную биофизику можно рассматривать как физическую химию и химическую физику биологических систем.

В исследованиях этой науки используют основной принцип эмпирического рассмотрения природных явлений – количественный анализ реакций организма на применяемые стимулы, при этом строятся функциональные зависимости между ними.

В настоящее время функциями организма считают его форму деятельности с определенным результатом в конце. Проявлением этого результата служат физиологические свойства. Во внутренние механизмы этих функций нельзя проникнуть, если применять классические подходы физиологии, так как они обладают физической и химической природой. Здесь на выручку и приходит биофизика и биохимия.

Допустим необходимо рассмотреть биопотенциалы. При этом биофизик будет интересоваться, механизмом появления электромагнитных процессов в живых тканях, физическим основанием процесса возникновения потенциала, искать каков источник энергии для него. Для физиолога биопотенциал будет, показателем жизнедеятельности организма, количественной характеристикой физиологических свойств. Рассматривая электрокардиограмму, физиолог будет делать вывод о свойствах сердечной мышцы. Биофизик будет исследовать физическую природу электрогенеза в миокарде и электрические процессы, происходящие в сердце.

Биофизика (биологическая физика) - наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи – молекулярном, клеточном, организменном и популяционном.

Содержание

↑Введение

Теоретические построения и модели биофизики основаны на 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 – фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики – проникновение в самые глубокие, элементарные уровни, составляющие основу структурной организации живого.

Становление и развитие биофизики тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии, физики, химии и математики.

↑Современная классификация биофизики, принятая ИЮПАБ

Классификация, принятая Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961), которая отражает основные биологические объекты в области биофизических исследований, включает следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы жизнедеятельности клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. Выделяют также разделы биофизики: строение биополимеров ( белки, ДНК, липиды), биомеханика, биологическая оптика, биомагнетизм, биологическая термодинамика. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующая радиация, электромагнитные поля и др.).

↑История проникновения начал физики и математики в биологию

↑Развитие биофизики в XIX – начале XX века

Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с достижениями в области физики и химии, с развитием и совершенствованием методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. С развитием биофизики в биологию проникли такие точные экспериментальные методы исследований как спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии и радиационной биофизики.

↑Основные направления исследований и достижения современной биофизики

В современной биофизике можно выделить 2 основных направления, составляющих предмет биофизики, - теоретическая биофизика решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, рассматривает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, механизмы трансформации в них энергии; и биофизика конкретных биологических процессов ( биофизика клетки ), анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция развития биофизики связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого.

На современном этапе развития биофизики произошли принципиальные сдвиги, связанные, прежде всего, с бурным развитием теоретических разделов биофизики сложных систем и молекулярной биофизики. 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. Теоретические модели, разрабатываемые в таких разделах как кинетика, термодинамика, теория регуляции биологических систем, строение биополимеров и их электронные конформационные свойства, составляют в биофизике основу для анализа конкретных биологических процессов. Создание таких моделей необходимо для выявления общих принципов фундаментальных биологически значимых взаимодействий на молекулярном и клеточном уровне, раскрытия их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработки на основе этого исходных обобщенных понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям.

Важнейшей особенностью является то, что построение моделей в биофизике требует такой модификации идей смежных точных наук, которая равносильна выработке новых понятий в этих науках в применении к анализу биологических процессов. Биологические системы сами являются источником информации, которая стимулирует развитие некоторых областей физики, химии и математики.

В области биофизики сложных систем использование принципов химической кинетики для анализа метаболических процессов открыло широкие возможности их математического моделирования с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. На этом этапе было получено много важных результатов, в основном в области моделирования физиолого-биохимических процессов, динамики роста клеток и численности популяций в экологических системах. Принципиальное значение в развитии математического моделирования сложных биологических процессов имел отказ от идеи обязательного нахождения точных аналитических решений соответствующих уравнений и использование качественных методов анализа дифференциальных уравнений, которые позволяют раскрыть общие динамические особенности биологических систем. К числу этих особенностей относятся свойства стационарных состояний, их число, устойчивость, возможность переключения из одного режима в другой, наличие автоколебательных режимов, хаотизация динамических режимов.

К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток, как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию ( И. Пригожин ); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях. Развивающаяся область теоретической биофизики – изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах.

В целом развитие единого молекулярно-кинетического описания является актуальной проблемой биофизики, которая требует разработки исходных базовых понятий. Так, в области термодинамики необратимых процессов понятие химического потенциала, зависящего от общей концентрации какого-либо компонента, и, строго говоря, понятие энтропии уже несправедливы для гетерогенных систем, далеких от равновесия. В активных макромолекулярных комплексах внутримолекулярные превращения в первую очередь зависят от характера их организации, а не от суммарной концентрации отдельных составляющих компонентов. Это требует разработки новых критериев устойчивости и направленности необратимых процессов в гетерогенных неравновесных системах.

В молекулярной биофизике изучение конкретных биологических процессов основано на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки, внутримолекулярной подвижности и т.д. Большое значение в биофизике имеет использование современных экспериментальных методов и прежде всего радиоспектроскопии ( ЯМР , ЭПР ), спектрофотометрии, рентгеноструктурного анализа, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии, различных электрометрических методов, в том числе с использованием микроэлектродной техники. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. В настоящее время установлена структура около 1000 белков. Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. Возможности направленного синтеза биологически активных веществ, в том числе лекарственных препаратов, базируются также на фундаментальных исследованиях связи молекулярной подвижности и биологической активности таких молекул.

В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях - ЭКВ ( М.В. Волькенштейн ), стохастических свойствах белка ( О.Б. Птицын ) составляют основу понимания принципов функционирования биомакромолекул. Специфика биологических закономерностей, полностью раскрывающихся на высших уровнях организации развитой биологической системы, тем не менее, проявляется уже на низших молекулярных уровнях живого. Трансформация энергии и появление продуктов реакции в комплексах достигается в результате внутримолекулярных взаимодействий отдельных частей макромолекулы. Отсюда логически вытекают представления о своеобразии макромолекулы как физического объекта, сочетающего в себе взаимодействия по статистическим и механическим степеням свободы. Именно представления о макромолекулах, прежде всего белковых, как своего рода молекулярных машинах ( Л.А. Блюменфельд , Д.С. Чернавский ) позволяют объяснить трансформацию различных видов энергии в результате взаимодействия в пределах одной макромолекулы. Плодотворность биофизического метода анализа и построения обобщенных моделей физического взаимодействия сказывается в том, что принцип ЭКВ позволяет с единых общенаучных позиций рассматривать функционирование молекулярных машин, казалось бы, далеких друг от друга по своей биологической роли – например, молекулярных комплексов, участвующих в первичных процессах фотосинтеза и зрения, фермент-субстратных комплексов ферментативных реакций, молекулярных механизмов работы АТФ-синтетазы, а также переноса ионов через биологические мембраны.

Идеи и методы биофизики не только находят широкое применение при изучении биологических процессов на макромолекулярном и клеточном уровнях, но и распространяются, особенно в последние годы, на популяционный и экосистемный уровни организации живой природы.

Достижения в биофизике в большой степени используются в медицине и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, люминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологическая биофизика анализирует молекулярные механизмы действия абиотических факторов (температура, свет электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на биологические структуры, жизнеспособность и устойчивость организмов. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс методов для оценки состояния экосистем. В этой области одной из важнейших задач становится оценка токсичности принципиально новых материалов – наноматериалов, а также механизмов их взаимодействия с биологическими системами.

↑Развитие биофизического образования в России

↑Рекомендуемая литература

Блюменфельд Л.А . Проблемы биологической физики. М., 1977

Волькенштейн М.В. Биофизика. М., 1981

Николис Г., Пригожин И . Самоорганизация в неравновесных структурах. пер. с англ. М., 1979;

Биофизика – это отрасль науки, которая использует физические методы для изучения биологических процессов. Физика использует математические законы для объяснения мира природы, и ее можно применять к биологическим организмам и системам, чтобы понять их работу. Исследования в области биофизики помогли предотвратить и лечить болезни, ускорить разработку лекарств и создать технологии, позволяющие людям жить более устойчиво и защищать меняющуюся окружающую среду.

История биофизики

Биофизика – относительно молодая отрасль науки; оно возникло как определенное подполе в начале и середине 20 века. Тем не менее, основы для изучения биофизики были заложены группой физиологов в Берлине значительно раньше, в 19 веке. В Берлинскую школу физиологов входили Герман фон Гельмгольц, Эмиль Дюбуа-Реймонд, Эрнст фон Брюке и Карл Людвиг. В 1856 году Адольф Фик, один из учеников Людвига, даже опубликовал первый учебник по биофизике. Но технологии в физике в настоящее время недостаточно развиты, чтобы детально изучать формы жизни, например, на молекулярном уровне.

В первой половине 20-го века немецкие ученые доминировали в биофизике. Они изучали электромагнитные поля и свет, и они в основном занимались изучением воздействия радиации на живые существа. Популярность биофизики возросла, когда австрийский физик Эрвин Шредингер опубликовал книгу «Что такое жизнь? в 1944 году. Эта книга была основана на серии публичных ��екций, которые Шредингер прочитал, объясняя процессы живых существ с помощью физики и химии. В нем он предложил идею о том, что существует молекула в живых существах, которые содержали генетическую информацию в ковалентные связи, Это вдохновило ученых, таких как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, на поиск и характеристику генетической молекулы, и с помощью исследования рентгеновской кристаллографии Розалинд Франклин они обнаружили двойная спираль Структура ДНК в 1953 году.

К середине 20-го века биофизические программы выросли и приобрели популярность в других странах, а с 1950-1970-х годов биофизические исследования проводились более быстрыми темпами, чем когда-либо прежде. В дополнение к открытию ДНК и ее структуры, биофизические методы также использовались для создания вакцин, разработки методов визуализации, таких как МРТ и КАТ, для помощи врачам в диагностике заболеваний и создания новых методов лечения, таких как диализ, лучевая терапия и кардиостимулятор. В настоящее время биофизика также начала уделять внимание вопросам, связанным с изменением климата Земли. Например, некоторые биофизики работают над разработкой биотоплива из живых микроорганизмов, которые могут заменить бензин в качестве топлива.

Области биофизики

Биофизика включена во многие различные области биологии. Некоторые темы исследований в области биофизики или биофизики включают в себя:

Мембранная биофизика: изучение структуры и функции клетка мембраны, включая ионные каналы, белки и рецепторы, встроенные в них.
Вычислительная / теоретическая биофизика: использование математического моделирования для изучения биологических систем.
Белковая инженерия: создание и модификация белков для развития синтетической биологии. Часто используется для укрепления здоровья человека в виде новых методов лечения заболеваний.
Молекулярные структуры: биофизика изучает молекулярные структуры биологических молекул, включая белки, нуклеиновые кислоты и липиды.
Механизмы: использование физических механизмов для объяснения возникновения биологических процессов. Некоторые физические механизмы включают в себя преобразование энергии в мембранах, укладку белка и структуру, ведущую к специфическим функциям, движению клеток и электрическому поведению клеток.

Майор биофизики

Некоторые университеты предлагают степень бакалавра гуманитарных наук или бакалавра наук в области биофизики, в то время как другие предлагают степень биофизики только на уровне магистратуры (то есть степени магистра и / или доктора). Степени биофизики в значительной степени сосредоточены на курсах физики и биофизики, и обычно те, кто специализируется в области биофизики, также обязаны пройти многочисленные уроки математики и химии. На уровне бакалавриата можно рассчитывать на курсы по общей и органической химии, исчислению, механике, линейной алгебре и биохимия, Другие возможные курсы включают клеточную биологию, генетика молекулярная биология, статистика и вычислительная биология и др. Другой важный компонент многих степеней биофизики – исследование; некоторые программы требуют проведения исследований в лаборатории в течение определенного количества семестров, что завершается старшим исследовательским проектом. Конкретные курсы, предлагаемые в основной программе по биофизике, могут варьироваться от университета к университету, но специализация в области биофизики позволит адекватно подготовить студента к его карьере в области исследований в области биофизики.

Если учащийся интересуется биофизикой, но его школа не предлагает степень биофизики, часто существуют сопоставимые программы, которые можно найти в других специальностях, которые включают в себя большую часть тех же курсов. Специальность по физике – это еще один хороший вариант, и можно рассмотреть возможность добавления другой специальности или специальности в области биохимии, химии или биологии в зависимости от исследовательских интересов и предлагаемых программ.

Карьера в биофизике

Наиболее распространенные варианты карьеры для биофизиков включают исследования, преподавания или их комбинации. Обычно требуется степень магистра, чтобы стать учителем биофизики, руководителем лаборатории или научным сотрудником, а докторская степень необходима для того, чтобы быть главным исследователем исследовательской лаборатории. Основные исследователи планируют эксперименты и контролируют все исследования, проводимые в лаборатории, в то время как руководители лабораторий и научные сотрудники играют более вспомогательную роль и помогают главному исследователю в проведении своих исследований. Те, у кого есть степени бакалавра, могут получить должности техников-исследователей, что также важно в лаборатории. Специалисты-исследователи проводят множество экспериментов, позволяя главному исследователю писать научные статьи, исследовательские предложения и гранты.

Читайте также: