Биофизика

Биофи́зика (от др.-греч. βίος — жизнь, др.-греч. φύσις — природа):

  • раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
  • раздел современной математической физики, изучающий биологические объекты как разновидность сложных нелинейных физических систем;
  • наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности действия физических законов на биологическом уровне организации вещества и энергии.

«Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям»[1].

По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406[2].

Разделы биофизики

Согласно номенклатуре ЮНЕСКО в биофизике выделяются разделы[2]:

  • 2406.01 Биоакустика (коммуникация и локация в воздушных и водной средах)
  • 2406.02 Биоэлектричество (мембранный потенциал, информационные и интегральные процессы, ЦНС и ВНС)
  • 2406.03 Биоэнергетика (энергообеспечение и теплопродукция)
  • 2406.04 Биомеханика
  • 2406.05 Биооптика (биолюминесценция, зрение и обработка информации)
  • 2406.06 Медицинская физика (методы диагностики, физиотерапии и патогенез)
  • 2406. Биофизика сложных систем (системогенез, первичный синергогенез, эволюция, индивидуальное развитие, уровни организации биосистем)
  • 2406. Биофизика сенсорных систем (психофизика)
  • 2406. Биофизика среды обитания (экологическая, космофизика)
  • 2406. Биофизика периодических процессов (биоритмология)
  • 2406. Биофизика развития и эволюции
  • 2406. Биофизика метаболизма (массоперенос, терморегуляция, гемодинамика)
  • 2406.99 Прочие

Приведённая выше классификация основана на принципе структурной организации объектов и предназначена для максимально удобства изложения новых разработок, одновременно демонстрируя проблемы авангардных направлений и затруднения в формировании и развитии значимых тем и направлений. Для изучения общего курса биофизики традиционной школы более приемлема следующая классификация[3]. Но время показало ограничивающий характер старой школы, которая в лучшем случае упоминает основу самой науки — биофизику сложных систем. В силу этого огромная армия высокообразованных узкопрофильных специалистов обходят базовые понятия жизни и жизнедеятельности, системогенеза, высших функций сложных организмов. Это ограничило развитие этих направлений и подготовку специалистов в проблемных научных направлениях.

  • Биофизика сложных систем:
    • понятийный аппарат, объекты и их уровни организации в БСС
    • системогенез и его виды в репродукции организмов — синергогенез, соматогенез, морфогенез
    • иерархия и классификация в БСС
    • системообразующие факторы и механизмы в формировании системных коммуникаций и объектов систем
    • методология системологии и её репродуктивная творческая роль в БСС и эффективность применения в других научно-практических областях.
  • Биофизика коммуникаций и сенсорная биофизика:
    • сенсорные системы и их механизмы трансляции сигналов;
    • психофизика каналов информационных преобразований
    • психофизика интегральных процессов восприятия и полимодальная биофизика
    • экспертные методы исследования и биодетекция культурами и препаратами
    • модальности прямого и приборного (преобразованного, трансформированного, усиленного, изменённого стимула) изучения и измерений в науке и практике.
  • Теоретическая биофизика:
    • математическая биофизика, математическое и информационное моделирование структур и функций объектов биофизики;
    • методы теорфизики в биофизике:
      • кинетика биологических процессов;
      • термодинамика биологических процессов: преобразования энергии в живых структурах;
  • Молекулярная биофизика:
    • физические и структурные основы организации и функционирования биополимеров
      • надмолекулярные и субмолекулярные систем;
      • методы изучения и модельного (символьного и /или графического) отражения и прогнозирования молекулярных структур
    • Квантовая биофизика;
  • Биофизика клетки и клеточных процессов:
    • биофизика мембранных процессов:
      • свойства и структура биологических мембран и их частей;
      • механизмы транспорта через биомембраны;
  • Биофизика метаболизма
    • Биофизика фотобиологических процессов:
    • основы фотосинтеза, структуры и функции (механизмы) фотосинтеза;
      • воздействия внешних источников света на живые системы и адаптация к соляризации;
    • радиационная биофизика — влияния ионизирующего излучения на организм;
    • массоперенос, теплорегуляция и системные реакции в метаболических процессах организма.
  • Прикладная биофизика:
    • биоинформатика: хотя не является собственным разделом биофизики, но очень тесно связана с ней;
    • биометрия;
    • биомеханика: функции и структура опорно-двигательного аппарата и физические движения биологических систем;
    • биофизика эволюционных процессов и индивидуального развития в биомедицине;.
    • медицинская (патологическая) биофизика:
      • патогенез и методы компенсаторного и реконструктивного восстановления;
      • физические методы исследования и воздействия и их эффективность (разрешение, влияние, последействие применения);
    • оптимизация биофизических условий сред продуктивности и качества процессов в биотехнологиях.
  • Биофизика среды обитания:
    • техногенные и природные факторы среды обитания;
    • многофакторные среды обитания мигрантов и биотехнологий (жилища и территории, курортолечение, транспорт, акванавтика, космонавтика, биотроны и др.);
    • космическая погода и астрофизическое влияние ближнего (гео и гелио факторы) и дальнего (глубинного) космоса;
    • биоритмология и внешние факторы синхро и десинхронизации биоритмов;
    • системные и локальные мероприятия профилактики негативных влияний среды обитания (биомедицина).

История исследований

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 термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.

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.

СССР

Первый Институт физики и биофизики в Москве был создан в 1927 году. Но просуществовал он недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П. П., был арестован и Институт закрыли[4].

Современные направления исследований

В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.

Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.

Крупные исследователи в биофизике

Области применения

Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.

В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.

Также разрабатываются специальные методики с использованием эффектов при восприятии некоторых воздействий на биологическую форму материи.

См. также

Примечания
  1. Рубин А. Б. Биофизика (учебник) в 2-х т.т. — М., 2002. C. 9.
  2. Proposed international standard nomenclature for fields of science and technolocy
  3. По материалам: Рубин А. Б. Биофизика (учебник) в 2-х т.т. — М., 2002. C. 6.
  4. Горелик Г. Е. Москва, физика, 1937 год. Архивная копия от 29 сентября 2007 на Wayback Machine

Литература
  • Аккерман Ю. Биофизика. — М.: Мир, 1964. — 684 с.
  • Биофизика / Под общ. ред. акад. АН СССР П. Г. Костюка. — К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. — 504 с.
  • Волькенштейн М. В. Биофизика: Учебное руководство, 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 592 с. — ISBN 5-02-013835-5
  • Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф., Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с. — ISBN 978-5-9221-0848-5
  • Рубин А. Б. Биофизика. Учебник в 2-х тт. — М., 1999, 2002.
  • Владимиров Ю. А., Рощупкин Д. И., Потапенко А. Я., Деев А. И. Биофизика. — М.: Медицина, 1983. — 272 с.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.