Биофизика

Биофизика – область науки, изучающая физические и физико-химические явления зарождения, формирования, жизнедеятельность, воспроизведение жизни на всех уровнях, начиная с молекул, клеток, органов и тканей, заканчивая организмами и биосферы в целом.
Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические закономерности в жизнедеятельности растительных и животных организмов, системную организацию процессов жизнедеятельности на всех уровнях (клетка, ткань, органы, организмы, биосфера), а также механизм действия физических факторов на организмы. Сначала Б. развивалась как часть физиологии, и только в 20 веке, благодаря достижениям физики и физической химии, с одной стороны, и физиологии, а с другой, она выделилась в самостоятельную науку. В 18 в. М. В. Ломоносов, исходя из представлений о химической связи раздражительных молекул материи с молекулярными и эфирными структурами нервов, описал механизм раздражений в чувствительным нервам и распространения возбуждения в нервах, а также объяснил, как возникает чувство вкуса и обоняния. Итальянский физиолог Л. Гальвани (1791) положил начало електробиологии, доказав, что в живых тканях есть электричество. В 19 в. немецкий физиолог Г. Гельмгольц определил скорость распространения процессов возбуждения вдоль нерва и заложил основы совр. физиологической оптики и физиологической акустики. Отечественные физиологи И. М. Сеченов, А. Ф. Вериго, А. Ф. Самойлов, Н. Е. Введенский, А. А. Ухтомский, Д. С. Воронцов разработали Б. мышц и нервов. К. А. Тимирязев, опираясь на закон сохранения энергии, впервые установил (1875) количественную зависимость между скоростью фотосинтеза и впитыванием хлорофиллом световых волн различной длины. Украинский физиолог В. Ю. Чаговец, исходя из теории электролитической диссоциации, впервые (1896) выдвинул физико-химическую теорию электрических явлений в живых тканях, которую он подробно развил в своих последующих работах.
Советский физиолог и биофизик П. П. Лазарев впервые разработал точные методы учета поглощенной энергии, установил связь между поглощением энергии и фотохимическим действием, развил ионную теорию возбуждения В. Нернста и разработал теорию адаптации применительно ко всем органам чувств и центральной нервной системы.
Анохин П. К. (1898-1974), ученик Бехтерева и Павлова сформулировал в пятидесятых теорию функциональных систем, введя понятие системогенеза, как механизм формирования живых систем, показав детерминизм явлений, формирования и развития систем и критерии их определения. Чижевский А. Л. (1897-1964), создатель гелиобиофизикы и понятие космической погоды. Впервые установил механизмы воздействия на биосферу и социум Солнечной активности. Ключевыми в работах были установлены механизмы электрических явлений в гемодинамици.
В последнее десятилетие наиболее интенсивно развивается радиобиология – раздел Б., изучающий влияние ионизирующих излучений на живой организм. Открытие Фредериком и Ирен Жолио-Кюри (1932) искусственной радиоактивности обогатило биологическую науку новыми точными методами исследования (меченые атомы, авторадиография, гисторадиография и др.), которые дали возможность глубоко изучать обменные процессы в организме. Применение искусственных радиоактивных изотопов в медицине расширило возможности диагностики и лечения отдельных болезней, в частности некоторых форм рака. В наше время, когда человек овладел ядерной энергии, перед Б. появляются новые актуальные проблемы: защита от вредоносных ядерных излучений, изучение влияния на организм условий межпланетных путешествий и т.д.
Биофизическое исследование характеризует физическая постановка задачи, касающийся живой природы, и применения физических понятий и терминов для описания биологических явлений. Биофизика изучает также действие физических факторов окружающей среды на живую материю. Большим преимуществом биофизики является возможность использования косвенных, опосредованных методов исследования объектов познания (непосредственное изучение которых по определенным причинам невозможно) путем исследования их моделей. Для понимания хода физико-химических процессов в клетках высших организмов используются как модели более простые организмы, изолированные клетки или культуры клеток, где механизмы, которые изучаются, устроены проще. Применяются также чисто физико-химические модели, назначение которых состоит в выделении явления в чистом виде с целью показа его сущности.
Современная биофизика использует новейшие методы количественного исследования, что позволяет получать количественные зависимости между изменениями различных физико-химических параметров живой системы.
Совершенствование и разработка в этом направлении методов по измерению электрических потенциалов, ионных токов, диэлектрических свойств, электропроводности, спектральных характеристик, хемолюминесценции и других является важным источником при решении многих проблем современной биологии. Биофизика выясняет важные практические задачи и вместе с другими науками является теоретической основой биологии и медицины.
Основные направления исследований:
Современная биофизика делится по специализации по уровню организации объектов или явлений и методов:
– Информатика, хотя не является основательным разделом биофизикы, и очень тесно связана с ней в сфере бионического подхода (инженеринг, нейронные сети, моделирование);
– Биоинформатика, именно с позиции коммуникаций, программ и чтения, записи, трансляции, восприятия, обработки сигналов в естественных биосистемах является основательным разделом биофизикы сенсорных систем – психофизика, коммуникативная и эргономичная биофизика;
– Биометрия – метрологическая, медицинская, эргономичная, биотехническая, экологическая;
– Биомеханика связывает функции и структуру опорно-двигательного аппарата с движением биосистем – протезирование, робототехника, эргономика, дизайн, архитектура;
– Биофизика эволюционных процессов и индивидуальный развитие – Системогенез, гомеостаз, формообразования, ведущие факторы нормы развития и жизнедеятельности и патогенеза и их оздоровительный или реабилитационный, биомедицинский, психофизический аспекты);
– Биофизика периодических (циклических) процессов – биоритмология и хрономедицина, адаптационные механизмы, периодические процессы, физические условия и стимулы для компенсации или усиления действия периодических условий естественных или искусственных источников влияния;
– Экологическая гео-биофизика – исследование, классификация биофизических аномалий геофизического и антропогенного происхождения, контроль и предотвращение и профилактики их негативного воздействия;
– Биофизические производительные технологии – Бионический, нанотехнологический, фармакологический, пищевой или биопродуктивний направления (лучевые, магнитные и другие факторы, получая биогаз, жидкое биотопливо или технические растворители и масла, селективные и конструкционные материалы и т.д.).
Биофизика в СССР
Проблемы Б. широко прорабатывались в СССР. В Украине исследования в области Б. производятся в частности в Институте физиологии им. А. А. Богомольца Национальной академии наук Украины, Днепропетровском национальном университете им. Олеся Гончара, Киевском национальном университете им. Т. Г. Шевченко, Харьковском национальном университете им. В. Н. Каразина.