Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Все живые системы относятся к открытым системам. Это значит, что через них проходит три потока: поток вещества, поток энергии и поток информации. Биофизика рассматривает закономерности и физические и физико-химические механизмы движения этих потоков.

Биофизика – наука, изучающая физические свойства биологических объектов и физико- химические процессы, протекающие в этих объектах и лежащие в основе их функционирования.

Предмет биофизики – физические и физико-химические явления в биологических системах.


Особенности биофизики как науки.

1. 
   Рассматривает целостные системы, т.к. жизнь протекает в сложных высокомолекулярных комплексах.
   
2. 
   Использует слабые (неповреждающие) воздействия на системы
   
3. 
   Точная наука, основанная на физической аппаратуре и математическом аппарате.
   

Разделы биофизики.

1. 
   Молекулярная биофизика. Изучает структуру, свойства, физическую природу и энергетику сил внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействия и механизм функционирования биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.
   

Белки можно рассматривать как молекулярные машины для преобразования энергии, вещества, информации. Нуклеиновые кислоты – молекулярные машины для передачи и преобразования информации.

2. 
   Биофизика клетки. Изучает структуру, биоэнергетику, термодинамику и электрические свойства клеток и органелл. Основное направление – биофизика мембран.
   
3. 
   Биофизика сложных систем. Занимается изучением и моделированием внутренних связей живых систем разной степени сложности и организации, от молекулярного до экосистем.
   

Задачи биофизики:

1. 
   Исследовать размен энергии в биологическом субстрате – на уровне молекул, клетки, организма экосистемы.
   

2. Выяснить роль субмикроскопических и физико-химических структур и жизнедеятельности клеток и тканей.

3. 
   Изучить возникновение возбуждения и происхождение биоэлектрических потенциалов.
   
4. 
   Изучить механизмы авторегуляции в биологических системах, механизмы поддержания живыми системами стационарного состояния при действии абиотических факторов.
   
5. 
   Выяснить действие ионизирующего излучения.
   

Задачи биофизики в области аграрных наук. Можно выделить ряд задач биофизики в области аграрных наук.

1. 
   Создание методов экспресс-диагностики состояния живых систем, например, степени повреждения при действии повреждающих факторов (высокой и низкой температуры, недостатка и избытка воды, избытка солей, недостатка кислорода, избытка вредных газов, токсичных металлов в почве).
   
2. 
   Разработка методов оценки устойчивости растений к повреждающим факторам среды.
   
3. 
   Новые физические методы стимуляции роста растений, повышения урожайности, качества продукции (лазерные лучи, СВЧ-излучение, радиация).
   
4. 
   Усиление проницаемости клеток растений для средств защиты растений.
   

Практическая значимость. Разработаны методы оценки степени повреждения растений, методы оценки степени жароустойчивости, морозоустойчивости, солеустойчивости.

Открыты новые явления – замедленная, или фотосинтетическая, люминесценция, спонтанное сверхслабое свечение живых объектов.


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  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)  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. А.Л. Лавуазье (физик и химик) доказал, что дыхание равносильно окислению или горению. При этом он все свои предположения подтвердил опытами  опроверг теорию о флогистоне (нечто дающее живому свойство живого). В работах А.Л. Лавуазье и М.В. Ломоносова были использованы количественные физико-химические методы в биологии, то есть биофизические методы.

В конце 18 века активное изучение электричества привело к открытию А. Гальвани животного электричества и химического источника электрического тока (опыт на лягушках).

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  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).

Т. Юнг - теория цветного зрения, аккомодация глаза.

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

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

Ж. Лёб - разработал теорию коллоидов.

Также были сделаны и многие другие открытия.

На 3-ем этапе биофизики идёт формирование собственного понятийного аппарата, разработка сложных биофизических методов исследования (с середины 20 века до наших дней)

В середине 20 века изучение фотосинтеза, клеточного дыхания, мышечных сокращений и др. потребовало разработки новых биофизических подходов и методов. Начал формироваться новый понятийный аппарат и система взглядов свойственных только биофизике  методология биофизики. Стали использоваться сложные специфические методы: регистрация замедленной флуоресценции, электрический парамагнитный резонанс, ядерный парамагнитный резонанс, рентгенография, микроэлектродная техника, методы математического моделирования и др.

С появлением ядерного оружия возникла новая область биофизики - радиобиология.

С началом освоения космоса изучается влияние на человеческий организм невесомости, космического излучения.

На данный момент биофизика занимает лидирующие позиции в экспериментальной биологии.


Отечественные биофизики:

И.М. Сеченов – вывел количественный закон растворимости газов в солевых растворах, исследовал динамику дыхательного процесса (это механика живых систем – сейчас этим занимается наука бионика)

Н.Е. Введенский - вывел законы оптимума и пессимума раздражения.

В.Ю. Чаговец - разработал первую ионную конденсаторную теорию биоэлектрических явлений.

К.А. Тимирязев – исследования в области фотосинтеза.

1922 г. – открыт институт биофизики, где П.П. Лазарев, Вавилов С.И. изучали предельную чувствительность к свету человеческого глаза.

Н.К. Кольцов – предложил гипотезу о молекулярном строении и матричной репродукции хромосом (ДНК – носитель наследственности).

А.И. Красновский исследовал первичные процессы фотосинтеза.

Б.Н. Тарусов - разрабатывал методы замедленной флуоресценции.