Интересни и важни теми от биофизиката. Физиология и биофизика на човешкото тяло. Съотношението на фазите на акционния потенциал и възбудимост

Една от най-древните науки е, разбира се, биологията. Интересът на хората към процесите, протичащи вътре в тях и околните, възниква няколко хиляди години преди нашата ера.

Наблюденията на животни, растения, природни процеси представляват важна част от човешкия живот. С течение на времето се натрупаха много знания, методите за изучаване на живата природа и механизмите, които се случват в нея, се усъвършенстваха и развиха. Това доведе до възникването на много раздели, които като цяло съставляват сложна наука.

Биологичните изследвания в различни области на живота предоставят нови ценни данни, които са важни за разбирането на структурата на биомасата на планетата. Използвайте тези знания за практически човешки цели (изследване на космоса, медицина, селско стопанство, химическа промишленост и т.н.).

Много открития направиха възможно извършването на биологични изследвания в областта на вътрешната структура и функциониране на всички живи системи. Изучава молекулярния състав на организмите, тяхната микроструктура, изолира и изследва много гени от генома на хора и животни, растения. Предимствата на биотехнологиите, клетъчни и ви позволяват да получите няколко реколти от растения на сезон, както и породи животни, които дават повече месо, мляко и яйца.

Изследването на микроорганизмите направи възможно получаването на антибиотици и създаването на десетки и стотици ваксини, които могат да победят много болести, дори тези, които преди това отнемаха хиляди животи на хора и животни при епидемии.

Следователно съвременната биология е безграничните възможности на човечеството в много отрасли на науката, промишлеността и опазването на здравето.

Класификация на биологичните науки

Едни от първите, които се появиха, бяха частните клонове на науката за биология. Като ботаника, зоология, анатомия и таксономия. По-късно започват да се формират дисциплини, по-зависими от техническото оборудване – микробиология, вирусология, физиология и т.н.

Има редица млади и прогресивни науки, които се появяват едва през XX-XXI век и играят голяма роля в съвременното развитие на биологията.

Няма една, а няколко класификации, по които биологичните науки могат да бъдат класирани. Техният списък е доста впечатляващ във всички случаи, нека разгледаме един от тях.

Биология	Частни науки	ботаника	изучава външната и вътрешната структура, физиологичните процеси, филогенезата и разпространението в природата на всички растения, съществуващи на планетата (флора)	Включва следните раздели: алгология; дендрология; таксономия; анатомия; морфология; физиология; бриология; палеоботаника; екология; геоботаника; етноботаника; размножаване на растенията.
		зоология	занимава се с изучаване на външната и вътрешната структура, физиологичните процеси, филогенезата и разпространението в природата на всички животни, съществуващи на планетата (фауна)	Дисциплини, включени в: Дисциплини: топографска анатомия; сравнителен; систематично; възраст; пластмаса; функционален; експериментален.
		Антропология	редица дисциплини, които изучават комплексно развитието и формирането на човек в биологична и социална среда	Раздели: Философски, Съдебни, Религиозни, Физически, Социални, Културни, Визуални.
		Микробиология	изучава най-малките организми от живата природа, от бактерии и вируси	Дисциплини: вирусология, бактериология, медицинска микробиология, микология, индустриална, техническа, селскостопанска, космическа микробиология
		Общи науки	Таксономия	задачите включват разработване на основи за класификация на всички живи същества на нашата планета с цел стриктно подреждане и идентифициране на всеки представител на биомасата
	Морфология		описание на външни признаци, вътрешна структура и топография на органи на всички живи същества	Раздели: Растения, Животни, Микроорганизми, Гъби
	Физиология		изучава характеристиките на функционирането на определена система, орган или част от тялото, механизмите на всички процеси, които осигуряват неговата жизнена дейност	Растения, животни, хора, микроорганизми
	екология		науката за връзката на живите същества помежду си, околната среда и човека	Геоекология, обща, социална, индустриална
	Генетика		изучава генома на живите същества, механизмите на наследственост и променливост на характерите под влияние на различни условия, както и исторически промени в генотипа по време на еволюционните трансформации
	Биогеография		изследва разпространението и разпространението на определени видове живи същества на планетата
	Еволюционна доктрина		разкрива механизмите на историческото развитие на човека и другите живи системи на планетата. Техният произход и формиране
	Сложни науки, които са възникнали на кръстопътя една с друга	Биохимия	изучава процесите, протичащи в клетките на живите същества от химическа гледна точка
		Биотехнология	разглежда възможностите за използване на организми, техните продукти и/или части за човешки нужди
		Молекулярна биология	изучава механизмите на предаване, съхранение и използване на наследствена информация от живите същества, както и функциите и фината структура на протеините, ДНК и РНК.	Сродни науки: генетично и клетъчно инженерство, молекулярна генетика, биоинформатика, протеомика, геномика
		Биофизика	е наука, която изучава всички възможни физически процеси, протичащи във всички живи организми, от вируси до хора	Разделите от тази дисциплина ще бъдат разгледани по-долу.

По този начин ние се опитахме да обхванем основното разнообразие, което представляват биологичните науки. Този списък се разширява и попълва с развитието на технологиите и методите на обучение. Следователно днес не съществува единна класификация на биологията.

Прогресивни биологични науки и тяхното значение

Най-младите, най-модерните и прогресивни биологични науки включват като:

• биотехнология;
• молекулярна биология;
• космическа биология;
• биофизика;
• биохимия.

Всяка от тези науки е формирана не по -рано от ХХ век и затова по право се счита за млада, интензивно развиваща се и най -значима за практическата дейност на човек.

Нека се спрем на такъв като биофизиката. Това е наука, която се появи около 1945 г. и се превърна във важна част от цялата биологична система.

Какво е биофизика?

За да се отговори на този въпрос, първо трябва да се посочи нейният близък контакт с химията и биологията. В някои въпроси границите между тези науки са толкова близки, че е трудно да се разбере коя от тях е конкретно ангажирана и с приоритет. Ето защо си струва да се разглежда биофизиката като сложна наука, която изучава дълбоки физични и химични процеси, протичащи в живите системи на ниво както на молекули, клетки, органи, така и на нивото на биосферата като цяло.

Както всяка друга, биофизиката е наука, която има свой обект на изследване, цели и задачи, както и достойни и значими резултати. Освен това тази дисциплина е тясно свързана с няколко нови направления.

Изследователски обекти

За биофизиката те са биосистеми на различни организационни нива.

1. вируси, едноклетъчни гъби и водорасли).
2. Най-простите животни.
3. Отделни клетки и техните структурни части (органели).
4. Растения.
5. Животни (включително хора).
6. Екологични общности.

Тоест биофизиката е изучаването на живи същества от гледна точка на протичащите в нея физически процеси.

Задачите на науката

Първоначално задачите на биофизиците бяха да докажат наличието на физически процеси и явления в живота на живите същества и да ги изследват, като установят тяхната природа и значение.

Съвременните задачи на тази наука могат да бъдат формулирани по следния начин:

1. Да се ​​изследва структурата на гените и механизмите, съпътстващи тяхното прехвърляне и съхранение, модификация (мутация).
2. Помислете за много аспекти на клетъчната биология (взаимодействие на клетките една с друга, хромозомни и генетични взаимодействия и други процеси).
3. Да изучава, в комбинация с молекулярна биология, полимерни молекули (протеини, нуклеинови киселини, полизахариди).
4. Да се ​​разкрие влиянието на космогеофизичните фактори върху протичането на всички физични и химични процеси в живите организми.
5. Да се ​​разкрият по-задълбочено механизмите на фотобиологията (фотосинтеза, фотопериодизъм и т.н.).
6. Въвеждане и разработване на методи за математическо моделиране.
7. Приложете резултатите от нанотехнологиите за изследване на живи системи.

От този списък е очевидно, че биофизиката изучава много значими и сериозни проблеми на съвременното общество, а резултатите от дейността на тази наука са важни за човека и неговия живот.

История на формиране

Като наука биофизиката възниква сравнително наскоро - през 1945 г., когато публикува своя труд "Какво е животът от гледна точка на физиката". Именно той пръв забеляза и посочи, че много закони на физиката (термодинамични, закони на квантовата механика) се случват именно в живота и работата на организмите на живите същества.

Благодарение на трудовете на този човек, науката биофизика започва своето интензивно развитие. Въпреки това, още по -рано, през 1922 г., в Русия е създаден Институтът по биофизика, ръководен от П. П. Лазарев. Там основната роля е възложена на изучаването на естеството на възбуждането в тъканите и органите. Резултатът беше идентифицирането на значението на йоните в този процес.

1. Галвани открива електричеството и неговото значение за живите тъкани (биоелектричество).
2. А. Л. Чижевски е бащата на няколко дисциплини, които изучават влиянието на космоса върху биосферата, както и йонизиращото лъчение и електрохемодинамиката.
3. Подробната структура на протеиновите молекули е изследвана едва след откриването на метода за рентгеноструктурен анализ. Това са направили учените Перуц и Кендрю (1962).
4. През същата година е открита триизмерната структура на ДНК (Морис Уилкинс).
5. Нехер и Закман през 1991 г. успяха да разработят метод за локално фиксиране на електрически потенциал.

Също така редица други открития позволиха на науката биофизика да тръгне по пътя на интензивна и прогресивна модернизация в развитието и формирането.

Раздели по биофизика

Има редица дисциплини, които съставляват тази наука. Нека разгледаме най-основните.

1. Биофизика на сложните системи - разглежда всички сложни механизми на саморегулация на многоклетъчните организми (системен генезис, морфогенеза, синергогенеза). Също така, тази дисциплина изучава особеностите на физическия компонент на процесите на онтогенеза и еволюционно развитие, нивата на организация на организмите.
2. Биоакустика и биофизика на сетивните системи - изучава сетивните системи на живите организми (зрение, слух, приемане, говор и други), начини за излъчване на различни сигнали. Разкрива механизмите на преобразуване на енергията, когато организмите възприемат външни влияния (раздразнения).
3. Теоретична биофизика – включва редица поднауки, занимаващи се с изследване на термодинамиката на биологичните процеси, изграждане на математически модели на структурните части на организмите. Също така отчита кинетичните процеси.
4. Молекулярна биофизика – изследва дълбоките механизми на структурната организация и функционирането на биополимери като ДНК, РНК, протеини, полизахариди. Занимава се с изграждането на модели и графични изображения на тези молекули, предсказва тяхното поведение и образуване в живите системи. Също така, тази дисциплина изгражда супрамолекулни и субмолекулярни системи, за да определи механизма на изграждане и действие на биополимерите в живите системи.
5. Клетъчна биофизика. Изучава най-важните клетъчни процеси: диференциация, делене, възбуждане и биопотенциали на структурата на мембраната. Особено внимание се обръща на механизмите на мембранния транспорт на веществата, потенциалната разлика, свойствата и структурата на мембраната и околните й части.
6. Биофизика на метаболизма. Основните се считат за соларизация и адаптация на организмите към нея, хемодинамиката, регулирането на топлината, метаболизма, ефекта на йонизационните лъчи.
7. Приложна биофизика. Състои се от няколко дисциплини: биоинформатика, биометрия, биомеханика, изучаване на еволюционните процеси и онтогенеза, патологична (медицинска) биофизика. Обекти на изучаване на приложната биофизика са опорно-двигателния апарат, методи на движение, методи за разпознаване на хората по физически черти. Медицинската биофизика заслужава специално внимание. Изследва патологични процеси в организмите, начини за реконструкция на увредени участъци от молекули или структури или тяхната компенсация. Осигурява материали за биотехнологии. Той е от голямо значение за предотвратяване развитието на болести, особено от генетичен характер, тяхното елиминиране и обяснение на механизмите на действие.
8. Биофизика на местообитанията - изучава физическото въздействие както на местните местообитания на съществата, така и на влиянието на близки и далечни обекти от космоса. Също така разглежда биоритмите, влиянието на метеорологичните условия и биополета върху съществата. Разработва методи за мерки за предотвратяване на негативни въздействия

Всички тези дисциплини имат колосален принос за развитието на разбирането за механизмите на жизнената дейност на живите системи, влиянието на биосферата и различните условия върху тях.

Съвременни постижения

Има няколко от най-значимите събития, свързани с постиженията на биофизиката:

• са разкрити механизмите на клониране на организми;
• проучени са особеностите на трансформациите и ролята на азотния оксид в живите системи;
• установена е връзката между малките и информационните РНК, което в бъдеще ще направи възможно намирането на решение на много медицински проблеми (елиминиране на заболявания);
• физическата природа на автовълните е открита;
• благодарение на работата на молекулярните биофизици са проучени аспекти на синтеза и репликацията на ДНК, което доведе до възможността за създаване на редица нови лекарства за сериозни и сложни заболявания;
• са създадени компютърни модели на всички реакции, съпътстващи процеса на фотосинтеза;
• разработени са методи за ултразвуково изследване на тялото;
• установена е връзка между космогеофизичните и биохимичните процеси;
• прогнозира се изменението на климата на планетата;
• откриването на стойността на ензима урокеназа за превенция на тромбозни заболявания и елиминиране на последствията след инсулти;
• също направи редица открития за структурата на протеина, кръвоносната система и други части на тялото.

Институт по биофизика в Русия

Съществува у нас. М. В. Ломоносов. На базата на това учебно заведение функционира Биофизичният факултет. Именно той обучава квалифицирани специалисти за работа в тази област.

Много е важно да се даде качествен старт на бъдещите професионалисти. Чака ги трудна работа. Биофизик е длъжен да разбира всички тънкости на процесите, протичащи в живите същества. Освен това учениците трябва да разбират и физика. В крайна сметка това е сложна наука - биофизика. Лекциите са структурирани по такъв начин, че да обхващат всички дисциплини, свързани и съставляващи биофизиката, и да обхващат разглеждането на въпроси от биологично и физическо естество.

С разширяването и задълбочаването на знанията на хората за живите организми се появяват такива клонове на науката, които изучават процеси и явления, свързани едновременно с различни области на познанието. Сред такива научни дисциплини биологична физика,или биофизика.Какво изучава тя и какви са нейните методи на изследване?

Известно е, че физиката изучава основните природни закони: структурата на атомите и ядрата, свойствата на елементарните частици, взаимодействието на електромагнитни вълни и частици и пр. Биофизиката, възникнала на кръстопътя на биологията и физиката, е науката на основните физични и физикохимични процеси в живия организъм и тяхното регулиране.

Биофизиците трябва да научат моделите на структурата и работата на живите организми, без да нарушават техните свойства, поддържайки организма в живо, активно състояние. В крайна сметка, умирайки, организмът губи присъщите си свойства, всички процеси в него се променят и той се превръща в обикновена нежива система. В това се крие голямата трудност. Оттук възникна необходимостта от изучаване на живите организми на различни „нива“ – да се изучават свойствата на биологичните молекули, характерните особености и работата на клетките, да се изучава съвместната работа на органите в целия организъм и т. н. Затова се разграничават толкова големи раздели в биофизиката: молекулярна биофизика, клетъчна биофизика, биофизични процеси за контрол и регулиране и т.н. Нека накратко поговорим за всеки един от основните раздели на биофизиката.

Молекулярна биофизикаизучава свойствата на биологичните молекули, физичните и химичните процеси в рецепторните клетки. Тези клетки се наричат ​​рецепторни или чувствителни клетки, тъй като те са първите, които възприемат сигнали за светлина, вкус, мирис (на латински "рецептивен" - усещам).

Молекулярната биофизика изучава например процесите, които протичат в сетивните органи на животните – в органите на зрението, слуха, докосването и обонянието. Свикнали сме с факта, че всичко в тялото ни се случва просто, от само себе си и понякога не се замисляме колко сложни биофизични процеси се случват, например, когато вкусим захар или помиришем цветя. И това е един от проблемите, по които молекулярната биофизика работи от много години. Факт е, че усещанията за вкус или мирис са възможни поради сложни физикохимични процеси в рецепторните клетки, когато молекулите на различни вещества взаимодействат с тях.

Известно е, че химиците са създали 1 милион органични съединения и почти всяко от тях има свой характерен мирис. Човек може да различи няколко хиляди миризми, а ние възприемаме някои вещества в изключително ниски концентрации – само милионни и милиарди от милиграма на литър вода. Например, за да усетите такива вещества като скатол, тринитробутилтолуен, тяхната концентрация е 10 -9 mg / l. Животните са много по-чувствителни от хората. Например, геолозите използват специално обучени кучета, за да търсят миризмата на рудни находища, разположени дълбоко под земята. Всеки е добре наясно с работата на кучетата-смърчачи, които намират следа по нищожна слаба миризма. Но може би рибите и насекомите превъзхождат всички с остро обоняние. Някои риби усещат миризливо вещество, дори ако се съдържа във водата в изчезващо малки концентрации - само 10 -11 mg / l. Пеперудите намират почти една молекула миризливо вещество на 1 m 3 въздух.

Молекулярната биофизика помага да се изясни не само разликата в чувствителността и структурата на обонятелните органи при различните животни, но и процесът на определяне на самата миризма. Вече е установено, че има 6-7 основни миризми, различни комбинации от които обясняват тяхното разнообразие. Някои видове обонятелни клетки съответстват на тези основни миризми.

Молекулярната биофизика изучава свойствата и процесите не само в животните, но и в растенията. По -специално, тя изучава фотосинтезата. Невероятни и сложни процеси протичат в зелен лист от бреза, череша, ябълка или пшеница. Слънцето изпраща на Земята колосално количество енергия, която би била изгубена без употреба, ако не бяха зелените листа, които я улавят и създават органична материя от вода и въглероден диоксид с нея и по този начин дават живот на всички живи организми.

Фотосинтезата протича в зелени частици – хлоропласти, разположени в листните клетки и съдържащи растителен пигмент – хлорофил. Части от светлинна енергия (фотони) се абсорбират от пигмента и произвеждат фотоокисление на водата: тя дава своя електрон на молекулата на хлорофила, а протонът се използва за редуциране на въглеродния диоксид до въглехидрати. Известно е, че протонът и електронът представляват водороден атом; този атом "на части" се отнема от водната молекула. В процеса на фотосинтеза се отделя кислород, който дишат всички живи организми.

Основата на фотосинтезата е първият елементарен процес: взаимодействието на части от светлинна енергия (фотони) с молекула на хлорофила. Именно този процес се изучава от молекулярната биофизика във фотосинтезата, за да се разбере как става трансформацията на светлинната енергия в енергията на химическите връзки и последващата трансформация на веществата. Ако този основен процес е напълно разбран, той може да се проведе в изкуствени условия. Тогава човечеството ще овладее най-бързия и икономичен начин за получаване на органични вещества, следователно, храна и ценни суровини, които зелените растения дават на човека днес.

Съществува тясна връзка между изследването на клетките и протичащите в тях молекулярни процеси, тоест между молекулярната и клетъчната биофизика. Единият от тях изучава молекулярните промени, свойствата на биологичните молекули и системите, образувани от молекули в клетките (както се казва, субмолекулярни образувания), техните свойства и промени, другият изследва свойствата и функционирането на различни клетки - отделителни, контрактилни, обонятелни, фоточувствителни и др.

Развитие клетъчна биофизикаУспехите на физиката и радиоелектрониката допринесоха в много отношения, благодарение на тези науки биофизиката получи електронни микроскопи, което направи възможно увеличаването на микроскопични обекти стотици хиляди пъти. В арсенала на биофизиците се появи електронен парамагнитен резонанс, с помощта на който е възможно да се изследват специални активни части на молекулите – т. нар. свободни радикали, които играят много важна роля във всички биологични процеси. С помощта на устройства с висока чувствителност към светлина - фотоумножители (ФУТ), стана възможно да се определят изключително малки светлинни потоци. Използването на тези устройства доведе до голямо откритие в клетъчната биофизика.

Способността да светят в живите организми е известна отдавна: светулките и различни водни организми, т.нар. биолуминесценция.Но с помощта на фотоумножителя беше възможно да се открие, че органите на почти всички животни и растения имат способността да светят. Това така нареченото супер слабо сияние - биохемилуминесценция -възниква в резултат на физикохимични реакции вътре в клетките и е свързано с вътреклетъчното окисление на липидните вещества, включени в структурните елементи. Споменатите от нас свободни радикали играят важна роля в тези процеси. Чрез интензитета на ултра слабата луминесценция може да се следи нивото на окислителните метаболитни реакции и освобождаването на енергия в резултат на различни реакции, протичащи вътре в клетките.

Откриването на свръхслаба луминесценция, наличието на свободни радикали, връзката им с жизнената дейност на клетката драматично промени представата за клетъчните процеси. Пред биофизиката на клетката беше поставена задачата не само да разбере ултрамикроскопичната структура на клетката и нейните органели, но и да разбере как тези елементи са свързани един с друг, как работят, каква е причината за съгласуваността и последователността на процесите, протичащи в клетките.

При изучаване на клетка в електронен микроскоп учените откриха нов свят на ултрамикроскопични, тоест най -малките, клетъчни структури. Открити са вътреклетъчни мембрани, тубули, тубули, везикули. Всички тези структури, милиони пъти по-тънки от човешки косъм, играят роля в живота на клетката. Всяка клетка, която изглежда като обикновена бучка цитоплазма с ядро, е сложно образувание с голям брой малки частици (структурни елементи), действащи точно и последователно, в строг ред, тясно свързани помежду си. Броят на тези структурни елементи е много голям, например в една нервна клетка има до 70 хиляди частици - митохондрии, благодарение на които клетката диша и получава енергия за своята дейност.

Във всяка клетка на жив организъм се осъществява усвояването на необходимите вещества и освобождаването на ненужни, дишането, разделянето, заедно с това клетките изпълняват специални функции. И така, клетките на ретината на окото определят силата и качеството на светлината, клетките на носната лигавица определят миризмата на вещества, клетките на различни жлези отделят физиологично активни вещества - ензими и хормони, които регулират растежа и развитието на тялото.

Цялата им голяма работа - видяна, чута, разпозната - клетките на нервната тъкан на животните комуникират с електрически импулси към мозъка - основния координиращ център. Биофизика на клетката като цяло и един от нейните важни участъци, т.нар електрофизиология на клетката,те изучават как клетките получават необходимата информация от околното пространство, как тази информация се кодира в електрически сигнали - импулси, как се образуват биологични токове и потенциали в клетките.

Клетките на живия организъм са тясно свързани помежду си, с мозъка - основният контролен център. В самите клетки, в хилядите им структурни елементи, протичат подредени биохимични процеси. Какво прави тези стотици хиляди реакции толкова последователни и точни?

Факт е, че и клетка, и отделен орган, и интегрален организъм представляват определено система,въз основа на специфични закони за регулиране и взаимосвързаност. Тези характеристики се изучават от най -младата секция - биофизика на процесите на контрол и регулиране.

Нека поговорим за този раздел от биофизиката, като използваме следния пример. Всеки човешки орган се състои от голям брой клетки, които вършат определена работа. Например, носната лигавица, така нареченият мукозен епител, играе специална роля в обонянието. Площта му е не повече от 4 см 2, но съдържа почти 500 милиона обонятелни клетки - рецептори. Информацията за тяхната работа се предава по нервните влакна, чийто брой достига 50 милиона, до обонятелния нерв и след това до мозъка. Сигналите, идващи от клетките под формата на първични електрически импулси, трябва да бъдат правилно декодирани. За да направят това, те се изпращат до различни части на мозъка, състоящи се от огромен брой клетки. Например, само големите полукълба на мозъка съдържат 2 * 10 10 клетки, малкият мозък -10 11 клетки. Мозъкът взема необходимите „решения“ и предава сигнали за отговор – инструкции как трябва да работят определени клетки, тъкани или органи. Централната нервна система получава стотици хиляди различни сигнали от външната среда за звуци, светлина, миризми и сигнали за състоянието на клетките на самия организъм. От казаното става ясно колко сложни са взаимовръзките във всяка жива система – в отделна клетка или в целия организъм, колко трудно е да се контролират клетките, да се регулира тяхното състояние и да се контролира съгласуваността на всички жизнени процеси.

Този важен отдел по биофизика разчита на модели, открити от друга наука - кибернетика.Биофизиците, които изучават процесите на управление и регулиране, използвайки неговите методи, са разработили редица електронни модели, например костенурката, нервната клетка и процеса на фотосинтеза, които улесняват изучаването на сложни феномени на регулиране в тялото.

Изследването на регулаторните процеси в живия организъм показа, че те имат удивително свойство - саморегулация.Клетките, тъканите, органите на живите организми са САМОрегулиращи се, САМОорганизиращи се, САМОнастройващи се, САМОобучаващи се системи. Това означава, че работата на клетките, органите и тялото като цяло се определя от свойствата и качествата, присъщи на самото тяло. Следователно, всяка клетка или орган сам,без външна помощ регулира постоянството на състава на средата в тях. Ако под влияние на някакъв фактор състоянието им се промени, това удивително свойство им помага да се върнат отново към нормалното си състояние.

Хлоропластите в листните клетки променят местоположението си в зависимост от интензитета на осветеност: при силно осветление те са разположени по протежение на клетъчните стени (вляво); със слаб - в цялата клетка. Това е пример за клетъчна саморегулация.

Ето само един прост пример за такова саморегулиране. Вече говорихме за важната роля на хлоропластите в клетките на зелените листа. Хлоропластите са способни да се движат самостоятелно в клетките под въздействието на светлината, тъй като са много чувствителни към нея. В слънчев ярък ден с висока интензивност на светлината, хлоропластите са разположени по протежение на клетъчната стена, сякаш се опитват да избегнат ефекта на силната светлина. В облачни, облачни дни хлоропластите се разпръскват по цялата повърхност на клетката, за да абсорбират повече лъчи. Преходът на хлоропластите от едно положение в друго под въздействието на светлината (фототаксис) се осъществява поради клетъчната саморегулация.

Човешкото познание за природата, различните живи организми напредва толкова бързо и води до толкова неочаквани резултати и заключения, че не се вписват в рамките на нито една наука. Биофизика положи основите на нови клонове на науката, разширявайки хоризонтите на човешкото познание. Така че се открои като независим клон на биологията радиобиология -науката за въздействието на различни видове радиация върху живите организми, космическа биология,изучаване на проблемите на живота в космоса, механохимия,изследване на трансформацията на химическата енергия в механична енергия, която се случва в мускулните влакна. Въз основа на биофизични изследвания възниква нова наука - бионика,изучаване на живи организми, за да се използват принципите на тяхната работа за създаване на нови и по -модерни устройства и апарати.

Говорихме само за малка част от изследванията, проведени от биофизици, но биха могли да се посочат много повече примери, както в областта на изучаването на молекули, субклетъчни структури, така и на организма като цяло. Всеки ден носи нови открития, изобретения, ценни идеи. Нашият век е време на голям успех във всички области на знанието, включително и в изучаването на природата.

Историята на биологичните изследователски институти в Русия датира от края на 19 век и започва с ухапвания от бясни кучета. Впечатлен от успеха на ваксинациите срещу бяс на Пастьор, в края на 19 век в Санкт Петербург е създаден Институтът по експериментална медицина. Организацията на института е инициирана и финансирана от княз А. П. Олденбургски. Преди това принцът трябваше да изпрати един от своите офицери да бъде ваксиниран в Париж. През 1917 г., за сметка на търговеца Х. С. Леденцов, в Москва е създаден Институтът по физика и биофизика. Този институт се оглавява от П. П. Лазарев, който скоро се оказва близо до „тялото на Ленин“: след покушение на водача на световния пролетариат той се нуждае от рентгеново изследване.

За известно време биофизиката в Съветска Русия се превърна в „любимец на съдбата“. Болшевиките бяха обсебени от обновяването в обществото и показаха готовност да подкрепят нови направления в науката. По-късно именно от този институт израства Институтът по физика на Руската академия на науките. Имайте предвид, че много фундаментални физически открития са настъпили поради интереса на учените към биологичните системи. И така, известният италианец Луиджи Галвани направи открития в областта на електричеството, изучавайки животинското електричество върху жаби, а Алесандро Волта предположи, че говорим за по-общо физическо явление.

В Съветския съюз властите се интересуваха от провеждане на научни изследвания „на широк фронт“. Нито една от обещаващите области, които биха могли да обещаят военни или икономически предимства в бъдеще, не можеше да бъде пропусната. До началото на 90-те години държавната подкрепа осигуряваше приоритетно развитие на молекулярната биология и биофизиката. През 1992 г. новите власти изпращат на учените недвусмислен сигнал: заплатата на изследователя пада под жизнения минимум и учените са принудени да избират между емиграция и смяна на сферата на дейност. Много биофизици, които преди това не са мислили за емиграция, трябваше да заминат на Запад. Общността на биофизиците в Русия е сравнително малка и ако стотици изследователи си тръгнат от няколко хиляди, е невъзможно да не забележите това.

Отначало руската биофизика пострадала малко от „икономическата“ емиграция. Развитието на такива средства за комуникация като електронна поща и интернет направи възможно поддържането на връзки между учени и колеги. Мнозина започнаха да помагат на своите институти с реактиви и научна литература, продължиха изследванията по "своите" теми. Известни учени, след като пристигнаха на ново място, създадоха „сайтове“ за стажове и поканиха колеги. Най-енергичните учени си тръгнаха, предимно млади. Това доведе до „застаряване“ на научните кадри, което беше улеснено и от спада на престижа на специалността. Поради невъзможността да се живее с академична заплата, притокът на студенти в науката е намалял. Възникна пропаст в поколенията, която сега, след 15 години промени, започва да се отразява все повече и повече: средната възраст на служителите в някои лаборатории на Академията на науките вече е над 60 години.

Руската биофизика не е загубила водещите си позиции в редица области, които се ръководят от учени, които са получили образование през 60-80-те години на ХХ век. Тези учени направиха значителни открития в науката. Така че като пример можем да посочим създаването през последните години на нова наука - биоинформатика, чиито основни постижения са свързани с компютърния анализ на геномите. Основите на тази наука са положени още през 60-те години от младия биофизик Владимир Туманян, който е първият, който разработи компютърен алгоритъм за анализ на последователности на нуклеинови киселини. От този пример става ясно колко е важно сега да се привличат талантливи младежи към науката, които биха могли да положат основите на нови научни направления.

Биофизик Анатолий Ванин през 60-те години открива ролята на азотния оксид в регулирането на клетъчните процеси. По-късно се оказа, че азотният оксид е от голямо медицинско значение. Азотният оксид е основната сигнална молекула на сърдечно-съдовата система. За изследване на ролята на азотния оксид в тази система, Нобеловата награда е присъдена през 1998 г. На базата на азотен оксид е създадено най -популярното лекарство в света за повишаване на потентността "Виагра". Междувременно статията на Анатолий Ванин "Свободни радикали от нов тип" е публикувана през 1965 г. в списание "Биофизика". Американски учени сега го демонстрират като първата работа върху азотния оксид в жив организъм. Подобна история се случи и с клонирането - първата работа също беше публикувана в руската "Биофизика"?

Много постижения в областта на биофизиката са свързани с откритата от съветски учени автоколебателна реакция на Белоусов-Жаботински. Тази реакция дава пример за самоорганизация в неживата природа, тя послужи като основа за много модели на сега модерната синергетика. Олег Морнев от Пущино наскоро показа, че автовълните се разпространяват по законите на оптичните вълни. Това откритие хвърля светлина върху физическата природа на автовълните, което също може да се счита за принос на биофизиците към физиката.

Една от най-интересните области на съвременната биофизика е анализът на свързването на малки РНК към протеини, кодиращи информационна РНК. Това свързване е в основата на феномена "РНК интерференция". Откриването на този феномен беше отбелязано през 2006 г. с Нобеловата награда. Световната научна общност има големи надежди, че това явление ще помогне в борбата с много болести. Анализът на механизмите на свързване на РНК молекули се извършва успешно през последните години от международна група изследователи, ръководена от Олга Матвеева, която сега работи в САЩ.

Най-важната област на молекулярната биофизика е изследването на механичните свойства на една молекула ДНК. Развитието на фини методи за биофизичен и биохимичен анализ дава възможност да се наблюдават такива свойства на молекулата на ДНК като твърдост, способност за разтягане, огъване и якост на опън. Такива свойства са разкрити в експериментални и теоретични работи, проведени през последните години в Русия под ръководството на Сергей Гроховски и в САЩ под ръководството на Карлос Бустамента. Тези произведения са тясно свързани с изследването на механичните напрежения в жива клетка. Доналд Ингбер е първият, който посочи сходството на механичните структури на живата клетка със „самонапрегнати структури“. Такива дизайни са изобретени в началото на 20 -те години на миналия век от руския инженер Карл Йогансън, а по -късно са „преоткрити“ от американския инженер Бъкминстър Фулър.

Позициите на руските биофизици в областта на теорията са традиционно силни. Физическият факултет на Московския държавен университет, където са работили и преподавали най-силните теоретици на страната през 20-ти век, даде много на завършилите катедрата по биофизика. Завършилите тази катедра са изложили редица оригинални теоретични концепции и са създали много уникални разработки, които са намерили своето приложение в медицината. Например Георги Гурски и Александър Заседателев разработиха теория за свързването на биологично активни съединения с ДНК. Те предположиха, че това свързване се основава на феномена "адсорбция на матрицата". Въз основа на тази концепция те предложиха оригинален проект за синтез на нискомолекулни съединения. Такива съединения могат да "разпознаят" определени места в молекулата на ДНК и да регулират активността на гените. През последните години този проект се развива успешно, синтезирани са лекарства за редица сериозни заболявания. Александър Заседателев успешно използва своите разработки за създаване на местни биочипове, които позволяват диагностицирането на онкологични заболявания на ранен етап. Под ръководството на Владимир Поройков е създаден комплекс от компютърни програми, които позволяват да се предскаже биологичната активност на химичните съединения по техните формули. Тази посока дава възможност значително да се улесни търсенето на нови лекарствени съединения.

Галина Ризниченко и нейните колеги са разработили компютърни модели на реакциите, протичащи по време на фотосинтезата. Тя оглавява асоциацията „Жените в науката, културата и образованието“, която заедно с катедрата по биофизика на Биологическия факултет на Московския държавен университет провежда редица конференции от голямо значение за общността на руските биофизици. По съветско време имаше много такива конференции: няколко пъти годишно биофизици се събираха на срещи, симпозиуми и семинари в Армения, Грузия, Украйна и балтийските държави. С разпадането на СССР тези срещи спряха, което се отрази негативно на нивото на изследванията, проведени в редица страни от ОНД. През последните 15 години Научният съвет по биофизика към Академията на науките проведе два Всеруски биофизични конгреса, които стимулират научните контакти и обмена на информация между руски учени. През последните години важна роля започнаха да играят конференции, посветени на паметта на Лев Блуменфелд и Емилия Фрисман. Тези конференции се провеждат редовно във физическите факултети на Московския държавен университет и Санкт Петербургския държавен университет.

Съдейки по финансовите показатели, "палмата" за най-големите постижения трябва да бъде дадена на биофизика Армен Сарвазян, който създаде редица уникални разработки в областта на изследването на човешкото тяло с помощта на ултразвук. Тези изследвания са щедро финансирани от военното ведомство на САЩ: например Сарвазян открива връзката между хидратацията на тъканите (степента на дехидратация) и състоянието на тялото. Работата на лабораторията на Сарвазян е търсена във връзка с военните операции на САЩ в Близкия изток.

Светогледните сътресения обещават откритията на Саймън Шнол: той открива влиянието на космогеофизичните фактори върху хода на физическите и биохимичните реакции. Въпросът е, че добре познатият закон на Гаус или нормалното разпределение на грешките при измерване се оказва резултат от грубо осредняване, което не винаги е валидно. В действителност всички протичащи процеси имат определени "спектрални" характеристики поради анизотропията на пространството. „Космическият“ вятър, за който пишеха фантастите от XX век, намира своето потвърждение във фините експерименти и оригинални концепции на XXI век.

Най-значимото за всички хора, живеещи на нашата планета, може да бъде изследването на биофизика Алексей Карнаухов. Неговите климатични модели предсказват глобално охлаждане, предшествано от затопляне. Не е изненадващо, че има огромен обществен интерес към тази тема. Изненадващо е, че филмът „Ден след утре“ се основава не само на тази идея, но дори и на конкретния модел на охлаждане, предложен от Карнаухов. Гълфстрийм, който затопля Северна Европа, ще престане да носи топлина от Атлантика поради факта, че настъпващото течение на Лабрадор ще се освежи поради топенето на ледниците и увеличаването на потока на северните реки, което ще улесни и ще спре да се "гмурка" под Гълфстрийм. Наблюдаваното през последните години увеличаване на оттока на северните реки и топенето на ледниците дават все повече основания на прогнозите на Карнаухов. Рисковете от климатични бедствия рязко нарастват и обществеността в редица европейски страни вече бие тревога.

Изследванията на Робърт Бибилашвили от Кардиологичния център доведоха до значителни резултати в лечението на редица заболявания, които преди се смятаха за нелечими. Оказа се, че навременната намеса (инжектиране на ензима урокиназа в мозъчните зони на пациенти с инсулт) може напълно да премахне последствията дори от много тежки пристъпи! Урокиназата е ензим, произвеждан от кръвните и съдовите клетки и е един от компонентите на системата, която предотвратява развитието на тромбоза.

Доскоро руската биофизика запази приоритет в голям брой научни области: Всеволод Твердислов се занимава с оригинални изследвания в областта на произхода на живота, Фазоил Атаулаханов получи редица фундаментални резултати в разбирането на функционирането на кръвоносната система, под Под ръководството на Михаил Ковалчук ​​редица области в нова наука - нанобиология, интересни концепции сега се разработват от Хенрих Иваницки, Владимир Смолянинов и Дмитрий Чернавски ...

Световната биофизична общност приветства с наслада книгата "Физика на протеина", написана от Алексей Финкелщайн и Олег Птицин. Заедно с книгата „Епохата на ДНК“ (в първото руско издание – „Най-важната молекула“) от Максим Франк-Каменецки, тази книга се превърна в наръчник за студенти и учени от много страни. Като цяло през последните 15 години руската биофизика, въпреки значително намаляване на финансирането, не е загубила способността да генерира нови идеи и да получава оригинални резултати. Влошаването на научната инфраструктура и инструменталната база обаче, отливът на млади хора към по-печелившите сектори на икономиката доведоха до изчерпване на ресурсите за по-нататъшно развитие на науката. Родната наука е загубила малко в скоростта и интензивността на своето развитие. Науката беше подкрепена от всеотдайността на учените, помощта на западните колеги и фондации, както и от значението на инерцията, определена от трудоемкостта на образованието. Тук "спасителна" роля изигра и консервативната пристрастност на учените. Науката се поддържа от векове от интереса към нея от страна на висшите класи на обществото, които финансират изследвания от собствения си джоб (спомнете си принца на Олденбург). Известната аристокрация на академичната наука спаси своите носители от пазарните изкушения на „преходния период”.

Сега тези „благородни донове“ в биофизиката вече не могат да намерят и образоват себеподобните си: младите хора ходят в офиси не защото не харесват науката, а защото не могат да намерят пълноценна награда за труда си. Недостатъчното образование се е превърнало в бич на нашето време: за да „направим“ истински учен, са необходими поне 8-10 години: 5-6 години обучение в университет или университет и три години в аспирантура. През цялото това време младият мъж трябва да бъде издържан от родителите си, но ако той започне да „спечели допълнителни пари“, тогава, като правило, това завършва с напускане „в офиса“. Въпреки това е доста трудно да се намерят родители, които са готови да отглеждат детето си и да задоволяват интереса му към науката в продължение на десет години. Такива родители биха могли да се намерят в научната общност, ако самите учени имаха достатъчно финансиране. Благодарение на дългосрочното обучение се получава "дългоиграващ" специалист, но прекъсването на образованието по средата води до "отпадане". Именно незаменимата загуба на млади специалисти (а не постижения) в науката е основният резултат от промените в руската биофизика. Загубата на постижения и загубата на научни изследвания от световна класа е процес, който все още ни очаква, ако младите хора не се върнат към науката.

От последните постижения на чуждестранни учени могат да се отбележат две: първо, група американски изследователи от Мичиганския университет, ръководена от S.J. Weissa открива един от гените, отговорни за "триизмерността" на развитието на биологичната тъкан, и второ, учени от Япония са показали, че механичният стрес помага за създаването на изкуствени съдове. Японски учени поставиха стволови клетки в полиуретанова тръба и прекараха течност през тръбата под променливо налягане. Параметрите на пулсацията и структурата на механичните напрежения са приблизително същите като в реалните човешки артерии. Резултатът е обнадеждаващ – стволовите клетки са се „превърнали“ в клетки в лигавицата на кръвоносните съдове. Тази работа позволява по -задълбочено разбиране на ролята на механичния стрес за развитието на органите. На дневен ред е създаването на изкуствени "резервни части за ремонт" на кръвоносната система. Новините от науката могат да се видят на science.ru.

Обобщавайки, можем да кажем, че руската биофизика е загубила много в настоящето, но е изправена пред по-сериозна опасност - да загуби бъдещето.

Познаването на човешките функции е една от най-трудните задачи. Настъпва развитието на науката в първите етапи - обособяването на дисциплини, насочени към задълбочено изследване на определени проблеми. На първия етап се опитваме да опознаем определена част, а когато успеем да направим това, възниква друга задача – как да направим обща идея. Научните дисциплини възникват в кръстопътя на началните специалности. Това важи и за биофизиката, която се появи на пресечната точка на физиологията, физиката, физическата химия и отвори нови възможности в разбирането на биологичните процеси.

Биофизика- наука, която изучава физични и физикохимични процеси на различни нива на живата материя (молекулярно, клетъчно, органно, целия организъм), както и закономерностите и механизмите на въздействие на физическите фактори на външната среда върху живата материя.

Разпредели-

• молекулярна биофизика - кинетика и термодинамика на процесите
• клетъчна биофизика - изследване на клетъчната структура и физични и химични прояви - пропускливост, образуване на биопотенциали
• биофизика на сетивните органи - физикохимични механизми на приемане, енергийна трансформация, кодиране на информация в рецепторите.
• Биофизика на сложни системи - процеси на регулация и саморегулация и термодинамични особености на тези процеси
• Биофизика на въздействието на външни фактори - изследва ефекта върху тялото на йонизиращи лъчения, ултразвук, вибрации, излагане на светлина

Задачи на биофизик

1. Установяване на законите на дивата на природата чрез изучаване на физични и химични явления в тялото
2. Изучаване на механизмите на влияние на физическите фактори върху тялото

Ойлер (1707-1783) - законите на теорията за хидродинамиката, за да обяснят движението на кръвта през съдовете

Лавоазие (1780) - изучава обмена на енергия в тялото

Галвани (1786) - основателят на учението за биопотенциалите, животинското електричество

Хелмхолц (1821)

Рентгенови лъчи - опитаха се да обяснят механизмите на мускулно свиване от гледна точка на пиезо ефектите

Арениус - законите на класическата кинетика за обяснение на биологичните процеси

Ломоносов - законът за запазване и преобразуване на енергията

Сеченов - изучава транспорта на газ в кръвта

Лазарев - основателят на руската биофизична школа

Полинг - откриването на пространствената структура на протеин

Уотсън и Крик – откриването на двойната структура на ДНК

Ходжкин, Хъксли, Кац - откриването на йонната природа на биоелектричните явления

Пригожин - теория на термодинамиката на необратими процеси

Eigen - теорията за хиперциклите като основа на еволюцията

Сакман, Ниър - установи молекулярната структура на йонните канали

Биофизика стана във връзка с развитието на медицината, т.к. бяха използвани методи за физическо въздействие върху тялото.

Биологията се развива и е необходимо да се проникнат в тайните на биологичните процеси, протичащи на молекулярно ниво.

Необходимостта на индустрията, чието развитие доведе до действието на различни физически фактори върху тялото - радиоактивно излъчване, вибрации, безтегловност, претоварване

Биофизични методи на изследване

• Рентгеноструктурен анализ- изследване на атомната структура на материята с помощта на рентгенова дифракция. От дифракционната картина се установява разпределението на електронната плътност на веществото и вече от него е възможно да се определи кои атоми се съдържат в веществото и как са разположени. Изследване на кристални структури, течности и протеинови молекули.
• Колонна хроматография- различно разпределение и анализ на смеси между 2 фази - подвижна и стационарна. Тя може да бъде свързана с различна степен на абсорбция на веществото или с различна степен на йонен обмен. Може да бъде газ или течност. Разпределението на веществата се използва в капиляри - капилярни, или в епруветки, пълни със сорбент - колонни. Може да се извършва на хартия, чинии
• Спектрален анализ- качествено и количествено определяне на вещество чрез оптични спектри. Веществото се определя или от спектъра на излъчване - емисионен спектрален анализ, или от спектъра на абсорбция - абсорбция. Съдържанието на веществото се определя от относителната или абсолютната дебелина на линиите в спектъра. Също така включват радиоспектроскопия - електронен парамагнитен резонанс и ядрено -магнитен резонанс.
• Изотопна индикация
• Електронна микроскопия
• Ултравиолетова микроскопия- изследването на биологични обекти в UV лъчи увеличава контраста на изображението, особено на вътреклетъчните структури, и ви позволява да изучавате други клетки без предварително оцветяване и фиксиране на лекарството

Едно от най -важните условия за съществуване е адекватното адаптиране на функциите, органите и тъканите, системите към околната среда. Има постоянно балансиране на организма и околната среда. При тези процеси основният процес е регулирането и контрола на физиологичните функции.

Общите закономерности на внедряването, управлението и обработката на информацията в различни системи се изучават от науката кибернетика (кибернетиката е изкуството на управлението).Законите на управлението са общи както за хората, така и за техническите устройства. Появата на кибернетиката е подготвена от развитието на теорията за автоматичното регулиране, развитието на радиоелектрониката, създаването на теория на информацията.

Тази работа е представена от Шанън (1948) в "Математическа теория на комуникацията"

Кибернетиказанимава се с изучаване на системи от всякакво естество, способни да възприемат, съхраняват и обработват информация и да я използват за контрол и регулиране. Кибернетиката изучава онези сигнали и фактори, които водят до определени контролни процеси.

Това е от голямо значение за медицината. Анализът на биологичните процеси ви позволява качествено и количествено да изучавате механизмите на регулиране. Информационните контролно-регулационни процеси са решаващи в организма, т.е. са първични, на базата на които протичат всички процеси.

Системи- организиран комплекс от елементи, свързани помежду си и изпълняващи определени функции в съответствие с програмата на цялата система. Елементите на мозъка ще бъдат неврони. Елементите на екипа са хората, които са част от него. Само тълпата не е кибернетична система.

Програма- последователността от промени в системата в пространството и времето, които могат да бъдат вградени в структурата на системата за измиване или да влязат в нея отвън.

Връзка- процесът на взаимодействие на елементите един с друг, при който има обмен на материя, енергия, информация.

Съобщенията са непрекъснати и дискретни.

Непрекъснатоимат характер на непрекъснато променяща се стойност (кръвно налягане, температура, мускулно напрежение, музикални мелодии).

Отделен- се състои от отделни, различни стъпки или градации (части от медиатори, азотна основа на ДНК, точки и тирета на азбуката на Морз)

Процесът на кодиране на информация също е важен. Той се кодира от нервни импулси за възприемане на информация от нервните центрове. Елементите на кода са символи и позиции. Символите са безразмерни величини, които разграничават нещо (букви от азбуката, математически знаци, нервни импулси, молекули на миризливи вещества, а позицията определя пространственото и времевото разположение на символите).

Информационният код съдържа същата информация като оригиналното съобщение. Това е феноменът на изоморфизма. Кодовият сигнал има много ниска енергийна стойност. Пристигането на информация се оценява по наличието или отсъствието на сигнал.

Съобщението и информацията не са едно и също нещо, защото според теорията на информацията

Информация- мярка за размера на несигурността, която се елиминира след получаване на съобщението.

Възможността да се случи събитие - предварителна информация.

Тази вероятност за събитие след получаване на информация - a posteriori информация.

Информационното съдържание на съобщението ще бъде по-голямо, ако получената информация увеличи апостериорната вероятност.

Свойства на информацията.

1. Информацията има смисъл само ако има приемници (потребители) - "ако има телевизор в стаята и няма никой в ​​нея"
2. Наличието на сигнал не означава непременно, че се предава информация; има съобщения, които не носят нищо ново за потребителя.
3. Информацията може да се предава както на съзнателно, така и на подсъзнателно ниво.
4. Ако събитието е надеждно (т.е. неговата вероятност P = 1), съобщението, че се е случило, не носи никаква информация за потребителя.
5. Съобщение за събитие, вероятността за което е P< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Дезинформация- отрицателна стойност на информацията.

Мярка за несигурността на събитията - ентропия(H)

Ако log2 N = 1, тогава N = 2

Единица информация - малко(двойна информационна единица)

H = lg N (хартли)

1 хартли- количеството информация, необходимо за избор на една от десетте еднакво вероятни възможности. 1 хартли = 3,3 бита

Регулаторът може да работи за компенсиране, когато ефектът върху тялото е компенсаторен ефект на регулатора, което води до нормализиране на функцията

Управлението е насочено към стартиране на физиологичните функции, към тяхната корекция и към координиране на процесите.

Най-древният е механизмът за хуморална регулация.

Нервен механизъм.

Невро-хуморалният механизъм.

Развитието на регулаторни механизми води до факта, че животните са способни да се движат и могат да напуснат неблагоприятна среда, за разлика от растенията.

Механизмът на аванпоста (при хората) е под формата на условни рефлекси. В отговор на сигнални стимули можем да предприемем мерки за въздействие върху околната среда.

Какво е биофизика

Човек се стреми да опознае света. В тези дръзки човек разчита на науката и технологиите. Огромни радиотелескопи чуха "гласа" на далечни галактики, здрави батискафи помогнаха да се отвори нов свят с безпрецедентни животни на дъното на океана, мощни ракети напуснаха сферата на гравитацията и отвориха пътя към космоса ...

В природата около нас има още една „крепост”. Това е самият живот. Да, животът, жив организъм, жива клетка - невидима бучка протоплазма (или цитоплазма) с ядро, затворена в обвивка - е едно от най-мистериозните явления в света. И тази „крепост” трябва да се предаде, мощно оръжие – човешкият ум откъсва кориците от микроскопичните светове на живите клетки, прониквайки в самата същност на живота.
Изучаването на природата от човека сега върви толкова бързо и води до толкова неочаквани резултати и заключения, че те не се вписват в рамките на старите науки. Например физиката - една от най-важните науки за природните явления - се е развила толкова широко, че се е появила необходимостта от открояване на нови, самостоятелни области - квантова физика, ядрена физика, физика на твърдото тяло, астрономия, радиофизика и др. Процесът на разширяване и задълбочаването на човешките знания за природата доведе до появата на такива клонове на науката, които изучават процеси и явления, свързани едновременно с различни области на познанието.
Такава гранична наука, възникнала на пресечната точка на биологията, физиката и химията, е биофизиката, която играе особена роля в изследването на свойствата на живата материя.
Биофизиката е наука за физическите и физико -химичните процеси и тяхното регулиране в жив организъм.
От биофизиката на свой ред се отделят нови науки, разширяващи хоризонтите на човешкото познание. Така се открои радиобиологията — науката за въздействието на различни видове радиация върху живите организми; космическа биология - наука, която изучава особеностите на живота в космоса; механохимия, която изучава взаимната трансформация на химическа и механична енергия, която се случва в мускулните влакна; Съвсем наскоро се появи биониката, която изучава живите организми, за да използва принципите на тяхната работа за създаване на нови устройства и апарати, които са перфектни по дизайн.
Разказ за тези научни дисциплини, включени в биофизиката, би заел твърде много място, така че ще говорим само за трите основни направления, които се развиват днес в биофизиката, за нейните три отдела – молекулярна биофизика, клетъчна и биофизика на контролните процеси.
Всяка наука, включително и биофизиката, се състои от две части – теоретична и експериментална, тясно свързани една с друга, взаимно допълващи се. Но има и разлики между тях. Теоретичната биофизика изучава първичните явления и процеси, протичащи в биологичните молекули върху моделни вещества, както казват учените, тоест върху системи, изолирани от жив организъм или изкуствено създадени системи. Именно върху такива моделни системи се изучават основните процеси на фотосинтезата, природата на биопотенциалите, биолуминесценцията и други явления.
Експерименталната (приложна) биофизика изучава работата на организма като цяло и неговите отделни органи, използвайки методите и подходите на теоретичната биофизика (биофизика на движението, зрението, регулирането на физиологичните функции).
Един от големите отдели по биофизика, както вече споменахме, се нарича молекулярна биофизика. Този отдел изучава свойствата на биологичните молекули, физико -химичните процеси, протичащи в чувствителните клетки, връзката им с клетъчните структури. Особено внимание се отделя на изследването на свойствата на ензимите – протеини, които имат способността да ускоряват (катализират) биохимичните реакции в живите организми.
Благодарение на напредъка в молекулярната биофизика хората са научили много за това как информацията се съхранява и предава в живите клетки, как се движат молекулите и йоните, как се синтезират протеините, как се съхранява енергията в живите клетки. Молекулярната биофизика помага при изучаването на фотосинтезата.
Всички видяха зелените листа на растенията. Но вероятно не всеки знае какви невероятни процеси протичат в обикновен лист от бреза или череша, ябълка или пшеница. Слънцето изпраща на Земята колосално количество енергия, което би било пропиляно без употреба, ако не бяха зелените листа, които го улавят, създават с него органична материя и по този начин дават живот на целия живот на Земята.
Този много важен процес протича в зелени частици, намиращи се в листните клетки – хлоропласти, които съдържат растителни пигменти – хлорофил и каротеноиди.
Части от светлинната енергия се абсорбират от пигментите и фотоокисляват водата: тя дава своя електрон на молекулата на хлорофила, а след това протонът се използва за намаляване на въглеродния диоксид до въглехидрати. (Протон и електрон, както знаете, образуват водороден атом; този атом се отделя на части от водната молекула. ​​Водата се окислява и се свързва с въглероден диоксид и се получават въглехидрати.) Останалата вода ( нарича се хидроксил) се разлага от специални ензими, образувайки кислород, който всички живи същества дишат.
Говорихме много накратко за фотосинтезата. Всъщност преобразуването на светлинната енергия, погълната от хлорофила, в химическата енергия на веществата, синтезирани в зелените листа, е безкрайна верига от молекулярни промени. По време на този процес електроните се движат от една молекула в друга, образуват се и се разпадат молекули на съединения с висока енергия, протичат стотици хиляди реакции.
Биофизиците също са работили усилено, за да разгадаят този процес и ние дължим изясняването на неговите детайли на молекулярната биофизика.
Може да се зададе въпросът: защо учените се борят толкова дълго и упорито за тайната на зеленото листо? Факт е, че зеленото листо е като миниатюрно "растение", което произвежда вещества, които съставляват основата на човешкото хранене. Смята се, че зелените растения консумират огромни количества въглероден диоксид годишно като суровина - 150 000 000 000 g! Ако учените разгадаят докрай великата мистерия на зеленото листо, човечеството ще получи най-бързия и икономичен начин за получаване на храна и други важни продукти, с една дума, всичко, което зелените растения дават на човека днес.
Молекулярната биофизика се занимава и с процесите, които протичат в животинските организми, например в техните сетивни органи.
Една от такива невероятни и необикновени страници в молекулярната биофизика е изследването на миризмата. Химиците са създали около 1 милион органични съединения и почти всички имат своя характерна миризма. Човек може да различи няколко хиляди миризми, а за някои вещества са достатъчни изключително малки количества, за да ги усети – само милионни и милиарди от милиграма на литър вода (например вещества като скатол, тринитробутилтолуен, [достатъчно-7-10 -9 mg / l).
Животните са по-чувствителни от хората. Кучетата, например, могат да различават около половин милион различни миризми! Те са в състояние (особено кучета от кръвоносните кучета) да усетят желаната миризма, дори ако тя е незначителна. Веднага щом човек докосне обект само малко, кучето вече може да определи кой го е направил. Има случаи, когато обучени кучета-смърчачи са помагали на геолозите да намерят руда, лежаща под земята на дълбочина 2-3 m.
Но, може би, всички са по-добри от рибите и насекомите. Някои риби усещат миризливо вещество при неизмеримо ниското му съдържание от 10 "mg/l. Това е като да разтворите една капка вещество в 100 милиарда m3 вода! Пеперудите се намират по миризма на разстояние от няколко километра. Изчисленията показват, че в такива В случай на пеперуда, те откриват почти една молекула на миризливо вещество на 1 mg въздух. дълги разстояния.
Напоследък вниманието на биофизиците е привлечено от необичайната способност на някои видове мухи. Оказва се, че мухата, докосвайки с лапите си някакво вещество, незабавно извършва точен химичен анализ. Механизмът на това явление е неизвестен, но е установено, че специални чувствителни клетки на лапите определят "вкуса" на веществото чрез електромагнитни средства!
Молекулярната биофизика помага да се изяснят не само разликите в чувствителността и структурата на обонятелните органи при различните групи животни, риби и насекоми, но и процеса на определяне на самата миризма. Вече е установено, че има няколко основни (6-7) миризми, чиито комбинации обясняват цялото им разнообразие. Тези основни миризми съответстват на определени видове обонятелни клетки, които възприемат миризмата. В клетките има вдлъбнатини със строго определена форма и размер, молекулни размери, съответстващи на формата на молекули на миризливи вещества (молекула на камфор прилича на топка, молекула на мускус прилича на диск и т.н.). Попадайки в "своята" депресия, молекулата дразни нервните окончания и създава обоняние.
Дори от кратък разказ става ясно, че има тясна връзка между изследването на клетките и протичащите в тях молекулярни процеси, тоест между молекулярната и клетъчната биофизика. Единият от тях изучава молекулярните промени, свойствата на биологичните молекули, както и онези системи, които образуват молекули в клетките (както се казва, субмолекулярни образувания), техните свойства и промени, а другият изучава свойствата и функционирането на клетките - отделителната, контрактилни, обонятелни и др.
Развитието на клетъчната биофизика, за което сега ще говорим, беше до голяма степен улеснено от изобретяването на електронния микроскоп. Използването на електронен микроскоп с увеличение от стотици хиляди, милиони пъти значително разшири познанията ни за живите организми, които обитават планетата, за тяхната вътрешна структура. При изследване на клетка с електронен микроскоп веднага беше открит нов свят от ултрамикроскопични (най-малките) клетъчни структури. Електронните микроскопи позволяват да се видят мембрани с различна дебелина, малки тръбички, стотици хиляди пъти по-тънки от човешки косми, малки везикули, кухини, тубули. Изследванията показват, че дори и най -малките клетъчни структури - митохондрии, хлоропласти - също имат доста сложна структура. Стана ясно, че всяка клетка, която изглежда като обикновена бучка от протоплазма с ядро, е сложно образувание с голям брой малки клетъчни частици (както се казва, структурни елементи), действащи в строг ред и свързани помежду си в комплексен, точен и координиран начин.
Разнообразието от структурни елементи особено впечатли изследователите. Например, в една нервна клетка има до 70 хиляди частици - митохондрии, благодарение на които клетката диша и получава енергия за своята дейност. Освен това клетката съдържа до стотици хиляди от най-малките частици – рибозоми, които създават протеинови молекули.
Най -удивителното е, че във всяка малка клетка на жив организъм протичат точни координирани процеси: усвояването на необходимите вещества и освобождаването на ненужни, дишането, разделянето. Наред с това клетките изпълняват специални функции: клетките на ретината на окото определят силата и качеството на светлината, клетките на носната лигавица определят миризмата на вещества, клетките на различни жлези отделят специални вещества - ензими, които насърчават храносмилането, и хормони които подпомагат растежа и развитието на тялото.
Клетките предават цялата си велика работа – видяна, чута, разпозната – чрез нервни електрически импулси на мозъка – главния координиращ център. Как клетките получават необходимата информация от околното пространство, как тази информация се кодира в електрически сигнали -импулси, как се формират биологични потенциали в клетките, каква е връзката с мозъка - всички тези и много други въпроси се изучават от клетъчната биофизика.
Наскоро беше направено важно откритие в областта на клетъчната биофизика. Отдавна е известно, че много живи организми имат способността да светят – луминесценция. Сиянието на много обитатели на моретата е силно – риби, гъби, звезди и т. н. Но се оказва, че клетките на всякакви организми имат луминесценция – така нареченото свръхслабо сияние. Тази светлина е толкова незначителна, че само специални устройства могат да я открият - фотоумножители, способни да усилят падащия светлинен поток милиони пъти. Свръхслаба луминесценция се наблюдава в корените и листата на растенията, в клетките на различни животински органи. Свръхслабата луминесценция е присъща на всички клетки на живите организми и възниква в резултат на биохимични реакции, протичащи в клетките.
Учените са открили, че свръхслабото сияние има свои собствени характеристики при различни групи животни, насекоми и растения. По интензитета на свръхслабата луминесценция биофизиците вече могат да определят устойчивостта на суша и замръзване на селскостопанските растения (ечемик, пшеница) и по този начин да помогнат на селекционерите и физиолозите при отглеждането на желаните сортове.
Вече казахме, че всички клетки са взаимосвързани, че протичащите в тях реакции, въпреки сложността им, протичат с удивителна редовност и последователност, говорихме и за тясната връзка на всички клетки с мозъка. Тези особености на клетките, органите и целия организъм се изучават от наскоро създадения отдел на науката - биофизика на процесите на управление и регулиране.
Нека да поговорим за работата на този отдел, използвайки следния пример. Всеки човешки орган се състои от безброй клетки, често изпълняващи определена работа. Например, носната лигавица - така нареченият обонятелен епител - играе важна роля в обонянието. Лигавицата покрива площ от не повече от 4 s, но съдържа почти 500 милиона обонятелни рецепторни клетки. Информацията за тяхната работа се предава на обонятелния нерв чрез нервни влакна, чийто брой достига 50 милиона, а след това на мозъка. Частите на мозъка – полукълбата на мозъка – съдържат 2 1010 клетки, а в малкия мозък има още повече – 10-та. Трудно е дори да си представим какъв информационен поток получава мозъкът всяка секунда от всички органи и тъкани.
Сигналите, идващи от клетките под формата на първични електрически импулси, трябва да бъдат правилно дешифрирани, след което е необходимо да се вземат подходящи "решения" и да се предават сигнали за отговор - инструкции как трябва да работят определени клетки, тъкани или органи като цяло при определени условия. Ясно е, че централната нервна система получава хиляди различни сигнали от външната среда под формата на звуци, светлина, миризми и т.н. Така, | виждаме колко сложни са взаимовръзките във всеки организъм, колко е трудно да се управляват клетките, да се регулира тяхното състояние и да се контролира последователността на всички жизнени процеси.
Този важен отдел по биофизика се опира на законите, открити от друга наука – кибернетиката. Използвайки неговите методи, биофизиците, изучаващи процесите на контрол и регулиране, са разработили електронни модели на живи организми, органи, клетки и дори отделни процеси, протичащи в тези клетки. Такива електронни модели (напр. електронна костенурка, електронна нервна клетка, електронен модел на процеса на фотосинтеза) улесняват изучаването на всички | сложни явления на регулация в жив организъм.
Биофизиците, изучаващи регулацията и контрола в живия организъм, са открили, че както клетките, така и органите на живите организми са система с удивителни свойства. Клетките и органите, както казват биофизиците, са САМОрегулиращи се, САМОорганизиращи се, САМОрегулиращи се, САМОобучаващи се системи, тоест цялата им работа, необичайни качества и свойства, които ги характеризират, постоянството на състава на околната среда вътре тях и работата, която вършат – всичко е обусловено от протичащите в тях процеси.
За да си представим малко по-подробно работата на биофизиците, нека поговорим за едно интересно направление, възникнало на основата на биофизиката и вече се оформило в самостоятелна биофизична наука - биониката.
Това е наука, която изучава живите организми, за да създаде съвършени изкуствени системи, машини и устройства. Резултатите от бионичните изследвания показаха, че дизайнерите от всички специалности имат какво да научат от природата. Ето няколко примера.
Дизайнът на съвременните електронни компютри включва голям брой различни части (полупроводникови диоди, триоди, съпротивления, кондензатори и др.). Размерите на електронните компютри зависят от това колко такива части (елементи) има в 1 cm3 от машината. Колкото повече работни елементи в 1 cm3 (т.нар. плътност на монтаж), толкова по-обемна е „паметта“ на машината, колкото повече възможности за извършване на необходимите операции, толкова по-добра е работата. Оказва се, че ако най -високата плътност на сглобяване в техническите вериги на машините достигне 2000 елемента в 1 см3, тогава плътността на сглобяване на мозъчните елементи е 50 хиляди пъти по -висока: 100 000 000 елемента в 1 см3.

Разликата между живите организми и най-сложните съвременни машини и устройства се проявява не само в структурата, но и в свойствата. Вземете например органите на зрението. Очите на животните са не само с различни размери – от микроскопично малки при мравка (0,1 мм) до гигантски (20-30 см) при калмари – но се различават и по други свойства.
Оказва се, че окото на рибата подкова е в състояние да засили контраста между ръба на видимото изображение и общия фон, така че обектът да стане рязко очертан - точно както се прави на телевизионен екран, увеличавайки или намалявайки контраст. Интересно свойство има и окото на обикновената блатна жаба. Известно е, че жабата се храни само с движеща се храна - мухи, мушици, буболечки. Но ако насекомото не се движи, жабата никога няма да намери храната си и ще остане гладна: окото й възприема само движещи се обекти, игнорирайки фона.
Отдавна е известно, че нощните горски птици (орел, бухал) могат да виждат перфектно в тъмното, но съвсем наскоро изключителната способност на някои животни (жаби, мишки) да виждат дори "невидими" йонизиращи лъчи - рентгенови и космически радиация - е разкрита.
Природата се оказа изключителен дизайнер, достигнал необикновени висоти на умения в областта на слуха. Експериментите показват, че човешкото ухо, благодарение на своята чувствителност, е способно да възприема звуци, чийто пренебрежимо малък интензитет е дори трудно да си представим. Може да се сравни само с "шума", с който се случва топлинното движение на молекулите! Не по-малко впечатляващ е и слуховият орган на скакалеца, разположен на крака му. Този орган позволява на скакалеца да усеща вибрации, чийто обхват (амплитуда) е половината от диаметъра на водороден атом! Чувствителността на слуха на скакалеца е толкова висока, че, намирайки се в Москва, може да усети най-малките земетресения, случващи се в Далечния изток.
Биониката се стреми да научи всички необичайни свойства на живите организми и да приложи получените данни за създаване на машини и устройства. Например учените разработват устройство, което ще позволи на незрящите да четат книги, въведени с обикновена типография. Вече е създаден модел на изкуствена ръка, управлявана от човешката мисъл, или по-точно от биопотенциали, възникващи в мускулите. Въз основа на изследването на очите на пчела и водно конче (те, между другото, имат много голям зрителен ъгъл - 240-300 °), дизайнерите създадоха устройство - небесен компас, използван при движение на кораби и самолети. Изследването на медузата помогна за проектиране на устройство, което предупреждава за началото на буря след почти 15 часа. Списъкът с устройства, разработени от биониката, е доста голям и дори простото им изброяване би отнело много време.
Но биониката не само копира функциите и структурата на отделните органи на животните. Те изследват и използват особеностите на предаване на информация при насекоми, птици, риби. Резултатите от тези работи са много интересни. И така, наскоро стана известно, че комарите поддържат комуникация помежду си с помощта на електромагнитни вълни от милиметровия диапазон (13-17 мм), а обхватът на "радиостанцията" на комарите е 15 м (например, когато се появи прилеп). Учените работят върху създаването на ултразвукови устройства, които отблъскват вредните насекоми и привличат полезни. (За биониката вижте също статията „Какво е техническа кибернетика и бионика“.)

Говорихме само за малка част от изследванията, извършени от биофизици, но много повече примери могат да бъдат цитирани както в областта на изучаването на молекули, клетки, така и на организма като цяло. Нашият век е време на големи постижения във всички области на познанието, включително и в познаването на живата природа.

А.П. Дубов

Публикуването на снимки и цитирането на статии от нашия сайт в други ресурси е разрешено, при условие че е предоставена връзка към източника и снимките.