Bdtyk

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 (указать)

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-двигального 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 |

• 
  Луиджи Гальвани: открыл биоэлектричество.


• 
  Герман Гельмгольц: первый замерил скорость нервных импульсов.


• 
  Александр Леонидович Чижевский — советский биофизик, основоположник гелиобиологии, аэроионификации, электрогемодинамики, философ. Впервые научно доказал влияние космической погоды на биосферу.


• 
  Пётр Петрович Лазарев — российский и советский биофизик. Создал физико-химическую теорию возбуждения (ионная теория возбуждения), вывел единый закон раздражения, исследовал процесс физиологической адаптации органов чувств (преимущественно зрения, а также слуха, вкуса и обоняния) к действующим на них раздражителям, вывел единый закон раздражения, разрабатывал проблему приложимости законов термодинамики к биологическим процессам.


• 
  Ирвинг Ленгмюр: разработал концепцию одномолекулярного органического покрытия. Лауреат Нобелевской премии по химии 1932 года.


• 
  Дьёрдь фон Бекеши: исследователь человеческого уха. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1961 года.


• 
  Макс Перуц и Джон Кендрю: исследователи строения белков с помощью рентгеноструктурного анализа. Лауреаты Нобелевской премии по химии 1962 года.


• 
  Морис Уилкинс: открыл трёхмерную молекулярную структуру ДНК. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года.


• 
  Герд Бинниг, Эрнст Руска, Генрих Рорер: разработали сканирующий туннельный и сканирующий атомно-силовой микроскопы. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1986 год.


• 
  Бернард Кац: исследовал роль норадреналина в синаптической передаче. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1970 года.


• 
  Питер Митчелл: Автор хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. Лауреат Нобелевской премии по химии 1978 года.


• 
  Эрвин Неэр и Берт Закман: разработали метод локальной фиксации потенциала. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1991 года.


• 
  Питер Агре — лауреат Нобелевской премии по химии 2003 года за открытие и исследование аквапорина. Премия была разделена с Родериком Маккиноном — американским биохимиком и кристаллографом, который в 1998 году с коллегами смог получить трёхмерную молекулярную структуру бактериального калиевого канала и раскрыть природу его селективности.

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 |

• Биогеофизика

Примечания |

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 т.т. — М., 1999, 2002.


• Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. — М.: Медицина, 1983. — 272 с.

Ссылки |

• 
  Нечипоренко Ю. Достижения современной биофизики — немного истории и достижения современной биофизики.

	Биофизика на Викискладе