Биофизика

биологическая физика, наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации живой материи — от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма. Развитие Б. Тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии, физики, химии и математики. Развитие биологии показало, что для понимания и изучения элементарных биологических явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. Такой подход оправдан тем, что все биологические объекты представляют в конечном итоге совокупность атомов и молекул и подчиняются физическим и химическим закономерностям.

Но так как биологические системы — это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологических систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Б. В основном рассматривает целостные системы, не разлагая их, по возможности, на химические компоненты. В связи с этим возникает необходимость перерабатывать известные физико-химические методы, создавая высокоспециализированные биофизические методы и приёмы. Современная Б., согласно классификации, принятой Международным союзом теоретической и прикладной биофизики (1961), включает следующие основные разделы. Молекулярная Б., в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы, а также характера взаимодействия и энергетики протекающих в них процессов.

Б. Клетки, изучающая физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функцией, механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов. Б. Процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием внутренних связей системы управления в организмах, их физической природой, исследованием физических закономерностей живого на уровне целого организма. Однако исторически сложившийся круг проблем, которыми занимается Б., шире. К Б. Относится. Изучение влияния физических факторов на организм (см. Вибрация. Ускорение, Невесомость). Исследование биологического действия ионизирующих излучений (См. Биологическое действие ионизирующих излучений), которое в связи с важностью и актуальностью этого вопроса стало предметом радиобиологии (См.

Радиобиология), специальной науки, выделившейся из Б. Физический анализ деятельности органов чувств, в первую очередь оптики глаза, анализ работы органов движения, дыхания, кровообращения как физических систем, вопросы прочности и эластичности тканей (см. Биомеханика) — существенные, исторически сложившиеся разделы Б. Важное значение имеет и разработка физических методов исследования биологических систем — от макромолекул до целого организма, без которых невозможно современное биологическое исследование. Отдельные исследования биофизического характера можно проследить с 17 в. В этот период были сделаны попытки применить понятия, созданные в физике и химии, для анализа биологических явлений. Французский учёный Р.

Декарт рассматривал человеческое тело как сложную машину. Он опубликовал ряд работ по исследованию органов чувств — биоакустике (См. Биоакустика) и оптике. Последователь Декарта — итальянский учёный Дж. А. Борелли пытался объяснять движение живых существ чисто физическими закономерностями. Л. Эйлер, профессор Петербургского университета, впервые математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов выдвинул в 1756 одну из первых гипотез цветного зрения. Могучим толчком к физико-химическим исследованиям явлений жизни послужили опыты итальянского учёного Л. Гальвани, который доказал наличие «животного электричества». Во 2-й половине 19 в. Немецкие учёные Г. Гельмгольц и В. Вундт сформулировали основные закономерности физиологической акустики и физиологической оптики.

Немецкий врач Ю. Р. Майер, наблюдая насыщение кислородом гемоглобина в крови человека в тропическом и умеренном климате, сформулировал закон сохранения энергии. Г. Гельмгольц и М. Рубнер продолжили исследования этого закона на живых организмах. Работами немецких учёных Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона, Д. Бернштейна и ряда др. Были заложены основы представлений о механизме возникновения электрических потенциалов в тканях и распространения возбуждения по нерву. Значение ионного состава и реакции среды в жизни клеток и тканей было выяснено в работах американского исследователя Ж. Лёба, немецких учёных В. Нернста и Р. Гебера. В России И. М. Сеченов в конце 19 в. Исследовал физические закономерности растворения газов в крови и биомеханику движений.

К. А. Тимирязев изучал фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нём и особенностями спектра поглощения хлорофилла (1903). А. Ф. Самойлов описал акустические свойства среднего уха. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916). М. Н. Шатерников использовал термодинамические представления в исследованиях энергетического баланса организмов (1910—20). В 1905—15 были выполнены классические исследования Н. К. Кольцова о роли физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов, катионов) в жизни клетки. Этот этап предыстории Б., охватывающий период до 20 гг. 20 в., характерен появлением отдельных работ с использованием идей и методов физики и физической химии при исследовании движения, слухового и зрительного аппаратов, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей.

После Октябрьской революции сложились благоприятные условия для развития Б. В СССР. В 1919 П. П. Лазарев создал в Москве институт биологической физики, где вели работы по ионной теории возбуждения, кинетике реакций, идущих под действием света, исследовали спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного действия на организм различных факторов внешней среды. Позже такие институты были созданы и в других странах. В 20-е гг. Кольцов сформулировал концепцию о молекулярной структуре гена и матричном механизме передачи наследственной информации и синтеза макромолекул. В 20—30-е гг. Вышел ряд книг, оказавших глубокое влияние на последующее развитие Б. В СССР. «Биосфера» В. И. Вернадского (1926),»Теоретическая биология» Э.

С. Бауэра (1935), «Физико-химические основы биологии» Д. Л. Рубинштейна (1932), «Организация клетки» Н. К. Кольцова (1936), «Реакция живого вещества на внешние воздействия» Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова (1940). В эти годы шло постепенное формирование базы для биофизических исследований, разрабатывались новые методы, росло техническое оснащение лабораторий. После 2-й мировой войны в СССР и ведущих капиталистических странах в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной промышленности и резкого увеличения финансирования биологических исследований начинается бурное развитие Б. Формирование отдельных областей Б. Молекулярная Б. Исследует механизм биологических явлений с точки зрения взаимодействия атомов и молекул, ионов и радикалов.

В задачу этого раздела входит изучение пространств, строения, физико-химических свойств биологических систем на молекулярном уровне. Эта проблематика тесно связана с биохимией (См. Биохимия), что особенно ярко видно на примере изучения строения биологически важных макромолекул, выяснение пространственной структуры которых требует биофизического подхода и решается методом рентгеноструктурного анализа. Последний был успешно использован для расшифровки относительно простых биологических молекул (в 20-х гг. В Англии В. Астбери удалось частично расшифровать структуру молекулы целлюлозы (См. Целлюлоза)). Работы по структуре белка были начаты в 30-х гг. Английским учёным Дж. Берналом. К 1954 английские исследователи Дж.

Кендрю и М. Перуц нашли метод расчёта пространственного расположения атомов в молекуле белка. Это позволило рассчитать структуру миоглобина и Гемоглобина, что позволило вскрыть механизм возникновения серповидноклеточной анемии и глубже понять природу активного центра (См. Активные центры) белковой молекулы. Работы по изучению пространственной структуры белков ведутся в СССР на физическом факультете МГУ, в институте биофизики АН СССР и других учреждениях. Исследования структуры фибриллярных белков (коллагена, фиброина шёлка) показали наличие регулярной структуры с периодически чередующимися группами аминокислот. Построена статистическая теория редупликации (удвоения) дезоксирибонуклеиновой кислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота) (ДНК).

К 1968 определена структура около 200 белков. Наряду с изучением строения отдельных молекул большие успехи достигнуты в исследовании молекулярных комплексов — ультраструктур, создающих функциональные единицы клетки. Исследования по молекулярной Б. Тесно связаны с биохимией, генетикой и цитологией, молекулярной биологией (См. Молекулярная биология). Значительное место в молекулярной Б. Занимает проблема возбуждённых состояний молекул в биологических системах. Такие молекулы приобретают высокую химическую активность. Наиболее изучены возбуждённые состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологических процессов — Фотосинтеза, зрения (См. Зрение) и биолюминесценции (См. Биолюминесценция). Оригинальным направлением в отечественной Б.

Можно считать изучение сверхслабого ультрафиолетового свечения биологических систем (митогенетического излучения (См. Митогенетическое излучение), А. Г. Гурвич, 1923—48). В 30-е гг. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов разработали физический метод обнаружения сверхслабых свечений биологических объектов. Успехи в разработке методов регистрации сверхслабых световых потоков с помощью фотоэлектронных умножителей привели в 50-х гг. 20 в. К открытию сверхслабого свечения ряда животных и растительных объектов в видимой области спектра. Была показана связь этого свечения с рекомбинацией свободных радикалов. А. Н. Терениным с сотрудниками были исследованы механизмы элементарных фотофизических процессов с участием пигментов, указана роль состояний молекул, открыт механизм миграции энергии в них при фотохимических реакциях, изучен механизм люминесценции белков (1950—65).

А. А. Красновский открыл и исследовал реакцию обратимого фотохимического восстановления Хлорофилла и его аналогов (1949—60). Эти работы способствовали развитию биологической фотохимии. В одном из важных разделов Б. Рассматривается превращение энергии в живых организмах, начиная с превращения и миграции энергии на молекулярном уровне и кончая энергетическим балансом целого организма (см. Биоэнергетика). Исследование взаимной трансформации химической и механической энергии при сокращении мышечного волокна, молекулярные механизмы движения ресничек и жгутиков у простейших, движения протоплазмы и клеточных органелл стали предметом изучения механохимии, находящейся на стыке биохимии и молекулярной Б. В 1938 в работе советских учёных В.

А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, изучавших механизм мышечного сокращения, было впервые продемонстрировано наличие прямой связи между механическими и химическими процессами. В дальнейшем эти работы были развиты американским учёным А. Сент-Дьёрдьи. Традиционный раздел Б. — изучение физико-химических свойств клетки и проницаемости биологических мембран (См. Проницаемость биологических мембран) для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов (См. Активный транспорт ионов). Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области Б., биохимией и физиологией, является создание искусственной почки (См. Искусственная почка).

Важной проблемой Б. Является изучение биоэлектрических явлений. В этой области Б. Тесно связана с физиологией (см. Биоэлектрические потенциалы). Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 в. Её источник — создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким учёным Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50—60-е гг. Работами английских учёных А. Ходжкина, А. Хаксли и Б. Каца, изучавших изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении (см.

Мембранная теория возбуждения). Значительное место занимают также исследования других физико-химических свойств клеток — вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологических состояниях и тех или иных воздействиях. Биофизические закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики (изучение механизма теплоотдачи (См. Теплоотдача), теплоизоляции, теплопродукции (См. Теплопродукция), скорости охлаждения при различных условиях и т.п.). Б. Процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической (См. Кибернетика биологическая) и биомеханикой (См. Биомеханика). Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования советского учёного Н.

А. Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи (См. Обратная связь) в биологических системах (1934). Изучение биомеханики движений (ходьба, бег, трудовые движения и др.), дыхания и кровообращения имеет исключительную важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полётами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусственного дыхания и кровообращения. Биофизические исследования ведутся в СССР во многих научных учреждениях, в частности в институте биофизики АН СССР, институте цитологии АН СССР, институте молекулярной биологии АН СССР, на кафедрах биофизики в МГУ, ЛГУ и в других учреждениях. Одна из первых в мире кафедр Б. Была основана в МГУ в 1953 Б.Н.

Тарусовым. Исследования по Б. И подготовка кадров ведутся во многих странах мира. Великобритания — Лондонский университет, Институт молекулярной биологии, Кембридж. Венгрия — университет в г. Печ. ГДР — Институт биологии и медицины, Берлин. Израиль — Институт Вейцмана, г. Реховот. Индия — Институт кристаллографии, молекулярной биологии и ядерной физики в Дели и университет в Мадрасе. КНР — Институт биофизики, Пекин. Польша — Варшавский университет и Институт биохимии и биофизики АН ПНР. Румыния — Институт биофизики, Бухарест. США — Йельский университет, Массачусетсский технологический институт, Калифорнийский университет, Гарвардский университет, Рокфеллеровский институт и многое др. Франция — Институт физико-химической биологии в Париже, Институт макромолекулярных исследований в Страсбуре и др.

ФРГ — Институт биофизики общества М. Планка, Франкфурт-на-Майне, Институт биологической и медицинской физики при Гёттингенском университете и др. Чехословакия — Институт биофизики в Брно, Пражский университет. Швеция — Отделение биофизики при Нобелевском институте в Стокгольме. Япония — университет в Осака, Институт белка, там же, Токийский университет. На 1-м Международном биофизическом конгрессе, состоявшемся в Стокгольме в 1961, был создан Международный союз теоретической и прикладной биофизики, в центральный совет которого входят представители СССР. Периодические издания, в которых публикуются работы по Б. «Биофизика» (М., 1956—). «Молекулярная биология» (М., 1967—). «Радиобиология» (М., 1961—). «Advances in Biological and Medical Physics» (N.

Y., 1948—). «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.— Amst., 1947—). «Biophysical Journal» (N. Y., I960—). «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939—). «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962—. В 1955— 1961 наз.—»Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»). «Journal of Molecular Biology» (N. Y.—L., 1959—). «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.—L., 1957—). «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950—). Лит. Бернштейн Н. А., О построении движений, М., 1947. Лазарев П. П., Сочинения, т. 2, М.— Л., 1950. Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, М. —Л., 1966. Молекулярная биология. [Сб. Ст.], пер. С англ., М., 1963. Пасынский А. Г., Биофизическая химия, М., 1963. Аккерман Ю., Биофизика, пер. С англ., М., 1964. Вопросы биофизики.

Материалы I Международного биофизического конгресса. Стокгольм, июль — август 1961, М., 1964. Сетлоу Р., Поллард Э., Молекулярная биофизика, пер. С англ., М., 1964. Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965. Биофизика, М., 1968. Casey Е., Biophysics. Concepts and mechanisms, N. Y.—L., 1962. Physical techniques in biological research, v. 1—5, N. Y., 1955—64. Б. Н. Вепринцев..