Биофизика

БИОФИЗИКА

Авторы: А.Б. Рубин

БИОФИЗИКА (биологическая физика), наука о физич. и физико-химич. механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологич. процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Становление и развитие Б. проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физич. химией и математикой. Согласно классификации, принятой Междунар. союзом чистой и прикладной биофизики (1961) и отражающей осн. объекты и области биофизич. исследований, Б. включает в себя следующие разделы: молекулярную Б., в задачу которой входит исследование физич. и физико- химич. свойств макромолекул и молекулярных комплексов; Б. клетки, изучающую физико-химич. основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механич. и электрич. свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; Б. сложных систем, к которым относят отд. органеллы, целые организмы и популяции; Б. процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологич. системах. В рамках Б. выделяют также биомеханику, биологич. оптику, биомагнетизм, биологич. термодинамику. К Б. относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологич. системы разл. физич. факторов (свет, ионизирующие излучения, электромагнитные поля и др.).

История становления биофизики

Начало изучения физич. свойств биологич. объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 в.), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Р. Декарт, напр., считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганич. происхождения. Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 в. важное значение в познании физико-химич. явлений, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математич. аппарата. Использование физич. подходов дало толчок к введению в биологию эксперим. методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М.В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии неорганич. и органич. тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтой и Л. Гальвани по поводу открытого последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии. В 19 в. развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химич. свойствах биологич. структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитич. теории растворов С. Аррениусом, ионной теории биоэлектрич. явлений В. Нернстом. Были получены осн. представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон и Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотич. и электрич. явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лёба (США), В. Нернста и Р. Герера (Германия). Всё это позволило Э. Дюбуа- Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действием каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям». Значит. вклад в развитие Б. внесли отеч. учёные. И.М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В.Ю. Чаговцом. К.А. Тимирязев определил фотосинтетич. активность отд. участков солнечного спектра, установив количественную закономерность между скоростью процесса фотосинтеза и поглощением хлорофиллом листьев света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физич. химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 Н.К. Кольцов изучал роль физико-химич. факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов и др. катионов) в жизни клетки. П.П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимич. реакций. Он создал первую сов. школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в т. ч. С.И. Вавилов, С.В. Кравков, В.В. Шулейкин, С.В. Дерягин и др.). В 1919 им был создан в Москве Ин-т биологич. физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологич. объектов, а также процессы первичного воздействия на организм разл. факторов внешней среды. Открытие А.Г. Гурвичем (1923) митогенетических лучей, стимулирующих деление клеток, получило развитие в работах Г.М. Франка. Огромное влияние на развитие Б. в СССР оказали книги В.И. Вернадского («Биосфера», 1926), Э.С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д.Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н.К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д.Н. Насонова и В.Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др. Во 2-й пол. 20 в. успехи в Б. непосредственно связаны с развитием и совершенствованием физич. и химич. методов исследований и теоретич. подходов, применением электронно-вычислит. техники. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии.

Современные направления биофизики

В совр. Б. можно выделить 2 осн. направления: теоретич. Б. (решает общие проблемы термодинамики биологич. систем, динамич. организации и регуляции биологич. процессов, изучает физич. природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамич. подвижность макромолекул и их комплексов, трансформацию в них энергии) и Б. конкретных биологич. процессов, анализ которых проводится на основе общетеоретич. представлений. Осн. тенденция связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологич. явлений на разных уровнях организации живого. К достижениям Б., имеющим общебиологич. значение, можно отнести понимание термодинамич. свойств организмов и клеток как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И.Р. Пригожин); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях. Развивающаяся область теоретич. Б. - изучение возникновения и природы биологич. информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологич. системах. Анализ конкретных биологич. процессов в Б. основан на данных исследований физико-химич. свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки внутримолекулярной подвижности и т. д. Большое значение имеет использование совр. эксперим. методов, и прежде всего рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР), спектрофотометрии, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологич. объектов. Так, при рентгеноструктурном анализе белка в 1954 Дж. Кендрю и М. Перуц предложили способ расчёта расположения атомов в молекуле, что позволило им установить пространственную структуру миоглобина и гемоглобина (к нач. 21 в. установлена структура ок. 1000 белков). Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. В области теоретич. молекулярной Б. представления об электронно-конформационных взаимодействиях (Л.А. Блюменфельд, М.В. Волькенштейн), стохастических свойствах белка (О.Б. Птицын) составляют основу понимания принципов функционирования биологич. макромолекул. Традиционно Б. изучает свойства биологич. мембран, их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, устойчивость к действию темп-ры, перекисному окислению липидов, выяснению их проницаемости для неэлектролитов и разл. ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии (см. Биоэнергетика) в структурах, где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации (Н.М. Эмануэль, Б.Н. Тарусов). Один из разделов Б., пограничных с биохимией, - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химич. и механич. энергий, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает квантовая Б., изучающая первичные процессы взаимодействия биологич. структур с квантами света (фотосинтез, зрение, воздействие на кожные покровы и т. д.), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамич. эффекты) на биологич. объекты. Ещё в 1940-х гг. А.Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимич. и ряде фотобиологич. процессов. Позднее А.А. Красновский показал способность возбуждённого светом хлорофилла к окислительно-восстановит. превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза. Совр. методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в частотном диапазоне 10 -15 -10 -6 с -1 и более. Достижения в Б. в большой степени связаны с развитием медицины и экологии. Мед. Б. занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологич. изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, биолюминесценции, электрич. проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (напр., по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологич. Б. анализирует влияние абиотич. факторов (темп-ра, свет, электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на организмы, их жизнеспособность и устойчивость. Важнейшей задачей экологич. Б. является развитие экспресс-методов для оценки состояния экосистем.

Научные учреждения, общества, периодические издания

В России исследования по Б. проводятся в ряде н.-и. институтов и вузов. Одно из ведущих мест принадлежит науч. центру в г. Пущино, где в 1952 был организован Ин-т биологич. физики АН СССР, который позднее разделился на Ин-т биофизики клетки и Ин-т теоретич. и эксперим. биофизики. Б. активно развивается в Ин-те биофизики Мин-ва здравоохранения РФ, Ин-те молекулярной биологии и Ин-те белка РАН, Ин-те биофизики СО РАН, в университетах Москвы, С.-Петербурга и Воронежа, в Моск. физико-технич. и Моск. инженерно-физич. ин-тах и др. Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области Б. Первая в СССР кафедра биофизики была организована в 1953 на биолого-почвенном (Б.Н. Тарусов), в 1959 - на физич. ф-те (Л.А. Блюменфельд) МГУ, а затем в ряде др. вузов страны. Курс Б. читается во всех университетах страны. Биофизич. исследования проводятся в институтах и университетах мн. стран мира. Междунар. конгрессы, организуемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, проводятся регулярно - каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде др. стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует науч. работу, осуществляет междунар. связи. Секция биофизики имеется при Московском об-ве испытателей природы. Среди периодич. изданий, в которых публикуются труды по Б.: «Биофизика» (М., 1956); «Молекулярная биология» (М., 1967); «Радиобиология» (М., 1961); «Биологические мембраны» (М., 1984); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.; Amst., 1947); «Biophysical Journal» (N. Y., 1960); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi., 1939); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.; L., 1959); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.; L., 1957);«Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (N. Y., 1950); «Progress in Biophysics and Molecular Biology» (Oxf., 1963) и др.

Литература Лит.: Байер В. Биофизика. М., 1962; Аккерман Ю. Биофизика. М., 1964; Биофизика. М., 1968; Маркин B. C., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М., 1974; Жаботинский A. M. Концентрационные автоколебания. М., 1974; Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. 2-е изд. М., 1977; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И., Сельков Е.Е. Математическая биофизика клетки. М., 1978; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Хакен Г. Синергетика. М., 1980; Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия. 2-е изд. М., 1984; Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д.С. Математическая биофизика. М., 1984; Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М., 1984; он же. Биофизика. М., 1999-2000. Т. 1-2; Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г.Ю. Кинетика биологических процессов. 2-е изд. М., 1987; Волькенштейн М.В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988; Финкельштейн А. В., Птицын О.Б. Физика белка. М., 2002; Аксенов С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004.

Источники: [ БРЭ ] [ P ] [ B ] и дополнительная информация: [ W ] [ G ] [ Y ]

Автор: Рубин А.Б.

Биофизика

БИОФИЗИКА

История становления биофизики

Современные направления биофизики

Научные учреждения, общества, периодические издания

Международный союз теоретической и прикладной биофизики

МЕЖДУНАРОДНЫЙ СОЮЗ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ БИОФИЗИКИ