ВВЕДЕНИЕ

Физика получила свое наименование от греческого слова физис – природа. Физические явления происходят в космосе и микромире, в неорганических и органических веществах, в неживой и живой природе. В настоящее время физику можно определить как науку о свойствах и строении материи, о простейших и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и об их взаимных превращениях. Поэтому понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания.

Многообразные формы движения материи, будучи качественно различными, изучаются разными науками: физикой, химией, биологией и др. Материалистическая философия утверждает, что высшую форму движения материи (например, биологическую) нельзя свести к низшей, физической, форме движения, однако, не принимая во внимание физических явлений, невозможно понять механизм явлений более высокого порядка. Животные и растения представляют собой системы, в которых протекают физические и химические процессы, но жизнь как высшую, биологическую, форму движения материи можно понять только на основе комплексного к ней подхода. Развитие биологии показало, что для познания элементарных биологических явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. И поэтому на стыке биологии, физики и химии возникла новая наука – биофизика, изучающая физические и физико-химические процессы в биологических системах на всех уровнях их организации и влияние различных физических факторов на живые организмы.

Нелегко было дать определение этой новой науки, что видно из высказываний ведущих советских биофизиков 60–70-х годов. Так, Л. А. Блюменфельд считал биофизику разделом биологии, использующим для объяснения биологических процессов физические, химические и математические методы, и это было оправдано, поскольку предметом исследования биофизики являются биологические объекты. Б. Н. Тарусов, учитывая огромное значение для этой науки физической химии, определял биофизику как «физическую химию и химическую физику биологических систем», а М. В. Волькенштейн считает, что, поскольку биофизическое исследование начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе, то биофизика есть «физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и кончая биосферой в целом». Такое различие в определениях не случайно и каждое из них по-своему верно. В самом деле, по изучаемым объектам биофизика близка к биологии, а по области исследуемых явлений и по применяемым методам – к физике. В настоящее время биофизика – наука вполне сформировавшаяся и самостоятельная.

Как самостоятельная отрасль науки биофизика оформилась в 1961 г. в соответствии с решением I Международного биофизического конгресса. Согласно классификации, принятой этим конгрессом, биофизика включает четыре раздела. Молекулярная биофизика, которая рассматривает строение и физические свойства биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и др.) и молекулярных комплексов, составляющих основу живых организмов, а также происходящие в этих системах превращения и миграцию энергии. Биофизика клетки исследует структуру клетки и ее органелл, происходящие в них физико-химические процессы, проявления физико-химической активности клетки, ее электрические свойства, клеточную энергетику и термодинамику. Биофизика органов чувств изучает механизмы перехода энергии внешних раздражителей в электрические импульсы в рецепторах и кодирование этих импульсов с целью передачи информации.. Биофизика сложных систем занимается изучением и моделированием внутренних связей в биологических ^объектах на всех уровнях, от молекулярного до экологического, а также проблемами регулирования и саморегулирования этих объектов. Сюда же иногда относят биомеханику, исследующую механизмы работы органов кровообращения, дыхания и движения. Помимо этого, к биофизике традиционно относят и такие проблемы, как влияние физических факторов на живой организм (шума, электромагнитных полей, ионизирующих излучений и пр.). Некоторые проблемы послужили основой для создания новых разделов науки. Так, биологическое действие ионизирующих излучений стало предметом исследования радиобиологии.

В настоящее время в функционируют Институт биофизики РАН, Научный центр биологических исследований в г. Пущино, Институт биофизики АМН и др. В 1953 г. Б. Н. Тарусовым была организована при биолого-почвенном факультете МГУ одна из первых в мире кафедр биофизики, а в 1959 г. появилась кафедра биофизики при физическом факультете МГУ. Всего в нашей стране готовят специалистов в области биофизики более 25 кафедр. Из ведущих советских биофизиков, способствовавших становлению этой науки, следует особо отметить Л. А. Блюменфельда, Ю. А. Владимирова, М. В. Волькенштейна, Г. Р. Иваницкого, П. П. Лазарева, Б. Н. Тарусова, Г. М. Франка.

Биофизика тесно связана с электрофизиологией, неврологией, офтальмологией, фармакологией и т. п. Комплексные исследования физиков, биофизиков, биохимиков и физиологов позволили получить представление о строении и свойствах биологических молекул, механизмах действия клеточных мембран и клеточных структур. Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов. Значительное влияние на биофизику оказало развитие кибернетики и теории информации, так как с помощью математического аппарата этих дисциплин стал возможен анализ явлений, происходящих в нервной системе, а также молекулярных механизмов закрепления наследственных качеств. Исключительно большой вклад внесла биофизика в медицину. Тем не менее многое в биологических процессах остается еще не ясным и подлежит дальнейшим исследованиям.

Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнитные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В связи с этим целесообразно представить всевозможные электромагнитные волны в виде единой шкалы (рис.). Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиоволны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-излучение. Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, либо возможностью зрительного восприятия их человеком.

Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходит из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, -излучение имеет ядерное происхождение.

В физике принята следующая классификация электромагнитных волн. Вся шкала разделена на несколько диапазонов длин волн (см. табл). Электромагнитные волны различных диапазонов по-разному взаимодействуют с веществом.

Таблица Интервалы электромагнитных волн

Длина волны, м	Название диапазона	Источники
> 10–4	Радиоволны (длинные, средние, короткие)	Переменные токи в проводниках
10–4 –10–6	Инфракрасное излучение	Излучение атомов и молекул
8·10–7 – 4·10–7	Видимый свет ( = 400-760 нм)
4·10–7 – 5·10–9	Ультрафиолетовое излучение
5·10–9 – 4·10–12	Рентгеновское излучение	Внутриатомные процессы
< 4·10–12	7-излучение	Ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы

Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Так, наиболее коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским.

В этом отношении очень характерна пограничная область инфракрасных волн и радиоволн. До 1922 г. между этими диапазонами был пробел. Наиболее коротковолновое излучение этого незаполненного промежутка имело молекулярное атомное происхождение (излучение нагретого тела), а наиболее длинноволновое излучалось макроскопическими вибраторами Герца. Советским физиком А., А. -Глаголевой-Аркадьевой было предложено пропускать искру через смесь большого числа мелких металлических опилок в масле. При этом можно было получить различные электромагнитные волны с длиной волны 82 мкм и более. Диапазоны инфракрасных и радиоволн были сомкнуты.

Для своего времени работа А. А. Глаголевой-Аркадьевой была большим достижением. Однако сейчас никого не удивляет, что даже миллиметровые волны могут генерироваться не только радиотехническими средствами, но и молекулярными переходами. Появился раздел – радиоспектроскопия, который изучает поглощение и излучение радиоволн различными веществами.

В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны (табл.).

Таблица

Название интервала Частота Длина волны , м

Низкие (НЧ) до 20 Гц

Звуковые (3Ч) 20 Гц– 30 кГц

Ультразвуковые или

надтональные (УЗЧ) 20 кГц –200 кГц

Высокие (ВЧ) 200 кГц –30 МГц

Ультравысокие (УВЧ) 30–300 МГц

Сверхвысокие (СВЧ) 300 МГц – 300 ГГц

Крайне высокие (КВЧ) свыше 300 ГГц

Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частоты называют низкочастотной. Электронную аппаратуру всех других частот называют обобщающим понятием высокочастотная.