Введение.

Предмет биофизики.

Как самостоятельная наука биофизика возникла в 1966 г., когда был организован Международный научный союз биофизиков. Она возникла на стыке двух наук: биологии и физики. В силу этого состав биофизиков всегда был неоднороден. До сих пор существует два направления в развитии биофизики, и их ассимиляция происходит не всегда гладко.

С одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения. При этом нередко все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, предполагается, что наряду с физическими закономерностями живым системам присущи особые свойства, в принципе не объяснимые с точки зрения физики. По этим причинам определения биофизики несут нередко диаметрально противоположный характер. Например:

«Биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических процессов» (Макаров П.О., 1968).

«Биофизика – это физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях» (Волькенштейн М.В., 1981).

И в то же время есть такое определение:

«Биофизика - часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем» (Блюменфельд Л.А., 1977).

Приведенные формулировки определяют, два подхода к биофизике, основанных на противоположных методологиях.

Аргументы «физиков» чаще всего сводятся к тому, что многие сложные биологические процессы укладываются в рамки сравнительно простых математических моделей (например, ферментативный катализ).

Сторонники «биологического» подхода утверждают, что в живых системах можно найти множество явлений, не присущих неживой природе. Основным предметом этой дискуссии является вопрос: «Сводятся ли все проявления жизни к физико–химическим закономерностям?»

Методологической основой решения данного вопроса стал принцип качественной несводимости. Он предполагает, что по мере накопления научных знаний будут предлагаться физико–химические объяснения биологических проблем. В то же время будут обнаруживаться новые знания о живой природе, необъяснимые на данном этапе с точки зрения физики. Главное практическое следствие из принципа качественной несводимости состоит в следующем: только «качественный сплав» методов физики и биологии может обеспечить биофизике продвижение вперед. Отсюда наиболее рациональным является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):

«Биофизика – это естественно–научное направление, целью которого является рациональное объяснение связи физических и биологических аспектов живой материи».

Разделы биофизики. Объекты исследования.

Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, квантовую биофизику (фотобиологию) и молекулярную биофизику.

Биологическая термодинамика (термодинамика биологических систем) изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Основу этому разделу положили работы А. Лавуазье и П. Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Л.Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И. Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.

Кинетика биологических процессов – наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Важной частью данного раздела является кинетика ферментативных реакций, описанная немецкими учёными Л. Михаэлисом и М. Ментеном в 1913 г.

Фотобиология (квантовая биофизика) изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение).

Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биологических макромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требовал сложного оборудования для проведения исследований. Здесь нужно отметить работы Л. Поллинга и Р. Кори по изучению структуры молекул белка, Дж. Уотсона и Ф. Крика – по изучению молекулы ДНК.

Раздел 2. Биофизика клетки. Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки, ее фрагментов и биологических мембран.

Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция плазматической мембраны (Дж. Робертсон, С. Синджер и Дж. Николсон); сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В. Пфеффер и Х. де Фриз, Э. Овертон); учение об ионных каналах (Г.Эйзенман, К.Муллинз, Б.Хилле).

Эксперименты Э. Дюбуа–Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.

Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики.

Раздел 3. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, а также в популяциях и экологических сообществах, в биосфере в целом.

Биофизика все глубже внедряется в медицину. Новые биофизические подходы находят применение в диагностике и лечении различных заболеваний. В качестве примеров можно назвать магнитно–резонансную томографию (МРТ), воздействие электромагнитными волнами высокочастотного диапазона, методы клеточной терапии.

Основные современные разделы теоретической биофизики сложных систем.

1.Общая теория диссипативных нелинейных динамических систем – термодинамика необратимых процессов и кинетическое моделирование.

2.Теория возбудимых сред, частью которой является теория биологических колебательных процессов.

3.Общетеоретическая трактовка биоэнергетических явлений.

4.Общая теория и моделирование процессов биологического развития – эволюции, онтогенеза, канцерогенеза, иммунитета.

Особенности биофизических методов.

Биофизические методы исследования характеризуются рядом общих свойств.

Во-первых, биофизика оперирует количественными методами, позволяющими измерить и объективно оценить исследуемое явление. Этот методологический принцип привнесен из физики.

Во-вторых, биофизика рассматривает изучаемый объект в целом, не расчленяя его. Естественно, что любое измерение неизбежно вносит в изучаемую систему некоторые возмущения, но биофизические методы стремятся свести это возмущение к минимуму. По этой причине в настоящее время широкое распространение в биофизике получают такие методы, как спектроскопия, исследование взаимодействия света с веществом, флуоресцентные методы исследования.

В-третьих, важным методологическим принципом биофизики является «стратегия системного подхода». Биофизические методы основываются на структурно–функциональных взаимосвязях в живых системах, как основном принципе их организации.