Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований

Биофизика (БФ), как самостоятельная научная дисциплина. Предмет и задачи.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов. Возникновение БФ -это прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. БФ – с лекции – это физическая химия; это химическая физика биолог. систем. Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте.

Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.

Точки зрения: 1) эволюционисты (редукционисты): все био проц. можно свести к законам физики и химии; 2) антиэволюц. (антиредукционт.): нельзя свести.

Физ. методы достаточно грубые и ведут к разрушению биосист. (напр: воздействие током) => необходимо проникновение ч/з химию.

Методы: 1) Микроэлектронный. Для изуч. биоэлектр-ого потенциала. Принцип: отбир. объект (аксон кальмара). 2) Метод моделирования био мембран. Исп. искусственные мембраны: а) липосомы, б) бислойные био мембраны, в) протеолипосома. Изуч. процесс транспорта и св-ва биомембран. 3) 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 исп. для медицинской диагностики и терапии.

Задачи БФ (проблемы):

1. изучение вопросов связанных с возникнов., обменом, передачей Е в живых сист.

2. исслед. роли микроскопич. единиц, физ.-хим. структур в функционировании биосистем.

3. возн. и проведение нервн. импульсов.

4. проблема авторегуляции (как происх организация живых сист.)

5. действие ионизирующего излучения (на м-лы, органы, организмы).

6. фотохимии. процессы. 2 направления: фотосинтез (передача Е), световосприятие.

7. проблема проницаемости кл. и тканей.

8. изуч. биолог. мембран: характер молек. мембран; возникнов. потенциала.

9. изуч. высокомол-ных соединений с т.зр. физики.

10. изуч. м-мов хранения и передачи насл. инфо.

11. автономность.

Разделы биофизики:

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем.

История: 1892- начали смотреть на био. с т.зр физики. Прорыв в конце 30х гг – первый институт БФ в СССР (лучистая Е и биосист., возникн. и провед. импульсов, биоэлектричество). 1953 – кафедра БФ в МГУ. 1974 – кафедра БФ в БГУ.

Биологические и физические процессы и закономерности в живых системах. Редукционизм и антиредукцианизм. Принцип качественной несводимости.

Живые огранизмы – открытая, саморег-ся, самовоспр-ся и разв-ся гетерогенная система, важнейшими функциональными в-вами в которой явл-ся биополимеры: белки и нукл. к-ты сложного атомно-мол-ного строения.

Первые попытки объяснения биолог. пр-сов связаны с методами сравнения с физич. пр-ми. Напр: м-м нервного проведения – как распростр. волны окисления в медной проволоки в кислоте; мышечное сокращение объяснялось работой пьезо элементов; рост клетки. Первоначально физика проникла в химию - необходимость объяснить как разл. соединения взаимод-ют в организме - физическая химия и химическая физика.

Сущ 2 лагеря современ. физики:

1) Редукционисты: Любой био процесс происх. в жив организме можно свести к суме хим., физ. и механич. процессов. Объяснение сложного ч/з более простое, непонятное ч/з известное. Зная св-ва отдельных элементов, сост. систему и особенности их взаимод-вия, можно вывести все свойства этой системы. Обр. более сложного уровня - это результат усложнения более простых. Иногда: попытки заменить исследова­ние реального объекта его упрощенной моделью. Достижение: предсказание существования планеты Нептун. Но как метод мышления не является универсальным. Неудача в биологии: не могут объяснить с этой т.зр. феномен жизни.

2) Антиредукционисты: Принцип качественной несводимости или био антиред., т.е. невозможность свести законы и принципы, управляющие живой материей к элементарной сумме физико-хим и мех. процессов процесс жизнедеятельности. Т.е. физико-матем. модели не м.б. адекватными, если в них не сод-ся элементы функциональной организации живых систем. Т.е. существует предел, после которого физические представления перестают быть самодостаточ­ным средством познания, а дальше определяющим фактором становятся некоторые био истины, без кото­рых уже не обойтись.

Основные направления развития современной биофизики. Уровни биофизических исследований.

Биофизика – это н., изуч физ и физико-хим. пр-сы, протекающие в биосис. на разных уровнях орг-ции и явл-ся основой физиолог-их актов.

Разделы биофизики: (и уровни такие же… наверно))))

1. Молекулярная – изуч. строение и физ-хим св-ва, биофизику молекул, биополимеров и надмол-ных систем.

2. БФ клетки – изуч. особенности строения и функц-ния кл-ных и тканевых систем. БФ мембранных процессов – св-ва био мембран и их частей; БФ фотобиол. процессов - воздействия внешних источников света на живые системы; радиационная БФ: влияния ионизирующего излучения на организм.

3. БФ сложных систем – изуч. кинетику биопроц., поведение во времени разнообразных проц-ов присущих живой материи и ТД биосистем - преобразования Е в живых структурах.

Современная БФ стремительно развивается, ее достижения способствуют переходу биологии на качественно более высокий молекулярный уровень исследования.

Не знаю, что сюда ещё, из Википедии, можно как направления: математическая БФ. Прикладная БФ: биоинформатика (хотя не является собственным разделом БФ, но очень тесно связана с ней); биометрия; биомеханика (функции и структура опорно-двигального аппарата и физ. движения биосистем); БФ эволюционных процессов; медицинская БФ; экологическая БФ.

Био объекты очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, кот. зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, кот. описываются законами ТД, электродинамики, квантовой и классической механики. С пом. корреляции физ. данных с биол-ми можно получить более глубокое понимание процессов в био объекте. Для получения инфо в био 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 исп. для медицинской диагностики и терапии.

4. Термодинамика, как ядро современной биофизики. Предмет и задачи. Практическое значение ТД в БФ исследованиях.

ТД – это н. о превращения Е. ТД - это н., изуч. наиболее общие закономерности превращения различных видов Е в системе.

Предмет ТД: Е; возникновение Е в живых сист.; взаимодейств. жив. сист. с окруж. средой. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют ТД параметры только в исходном и конечном состоянии.

Методы: статистический (но не даёт представление о процессе).

Направления: 1) изуч. и расчёт Е в состоянии покоя и при совершении работы. Изуч-ся и опр-ся КПД разл биол процессов. 2) изуч. динамических процессов в живых сист. (транспорт в-ва).

Значение: Позволяет оценить энергетические изменения, происх. в результате биохим. р-ций; рассчитать Е разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмот. давление по обе стороны полупрониц. мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в р-ре на растворимость макром-л. Применяется для описания процессов, происх. в электрохим. ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле.

Предмет: изучение изменения баланса в системе живой организм - окружающая среда.

Выделяют 2 осн. направления использования термодинамики:

а) расчёт Е превращения в живом орг-ме и в отд системах орг и в состоянии покоя и при совершении работы. Определение КПД разл биол процессов.

б) Исследование живых организмов как отрытых т\д систем.

Термодинамика биологических процессов

1. Подходы: феноменологический и детальный. Значение имеют т/д параметры только в исходном и конечном состоянии. Термодинамика – это наука, изущающая наиболее общие закономерности превращения различных видов энергии в системе.

2. Практическая значимость т/д в биологии. Позволяет оценить энергетические изменения, происходящие в результате биохимических реакций; рассчитать энергию разрыва конкретных хим связей; рассчитать осмотическое давление по обе стороны полупроницаемой мембраны; рассчитать влияние концентрации соли в растворе на растворимость макромолекул. Применяется для описания процессов, протекающих в электрохимических ячейках. Привлекается для обоснования теории возникновения и эволюции жизни на Земле