БИОФИЗИКА

БИОФИЗИКА, биологическая физика, наука, изучающая физич. и физико-химич. процессы, протекающие в живых организмах, а также ультраструктуру биологич. систем на всех уровнях организации живой материи - от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма. Развитие Б. тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретич. подходов и методов современной биологии, физики, химии и математики. Развитие биологии показало, что для понимания и изучения элементарных биологич. явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. Такой подход оправдан тем, что все биологич. объекты представляют в конечном итоге совокупность атомов и молекул и подчиняются физич. и химич. закономерностям. Но так как биологич. системы - это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологич. систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Б. в основном рассматривает целостные системы, не разлагая их, по возможности, на химич. компоненты. В связи с этим возникает необходимость перерабатывать известные физико-химич. методы, создавая высокоспециализированные биофизич. методы и приёмы.

Совр. Б., согласно классификации, принятой Международным союзом теоретич. и прикладной биофизики (1961), включает следующие осн. разделы: молекулярная Б., в задачу к-рой входит исследование физич. и физико-химич. свойств макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы, а также характера взаимодействия и энергетики протекающих в них процессов; Б. клетки, изучающая физико-химич. основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функцией, механич. и электрич. свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; Б. процессов управления и регуляции, к-рая занимается исследованием и моделированием внутр. связей системы управления в организмах, их физич. природой, исследованием физич. закономерностей живого на уровне целого организма.

Однако исторически сложившийся круг проблем, к-рыми занимается Б., шире. К Б. относится: изучение влияния физич. факторов на организм (см. Вибрация, Ускорение, Невесомость); исследование биологического действия ионизирующих излучений, к-рое в связи с важностью и актуальностью этого вопроса стало предметом радиобиологии, специальной науки, выделившейся из Б. Физич. анализ деятельности органов чувств, в первую очередь оптики глаза, анализ работы органов движения, дыхания, кровообращения как физич. систем, вопросы прочности и эластичности тканей (см. Биомеханика) - существенные, исторически сложившиеся разделы Б. Важное значение имеет и разработка физич. методов исследования биологич. систем - от макромолекул до целого организма, без к-рых невозможно совр. биологич. исследование.

Отдельные исследования биофизич. характера можно проследить с 17 в. В этот период были сделаны попытки применить понятия, созданные в физике и химии, для анализа биологич. явлений.

Франц. учёный Р. Декарт рассматривал человеческое тело как сложную машину. Он опубликовал ряд работ по исследованию органов чувств - биоакустике и оптике. Последователь Декарта - итал. учёный Дж. А. Борелли пытался объяснять движение живых существ чисто физич. закономерностями. Л. Эйлер, проф. Петербургского ун-та, впервые математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов выдвинул в 1756 одну из первых гипотез цветного зрения. Могучим толчком к физико-химич. исследованиям явлений жизни послужили опыты итал. учёного Л. Гальвани, к-рый доказал наличие "животного электричества". Во 2-й пол. 19 в. нем. учёные Г. Гельмгольц и В. Вундт сформулировали осн. закономерности физиологической акустики и физиологической оптики. Нем. врач Ю. Р. Майер, наблюдая насыщение кислородом гемоглобина в крови человека в тропич. и умеренном климате, сформулировал закон сохранения энергии. Г. Гельмгольц и М.Рубнер продолжили исследования этого закона на живых организмах. Работами нем. учёных Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона, Д. Бернштейна и ряда др. были заложены основы представлений о механизме возникновения электрич. потенциалов в тканях и распространения возбуждения по нерву. Значение ионного состава и реакции среды в жизни клеток и тканей было выяснено в работах амер. исследователя Ж. Лёба, нем. учёных В. Нернста и Р. Гебера.

В России И. М. Сеченов в конце 19 в. исследовал физич. закономерности растворения газов в крови и биомеханику движений. К. А. Тимирязев изучал фотосинтетич. активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нём и особенностями спектра поглощения хлорофилла (1903). А. Ф. Самойлов описал акустич. свойства среднего уха. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916). М. Н. Шатер-ников использовал термодинамические представления в исследованиях энерге-тич. баланса организмов (1910-20). В 1905-15 были выполнены классич. исследования Н. К. Кольцова о роли физико-химич. факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов, катионов) в жизни клетки. Этот этап предыстории Б., охватывающий период до 20гг. 20 в., характерен появлением отдельных работ с использованием идей и методов физики и физич. химии при исследовании движения, слухового и зрит, 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 Ин-т биологич. физики, где вели работы по ионной теории возбуждения, кинетике реакций, идущих под действием света, исследовали спектры поглощения и флуоресценции биологич. объектов, а также процессы первичного действия на организм различных факторов внеш. среды. Позже такие ин-ты были созданы и в др. странах. В 20-е гг. Кольцов сформулировал концепцию о молекулярной структуре гена и матричном механизме передачи наследств, 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 биофизич. исследований, разрабатывались новые методы, росло технич. оснащение лабораторий. После 2-й мировой войны в СССР и ведущих капиталистич. странах в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной пром-сти и резкого увеличения финансирования биологич. исследований начинается бурное развитие Б.

Формирование отдельных областей Б. Молекулярная Б. исследует механизм биол. явлений с точки зрения взаимодействия атомов и молекул, ионов и радикалов. В задачу этого раздела входит изучение пространств, строения, физико-химич. свойств биологич. систем на молекулярном уровне. Эта проблематика тесно связана с биохимией, что особенно ярко видно на примере изучения строения биологически важных макромолекул, выяснение пространственной структуры к-рых требует биофизич. подхода и решается методом рентгеноструктурного анализа. Последний был успешно использован для расшифровки относительно простых биологич. молекул (в 20-х гг. в Англии В. Астбери удалось частично расшифровать структуру молекулы целлюлозы). Работы по структуре белка были начаты в 30-х гг. англ, учёным Дж. Берналом. К 1954 англ, исследователи Дж. Кендрю и М. Перу ц нашли метод расчёта пространственного расположения атомов в молекуле белка. Это позволило рассчитать структуру миоглобина и гемоглобина, что позволило вскрыть механизм возникновения серповиднокле-точной анемии и глубже понять природу активного центра белковой молекулы. Работы по изучению пространственной структуры белков ведутся в СССР на физич. ф-те МГУ, в Ин-те биофизики АН СССР и др. учреждениях. Исследования структуры фибриллярных белков (коллагена, фиброина шёлка) показали наличие регулярной структуры с периодически чередующимися группами аминокислот. Построена статистич. теория редупликации (удвоения) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). К 1968 определена структура ок. 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.

Значит, место в молекулярной Б. занимает проблема возбуждённых состояний молекул в биологич. системах; такие молекулы приобретают высокую химич. активность. Наиболее изучены возбуждённые состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологич. процессов - фотосинтеза, зрения и биолюминесценции.

Оригинальным направлением в отечеств. Б. можно считать изучение сверхслабого ультрафиолетового свечения биологич. систем (митогенетического излучения, А. Г. Гурвич, 1923-48). В 30-е гг. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов разработали физич. метод обнаружения сверхслабых свечений биологич. 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 растит, объектов в видимой области спектра. Была показана связь этого свечения с рекомбинацией свободных радикалов. А. Н. Терениным с сотрудниками были исследованы механизмы элементарных фотофизич. процессов с участием пигментов, указана роль состояний молекул, открыт механизм миграции энергии в них при фотохимич. реакциях, изучен механизм люминесценции белков (1950-65). А. А. Красновский открыл и исследовал реакцию обратимого фотохимич. восстановления хлорофилла и его аналогов (1949-60). Эти работы способствовали развитию биологич. фотохимии.

В одном из важных разделов Б. рассматривается превращение энергии в живых организмах, начиная с превращения и миграции энергии на молекулярном уровне и кончая энергетич. балансом целого организма (см. Биоэнергетика). Исследование взаимной трансформации химич. и механич. 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 сов. учёных В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, изучавших механизм мышечного сокращения, было впервые продемонстрировано наличие прямой связи между механич. и химич. процессами. В дальнейшем эти работы были развиты амер. учёным А. Сент-Дьёрдьи.

Традиционный раздел Б.- изучение физик о-х и ми ч. свойств клетки и проницаемости биологических мембран для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусств, мембран и активного транспорта ионов. Одним из примеров практич. применения знаний, полученных в этой области ,Б., биохимией и физиологией, является создание искусственной почки.

Важной проблемой Б. является изучение биоэлектрич. явлений. В этой области Б. тесно связана с физиологией (см. Биоэлектрические потенциалы). Исследования показали, что между наружной и внутр. средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов ок. 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 нем. учёным Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50-60-е гг. работами англ, 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). Значит, место занимают также исследования др. физико-химич. свойств клеток - вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологич. состояниях и тех или иных воздействиях.

Биофизич. закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики (изучение механизма теплоотдачи, теплоизоляции, теплопродукции, скорости охлаждения при различных условиях и т. п.).

Б. процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической и биомеханикой. Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования сов. учёного Н. А. Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи в биологич. системах (1934). Изучение биомеханики движений (ходьба, бег, трудовые движения и др.), дыхания и кровообращения имеет исключит, важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полётами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусств, дыхания и кровообращения.

Биофизич. исследования ведутся в СССР во мн. науч. учреждениях, в частности в Ин-те биофизики АН СССР, Ин-те цитологии АН СССР, Ин-те молекулярной биологии АН СССР, на кафедрах биофизики в МГУ, ЛГУ и в др. учреждениях. Одна из первых в мире кафедр Б. была осн. в МГУ в 1953 Б.Н.Тарусовым. Исследования по Б. и подготовка кадров ведутся во мн. странах мира. Великобритания - Лондонский ун-т, Ин-т молекулярной биологии, Кембридж; Венгрия - ун-т в г. Печ; Г Д Р-Ин-т биологии и медицины, Берлин; И з-р а и л ь - Ин-т Вейцмана, г. Реховот; Индия - Ин-т кристаллографии, молекулярной биологии и ядерной физики в Дели и ун-т в Мадрасе; К Н Р-Ин-т биофизики, Пекин; Польша - Варшавский ун-т и Ин-т биохимии и биофизики АН ПНР; Румыния - Ин-т биофизики, Бухарест; США - Йельский ун-т, Массачусетсский технологич. ин-т, Калифорнийский ун-т, Гарвардский ун-т, Рокфеллеровский ин-т и мн. др.; Франция - Ин-т физико-химич. биологии в Париже, Ин-т макромолекулярных исследований в Страсбуре и др.; Ф Р Г-Ин-т биофизики об-ва М. Планка, Франкфурт-на-Майне, Ин-т биологич. и мед. физики при Гёттингенском ун-те и др.; Чехословакия - Ин-т биофизики в Брно, Пражский ун-т; Швеция - Отделение биофизики при Нобелевском ин-те в Стокгольме; Япония - Ун-т в Осака, Ин-т белка, там же, Токийский ун-т.

На 1-м Международном биофизич. конгрессе, состоявшемся в Стокгольме в 1961, был создан Международный союз теоретич. и прикладной биофизики, в центральный совет к-рого входят представители СССР.

Периодические издания, в к-рых публикуются работы по Б.: "Биофизика" (М., 1956-); "Молекулярная биология" (М., 1967-); "Радиобиология" (М., 1961 -); "Advances in Biological and Medical Physics" (N. Y., 1948-); "Bio-chimica 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; Б р е с л е р С. Е., Введение в молекулярную биологию, М. -Л., 19б"6; Молекулярная биология. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1963; П а с ы н с к и й 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; Саsеу Е., Biophysics. Concepts and mechanisms, N. Y. -L., 1962; Physical techniques in biological research, v. i -5, N. Y., 1955-64. Б. Н. Вепринцев.

Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

БИОФИЗИКА

Синонимы слова "БИОФИЗИКА":

Смотреть что такое БИОФИЗИКА в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: