Біофізика - це ... Біологічні науки. Молекулярна біофізика

Однією з найдавніших наук є, безумовно, біологія. Інтерес людей до процесів, що відбуваються всередині них самих та оточуючих істот, виник за кілька тисяч років до нашої ери.

Спостереження за тваринами, рослинами, природними процесами становило важливу частину життя людей. З плином часу знань накопичилося дуже багато, удосконалилися і розвинулися методи вивчення живої природи і механізмів, у ній відбуваються. Це призвело до виникнення безлічі розділів, що становлять у цілому комплексну науку.

Біологічні дослідження в різних областях життя дозволяють отримувати нові цінні дані, важливі для розуміння пристрою біомаси планети. Використовувати ці знання для практичних цілей людини (освоєння космосу, медицина, сільське господарство, хімічна промисловість і так далі).

Сучасна біологія

Сьогодні досягнення цієї багатогранної науки дозволяють домогтися безлічі позитивних результатів. Так, сучасна наука пропонує ряд рішень проблем захворювань людини від дії вірусів і бактерій. Стало можливим перебувати в космічному просторі без шкоди здоров`ю близько 3 місяців, при цьому використовувати як джерело кисню мікроорганізми або одноклітинні рослини.

Багато відкриття дозволили зробити біологічні дослідження у сфері внутрішньої будови і функціонування всіх живих систем. Вивчений молекулярний склад організмів, їх мікростроенія, виділені і вивчені багато гени з генома людини і тварин, рослин. Заслуги біотехнології, клітинної та генної інженерії дозволяють отримувати кілька врожаїв рослин за сезон, а також виводити породи тварин, що дають більше м`яса, молока і яєць.

Вивчення мікроорганізмів дозволило отримати антибіотики і створити десятки і сотні вакцин, що дозволяють перемагати безліч хвороб, навіть ті, що раніше цілими епідеміями забирали тисячі життів людей і тварин.

Тому сучасна наука біологія - це безмежні можливості людства в багатьох галузях науки, промисловості і збереженні здоров`я.

Класифікація біологічних наук

Одними з найперших з`явилися приватні розділи науки біології. Такі, як ботаніка, зоологія, анатомія і систематика. Пізніше стали формуватися більш залежні від технічного оснащення дисципліни - мікробіологія, вірусологія, фізіологія і так далі.

Існує ряд молодих і прогресивних наук, сформувалися тільки в XX-XXI столітті і грають велику роль в сучасному розвитку біології.

Існує не одна, а кілька класифікацій, за якими можна ранжувати біологічні науки. Список їх досить значний у всіх випадках, розглянемо одну з них.

Таким чином, ми постаралися охопити основне розмаїття, яке являють собою біологічні науки. Список цей з розвитком техніки і методів вивчення розширюється, поповнюється. Тому єдиної класифікації біології не існує на сьогоднішній день.

Прогресивні біонауки та їх значення

До наймолодшим, сучасним і прогресивним наукам біології відносяться такі, як:

• біотехнологія;
• молекулярна біологія;
• космічна біологія;
• біофізіка;
• біохімія.

Кожна з цих наук сформувалася не раніше XX століття, а тому по праву вважається молодою, інтенсивно розвивається і найбільш значущою для практичної діяльності людини.

Зупинимося на такий з них, як біофізика. Це наука, що з`явилася приблизно в 1945 році і стала важливою частиною всієї біологічної системи.

Що таке біофізика?

Щоб відповісти на це питання, в першу чергу слід вказати на її тісний контакт з хімією і біологією. У деяких питаннях кордону між цими науками настільки тісні, що складно розібрати, яка з них конкретно задіяна і в пріоритеті. Тому розглядати біофізику коштує як комплексну науку, що вивчає глибокі фізичні і хімічні процеси, що відбуваються в живих системах на рівні як молекул, клітин, органів, так і на рівні Біосфери в цілому.

Як і будь-яка інша, біофізика - наука, яка має свій об`єкт вивчення, цілі і завдання, а також гідні і значущі результати. Крім того, ця дисципліна щільно корелює з декількома новими напрямками.

Об`єкти дослідження

Ними для біофізики є біосистеми на різних організаційних рівнях.

1. Мікроорганізми (бактерії, віруси, одноклітинні гриби і водорості).
2. Найпростіші тварини.
3. Окремі клітини та їх структурні частини (органели).
4. Рослини.
5. Тварини (у тому числі осіб).
6. Екологічні спільноти.

Тобто біофізика - це дослідження живого з точки зору фізичних процесів, у ньому відбуваються.

Завдання науки

Спочатку завдання біофізиків були в тому, щоб довести наявність фізичних процесів і явищ в життєдіяльності живих істот і вивчити їх, з`ясувавши природу і значення.

Сучасні завдання даної науки можна сформулювати так:

1. Вивчити структуру генів і механізми, які їх супроводжують передачу та зберігання, видозміни (мутації).
2. Розглянути багато аспектів клітинної біології (взаємодія клітин один з одним, хромосомні і генетичні взаємодії та інші процеси).
3. Вивчити в комплексі з молекулярною біологією молекули полімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів).
4. Виявити вплив космогеофізіческіх факторів на перебіг всіх фізичних і хімічних процесів у живих організмах.
5. Більш глибоко розкрити механізми фотобіології (фотосинтез, фотопериодизм і так далі).
6. Впровадити і розробити методи математичного моделювання.
7. Застосувати результати нанотехнології для вивчення живих систем.

З цього списку очевидно, що біофізика вивчає дуже багато значущих і серйозних проблем сучасного суспільства, і результати діяльності цієї науки мають важливе значення для людини та її життя.

Історія формування

Як наука біофізика зародилася порівняно недавно - в 1945 році, коли Ервін Шредінгер видав свою працю "Що таке життя з точки зору фізики". Саме він першим помітив і позначив, що багато законів фізики (термодинамічні, закони квантової механіки) мають місце бути саме в життєдіяльності та роботі організмів живих істот.

Завдяки працям цієї людини наука біофізика почала своє інтенсивний розвиток. Проте ще раніше, в 1922 році, в Росії створюється інститут біофізики, яким керує П. П. Лазарєв. Там основну роль відводять вивченню природи збудження в тканинах і органах. Результатом стало виявлення значення іонів в цьому процесі.

Далі ряд відкриттів різних вчених дозволяє зрозуміти, що біофізика - це повна, ємна і комплексна наука, необхідна для розуміння всіх процесів, що відбуваються в живих системах.

1. Гальвані відкриває електрику і його значення для живих тканин (біоелектрика).
2. А. Л. Чижевський - батько кількох дисциплін, що вивчають вплив космосу на Біосферу, а також Іонізаційна випромінювання і електрогемодінаміку.
3. Детальна структура білкових молекул була вивчена тільки після відкриття методу РСА (рентгено-структурного аналізу). Це було зроблено вченими Перутц і Кендрю (1962 рік).
4. У цьому ж році відкрита тривимірна структура ДНК (Моріс Вілкінс).
5. Неера і Закман в 1991 році зуміли розробити метод локальної фіксації електричного потенціалу.

Також ряд інших відкриттів дозволив науці біофізики встати на шлях інтенсивної і прогресивної модернізації у розвитку та становленні.

Розділи біофізики

Існує цілий ряд дисциплін, що складають цю науку. Розглянемо основні з них.

1. Біофізика складних систем - розглядає всі складні механізми саморегуляції багатоклітинних організмів (системогенез, морфогенез, сінергогенез). Також даної дисципліною вивчаються особливості фізичної складової процесів онтогенезу та еволюційного розвитку, рівнів організації організмів.
2. Біоакустика і біофізика сенсорних систем - вивчає сенсорні системи живих організмів (зір, слух, рецепція, мова та інші), способи трансляції різних сигналів. Виявляє механізми перетворення енергії при сприйнятті організмами зовнішніх впливів (подразнень).
3. Теоретична біофізика - включає ряд поднаук, що займаються вивченням термодинаміки біологічних процесів, побудовою математичних моделей структурних частин організмів. Також розглядає кінетичні процеси.
4. Молекулярна біофізика - розглядає глибокі механізми структурної організації та функціонування таких біополімерів, як ДНК, РНК, білки, полісахариди. Займається побудовою моделей і графічних зображень цих молекул, прогнозує поведінку і формування їх в живих системах. Також дана дисципліна будує надмолекулярні і субмолекулярние системи з метою визначення механізму побудови і дії біополімерів в живих системах.
5. Біофізика клітини. Вивчає найважливіші клітинні процеси: диференціювання, ділення, збудження і біопотенціали мембранної структури. Особлива увага приділяється механізмам мембранного транспорту речовин, різниці потенціалів, властивостях і структурі мембрани і оточуючих її частин.
6. Біофізика метаболізму. Основні аналізовані процеси: фотосинтез, солярізація та адаптація до неї організмів, гемодинаміка, терморегуляція, метаболізм, вплив іонізаційних променів.
7. Прикладна біофізика. Складається з декількох дисциплін: біоінформатика, біометрія, біомеханіка, дослідження еволюційних процесів і онтогенезу, патологічна (медична) біофізика. Об`єкти вивчення прикладної біофізики - опорно-руховий апарат, способи руху, способи розпізнавання людей по фізичним характеристикам. Особливої уваги заслуговує медична біофізика. Вона розглядає патологічні процеси в організмах, способи реконструкції пошкоджених ділянок молекул або структур або їх компенсацію. Дає матеріал для біотехнології. Має велике значення в попередженні розвитку захворювань, особливо генетичного характеру, їх усуненні і поясненні механізмів впливу.
8. Біофізика середовища проживання - вивчає фізичний вплив як місцевих середовищ існування істот, так і вплив ближніх і дальніх суб`єктів космічного простору. Також розглядає біоритми, вплив погодних умов та біополів на істоти. Розробляє прийоми заходів щодо профілактики негативних впливів умов середовища проживання.

Всі ці дисципліни вносять колосальний внесок у розвиток розуміння механізмів життєдіяльності живих систем, впливу на них біосфери і різних умов.

Сучасні досягнення

Можна назвати кілька найзначніших подій, які відносяться до досягнень біофізики:

• розкриті механізми клонування організмів;
• вивчені особливості перетворень і ролі окису азоту в живих системах;
• встановлено взаємозв`язок малих і матричних РНК, що в майбутньому дозволить знайти рішення багатьох медичних проблем (усунення захворювань) ;
• відкрита фізична природа автоволн;
• завдяки роботам молекулярних біофізиків вивчені аспекти синтезу і реплікації ДНК, що спричинило за собою можливість створення цілого ряду нових ліків від серйозних і складних захворювань;
• створені комп`ютерні моделі всіх реакцій, які супроводжують процес фотосінтеза;
• розроблені методи ультразвукового дослідження організму;
• встановлено зв`язок між космогеофізіческімі і біохімічними процессамі;
• передбачене зміна клімату на планете;
• відкриття значення ферменту урокенази в попередженні захворювань тромбозів та усунення наслідків після інсультов;
• також зроблено ряд відкриттів за структурою білка, кровоносній системі та іншим частинам організму.

Інститут біофізики в Росії

У нашій країні існує Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова. На базі цього навчального закладу діє факультет біофізики. Саме він здійснює підготовку кваліфікованих фахівців для роботи в цій галузі.

Дуже важливо дати якісний старт майбутнім професіоналам. Їх чекає складна робота. Біофізик зобов`язаний розбиратися у всіх тонкощах процесів, що відбуваються в живих істотах. Крім того, студенти повинні розбиратися і у фізиці. Адже це комплексна наука - біофізика. Лекції будуються таким чином, щоб осягнути всі дисципліни, пов`язані і складові біофізику, і охопити розгляд питань як біологічного, так і фізичного характеру.