Биофизика

Биофизика: сущность и значение

Биофизика – это наука о самых простых и фундаментальных взаимодействиях, которые лежат в основе биологических процессов. В основании биофизических моделей лежат физические понятия энергии, силы, типы взаимодействия, общие понятия физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Данные понятия отображают природу основных физических взаимодействий и законов движения материи. Центром внимания биофизики как биологической науки являются биологические процессы и явления.

Трендом биофизики на современном этапе является проникновение на элементарные уровни молекулярной основы структуры организации живого.

Биофизика является одной из фундаментальных биологических дисциплин. Изучение данной науки позволяет формировать научное мышление современного медицинского работника.

Биофизические методы входят в практику исследовательских лабораторий и стали основанием для методов диагностики заболеваний и их лечения.

Биофизика имеет большое методологическое значение.

Законы физики и химии являются базисом биофизических положений и теорий, которые в свою очередь стали их развитием. На первоначальном этапе развития биофизики главным выводом стал вывод о том, что основные законы физики, как науки о законах движения материи, применимы к области биологии.

Важное методологическое значение для разных областей биологии имеют эмпирические доказательства закона сохранения энергии (первое начало термодинамики), принципы химической кинетики, как основы динамического поведения биосистем, концепции открытых систем и второго начала термодинамики в биосистемах.

Биофизику можно считать физикой живых систем разного уровня: молекулы, мембраны, клетки, органа, популяции. Биофизику определяют как науку, которая строит и исследует идеальные системы, являющиеся моделями отображающими основные свойства живого для различных уровней организации.

Биофизика была признана самостоятельной наукой в 50- е годы XX века. Эта наука возникла на стыке биологии, физики и математики.

Биологическая форма движения материи очень сложна, но ее можно представить как совокупность более простых физических и химических форм движения, которые дают новые качественные сочетания.

Биофизика, в совокупности с другими науками, на сегодняшний момент, является теоретической основой биологии.

Предмет и объекты биофизики

Предмет биофизики весьма сложен и многогранен. Для его изложения необходимо использование материалов разных разделов биологии, использования современных методов и представлений физики, математики, химии.

Исследование человеческого организма и процессов, которые нарушают его жизнедеятельность, в первую очередь, составляют предмет биофизики.

Биофизика имеет большой круг объектов изучения. Данная наука рассматривает физические свойства и явления на уровне:

• сложных систем, таких как организм;
• отдельных органов;
• биологических тканей;
• отдельных клеток;
• субклеточных структур (например, биологические мембраны);
• макромолекул (например, белки, нуклеиновые кислоты);
• электронные структуры молекул;
• влияния внешних магнитных полей на электрические процессы, протекающие в теле человека.

Методы биофизики

Многие методы, которые используют в биофизике, она позаимствовала из физики и химии. Но следует отметить, что объект исследования и задачи, которые ставятся перед учеными, привели к значительной трансформации первоначальных методов физики и соответствующих им приборов. Например, процедура измерения биологических потенциалов нервных клеток при помощи микроэлектродов и фиксирующей напряжение аппаратуры значительно отличается от методов измерения в физике.

Правильное применение физических законов возможно только при установке определенных границ системы, для которой можно проводить исследования и расчеты. В биофизике могут применяться классические методы измерения физики. Так если используется, например, спектральный анализ, то особенности биологических объектов такие как, широкие полосы поглощения, значительное рассеяние света и другие, заставляют создавать специальные приборы, которые приспособлены для экспериментов в биологии.

Современная биофизика имеет систему специальных методов, которые приспособлены для решения ее задач, например:

• электрофорез;
• ультрацентрифунгирование;
• калориметрия;
• малоугловое рассеяние света;
• рентгеноструктурный анализ;
• нейтроноскопия;
• спектрофотомерия;
• рамановская спектроскопия;
• люминесцентный анализ;
• ядерный магнитный резонанс и др.

В среде биологических дисциплин биофизика является наиболее точной наукой. Биофизики ориентируются на логичные строгие доказательства каждого положения. Эти доказательства основываются на точных экспериментах. Исследуемые биофизикой явления количественно описываются. Исследования проводятся при помощи современной аппаратуры. Биофизика применяет методы физического и математического моделирования.

Особенности моделирования в биофизике

Модели в биофизике основываются на результатах прямых экспериментов, данных о реальных молекулярных свойствах биологических объектов. Они не могут быть просто перенесены из физики в биологию, как схема похожего процесса.

Значимой особенностью является то, что создание моделей в биофизике требует модификации идей смежных наук. Это равносильно созданию новых понятий в этих науках при применении к анализу биологических процессов.

Содержание биофизики как науки

В содержание биофизики включены:

• поиск общих принципов биологически значимых взаимодействий на уровне молекул;
• объяснение природы взаимодействий молекул при использовании законов физики и химии;
• применение достижений математики для решения биологических задач;
• разработка обобщенных понятий, соответствующих описываемым биологическим явлениям.

Теоретические основы биофизики включают: вопросы кинетики, термодинамики, математического моделирования биосистем, основ молекулярной (квантовой) биофизики.

К прикладной биофизике относят: биофизику конкретных процессов, которые текут на разных структурных уровнях организации живого.