Biofizika

Biofizika ( más görög βίος  - élet , más görög φύσις  - természet szóból ):

• a biológia egy ága , amely a vadon élő állatok létezésének fizikai vonatkozásait vizsgálja annak minden szintjén, a molekuláktól és sejtektől a bioszféra egészéig ;
• a modern matematikai fizika ága , amely a biológiai objektumokat egyfajta összetett nemlineáris fizikai rendszerként vizsgálja;
• a különböző szerveződési szintű biológiai rendszerekben végbemenő fizikai folyamatok, a különböző fizikai tényezők biológiai objektumokra gyakorolt ​​hatásának tudománya. A biofizika feladata, hogy feltárja az élő tárgyak szerveződésének alapjául szolgáló fizikai mechanizmusok és élettevékenységük biológiai jellemzői közötti kapcsolatokat.

Általánosságban elmondható, hogy a biofizika a fizikai törvények hatásának jellemzőit vizsgálja az anyag és az energia szerveződésének biológiai szintjén .

„A biofizika legfontosabb tartalma: a biológiailag jelentős kölcsönhatások általános elveinek megtalálása molekuláris szinten, természetük feltárása a modern fizika törvényeinek megfelelően, a kémia a matematika legújabb vívmányainak felhasználásával és ennek a kezdeti általánosítottnak az alapján történő fejlesztése. a leírt biológiai jelenségekhez adekvát fogalmak” [1] .

Az UNESCO nómenklatúrája szerint a biofizika a biológia egyik ága , kódja 2406 [2] .

A biofizika ágai

Az UNESCO biofizikai nómenklatúrája szerint szakaszok vannak [2] :

• 2406.01 Bioakusztika (kommunikáció és helymeghatározás levegőben és vízben)
• 2406.02 Bioelektromosság (membránpotenciál, információ és integrált folyamatok, CNS és ANS)
• 2406.03 Bioenergia (energiaellátás és hőtermelés)
• 2406.04 Biomechanika
• 2406.05 Biooptika (biolumineszcencia, látás és információfeldolgozás)
• 2406.06 Orvosi fizika (diagnosztikai, fizioterápiás és patogenezis módszerei)
• 2406. Komplex rendszerek biofizikája (rendszergenezis, elsődleges szinergizmus, evolúció, egyedfejlődés, biorendszerek szerveződési szintjei)
• 2406. Érzékszervi rendszerek biofizikája ( pszichofizika )
• 2406. Környezet biofizika (környezet-, űrfizika)
• 2406. Periodikus folyamatok biofizikája ( bioritmológia )
• 2406. A fejlődés és az evolúció biofizikája
• 2406. Az anyagcsere biofizikája (tömegátadás, hőszabályozás, hemodinamika)
• 2406,99 Egyéb

A fenti besorolás az objektumok szerkezeti felépítésének elvén alapul, és az új fejlesztések bemutatásának maximális kényelmét szolgálja, miközben bemutatja az avantgárd irányzatok problémáit és a jelentős témák, irányzatok kialakulásának és fejlesztésének nehézségeit. A hagyományos iskola biofizika általános tantárgyának tanulmányozásához a következő osztályozás elfogadhatóbb [3] . De az idő megmutatta a régi iskola korlátozó jellegét, amely legjobb esetben magának a tudománynak az alapját – a komplex rendszerek biofizikáját – említi. Emiatt a magasan képzett, szűk profilú szakemberek hatalmas serege megkerüli az élet és a létfontosságú tevékenység, a rendszer keletkezésének és az összetett szervezetek magasabb funkcióinak alapfogalmait. Ez korlátozta e területek fejlesztését és a problémás tudományterületeken a szakemberek képzését.

• Komplex rendszerek biofizikája:
  • fogalmi apparátus, objektumok és szervezettségi szintjeik az FSN-ben
  • szisztogenezis és típusai az organizmusok szaporodásában - szinergogenezis, szomatogenezis, morfogenezis
  • hierarchia és osztályozás az FSU-ban
  • rendszeralkotó tényezők és mechanizmusok a rendszerkommunikáció és a rendszerobjektumok kialakításában
  • a rendszertan módszertana és reproduktív alkotó szerepe a BSS-ben, valamint alkalmazásának hatékonysága más tudományos és gyakorlati területeken.
• A kommunikáció biofizikája és az érzékszervi biofizika:
  • szenzoros rendszerek és jeltranszlációs mechanizmusaik;
  • információtranszformációs csatornák pszichofizikája
  • az észlelés integrált folyamatainak pszichofizikája és a polimodális biofizika
  • szakértői kutatási módszerek és biodetektálás tenyészetekkel és preparátumokkal
  • a direkt és instrumentális (transzformált, transzformált, fokozott, módosított ingerű) vizsgálat és mérés módjai a tudományban és a gyakorlatban.
• Elméleti biofizika:
  • matematikai biofizika, a biofizika objektumok szerkezeteinek és funkcióinak matematikai és információs modellezése;
  • Az elméleti fizika módszerei a biofizikában:
    • biológiai folyamatok kinetikája;
    • biológiai folyamatok termodinamikája: energia átalakulások élő struktúrákban;
• Molekuláris biofizika:
  • a biopolimerek szerveződésének és működésének fizikai és szerkezeti alapjai
    • szupramolekuláris és szubmolekuláris rendszerek;
    • módszerek a molekuláris szerkezetek (szimbolikus és/vagy grafikus) tükröződésének és előrejelzésének tanulmányozására és modellezésére
  • kvantumbiofizika ;
• A sejt biofizikája és a sejtfolyamatok:
  • membránfolyamatok biofizikája:
    • a biológiai membránok és részeik tulajdonságai, szerkezete;
    • transzportmechanizmusok a biomembránokon keresztül;
• Az anyagcsere biofizikája
  • A fotobiológiai folyamatok biofizikája :
  • a fotoszintézis alapjai, a fotoszintézis szerkezetei és funkciói (mechanizmusai);
    • külső fényforrások hatása az élő rendszerekre és a szolarizációhoz való alkalmazkodás;
  • sugárzás biofizika - az ionizáló sugárzás hatása a szervezetre ;
  • tömegátadás, hőszabályozás és szisztémás reakciók a szervezet anyagcsere-folyamataiban.
• Alkalmazott biofizika:
  • bioinformatika: bár nem saját ága a biofizikának, de nagyon szorosan kapcsolódik hozzá;
  • biometrikus adatok;
  • biomechanika : a mozgásszervi rendszer funkciói és szerkezete, valamint a biológiai rendszerek fizikai mozgásai;
  • az evolúciós folyamatok és az egyedfejlődés biofizikája a biomedicinában;.
  • orvosi (patológiai) biofizika:
    • a kompenzációs és rekonstrukciós gyógyulás patogenezise és módszerei;
    • a kutatás és befolyásolás fizikai módszerei és azok eredményessége (felbontás, befolyásolás, alkalmazás utóhatása);
  • a termelékenységi környezet biofizikai feltételeinek optimalizálása és a biotechnológiai folyamatok minősége.
• A környezet biofizikája:
  • technogén és természetes környezeti tényezők;
  • a migránsok többtényezős élőhelyei és a biotechnológiák (lakások és területek, üdülőkezelés, közlekedés, akvanautika, űrhajózás, biotronok stb.);
  • űridőjárás és a közeli (geo és helio tényezők) és távoli (mély) tér asztrofizikai hatása;
  • bioritmológia és a bioritmusok szinkronizálásának és deszinkronizálásának külső tényezői;
  • szisztémás és helyi intézkedések a negatív környezeti hatások megelőzésére (biomedicina).

Kutatástörténet

Elmondhatjuk, hogy a biofizika mint tudomány eredete Erwin Schrödinger "Mi az élet a fizika szempontjából" ( 1945 ) című munkája, amely több fontos problémát is figyelembe vett, mint például az élet termodinamikai alapjait, általános szerkezeti alapjait. az élő szervezetek jellemzői, a biológiai jelenségek megfelelése a kvantummechanika törvényeinek stb.

A biofizika már fejlődésének kezdeti szakaszában szorosan összekapcsolódott a fizika, a kémia, a fizikai kémia és a matematika gondolataival és módszereivel, és precíz kísérleti módszereket (spektrális, izotóp, diffrakciós, radiospektroszkópiai) alkalmazott a biológiai objektumok vizsgálatában. Ennek az időszaknak a fő eredménye a biofizika fejlődésében a fizika alapvető törvényeinek biológiai objektumokra való alkalmazhatóságának kísérleti bizonyítéka.

Szovjetunió

Az első Fizikai és Biofizikai Intézetet Moszkvában 1927 -ben hozták létre . De nem tartott sokáig: 1931- ben letartóztatták vezetőjét, Lazarev P. P. akadémikust , és bezárták az intézetet [4] .

Modern kutatási irányok

Jelenleg intenzíven fejlesztik az összetett rendszerek biofizikáját és a molekuláris biofizikát .

A biofizika modern kutatási területei: kozmikus geofizikai tényezők hatása a fizikai és biokémiai reakciók lefolyására, fotobiológiai folyamatok, matematikai modellezés, fehérje- és membránszerkezetek fizikája, nanobiológia stb.

A biofizika jelentős kutatói

• Luigi Galvani : felfedezték a bioelektromosságot.
• Hermann Helmholtz : először mérte az idegimpulzusok sebességét.
• Alekszandr Leonidovics Csizsevszkij  - szovjet biofizikus, a heliobiológia, az aeroionizáció , az elektrohemodinamika alapítója , filozófus. Először bizonyította tudományosan az űridőjárás hatását a bioszférára.
• Pjotr ​​Petrovics Lazarev  orosz és szovjet biofizikus. Megalkotta a gerjesztés fizikokémiai elméletét (ionos gerjesztés elmélete), levezette az irritáció egyetlen törvényét, vizsgálta az érzékszervek (főleg a látás, valamint a hallás, az ízlelés és a szaglás) fiziológiai alkalmazkodási folyamatát a rájuk ható ingerekhez, levezette az irritáció egyetlen törvényét, kidolgozta a termodinamikai törvények biológiai folyamatokra való alkalmazhatóságának problémáját.
• Irving Langmuir : Kidolgozta az egymolekuláris szerves bevonat koncepcióját. 1932 -ben a kémiai Nobel-díj nyertese .
• György von Bekesy : emberi fülkutató. 1961 -ben fiziológiai és orvosi Nobel-díjas .
• Max Perutz és John Kendrew : A fehérjeszerkezet röntgenvizsgálói . 1962-ben a kémiai Nobel-díj nyertesei.
• Maurice Wilkins : felfedezte a DNS háromdimenziós molekuláris szerkezetét . 1962-ben fiziológiai és orvosi Nobel-díjas.
• Gerd Binnig , Ernst Ruska , Heinrich Rohrer : kifejlesztették a pásztázó alagút- és pásztázó atomerőmikroszkópokat . 1986 -os fizikai Nobel - díjasok .
• Bernard Katz : A noradrenalin szerepét vizsgálta a szinaptikus átvitelben. 1970-ben fiziológiai és orvosi Nobel-díjas.
• Peter Mitchell : Az oxidatív foszforiláció kemiozmotikus elméletének szerzője. 1978-ban a kémiai Nobel-díj nyertese.
• Erwin Neher és Bert Zakman : Kidolgozták a lokális potenciál befogás módszerét . Az 1991 -es fiziológiai és orvosi Nobel-díj nyertesei .
• Peter Agre a 2003 -as  kémiai Nobel-díj kitüntetettje az akvaporin felfedezéséért és tanulmányozásáért . A díjat megosztották Roderick McKinnon  amerikai biokémikussal és krisztallográfussal, akinek 1998 -ban és munkatársaival sikerült meghatározni a bakteriális káliumcsatorna háromdimenziós molekuláris szerkezetét, és feltárni a szelektivitás természetét.

Alkalmazások

A biológiai objektumok általában nagyon összetettek, és a bennük zajló folyamatokat számos tényező befolyásolja, amelyek gyakran egymástól függenek. A fizika lehetővé teszi egy objektum egyszerűsített modelljének létrehozását, amelyet a termodinamika , az elektrodinamika , a kvantum és a klasszikus mechanika törvényei írnak le . A fizikai adatok biológiai adatokkal való korrelációja segítségével mélyebben megérthetjük a vizsgált biológiai objektumban zajló folyamatokat.

A fizikában számos olyan módszer létezik, amely eredeti formájában nem használható biológiai objektumok tanulmányozására. Ezért a biofizika másik feladata ezen módszerek és technikák adaptálása a biológia problémák megoldására. Ma a biológiai rendszerekben való információszerzésre különféle optikai módszereket alkalmaznak, röntgendiffrakciós analízist szinkrotron sugárzással, NMR és EPR spektroszkópiát, 7-rezonancia spektroszkópiát, különféle elektrometriai módszereket, mikroelektród technikákat, kemilumineszcencia módszereket, lézerspektroszkópiát, jelzett atomok stb. Különösen orvosi diagnosztikára és terápiára használják.

Speciális technikákat is fejlesztenek, amelyek az anyag biológiai formájára gyakorolt ​​bizonyos hatások érzékelésében effektusokat alkalmaznak.

Lásd még

• Biogeofizika

Jegyzetek

1. ↑ Rubin A. B. Biophysics A Wayback Machine 2008. február 10-i archív példánya (tankönyv) 2 kötetben. - M., 2002. C. 9.
2. ↑ 1 2 Javasolt nemzetközi szabványos nómenklatúra a tudomány és a technológia területeire . Letöltve: 2008. június 26. Az eredetiből archiválva : 2016. február 15. (határozatlan)
3. ↑ Anyagok alapján: Rubin A. B. Biophysics Archív másolat 2008. február 10-én a Wayback Machine -nél (tankönyv) 2 kötetben. - M., 2002. C. 6.
4. ↑ Gorelik G. E. Moszkva, fizika, 1937. Archivált : 2007. szeptember 29. a Wayback Machine -nél

Irodalom

• Ackerman Yu. Biofizika. — M .: Mir, 1964. — 684 p.
• Biofizika / Szerk. szerk. akad. A Szovjetunió Tudományos Akadémia P. G. Kostyuk . - K .: Vyscha iskola. Vezető kiadó, 1988. - 504 p.
• Volkenshtein M. V. Biofizika: Tankönyv, 2. kiadás, átdolgozott. és további — M.: Nauka. Ch. szerk. Fiz.-Matek. lit., 1988. - 592 p. — ISBN 5-02-013835-5
• Kudryashov Yu. B., Perov Yu. F., Rubin AB Sugárzás biofizika: rádiófrekvenciás és mikrohullámú elektromágneses sugárzás. Tankönyv egyetemek számára. — M.: FIZMATLIT, 2008. — 184 p. — ISBN 978-5-9221-0848-5
• Rubin A. B. Biofizika . Tankönyv 2 kötetben. - M., 1999, 2002.
• Vladimirov Yu. A. , Roschupkin D. I., Potapenko A. Ya., Deev A. I. Biophysics. - M . : Orvostudomány, 1983. - 272 p.

Linkek

• Nycsiporenko Yu . A modern biofizika eredményei  - egy kis történelem és a modern biofizika eredményei.
• Nechipurenko Yu.D. , Caceres H.L. Fogalmak a molekuláris biofizikában  // A biológiai fizika és kémia aktuális kérdései. - 2019. - V. 4 , 4. sz . - S. 452-455 .