Direcciones de la biofísica. Principales direcciones de desarrollo de la biofísica moderna.

Biofísica en lecciones de física.

Ya en las primeras lecciones de física, mis alumnos aprenden que todas las ciencias naturales utilizan las leyes de la física. En lecciones posteriores les muestro a los niños su conexión con la vida de los humanos, las plantas, los pájaros, los peces, etc.

Por ejemplo, al estudiar el tema “Peso corporal. Densidad" y cuando planteo problemas para determinar la densidad de la materia, utilizo el libro de referencia sobre física y tecnología de A.S. Enochovich. A continuación se muestran algunas tareas de este tipo:

1. Determine la masa de madera de abedul si su volumen es de 5 metros cúbicos.

2. ¿Cuál es la masa de aceite de linaza que ocupaba un volumen de 5 litros?

3. Determine el volumen de bambú seco si su masa es 4800 kg.

4. Determine la densidad de la madera de balsa si su masa es de 50 toneladas y su volumen es de 500 metros cúbicos.

Al estudiar el tema "Gravedad", puedes realizar trabajos de formación. Se dan las masas de diferentes mamíferos: ballena - 70000 kg, elefante - 4000 kg, rinoceronte - 2000 kg, toro - 1200 kg, oso - 400 kg, cerdo - 200 kg, humano - 70 kg, lobo - 40 kg, liebre - 6 kilogramos. Encuentra su peso en Newtons.

Se pueden informar datos más interesantes. El mamífero más grande es la ballena azul. Por ejemplo, una de las ballenas capturadas alcanzó una longitud de 33 metros y pesó 1500 kN, lo que corresponde a 30 elefantes y 150 toros.

El ave moderna más grande es el avestruz africano, que alcanza 2,75 m de altura y 2 m de longitud.

Se puede extraer una gran cantidad de material biofísico al estudiar el tema "Fuerza de fricción". Por ejemplo, la baja fricción en las articulaciones se explica por su superficie lisa y la presencia de líquido sinovial, que actúa como una especie de lubricante. La saliva juega el mismo papel al tragar alimentos.

Entre los organismos vivos, las adaptaciones son comunes, gracias a las cuales la fricción es pequeña cuando se mueve en una dirección y grande cuando se mueve en la dirección opuesta. El movimiento de una lombriz se basa en el mismo principio.

Y la velocidad de muchos peces alcanza decenas de kilómetros por hora. Pueden desarrollar esa velocidad gracias a la forma aerodinámica de la carrocería, que provoca una baja resistencia al avance.

Sobre el tema: desarrollos metodológicos, presentaciones y notas.

Conexiones interdisciplinarias en las lecciones de física en la escuela secundaria. Biofísica.

Desarrollo metodológico “Conexiones interdisciplinarias en las lecciones de física y biología. Biofísica" junto con la parte teórica, que proporciona conceptos y clasificación de las conexiones interdisciplinarias, sus formas y funciones, con...

Biofísica (física biológica) - la ciencia de las interacciones más simples y fundamentales que subyacen a los procesos biológicos que ocurren en diferentes niveles de organización de la materia viva: molecular, celular, organismo y población.

Introducción

Las construcciones teóricas y modelos de biofísica se basan en los conceptos de energía, fuerza, tipos de interacción, en conceptos generales de cinética física y formal, termodinámica y teoría de la información. Estos conceptos reflejan la naturaleza de las interacciones básicas y las leyes del movimiento de la materia, que, como se sabe, es objeto de la física, una ciencia natural fundamental. El enfoque de la biofísica como ciencia biológica son los procesos y fenómenos biológicos. La principal tendencia de la biofísica moderna es la penetración en los niveles más profundos y elementales que forman la base de la organización estructural de los seres vivos.

La formación y el desarrollo de la biofísica están estrechamente relacionados con la intensa interpenetración de ideas, enfoques teóricos y métodos de la biología, la física, la química y las matemáticas modernas.

Clasificación moderna de la biofísica adoptada por la IUPAB.

La clasificación adoptada por la Unión Internacional de Biofísica Pura y Aplicada (1961), que refleja los principales objetos biológicos en el campo de la investigación biofísica, incluye las siguientes secciones: biofísica molecular, cuya tarea es estudiar las propiedades físicas y fisicoquímicas de macromoléculas y complejos moleculares; biofísica celular, que estudia los fundamentos fisicoquímicos de la vida celular, la conexión entre la estructura molecular de las membranas y los orgánulos celulares y sus funciones, los patrones de coordinación de los procesos celulares, sus propiedades mecánicas y eléctricas, la energía y la termodinámica de los procesos celulares; biofísica de sistemas complejos, que incluyen orgánulos individuales, organismos completos y poblaciones; biofísica de procesos de control y regulación, que se ocupa de la investigación y modelado de principios de control en sistemas biológicos. También hay secciones de biofísica: estructura de biopolímeros (proteínas, ADN, lípidos), biomecánica, óptica biológica, biomagnetismo, termodinámica biológica. La biofísica también incluye áreas de la ciencia que estudian los mecanismos de influencia de diversos factores físicos en los sistemas biológicos (luz, radiaciones ionizantes, campos electromagnéticos, etc.).

La historia de la penetración de los principios de la física y las matemáticas en la biología.

El inicio del estudio de las propiedades físicas de los objetos biológicos está asociado a los trabajos de G. Galileo y R. Descartes (siglo XVII), quienes sentaron las bases de la mecánica, sobre cuyos principios se realizaron los primeros intentos de explicar algunos. procesos de la vida. Descartes, por ejemplo, creía que el cuerpo humano es como una máquina compleja que consta de los mismos elementos que los cuerpos de origen inorgánico. El físico italiano G. Borelli aplicó los principios de la mecánica al describir los mecanismos de los movimientos animales. En 1628, W. Harvey describió el mecanismo de circulación sanguínea basándose en las leyes de la hidráulica. En el siglo 18 Los descubrimientos en el campo de la física y la mejora de su aparato matemático fueron importantes para comprender los procesos físicos y químicos que ocurren en los organismos vivos. El uso de enfoques físicos impulsó la introducción de métodos experimentales e ideas de las ciencias exactas en la biología. L. Euler describió matemáticamente el movimiento de la sangre a través de los vasos. MV Lomonosov expresó una serie de opiniones generales sobre la naturaleza del gusto y las sensaciones visuales y propuso una de las primeras teorías de la visión del color. A. Lavoisier y P. Laplace mostraron la unidad de las leyes de la química para cuerpos inorgánicos y orgánicos, estableciendo que el proceso de respiración es similar a la combustión lenta y es una fuente de calor para los organismos vivos. La discusión creativa entre A. Voltai y L. Galvani sobre el problema del descubrimiento de la "electricidad viva" por parte de este último formó la base de la electrofisiología y jugó un papel importante en el estudio de la electricidad en general.

Desarrollo de la biofísica en el siglo XIX y principios del XX.

En el siglo 19 El desarrollo de la biología estuvo acompañado de un enriquecimiento del conocimiento sobre las propiedades fisicoquímicas de las estructuras y procesos biológicos. De gran importancia fue la creación de la teoría electrolítica de las soluciones de S. Arrhenius y la teoría iónica de los fenómenos bioeléctricos de W. Nernst. Se obtuvieron ideas básicas sobre la naturaleza y el papel de los potenciales de acción en el mecanismo de aparición y propagación de la excitación a lo largo del nervio ( G. Helmholtz, E. Dubois-Reymond, Y. Bernstein, Alemania); La importancia de los fenómenos osmóticos y eléctricos en la vida de las células y tejidos quedó aclarada gracias al trabajo de J. Loeb (EE. UU.), W. Nernst y R. Gerber (Alemania). Todo esto permitió a Dubois-Reymond concluir que no se encuentran nuevas fuerzas en las partículas materiales de los organismos que no puedan actuar fuera de ellas. Esta posición de principios puso fin a las explicaciones de los procesos de la vida mediante las acciones de algunos "factores vivos especiales que no pueden medirse físicamente".

Los científicos nacionales hicieron una contribución significativa al desarrollo de la biofísica. A ELLOS. Sechenov Estudió los patrones de disolución de los gases en la sangre y la biomecánica de los movimientos. La teoría del condensador de la excitación de los tejidos nerviosos, basada en la movilidad desigual de los iones, fue propuesta por V.Yu. Chagovets. K.A. Timiryazev determinó la actividad fotosintética de partes individuales del espectro solar, estableciendo patrones cuantitativos que conectan la velocidad del proceso de fotosíntesis y la absorción de luz de diferente composición espectral por la clorofila en las hojas. Se utilizaron ideas y métodos de la física y la química física en el estudio del movimiento, los órganos de la audición y la visión, la fotosíntesis, el mecanismo de generación de fuerza electromotriz en los nervios y los músculos y la importancia del entorno iónico para la vida de las células y los tejidos. . En 1905-15 N.K. Koltsov estudió el papel de los factores fisicoquímicos (tensión superficial, concentración de iones de hidrógeno, cationes) en la vida de una célula. PÁGINAS. A Lazarev se le atribuye el desarrollo de la teoría de la excitación iónica (1916) y el estudio de la cinética de las reacciones fotoquímicas. Creó la primera escuela soviética de biofísicos, unió a su alrededor a un gran grupo de científicos destacados (incluidos S.I. Vavilov, S.V. Kravkov, V.V. Shuleikin, S.V. Deryagin, etc.). En 1919 creó el Instituto de Física Biológica de la Comisaría de Salud del Pueblo en Moscú, donde se trabajó en la teoría iónica de la excitación, el estudio de la cinética de las reacciones que ocurren bajo la influencia de la luz, los espectros de absorción y fluorescencia. de objetos biológicos, así como los procesos de exposición primaria a diversos factores ambientales en el cuerpo. Los libros de V.I. tuvieron una gran influencia en el desarrollo de la biofísica en la URSS. Vernadsky (“Biosfera”, 1926), E.S. Bauer (“Biología teórica”, 1935), D.L. Rubinstein (“Fundamentos físico-químicos de la biología”, 1932), N.K. Koltsova (“Organización de la célula”, 1936), D.N. Nasonova y V.Ya. Aleksandrova (“Reacción de la materia viva a las influencias externas”, 1940), etc.

En la segunda mitad del siglo XX, los éxitos en biofísica estaban directamente relacionados con los logros en el campo de la física y la química, con el desarrollo y mejora de métodos de investigación y enfoques teóricos, y con el uso de tecnología de computación electrónica. Con el desarrollo de la biofísica, han penetrado en la biología métodos de investigación experimentales tan precisos como los métodos espectrales, isotópicos, de difracción y radioespectroscópicos. El desarrollo generalizado de la energía atómica estimuló el interés por la investigación en el campo de la radiobiología y la biofísica de las radiaciones.

El principal resultado del período inicial de desarrollo de la biofísica es la conclusión sobre la aplicabilidad fundamental en el campo de la biología de las leyes básicas de la física como ciencia natural fundamental sobre las leyes del movimiento de la materia. De importancia metodológica general para el desarrollo de diversos campos de la biología, la evidencia obtenida durante este período sobre la ley de conservación de la energía (la primera ley de la termodinámica), la aprobación de los principios de la cinética química como base para el comportamiento dinámico de los sistemas biológicos, el concepto de sistemas abiertos y la segunda ley de la termodinámica en los sistemas biológicos y, finalmente, la conclusión sobre la ausencia de formas especiales de energía "viva". Todo esto influyó en gran medida en el desarrollo de la biología, junto con los éxitos de la bioquímica y los éxitos en el estudio de la estructura de los biopolímeros, que contribuyeron a la formación de la principal dirección moderna de las ciencias biológicas: la biología físico-química, en la que la biofísica ocupa un lugar destacado. lugar importante.

Principales direcciones de investigación y logros de la biofísica moderna.

En la biofísica moderna se pueden distinguir dos direcciones principales que conforman la materia de la biofísica: biofísica teórica resuelve problemas generales de termodinámica de sistemas biológicos, organización dinámica y regulación de procesos biológicos, considera la naturaleza física de las interacciones que determinan la estructura, estabilidad y movilidad dinámica intramolecular de macromoléculas y sus complejos, mecanismos de transformación de energía en ellas; y biofísica de procesos biológicos específicos ( biofísica celular), cuyo análisis se realiza a partir de conceptos teóricos generales. La principal tendencia en el desarrollo de la biofísica está asociada con la penetración en los mecanismos moleculares que subyacen a los fenómenos biológicos en diferentes niveles de organización de los seres vivos.

En la etapa actual de desarrollo de la biofísica, se han producido cambios fundamentales asociados, en primer lugar, al rápido desarrollo de las secciones teóricas de la biofísica de sistemas complejos y la biofísica molecular. Es en estas áreas, que se ocupan de los patrones de comportamiento dinámico de los sistemas biológicos y los mecanismos de interacciones moleculares en las bioestructuras, donde se obtuvieron resultados generales, a partir de los cuales la biofísica formó su propia base teórica. Los modelos teóricos desarrollados en áreas como la cinética, la termodinámica, la teoría de la regulación de los sistemas biológicos, la estructura de los biopolímeros y sus propiedades conformacionales electrónicas forman en la biofísica la base para el análisis de procesos biológicos específicos. La creación de tales modelos es necesaria para identificar los principios generales de las interacciones biológicamente significativas fundamentales a nivel molecular y celular, revelar su naturaleza de acuerdo con las leyes de la física y la química modernas utilizando los últimos logros de las matemáticas y desarrollar sobre esta base. Conceptos iniciales generalizados adecuados a los fenómenos biológicos descritos.

La característica más importante es que la construcción de modelos en biofísica requiere tal modificación de las ideas de las ciencias exactas relacionadas, lo que equivale al desarrollo de nuevos conceptos en estas ciencias aplicados al análisis de procesos biológicos. Los propios sistemas biológicos son una fuente de información que estimula el desarrollo de determinadas áreas de la física, la química y las matemáticas.

En el campo de la biofísica de sistemas complejos, el uso de los principios de la cinética química para el análisis de procesos metabólicos ha abierto amplias posibilidades para su modelización matemática mediante ecuaciones diferenciales ordinarias. En esta etapa se obtuvieron muchos resultados importantes, principalmente en el campo del modelado de procesos fisiológicos y bioquímicos, dinámica de crecimiento celular y tamaños de población en sistemas ecológicos. De fundamental importancia en el desarrollo del modelado matemático de procesos biológicos complejos fue el rechazo de la idea de encontrar necesariamente soluciones analíticas exactas a las ecuaciones correspondientes y el uso de métodos cualitativos para analizar ecuaciones diferenciales, que permitan revelar las características dinámicas generales de los sistemas biológicos. Estas características incluyen las propiedades de los estados estacionarios, su número, estabilidad, la capacidad de cambiar de un modo a otro, la presencia de modos autooscilatorios y la caotización de modos dinámicos.

Sobre esta base, se desarrollaron ideas sobre la jerarquía de tiempos y modelos "mínimos" y adecuados, que reflejan plenamente las propiedades básicas del objeto. También se desarrolló un análisis paramétrico del comportamiento dinámico de los sistemas, incluido el análisis de modelos básicos que reflejan ciertos aspectos de la autoorganización de los sistemas biológicos en el tiempo y el espacio. Además, el uso de modelos probabilísticos que reflejan la influencia de factores estocásticos en procesos deterministas en sistemas biológicos está adquiriendo cada vez más importancia. La dependencia de bifurcación del comportamiento dinámico del sistema de los valores críticos de los parámetros refleja la aparición de información dinámica en el sistema, que se realiza cuando cambia el modo de funcionamiento.

Los logros de la biofísica que tienen importancia biológica general incluyen la comprensión de las propiedades termodinámicas de los organismos y las células como sistemas abiertos, la formulación basada en la segunda ley de la termodinámica de criterios para la evolución de un sistema abierto a un estado estable ( I. Prigozhin); divulgación de los mecanismos de procesos oscilatorios a nivel poblacional, reacciones enzimáticas. Con base en la teoría de los procesos de ondas automáticas en medios activos, se han establecido las condiciones para la aparición espontánea de estructuras disipativas en sistemas abiertos homogéneos. Sobre esta base, se construyen modelos de los procesos de morfogénesis, la formación de estructuras regulares durante el crecimiento de cultivos bacterianos, la propagación de impulsos nerviosos y la excitación nerviosa en las redes neuronales. Un área en desarrollo de la biofísica teórica es el estudio del origen y la naturaleza de la información biológica y su conexión con la entropía, las condiciones del caos y la formación de estructuras fractales autosimilares en sistemas biológicos complejos.

En general, el desarrollo de una descripción cinética molecular unificada es un problema urgente en biofísica, que requiere el desarrollo de conceptos básicos iniciales. Así, en el campo de la termodinámica de procesos irreversibles, el concepto de potencial químico, que depende de la concentración total de cualquier componente, y, en sentido estricto, el concepto de entropía ya no son válidos para sistemas heterogéneos y alejados del equilibrio. En los complejos macromoleculares activos, las transformaciones intramoleculares dependen principalmente de la naturaleza de su organización y no de la concentración total de los componentes individuales. Esto requiere el desarrollo de nuevos criterios para la estabilidad y dirección de procesos irreversibles en sistemas heterogéneos en desequilibrio.

En biofísica molecular, el estudio de procesos biológicos específicos se basa en datos procedentes de estudios de las propiedades fisicoquímicas de los biopolímeros (proteínas y ácidos nucleicos), su estructura, mecanismos de autoensamblaje, movilidad intramolecular, etc. De gran importancia en biofísica es el uso de métodos experimentales modernos y, sobre todo, radioespectroscopia (NMR, EPR), espectrofotometría, análisis de difracción de rayos X, microscopía de túnel electrónico, microscopía de fuerza atómica, espectroscopia láser, diversos métodos electrométricos, incluido el uso. de la tecnología de microelectrodos. Permiten obtener información sobre los mecanismos de transformaciones moleculares sin violar la integridad de los objetos biológicos. Actualmente se ha establecido la estructura de unas 1.000 proteínas. Descifrar la estructura espacial de las enzimas y su centro activo nos permite comprender la naturaleza de los mecanismos moleculares de la catálisis enzimática y planificar la creación de nuevos fármacos sobre esta base. Las posibilidades de síntesis selectiva de sustancias biológicamente activas, incluidos los fármacos, también se basan en investigaciones fundamentales sobre la relación entre la movilidad molecular y la actividad biológica de dichas moléculas.

En el campo de la biofísica molecular teórica, las ideas sobre interacciones conformacionales electrónicas - EKV(MV Wolkenstein), propiedades estocásticas de la proteína ( ACERCA DE. Ptitsin) forman la base para comprender los principios de funcionamiento de las biomacromoléculas. La especificidad de los patrones biológicos, que se revelan plenamente en los niveles más altos de organización de un sistema biológico desarrollado, se manifiesta, sin embargo, ya en los niveles moleculares más bajos de los seres vivos. La transformación de energía y la aparición de productos de reacción en complejos se logra como resultado de interacciones intramoleculares de partes individuales de una macromolécula. De aquí se desprenden lógicamente las ideas sobre la unicidad de una macromolécula como objeto físico que combina interacciones en grados de libertad estadísticos y mecánicos. Son precisamente las ideas sobre las macromoléculas, principalmente las proteínas, como una especie de máquinas moleculares ( LA. Blumenfeld, D.S. Chernavski) permiten explicar la transformación de varios tipos de energía como resultado de la interacción dentro de una macromolécula. La fecundidad del método biofísico de análisis y construcción de modelos generalizados de interacción física se refleja en el hecho de que el principio ECI nos permite considerar desde una posición científica general unificada el funcionamiento de máquinas moleculares que parecen estar alejadas entre sí en su papel biológico: por ejemplo, complejos moleculares involucrados en los procesos primarios de fotosíntesis y visión, complejos enzima-sustrato de reacciones enzimáticas, mecanismos moleculares de la ATP sintetasa, así como el transporte de iones a través de membranas biológicas.

La biofísica estudia las propiedades. membranas biológicas, su organización molecular, movilidad conformacional de componentes proteicos y lipídicos, su resistencia a la temperatura, peroxidación lipídica, su permeabilidad a no electrolitos y a diversos iones, estructura molecular y mecanismos de funcionamiento de los canales iónicos, interacciones intercelulares. Se presta mucha atención a los mecanismos de conversión de energía en las bioestructuras (ver artículo Bioenergética), donde se asocian con la transferencia de electrones y la transformación de energía de excitación electrónica. El papel de los radicales libres en los sistemas vivos y su importancia en los efectos dañinos de las radiaciones ionizantes, así como en el desarrollo de otros procesos patológicos ( NUEVO MÉJICO. emmanuel, B.N. Tarúsov). Una de las ramas de la biofísica lindante con la bioquímica es la mecanoquímica, que estudia los mecanismos de interconversión de energía química y mecánica asociados con la contracción muscular, el movimiento de cilios y flagelos, y el movimiento de orgánulos y protoplasma en las células. Un lugar importante lo ocupa la biofísica "cuántica", que estudia los procesos primarios de interacción de las estructuras biológicas con los cuantos de luz (fotosíntesis, visión, efectos sobre la piel, etc.), los mecanismos de bioluminiscencia y reacciones fototrópicas, los efectos de la radiación ultravioleta. y luz visible ( efectos fotodinámicos) a objetos biológicos. Allá por los años 40. 20v . UN. Terenín Descubrió el papel de los estados tripletes en los procesos fotoquímicos y en varios procesos fotobiológicos. AUTOMÓVIL CLUB BRITÁNICO. Krasnovski mostró la capacidad de la clorofila excitada por la luz para sufrir transformaciones redox, que subyacen a los procesos primarios de la fotosíntesis. Los métodos modernos de espectroscopia láser proporcionan información directa sobre la cinética de las correspondientes transiciones electrónicas fotoinducidas, vibraciones de grupos atómicos en el rango de 50-100 femtosegundos a 10 -12 -10 -6 so más.

Las ideas y métodos de la biofísica no sólo encuentran una amplia aplicación en el estudio de los procesos biológicos a nivel macromolecular y celular, sino que también se extienden, especialmente en los últimos años, a los niveles poblacional y ecosistémico de la organización de la naturaleza viva.

Los avances en biofísica se utilizan en gran medida en medicina y ecología. La biofísica médica se ocupa de identificar las etapas iniciales de cambios patológicos en el cuerpo (célula) a nivel molecular. El diagnóstico temprano de enfermedades se basa en el registro de los cambios espectrales, la luminiscencia, la conductividad eléctrica de la sangre y las muestras de tejido que acompañan a la enfermedad (por ejemplo, el nivel de quimioluminiscencia se puede utilizar para juzgar la naturaleza de la peroxidación lipídica). analiza los mecanismos moleculares de la acción de factores abióticos (temperatura, luz, campos electromagnéticos, contaminación antropogénica, etc.) sobre las estructuras biológicas, la viabilidad y la estabilidad de los organismos. La tarea más importante de la biofísica ambiental es el desarrollo de métodos rápidos para evaluar el estado de los ecosistemas. En este ámbito, una de las tareas más importantes es la evaluación de la toxicidad de materiales fundamentalmente nuevos: los nanomateriales, así como los mecanismos de su interacción con los sistemas biológicos.

En Rusia, la investigación en biofísica se lleva a cabo en varios institutos de investigación y universidades. Uno de los lugares destacados pertenece al centro científico de Pushchino, donde en 1962 se organizó el Instituto de Física Biológica de la Academia de Ciencias de la URSS, que luego se dividió en Instituto de Biofísica Celular RAS(Director - Miembro Correspondiente de la RAS E.E. Fesenko) y Instituto de Biofísica Teórica y Experimental RAS(Director - Miembro Correspondiente de la RAS GRAMO. Ivanitski. La biofísica se está desarrollando activamente en Instituto de Biofísica, Ministerio de Salud de la Federación de Rusia, Instituto de Biología Molecular RAS Y Instituto de Proteína RAS, Instituto de Biofísica SB RAS(Director - Miembro correspondiente de RAS Degermedzhi A.G.), en las universidades de Moscú. San Petersburgo y Voronezh, en, en, etc.

Desarrollo de la educación biofísica en Rusia.

Paralelamente al desarrollo de la investigación, se formó una base para la formación de especialistas en el campo de la biofísica. El primer departamento de biofísica de la URSS en la Facultad de Biología y Suelos de la Universidad Estatal de Moscú se organizó en 1953 (B.N. Tarusov), y en 1959 se abrió el Departamento de Biofísica en la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú (L.A. Blumenfeld). Ambos departamentos no son sólo centros educativos que forman biofísicos cualificados, sino también grandes centros de investigación. Luego se organizaron departamentos de biofísica en varias otras universidades del país, incluida Universidad Estatal "Instituto de Física y Tecnología de Moscú", V. Universidad Nacional de Investigación Nuclear "MEPhI", así como en las principales universidades médicas. Los cursos de Biofísica se imparten en todas las universidades del país. La investigación biofísica se lleva a cabo en institutos y universidades de muchos países del mundo. Cada tres años se celebran congresos internacionales sobre biofísica. Existen sociedades de biofísica en Estados Unidos, Gran Bretaña y varios otros países. En Rusia, el Consejo Científico de Biofísica de la Academia de Ciencias de Rusia coordina el trabajo científico y lleva a cabo las relaciones internacionales. Hay una sección de biofísica en Sociedad de Científicos Naturales de Moscú.

Entre las revistas en las que se publican artículos sobre biofísica: “Biofísica” (M., 1956 -); "Biología Molecular" (Moscú, 1967 -); "Radiobiología" (M., 1961 - actualmente "Biología de la radiación. Radioecología"); “Membranas biológicas” (M., 19 -). “Avances en física biológica y médica” (N.Y., 1948 -); “Biochimica et Biophysica Acta” (N.Y. - Amst., 1947 -); "Biophysical Journal" (N.Y., I960 -); "Boletín de Biofísica Matemática" (Chi, 1939 -); "Journal of Cell Biology" (N.Y., 1962 - En 1955 - 1961 "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 -); Revista europea de biofísica (); Revista de biología teórica (1961).

Lectura recomendada

Blumenfeld L.A. Problemas de física biológica. Moscú, 1977.

Volkenstein M.V. Biofísica. M., 1981

Señor Jackson. Biofísica molecular y celular. M., "Mundo". 2009

Nikolis G., Prigozhin I. Autoorganización en estructuras en desequilibrio. carril De inglés M., 1979;

Rubin A.B. Biofísica. T. I. M., 2004. T. 2. M., 2004 (3ª edición)

A.V., Ptitsyn O.B. Física de las proteínas. M., 2002.

que es la biofísica

El hombre se esfuerza por comprender el mundo. En estas audacias, el hombre se apoya en la ciencia y la tecnología. Enormes radiotelescopios escucharon la “voz” de galaxias distantes, duraderos batiscafos ayudaron a descubrir un nuevo mundo con animales sin precedentes en el fondo del océano, poderosos cohetes escaparon de la esfera de gravedad y abrieron el camino al espacio...

Hay otra “fortaleza” en la naturaleza que nos rodea. Esta es la vida misma. Sí, la vida, un organismo vivo, una célula viva, un bulto invisible de protoplasma (o citoplasma) con un núcleo encerrado en una capa, es uno de los fenómenos más misteriosos del mundo. Y esta "fortaleza", un arma poderosa, debe entregarse: la mente humana arranca los velos de los mundos microscópicos de las células vivas, penetrando en la esencia misma de la vida.
El estudio de la naturaleza por parte del hombre avanza tan rápidamente y conduce a resultados y conclusiones tan inesperados que no encajan en el marco de las viejas ciencias. Por ejemplo, la física, una de las ciencias más importantes sobre los fenómenos naturales, se ha desarrollado tan ampliamente que surgió la necesidad de identificar áreas nuevas e independientes: física cuántica, física nuclear, física del estado sólido, astronómica, radiofísica, etc. La ampliación y profundización del conocimiento humano sobre la naturaleza ha llevado al surgimiento de secciones de las ciencias que estudian procesos y fenómenos relacionados simultáneamente con varios campos del conocimiento.
Una de estas ciencias fronterizas, que surgió en la intersección de la biología, la física y la química, es la biofísica, que desempeña un papel especial en el estudio de las propiedades de la materia viva.
La biofísica es la ciencia de los procesos físicos y fisicoquímicos y su regulación en un organismo vivo.
La biofísica, a su vez, da origen a nuevas ciencias que amplían los horizontes del conocimiento humano. Así surgió la radiobiología, la ciencia que estudia los efectos de varios tipos de radiación en los organismos vivos; biología espacial: una ciencia que estudia las características de la vida en el espacio; la mecanoquímica, que estudia la conversión mutua de energía química y mecánica que ocurre en las fibras musculares; Más recientemente ha surgido la biónica, el estudio de los organismos vivos con el objetivo de utilizar los principios de su funcionamiento para crear aparatos y aparatos nuevos y sofisticados.
Una historia sobre estas disciplinas científicas incluidas en la biofísica ocuparía demasiado espacio, por lo que hablaremos sólo de las tres direcciones principales que se desarrollan hoy en la biofísica, de sus tres departamentos: biofísica molecular, celular y biofísica de los procesos de control.
Cada ciencia, incluida la biofísica, consta de dos partes: teórica y experimental, estrechamente relacionadas entre sí y que se complementan mutuamente. Pero también existen diferencias entre ellos. La biofísica teórica estudia fenómenos y procesos primarios que ocurren en moléculas biológicas, en lo que los científicos llaman sustancias modelo, es decir, aisladas de un organismo vivo o de sistemas creados artificialmente. Estos sistemas modelo se utilizan para estudiar los procesos básicos de la fotosíntesis, la naturaleza de los biopotenciales, la bioluminiscencia y otros fenómenos.
La biofísica experimental (aplicada) estudia el trabajo del cuerpo en su conjunto y sus órganos individuales, utilizando métodos y enfoques de la biofísica teórica (biofísica del movimiento, visión, regulación de funciones fisiológicas).
Una de las grandes ramas de la biofísica, como ya se mencionó, se llama biofísica molecular. Este departamento estudia las propiedades de las moléculas biológicas, los procesos fisicoquímicos que ocurren en células sensibles y su relación con las estructuras celulares. Se presta especial atención al estudio de las propiedades de las enzimas, proteínas que tienen la propiedad de acelerar (catalizar) reacciones bioquímicas en los organismos vivos.
Gracias a los éxitos de la biofísica molecular, la gente ha aprendido mucho sobre cómo se almacena y transmite la información en las células vivas, cómo se mueven las moléculas y los iones, cómo se sintetizan las proteínas y cómo se almacena la energía en las células vivas. La biofísica molecular ayuda en el estudio de la fotosíntesis.
Todo el mundo ha visto las hojas verdes de las plantas. Pero, probablemente, no todo el mundo sabe qué procesos sorprendentes ocurren en una hoja común de abedul o cerezo, manzano o trigo. El sol envía una cantidad colosal de energía a la Tierra, que se desperdiciaría sin uso si no fuera por las hojas verdes que la capturan, crean materia orgánica con su ayuda y así dan vida a toda la vida en la Tierra.
Este proceso tan importante ocurre en las partículas verdes que se encuentran en las células de las hojas: los cloroplastos, que contienen pigmentos vegetales, clorofila y carotenoides.
Los pigmentos absorben partes de la energía luminosa y producen la fotooxidación del agua: ésta cede su electrón a la molécula de clorofila y luego el protón se utiliza para reducir el dióxido de carbono a carbohidratos. (Un protón y un electrón, como se sabe, forman un átomo de hidrógeno; este átomo se quita en partes de una molécula de agua. El agua se oxida y se agrega al dióxido de carbono, y se obtienen carbohidratos). El resto del agua ( se llama hidroxilo) se descompone mediante enzimas especiales, formando oxígeno, que todos los seres vivos respiran.
Hablamos muy brevemente sobre la fotosíntesis. De hecho, la conversión de la energía luminosa absorbida por la clorofila en energía química de sustancias sintetizadas en la hoja verde es una cadena interminable de cambios moleculares. Durante este proceso, los electrones pasan de una molécula a otra, se forman y desintegran moléculas de compuestos con alta energía y se producen cientos de miles de reacciones.
Los biofísicos también trabajaron duro para desentrañar este proceso, y el esclarecimiento de sus detalles se lo debemos a la biofísica molecular.
Cabe preguntarse: ¿por qué los científicos luchan tanto y con tanto ahínco por el misterio de la hoja verde? El hecho es que una hoja verde es como una "fábrica" ​​en miniatura que produce sustancias que forman la base de la nutrición humana. Se estima que las plantas verdes consumen enormes cantidades de dióxido de carbono al año como materia prima: ¡150.000.000.000 g! Si los científicos desentrañan por completo el gran misterio de la hoja verde, la humanidad obtendrá la forma más rápida y económica de obtener alimentos y otros productos importantes, en una palabra, todo lo que las plantas verdes nos dan hoy al hombre.
La biofísica molecular también se ocupa de procesos que ocurren en los organismos animales, por ejemplo en sus órganos sensoriales.
Una de estas asombrosas y extraordinarias páginas de la biofísica molecular es el estudio del olfato. Los químicos han creado alrededor de 1 millón de compuestos orgánicos y casi todos tienen su propio olor característico. Una persona puede distinguir varios miles de olores y, para algunas sustancias, son suficientes cantidades extremadamente pequeñas para sentirlas: solo millonésimas y milmillonésimas de miligramo por litro de agua (por ejemplo, sustancias como escatol, trinitrobutiltolueno, [suficiente - 7-10 -9 mg/l).
Los animales son más sensibles que los humanos. ¡Los perros, por ejemplo, pueden distinguir alrededor de medio millón de olores diferentes! Son capaces (especialmente los perros rastreadores) de sentir el olor deseado, incluso si es insignificante. Tan pronto como una persona toca un poco el objeto, el perro ya puede determinar quién lo hizo. Se conocen casos en los que perros rastreadores entrenados ayudaron a los geólogos a encontrar mineral subterráneo a una profundidad de 2 a 3 m.
Pero, quizás, los peces y los insectos sean superiores a todos. Algunos peces perciben una sustancia olorosa con un contenido extremadamente bajo de 10" mg/l. ¡Esto equivale a disolver una gota de una sustancia en 100 mil millones de m3 de agua! Las mariposas se encuentran por el olfato a una distancia de varios kilómetros. Cálculos muestran que en este caso las mariposas detectan casi una molécula de sustancia olorosa por 1 mg de aire. Cómo sucede esto sigue siendo un misterio. Algunos científicos sugieren que las sustancias olorosas propagan ondas electromagnéticas, cuya energía es percibida por las células sensibles de las mariposas. insectos y les ayuda a encontrarse a largas distancias.
Recientemente, la atención de los biofísicos ha sido atraída por la inusual habilidad de algunas especies de moscas. Resulta que una mosca, al tocar cualquier sustancia con sus patas, realiza instantáneamente un análisis químico preciso. Se desconoce el mecanismo de este fenómeno, pero se ha establecido que unas células sensibles especiales en las patas determinan el "sabor" de una sustancia de forma electromagnética.
La biofísica molecular ayuda a aclarar no sólo las diferencias en la sensibilidad y estructura de los órganos olfativos en diferentes grupos de animales, peces e insectos, sino también el proceso de determinación del olfato en sí. Ahora se ha establecido que existen varios olores principales (6-7), cuyas combinaciones explican toda su diversidad. Estos olores básicos corresponden a ciertos tipos de células olfativas que perciben el olor. Las células tienen cavidades moleculares de forma y tamaño estrictamente definidos, correspondientes a la forma de las moléculas de sustancias olorosas (la molécula de alcanfor es como una bola, la molécula de almizcle es como un disco, etc.). Una vez en “su” cavidad, la molécula irrita las terminaciones nerviosas y crea una sensación de olfato.
Incluso a partir de una breve historia queda claro que existe una estrecha conexión entre el estudio de las células y los procesos moleculares que ocurren en ellas, es decir, entre la biofísica molecular y celular. Uno de ellos estudia los cambios moleculares, las propiedades de las moléculas biológicas, así como los sistemas que forman moléculas en las células (como dicen, formaciones submoleculares), sus propiedades y cambios, y el otro estudia las propiedades y el funcionamiento de las células: excretoras, contráctil, olfatorio, etc.
El desarrollo de la biofísica celular, que ahora analizaremos, se vio facilitado en gran medida por la invención del microscopio electrónico. El uso de un microscopio electrónico con un aumento de cientos de miles, millones de veces, ha ampliado enormemente nuestro conocimiento sobre los organismos vivos que habitan el planeta y su estructura interna. Al examinar una célula con un microscopio electrónico, inmediatamente se abrió un nuevo mundo de estructuras celulares ultramicroscópicas (más pequeñas). Los microscopios electrónicos permitieron ver membranas de distintos espesores, diminutos tubos, cientos de miles de veces más delgados que un cabello humano, diminutas burbujas, cavidades y túbulos. Las investigaciones han demostrado que incluso las estructuras celulares más pequeñas (mitocondrias, cloroplastos) también tienen una estructura bastante compleja. Quedó claro que cualquier célula, aparentemente un simple trozo de protoplasma con núcleo, es una formación compleja con una gran cantidad de diminutas partículas celulares (como dicen, elementos estructurales), que actúan en un orden estricto y están interconectadas de forma compleja y precisa. y coordinada.
Los investigadores quedaron especialmente impresionados por la variedad de elementos estructurales. Por ejemplo, en una célula nerviosa hay hasta 70 mil partículas: mitocondrias, gracias a las cuales la célula respira y recibe energía para sus actividades. Además, la célula contiene hasta cientos de miles de las partículas más pequeñas: los ribosomas, que crean moléculas de proteínas.
Lo más sorprendente es que en cualquier pequeña célula de un organismo vivo tienen lugar procesos coordinados precisos: se absorben las sustancias necesarias y se liberan las innecesarias, se produce la respiración y la división. Junto con esto, las células realizan funciones especiales: las células de la retina del ojo determinan la intensidad y la calidad de la luz, las células de la mucosa nasal determinan el olor de las sustancias, las células de varias glándulas secretan sustancias especiales: enzimas que promueven digestión y hormonas que ayudan al crecimiento y desarrollo del cuerpo.
Las células transmiten todo su gran trabajo (visto, oído, identificado) con impulsos eléctricos nerviosos al cerebro, el principal centro de coordinación. Cómo las células reciben la información necesaria del espacio circundante, cómo esta información se cifra en señales de impulsos eléctricos, cómo se forman los potenciales biológicos en las células, cuál es la conexión con el cerebro: todas estas y muchas otras cuestiones son estudiadas por la biofísica celular.
Recientemente se ha realizado un descubrimiento importante en el campo de la biofísica celular. Se sabe desde hace mucho tiempo que muchos organismos vivos tienen la capacidad de brillar: luminiscencia. Muchos habitantes de los mares tienen un brillo fuerte: peces, esponjas, estrellas, etc. Pero resulta que las células de cualquier organismo tienen luminiscencia, el llamado brillo ultradébil. Esta luz es tan insignificante que sólo unos dispositivos especiales pueden detectarla: fotomultiplicadores capaces de amplificar el flujo de luz incidente millones de veces. Se observa un brillo ultradébil en las raíces y hojas de las plantas, así como en las células de varios órganos animales. La luminiscencia ultradébil es inherente a todas las células de los organismos vivos y se produce como resultado de reacciones bioquímicas que ocurren en las células.
Los científicos han descubierto que el brillo ultradébil tiene sus propias características en diferentes grupos de animales, insectos y plantas. Basándose en la intensidad de la luz ultradébil, los biofísicos pueden ahora determinar la resistencia a la sequía y a las heladas de las plantas agrícolas (cebada, trigo) y ayudar así a los fitomejoradores y fisiólogos vegetales a obtener las variedades deseadas.
Ya hemos dicho que todas las células están interconectadas, que las reacciones que tienen lugar en ellas, a pesar de su complejidad, se desarrollan con una regularidad y coherencia asombrosas; también hablamos de la estrecha conexión de todas las células con el cerebro; Estas características de las células, los órganos y todo el organismo son estudiadas por un departamento de la ciencia que ha surgido recientemente: la biofísica de los procesos de control y regulación.
Hablemos del trabajo de este departamento usando el siguiente ejemplo. Cada órgano humano está formado por innumerables células, que a menudo realizan funciones específicas. Por ejemplo, la mucosa nasal, el llamado epitelio olfatorio, desempeña un papel importante en el sentido del olfato. La mucosa ocupa una superficie de no más de 4 s pero contiene casi 500 millones de células receptoras olfativas. La información sobre su trabajo se transmite al nervio olfatorio a través de fibras nerviosas, cuyo número alcanza los 50 millones, y luego al cerebro. Las partes del cerebro, los hemisferios cerebrales, contienen 2.1010 células, y en el cerebelo hay aún más: la décima. Incluso es difícil imaginar qué tipo de flujo de información recibe el cerebro cada segundo de todos los órganos y tejidos.
Las señales provenientes de las células en forma de impulsos eléctricos primarios deben descifrarse correctamente, luego es necesario tomar "decisiones" apropiadas y transmitir señales de respuesta: instrucciones sobre cómo deben funcionar ciertas células, tejidos u órganos en su conjunto en determinadas condiciones. Está claro que el sistema nervioso central recibe miles de señales diferentes del entorno externo en forma de sonidos, luces, olores, etc. Así, | Vemos cuán complejas son las relaciones en cualquier organismo, cuán complejo es el trabajo de gestionar las células, regular su condición y monitorear la coherencia de todos los procesos de la vida.
Esta importante rama de la biofísica se basa en leyes descubiertas por otra ciencia: la cibernética. Con sus métodos, los biofísicos que estudian los procesos de control y regulación han desarrollado modelos electrónicos de organismos vivos, órganos, células e incluso procesos individuales que ocurren en estas células. Estos modelos electrónicos (por ejemplo, tortuga electrónica, célula nerviosa electrónica, modelo electrónico del proceso de fotosíntesis) facilitan el estudio de todos | Fenómenos de regulación complejos en un organismo vivo.
Los biofísicos que estudian la regulación y el control en un organismo vivo han descubierto que tanto las células como los órganos de los organismos vivos son un sistema con una propiedad asombrosa. Las células y los órganos, como dicen los biofísicos, son sistemas AUTOreguladores, AUTOorganizadores, AUTOajustables y AUTOaprendizajes, es decir, todo su trabajo, las cualidades y propiedades inusuales que los caracterizan, la constancia de la composición del medio ambiente en su interior y el trabajo que realizan: todo está determinado por procesos que fluyen dentro de ellos.
Para imaginar un poco más detalladamente el trabajo de los biofísicos, hablaremos de una dirección interesante que surgió sobre la base de la biofísica y que ya se ha convertido en una ciencia biofísica independiente: la biónica.
Esta es una ciencia que estudia los organismos vivos para crear sistemas, máquinas y dispositivos artificiales perfectos. Los resultados de la investigación en biónica han demostrado que los ingenieros de diseño de todas las especialidades tienen algo que aprender de la naturaleza. Aquí hay unos ejemplos.
El diseño de las computadoras electrónicas modernas incluye una gran cantidad de piezas diferentes (diodos semiconductores, triodos, resistencias, condensadores, etc.). Las dimensiones de las computadoras electrónicas dependen de cuántas piezas (elementos) haya en 1 cm3 de la máquina. Cuantos más elementos de trabajo haya en 1 cm3 (la llamada densidad de instalación), más capacidad tendrá la “memoria” de la máquina, más posibilidades habrá de realizar las operaciones necesarias y mejor será el trabajo. Resulta que si la mayor densidad de instalación en los circuitos técnicos de las máquinas alcanza los 2.000 elementos por 1 cm3, entonces la densidad de instalación de los elementos cerebrales es 50.000 veces mayor: 100.000.000 de elementos por 1 cm3.

La diferencia entre los organismos vivos y las máquinas y dispositivos modernos más complejos se manifiesta no sólo en la estructura, sino también en las propiedades. Tomemos, por ejemplo, los órganos de la visión. Los ojos de los animales no sólo varían en tamaño, desde microscópicamente pequeños en una hormiga (0,1 mm) hasta gigantescos (20-30 cm) en los calamares, sino que también difieren en otras propiedades.
Resulta que el ojo de un pez herradura es capaz de mejorar el contraste entre el borde de la imagen visible y el fondo general, de modo que el objeto se define nítidamente, tal como se hace en una pantalla de televisión, aumentando o disminuyendo el contraste. El ojo de la rana común de los pantanos también tiene una propiedad interesante. Se sabe que la rana se alimenta únicamente de alimentos en movimiento: moscas, mosquitos, insectos. Pero si el insecto no se mueve, la rana nunca encontrará su alimento y seguirá hambrienta: su ojo sólo percibe objetos en movimiento, dejando el fondo desatendido.
Se sabe desde hace mucho tiempo que las aves nocturnas del bosque (búho real, búho) ven perfectamente en la oscuridad, pero más recientemente se ha demostrado la extraordinaria capacidad de algunos animales (ranas, ratones) para ver incluso los rayos ionizantes "invisibles": rayos X y radiación cósmica. - ha sido descubierto.
La naturaleza resultó ser un diseñador excepcional, alcanzando extraordinarias alturas de habilidad en el campo de la audición. Los experimentos han demostrado que el oído humano, gracias a su sensibilidad, es capaz de percibir sonidos cuya intensidad insignificante es incluso difícil de imaginar. ¡Sólo se puede comparar con el "ruido" con el que se produce el movimiento térmico de las moléculas! No menos llamativo es el órgano auditivo del saltamontes, situado en su pata. ¡Este órgano permite que el saltamontes sienta vibraciones, cuyo rango (amplitud) es la mitad del diámetro de un átomo de hidrógeno! La sensibilidad del oído del saltamontes es tan alta que, estando en Moscú, puede percibir los terremotos más pequeños que ocurren en la región del Lejano Oriente.
La biónica busca comprender todas las propiedades inusuales de los organismos vivos y aplicar los datos obtenidos para crear máquinas y dispositivos. Por ejemplo, los científicos están desarrollando un dispositivo que permitirá a las personas ciegas leer libros escritos en letra normal. Ya se ha creado un modelo de mano artificial, controlado por el pensamiento humano, más precisamente, por los biopotenciales que surgen en los músculos. Basándose en el estudio de los ojos de una abeja y una libélula (por cierto, tienen un ángulo de visión muy amplio: 240-300°), los diseñadores crearon un dispositivo: una brújula celeste, que se utiliza para mover barcos y aviones. El estudio de las medusas ayudó a diseñar un dispositivo que avisa de la aparición de una tormenta con casi 15 horas de antelación. La lista de dispositivos desarrollados por la biónica es muy grande, e incluso simplemente enumerarlos llevaría mucho tiempo.
Pero la biónica no sólo copia las funciones y la estructura de órganos animales individuales. Estudian y utilizan las peculiaridades de la transmisión de información en insectos, aves y peces. Los resultados de este trabajo son muy interesantes. Así, recientemente se supo que los mosquitos se comunican entre sí mediante ondas electromagnéticas en el rango milimétrico (13-17 mm), y el alcance de una "estación de radio" para mosquitos es de 15 m. Los sonidos que emiten los mosquitos cuando están "asustados" o ". terriblemente peligroso” (por ejemplo, cuando aparece un murciélago). Los científicos están trabajando para crear dispositivos ultrasónicos que repelan insectos dañinos y atraigan insectos beneficiosos. (Sobre la biónica, consulte también el artículo "¿Qué es la cibernética técnica y la biónica?").

Hemos hablado sólo de una pequeña parte de las investigaciones realizadas por los biofísicos, pero se podrían dar muchos más ejemplos tanto en el campo del estudio de las moléculas, como de las células y del organismo en su conjunto. Nuestro siglo es una época de grandes logros en todas las áreas del conocimiento, incluido el conocimiento de la naturaleza viva.

AP Dubov

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La Biofísica (BF) como disciplina científica independiente. Asunto y tareas.

Biofísica- este es un N., estudió física y fisicoquímica. pr-sy fluyendo hacia la biosis. en diferentes niveles de organización y es la base de los actos fisiológicos. El surgimiento de BF es un avance en la física; se hicieron aportes de las matemáticas, la química y la biología. novio– de la conferencia – esto es química física; Este es un biólogo de física química. sistemas Los primeros intentos de explicación son los biólogos. pr-sov están asociados con métodos de comparación con lo físico. pr-mi. Por ejemplo: mmm conducción nerviosa: qué común. ondas de oxidación en alambre de cobre en ácido.

Organismos vivos

Puntos de vista: 1) evolucionistas (reduccionistas): todos bioproc. puede reducirse a las leyes de la física y la química; 2) antievolución. (anti-reducción): no se puede reducir.

Física. Los métodos son bastante toscos y conducen a la destrucción del biosista. (p. ej.: descarga eléctrica) => se requiere penetración química.

Métodos: 1) Microelectrónica. Para estudiar potencial bioeléctrico. Principio: selección objeto (axón de calamar). 2) Método de modelado de biomembranas. Español membranas artificiales: a) liposomas, b) biomembranas bicapa, c) proteoliposoma. Estudiar. Proceso de transporte y propiedades de las biomembranas. 3) métodos ópticos, análisis estructural de rayos X mediante radiación sincrotrón, espectroscopia de RMN y EPR, espectroscopia de 7 resonancias, diversos métodos electrométricos, tecnología de microelectrodos, métodos de quimioluminiscencia, espectroscopia láser, método de átomos etiquetados, etc. para diagnóstico y terapia médica.

Tareas BF (problemas):

1. Estudio de cuestiones relacionadas con el surgimiento, intercambio y transferencia de E en sistemas vivos.

2. investigación papel del microscopio unidades fisicoquimicas estructuras en el funcionamiento de los biosistemas.

3. alboroto y conducción de los nervios. impulsos.

5. el efecto de las radiaciones ionizantes (en músculos, órganos, organismos).

7. problema de la permeabilidad celular. y tejidos.

8. estudiado biólogo. membranas: naturaleza molecular. membranas; surgió potencial.

9. estudiado compuestos altamente fundidos con t.zr. física.

10. estudiado m-mov almacenamiento y transmisión de herencia. información.

11. autonomía.

Secciones de biofísica.:

1. Molecular – estudiado. estructura y propiedades físico-químicas, biofísica de moléculas.

2. Células BF – estudiadas. Características de la estructura y función de los tejidos y sistemas tisulares.

3. BF de sistemas complejos - estudiado. Cinética de bioprocesos, comportamiento en el tiempo de diversos procesos inherentes a la materia viva y biosistemas TD.

Historia: 1892: comencé a mirar la biografía. desde la perspectiva de la física. Un gran avance a finales de los años 30: el primer instituto de la rama báltica en la URSS (E radiante y biosist., generación y conducción de impulsos, bioelectricidad). 1953 – Departamento de Física del Báltico de la Universidad Estatal de Moscú. 1974 – Departamento de Física del Báltico de BSU.

Procesos y patrones biológicos y físicos en los sistemas vivos. Reduccionismo y antireduccionismo. El principio de irreductibilidad cualitativa.

Organismos vivos– un sistema heterogéneo abierto, autorregulador, autorreproductor y en evolución, cuyos elementos funcionales más importantes son los biopolímeros: proteínas y núcleos. a usted compleja estructura atómico-molecular.

Los primeros intentos de explicación son los biólogos. pr-sov están asociados con métodos de comparación con lo físico. pr-mi. Por ejemplo: mmm conducción nerviosa: qué común. ondas de oxidación en alambre de cobre en ácido; la contracción muscular se explicó por el trabajo de los elementos piezoeléctricos; crecimiento celular. Inicialmente, la física penetró en la química: la necesidad de explicar en qué se diferenciaban. Los compuestos interactúan en el cuerpo: química física y física química.

Hay dos campos modernos. físicos:

1) Reduccionistas: Cualquier proceso biológico ocurre. en un organismo vivo se puede reducir a la suma de lo químico y lo físico. y mecanico procesos. La explicación de lo complejo es más sencilla, lo incomprensible es lo conocido. Conociendo las propiedades de los elementos individuales, comp. sistema y las características de su interacción, es posible derivar todas las propiedades de este sistema. Arr. un nivel más complejo es el resultado de la complicación de otros más simples. A veces: intenta sustituir el estudio de un objeto real por su modelo simplificado. Logro: Predecir la existencia del planeta Neptuno. Pero como método de pensamiento no es universal. Fracaso en biología: no lo pueden explicar desde este punto de vista. fenómeno de la vida.

2) Antirreduccionistas: El principio de irreductibilidad cualitativa o bioantired., es decir. la imposibilidad de reducir las leyes y principios que rigen la materia viva a una suma elemental de física, química y mecánica. procesos proceso de vida. Aquellos. Física y Matemáticas modelos no m.b. adecuados si no contienen elementos de la organización funcional de los sistemas vivos. Aquellos. hay un límite después del cual las ideas físicas dejan de ser un medio de cognición autosuficiente, y luego algunas verdades biológicas se convierten en el factor determinante, sin el cual ya no se puede prescindir.

Principales direcciones de desarrollo de la biofísica moderna. Niveles de investigación biofísica.

Biofísica- este es un N., estudió física y fisicoquímica. pr-sy fluyendo hacia la biosis. en diferentes niveles de organización y es la base de los actos fisiológicos.

Secciones de biofísica.: (y los niveles son los mismos... probablemente))))

1. Molecular – estudiado. estructura y propiedades físico-químicas, biofísica de moléculas, biopolímeros y sistemas supramoleculares.

2. Células BF – estudiadas. Características de la estructura y función de los tejidos y sistemas tisulares. BF de procesos de membrana – propiedades de las biomembranas y sus partes; Fotobiol BF. procesos: el impacto de las fuentes de luz externas en los sistemas vivos; Radiación BF: los efectos de las radiaciones ionizantes en el cuerpo.

3. BF de sistemas complejos - estudiado. Cinética de bioprocesos, comportamiento en el tiempo de diversos procesos inherentes a la materia viva y biosistemas TD: transformaciones de E en estructuras vivas.

La biofísica moderna se está desarrollando rápidamente y sus logros contribuyen a la transición de la biología a un nivel de investigación molecular cualitativamente superior.

No sé qué más se puede encontrar aquí, en Wikipedia, como instrucciones: BF matemático. BF Aplicada: bioinformática (aunque no es una sección propia de la BF, pero está muy relacionada con ella); biometría; biomecánica (funciones y estructura del sistema musculoesquelético y movimiento físico de los biosistemas); BF de procesos evolutivos; BF médico; novio ecológico.

Los bioobjetos son muy complejos y los procesos que ocurren en ellos están influenciados por muchos factores. dependen unos de otros. La física te permite crear modelos simplificados de un objeto, gato. se describen mediante las leyes de TD, electrodinámica, mecánica cuántica y clásica. Con asistente correlaciones fisicas Los datos biológicos pueden proporcionar una comprensión más profunda de los procesos en un objeto biológico. Para obtener información en sistemas biológicos se utilizan diversos métodos ópticos, análisis estructural de rayos X mediante radiación sincrotrón, espectroscopia de RMN y EPR, espectroscopia de 7 resonancias, diversos métodos electrométricos, tecnología de microelectrodos, métodos de quimioluminiscencia, espectroscopia láser, método de átomos etiquetados, etc. usado. Esto es español. para diagnóstico y terapia médica.

4. La termodinámica como núcleo de la biofísica moderna. Asunto y tareas. Significado práctico TD en la investigación de BF.

DT- esto es n. sobre la transformación de E. TD - esto es n., estudiado. los patrones más generales de transformación de varios tipos de E en el sistema.

Asunto TD: MI; aparición de E en sistemas vivos; interacción vivo sistema. de los alrededores ambiente. Enfoques: fenomenológico y detallado. Los parámetros TD son significativos sólo en los estados inicial y final.

Métodos: estadístico (pero no da una idea del proceso).

Direcciones: 1) estudiado y cálculo de E en reposo y durante el trabajo. Se ha estudiado y determinado la eficiencia de diversos procesos biológicos. 2) estudiado. Procesos dinámicos en los sistemas vivos. (transporte en-va).

Significado: Le permite evaluar los cambios de energía que ocurren. como resultado de bioquímica distritos; calcular E para romper enlaces químicos específicos; calcular el osmot. presión a ambos lados de las semipermeaciones. membranas; Calcule el efecto de la concentración de sal en la solución sobre la solubilidad del macro-l. Se utiliza para describir procesos que ocurren. en electroquímica células. Involucrado en fundamentar la teoría del origen y evolución de la vida en la Tierra.

Materia: estudio de los cambios en el equilibrio del sistema organismo vivo - medio ambiente.

Hay 2 principales. Direcciones de uso de la termodinámica:

a) cálculo de la transformación E en un organismo vivo y en sistemas orgánicos separados, tanto en reposo como durante el trabajo. Determinación de la eficiencia de diversos procesos biológicos.

b) Estudio de los organismos vivos como sistemas abiertos.

Termodinámica de procesos biológicos.

1. Enfoques: fenomenológico y detallado. Los parámetros t/d son significativos sólo en los estados inicial y final. La termodinámica es una ciencia que estudia los patrones más generales de transformación de varios tipos de energía en un sistema.

2. Importancia práctica de t/d en biología. Le permite evaluar los cambios de energía que ocurren como resultado de reacciones bioquímicas; calcular la energía de ruptura de enlaces químicos específicos; calcular la presión osmótica a ambos lados de la membrana semipermeable; Calcular el efecto de la concentración de sal en solución sobre la solubilidad de las macromoléculas. Se utiliza para describir procesos que ocurren en celdas electroquímicas. Involucrado en fundamentar la teoría del origen y evolución de la vida en la Tierra.

Comprender las funciones humanas es una de las tareas más difíciles. El desarrollo de la ciencia se produce en las primeras etapas: la diferenciación de disciplinas destinadas al estudio en profundidad de determinados problemas. En la primera etapa, intentamos comprender una determinada parte y, cuando lo logramos, surge otra tarea: cómo formarnos una idea general. Las disciplinas científicas surgen en la intersección de las especialidades iniciales. Esto también se aplica a la biofísica, que surgió en la intersección de la fisiología, la física y la química física y abrió nuevas oportunidades para comprender los procesos biológicos.

Biofísica- una ciencia que estudia los procesos físicos y fisicoquímicos en diferentes niveles de la materia viva (molecular, celular, de órganos, organismo completo), así como los patrones y mecanismos de influencia de los factores físicos ambientales en la materia viva.

Asignar-

• Biofísica molecular: cinética y termodinámica de procesos.
• biofísica celular - estudio de la estructura celular y manifestaciones fisicoquímicas - permeabilidad, formación de biopotenciales
• biofísica de los órganos sensoriales: mecanismos físicos y químicos de recepción, transformación de energía, codificación de información en receptores.
• Biofísica de sistemas complejos: procesos de regulación y autorregulación y características termodinámicas de estos procesos.
• Biofísica de la influencia de factores externos: estudia el efecto en el cuerpo de las radiaciones ionizantes, los ultrasonidos, las vibraciones y la exposición a la luz.

Tareas del biofísico.

1. Establecer patrones en la vida silvestre mediante el estudio de fenómenos físicos y químicos en el cuerpo.
2. Estudio de los mecanismos de influencia de los factores físicos en el organismo.

Euler (1707-1783) - leyes de la teoría de la hidrodinámica, para explicar el movimiento de la sangre a través de los vasos.

Lavoisier (1780): estudió el metabolismo energético en el cuerpo.

Galvani (1786) - fundador de la doctrina de los biopotenciales, la electricidad animal.

Helmholtz(1821)

Rayos X: intentaron explicar los mecanismos de contracción muscular desde la posición de los efectos piezoeléctricos.

Arrhenius: leyes de la cinética clásica para explicar los procesos biológicos

Lomonosov - la ley de conservación y transformación de la energía

Sechenov: estudió el transporte de gases en la sangre.

Lazarev - fundador de la escuela nacional de biofísica

Pauling: descubrimiento de la estructura espacial de las proteínas.

Watson y Crick: descubrimiento de la doble estructura del ADN

Hodgkin, Huxley, Katz: descubrimiento de la naturaleza iónica de los fenómenos bioeléctricos

Prigogine - teoría de la termodinámica de procesos irreversibles

Eigen: la teoría de los hiperciclos como base de la evolución

Sakman, Neher: estableció la estructura molecular de los canales iónicos.

La biofísica se conectó con el desarrollo de la medicina, porque Allí se utilizaron métodos de influencia física sobre el cuerpo.

La biología se estaba desarrollando y era necesario penetrar los secretos de los procesos biológicos que ocurren a nivel molecular.

La necesidad de la industria, cuyo desarrollo ha llevado a la acción de diversos factores físicos en el cuerpo: radiación radiactiva, vibraciones, ingravidez, sobrecarga.

Métodos de investigación biofísica.

• Análisis de difracción de rayos X.- estudio de la estructura atómica de la materia mediante difracción de rayos X. La distribución de la densidad electrónica de una sustancia se determina a partir del patrón de difracción, y a partir de él es posible determinar qué átomos están contenidos en la sustancia y cómo están ubicados. Estudio de estructuras cristalinas, líquidos y moléculas de proteínas.
• Cromatografía de columna- diferente distribución y análisis de mezclas entre 2 fases: móvil y estacionaria. Puede deberse a distintos grados de absorción de sustancias o a distintos grados de intercambio iónico. Puede ser gas o líquido. La distribución de sustancias se utiliza en capilares - capilares o en tubos llenos de sorbente - columnares. Se puede realizar sobre papel, platos.
• Análisis espectral- determinación cualitativa y cuantitativa de una sustancia mediante espectros ópticos. La sustancia se determina por su espectro de emisión (análisis espectral de emisión) o por su espectro de absorción (absorción). El contenido de una sustancia está determinado por el grosor relativo o absoluto de las líneas del espectro. También se incluyen la radioespectroscopia: resonancia paramagnética electrónica y resonancia magnética nuclear.
• indicación isotópica
• Microscopio de electrones
• Microscopía ultravioleta- El estudio de objetos biológicos con rayos ultravioleta aumenta el contraste de la imagen, especialmente las estructuras intracelulares, y permite estudiar otras células sin tinción previa ni fijación del fármaco.

Una de las condiciones más importantes para la existencia es la adecuada adaptación de funciones, órganos, tejidos y sistemas al medio ambiente. Hay un equilibrio constante del cuerpo y el medio ambiente. En estos procesos, el proceso principal es la regulación y control de las funciones fisiológicas.

Las leyes generales de implementación, gestión y procesamiento de información en diferentes sistemas son estudiadas por la ciencia de la cibernética (la cibernética es el arte de controlar las leyes de control que son comunes tanto a los humanos como a los dispositivos técnicos). El surgimiento de la cibernética fue preparado por el desarrollo de la teoría del control automático, el desarrollo de la radioelectrónica y la creación de la teoría de la información.

Este trabajo fue resumido por Shannon (1948) en "La teoría matemática de las comunicaciones".

Cibernética Se ocupa del estudio de sistemas de cualquier naturaleza que sean capaces de percibir, almacenar y procesar información y utilizarla para su control y regulación. La cibernética estudia aquellas señales y factores que conducen a determinados procesos de control.

Es de gran importancia para la medicina. El análisis de procesos biológicos nos permite estudiar cualitativa y cuantitativamente los mecanismos reguladores. Los procesos de información de gestión y regulación son decisivos en el organismo, es decir. son primarios, sobre la base de los cuales ocurren todos los procesos.

Sistemas- un conjunto organizado de elementos conectados entre sí y que realizan determinadas funciones de acuerdo con el programa de todo el sistema. Los elementos del cerebro serán las neuronas. Los elementos de un equipo son las personas que lo integran. Sólo que la multitud no es un sistema cibernético.

Programa- una secuencia de cambios del sistema en el espacio y el tiempo que pueden incrustarse en la estructura del sistema o ingresar desde el exterior.

Conexión- el proceso de interacción de elementos entre sí, durante el cual hay un intercambio de materia, energía e información.

Los mensajes pueden ser continuos o discretos.

Continuo tener el carácter de una cantidad en continuo cambio (presión arterial, temperatura, tensión muscular, melodías musicales).

Discreto- constan de pasos separados o gradaciones que se diferencian entre sí (porciones de mediadores, la base nitrogenada del ADN, puntos y rayas del código Morse)

El proceso de codificación de información también es importante. Codificado por impulsos nerviosos para la percepción de información por los centros nerviosos. Elementos de código: símbolos y posiciones. Los símbolos son cantidades adimensionales que distinguen algo (las letras del alfabeto, los signos matemáticos, los impulsos nerviosos, las moléculas de sustancias olorosas y las posiciones están determinadas por la disposición espacial y temporal de los símbolos).

El código de información contiene la misma información que el mensaje original. Este es un fenómeno de isomorfismo. La señal del código tiene un valor energético muy bajo. La recepción de información se evalúa por la presencia o ausencia de una señal.

Mensaje e información no son lo mismo, porque según la teoría de la información

Información- una medida de la cantidad de incertidumbre que se elimina después de recibir un mensaje.

Posibilidad de que ocurra un evento - información a priori.

La probabilidad de que ocurra un evento después de recibir información es información posterior.

El contenido informativo del mensaje será mayor si la información recibida aumenta la probabilidad posterior.

Propiedades de la información.

1. La información sólo tiene sentido si existen sus receptores (consumidores): "si hay un televisor en la habitación y no hay nadie en ella".
2. La presencia de una señal no significa necesariamente que se esté transmitiendo información, porque hay mensajes que no aportan nada nuevo al consumidor.
3. La información se puede transmitir tanto a nivel consciente como subconsciente.
4. Si el evento es confiable (es decir, su probabilidad P = 1), el mensaje de que ocurrió no contiene ninguna información para el consumidor.
5. Un mensaje sobre un evento cuya probabilidad es P.< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Desinformación- valor negativo de la información.

Medida de incertidumbre de los acontecimientos - entropía(H)

Si log2 N=1 entonces N=2

Unidad de información - poco(unidad binaria de información)

H=logN (Hartley)

1 hartley- la cantidad de información necesaria para seleccionar una de diez posibilidades igualmente probables. 1 Hartley = 3,3 bits

El regulador puede actuar en compensación, cuando el efecto en el organismo es una acción compensatoria del regulador, que conduce a la normalización de la función.

El control tiene como objetivo poner en marcha funciones fisiológicas, su corrección y coordinación de procesos.

El más antiguo es el mecanismo de regulación humoral.

Mecanismo nervioso.

Mecanismo neurohumoral.

El desarrollo de mecanismos reguladores lleva al hecho de que los animales son capaces de moverse y escapar de un entorno desfavorable, a diferencia de las plantas.

Mecanismo de avanzada (en humanos): en forma de reflejos condicionados. Podemos implementar medidas para influir en el entorno en función de señales de estímulo.