Навигация
Биофизика как биологическая наука
15055
знаков
0
таблиц
0
изображений
План
1. Определение биофизики как науки.
2. Развитие и становление биофизики как науки
3. Основные разделы биофизики
4. Задачи биофизики как фундаментальной и прикладной науки на современном этапе.
1. Определение биофизики как науки
Биофизика как наука начала формироваться ещё в XIX веке. Многие физиологи того периода уже работали над вопросами, которые в настоящее время являются объектами биофизического исследования. Пионером в этой области является выдающийся русский физиолог И.М. Сеченов. Изучая динамику дыхательного процесса с помощью методов физической химии и использую определенный математический аппарат он установил количественные законы растворимости газов в биологических жидкостях. По его предложению такая область исследования стала именоваться молекулярной физиологией. Другой исследователь, известный немецкий физик Гемгольц (H. Hemholz), разрабатывая проблемы термодинамики, предпринимает попытку использования этих законов для пониманию энергетики живых систем. Изучая работу органов зрения, он впервые определил скорость проведения возбуждения по нерву.
В формировании биофизики как биологической науки выдающуюся роль сыграли исследования К.А. Тимирязева в области фотосинтеза, которые явились началом становления фотобиофизики.
Таким образом, биофизика это наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений.
Теоретическое построение и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Эти понятия отражают природу основных взаимодействий и законов движения материи, что, как известно, составляет предмет физики – как фундаментальной естественной науки. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления. Основная тенденция современной биофизики – проникновение на самые глубокие, элементарные уровни, составляющие молекулярную основу структурной организации живого.
2. Развитие и становление биофизики как науки
Развитие и становление биофизики как пограничной науки проходило ряд стадий. Уже на начальных этапах биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики.
Проникновение и применение законов физики для описания различных закономерности живой природы встретило целый ряд трудностей.
Ещё в прошлом веке делались попытки использовать методы и теории физики для изучения и понимания природы биологических явлений. Причём исследователи рассматривали живые ткани и клетки как физические системы и не учитывали того факта, что основную роль в этих системах играет химия. Именно поэтому попытки решать задачи оценки свойств биологического объекта с чисто физических позиций носили наивный характер.
Основным методом этого направления являлись поиски аналогий.
Биологические явления, сходные с явлениями чисто физическими трактовались, соответственно, как физические.
Например эффект мышечного сокращения объясняли по аналогии с пьезоэлектрическим эффектом, на основании только того факта, что при наложении потенциала на кристалл происходило изменение длины кристалла, примерно так же как происходило изменение длины мышцы при сокращении. Рост клеток считали аналогичным росту кристалла. Клеточное деление рассматривали как явление, обусловленное только поверхностно-активными свойствами наружных слоёв протоплазмы. Амебоидное движение клеток уподоблялось изменению поверхностного натяжения и, соответственно, его моделировали движением ртутной капли в растворе кислоты.
Даже значительно позже, в двадцатые годы нашего столетия, детально рассматривали и изучали модель нервного проведения на анализе поведения так называемой модели Лили. Эта модель представляла собой железную проволоку, которая погружалась в раствор кислоты и покрывалась при этом плёнкой окиси. При нанесении на поверхность царапины окись разрушалась, а затем восстанавливалась, но одновременно разрушалась в соседнем участке и так далее. Другими словами, получилось распространение волны разрушения и восстановления, очень похожее на распространение волны электроотрицательности возникающей при раздражении нерва.
Возникновение и развитие в физике квантовой теории привело к попытке объяснить действие лучистой энергии на биологические объекты с позиции статистической физики. В это время появляется формальная теория, которая объясняла лучевое поражение как результат случайного попадания кванта (или ядерной частицы) в особо уязвимые клеточные структуры. При этом совершенно упускались из вида те конкретные фотохимические реакции и последующие химические процессы, которое определяют развитие лучевого поражения во времени.
Ещё сравнительно недавно на основании формального сходства закономерностей электропроводности живых тканей и электропроводности проводников полупроводников пытались применить теорию полупроводников для объяснения структурных особенностей целых клеток.
Это направление, базирующееся на моделях и аналогиях, хотя и может привлечь к работе весьма совершенный математический аппарат, вряд ли приблизит биологов к пониманию сущности биологических процессов. Попытки использования чисто физических представлений для понимания биологических явлений и природы живой материи дали большое количество спекулятивных теорий и ясно показали, что прямой путь физики в биологию не продуктивен, так как живые организмы стоят несравненно ближе к химическим системам, чем к физическим.
Значительно более плодотворным оказалось внедрение физики в химию. Применение физических представлений сыграло большую роль в понимании механизмов химических процессов. Возникновение физической химии сыграло революционную роль. На основе тесного контакта физики и химии возникли современная химическая кинетика и химия полимеров. Некоторые разделы физической химии, в которых физика получила доминирующее значение, стали называться химической физикой.
Именно с возникновением физической химии связано развитие биофизики.
Многие важные для биологии представления пришли в неё из физической химии. Достаточно напомнить, что применение физико-химической теории растворов электролитов к биологическим процессам, привело к представлению о важной роли ионов в основных процессах жизнедеятельности.
С развитием физической и коллоидной химии расширяется фронт работ в области биофизики расширяется. Появляются попытки объяснить с этих позиций механизмы реагирования организма на внешние воздействия. Так большую роль в развитии биофизики сыграла школа Лёба (J. Loeb 1906 г). В работе Лёба были выявлены физико-химические основы явлений партеногенеза и оплодотворения. Конкретную физико-химическую интерпретацию получило явление антагонизма ионов.
Позднее появились классические исследования Шаде (H. Schde) о роли ионных и коллоидных процессов в патологии воспаления. Эти исследования завершаются фундаментальным трудом «Физическая химия во внутренней медицине», которые издаётся в России в 1911–1912 гг.
Первая мировая война приостановила развитие биофизики как науки.
Но уже в 1922 году в СССР открывается «Институт биофизики», которым руководит П.П. Лазарев. Здесь он разрабатывает ионную теорию возбуждения, которая в это же время разрабатывается и Нернстом Было установлено, что в явлениях возбуждения и проведения решающая роль принадлежит именно ионам.
С.И. Вавилов занимается вопросами предельной чувствительности глаза. В.Ю. Чаговец разрабатывает ионную теорию возникновения биопотенциалов, Н.К. Кольцов обосновывает роль поверхностного натяжения, ионов и рН в морфогенезе.
Школа Кольцова сыграла видную роль в развитии биофизики в СССР. Его ученики широко разрабатывали вопросы влияния физико-химических факторов внешней среды на клетки и их структуры.
Несколько позже (1934) Родионов С.Р. и Франк Г.М. открыли явление фотореактивации, Завойский (1944) метод электронного парамагнитного резонанса.
Основной итог начального периода развития биофизики – это вывод о принципиальной возможности использования в области биологии основных законов физики как фундаментальной естественной науки о законах движения материи.
Важное общеметодическое научное значение для развития разных областей биологии имеют полученные в этот период экспериментальные доказательства закона сохранения энергии (первый закон термодинамики),
Применение представлений коллоидной химии к анализу некоторых биологических процессов показало, что в основе протоплазмы различными факторами лежит коагуляция биоколлоидов. В связи с возникновением учения о полимерах коллоидная химия протоплазмы переросла в биофизику полимеров, и, особенно, полиэлектролитов.
Появление химической кинетики также вызвало появление аналогичного направления в биологии. Ещё Аррениус – один из основателей химической кинетики, показал, что общие закономерности химической кинетики применимы к изучению кинетических закономерностей в живых организмах и к отдельным биохимическим реакциям.
Успехи применения физической и коллоидной химии при объяснении ряда биологических явлений нашли отражение и в медицине.
Была выявлена роль коллоидных и ионных явлений в воспалительном процессе. Физико-химическую интерпретацию получили закономерности клеточной проницаемости и её изменений при патологических процессах, то есть физико-химическая (биофизическая патология).
С развитием биофизики в биологию проникли и точные экспериментальные методы исследований – спектральные, изотопные, радиоскопические.
Похожие работы
... не о замене всех наук одной наукой, а об общности методологических основ научных понятий и неизбежности их прогрессирующего органического синтеза."2. Действительно, как мы видели, взаимодействие наук осуществляется не "вообще", а в связи с изучением конкретных практических и научных проблем и ведет к образованию новых блоков, комплексов общественно-научного, естественнонаучного и технического ...
... школа, 1988. 10. Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика. Воронеж: Воронежский гос. ун-т 1994. 11. Антонов В.Ф. Биофизика. VI.: Арктос-Викапресс, 2000. 12. Дополнительная 13. Механика и биомеханика 14. Никитин E. VI. Теоретическая механика. VI.: Наука. 1968. Александер Р. Биомеханика. VI.: Мир. 1970. 15. Журавлева А.И., Iраевская И.Д. Спортивная медицина и лечебная ...
... Рисунок Кинетика биопроцессов Динамические свойства биопроцессов Каждая система состоящая из элементов будет характеризоваться динамикой, складывающейся из элементов. Кинетика биопроцессов – раздел биофизики, изучающий динамические свойства биопроцессов. 1. Параметры, меняющие свое значение со временем. Переменные величины: численность клеток, биомасса, концентрация ...
... , пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, ...
0 комментариев