INSTITUȚIA EDUCAȚIONALĂ A STATELOR DE ÎNVĂȚĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOARĂ
IV Kovalev, I.V. Petrova, L.V. Kapilevich, A.V. Nosarev, E.Yu. Dyakov
LECTURILE PRIVIND BIOPHYSICA
Manual educativ-metodic Editat de prof. Baskakova M.B.
BBK: E901y7 L: 436
Manualul este destinat elevilor de 3-5 cursuri ale facultății medico-biologice și studenților din primul și al doilea an al facultății farmaceutice de la Universitatea de Stat din Siberia. De asemenea, aceștia se pot bucura de studenții universităților medicale și de specialitățile biologice ale universităților, studiind în mod independent elementele de bază ale biofizicii.
Manualul descrie sistematic materialul teoretic și actual al cursului biofizicii generale, biofizicii celulare și biofizicii organelor și sistemelor.
INTRODUCERE ÎN BIOPHYSICĂ
Ca știință independentă, biofizica a apărut în 1966, când sa organizat uniunea științifică internațională a biofiziciștilor și a apărut următoarea definiție a acestei științe: "Biofizica este o orientare specială a gândirii". Cu toate acestea, discuția asupra esenței biofizicii, ca știință, continuă și astăzi.
Biofizica a apărut la intersecția dintre biologie și fizică și, prin urmare, compoziția biofiziciștilor a fost întotdeauna eterogenă. Până în prezent, se observă două tendințe în dezvoltarea biofizicii, iar asimilarea lor nu este întotdeauna ușoară. Astfel, pe de o parte, fenomenele fizice ale activității vieții sunt luate ca un subiect independent de studiu în izolare de semnificația lor biologică și adesea toate manifestările vieții sunt reduse la legile fizice. Pe de altă parte, dimpotrivă, se presupune că, împreună cu legile fizice, sistemele vii au proprietăți speciale, care în principiu sunt inexplicabile din punct de vedere fizic. Din aceste motive, definițiile biofizicii sunt deseori diametral opuse. De exemplu:
"Biofizica este chimia fizică și fizica chimică a proceselor biologice" (P.O. Makarov, 1968).
"Biofizica este fizica fenomenelor de viață studiate la toate nivelurile" (Wolkenstein, 1981).
Și în același timp:
"Biofizica face parte din biologia care se ocupă de principiile fizice ale construcției și funcționării unor sisteme biologice relativ simple" (LA Blumenfeld, 1977).
Formulările de mai sus definesc în esență două abordări ale biofizicii, bazate pe metodologiile opuse ale acestor abordări.
Argumentele „fizicienii“ de multe ori redus la faptul că multe procese biologice complexe se potrivesc bine în cadrul unui relativ simple modele matematice (cataliza enzimatică, enzime fotoincativare, modelul populatie de „prădător-pradă“).
Susținătorii abordării "biologice" susțin că în sistemele vii se pot găsi multe fenomene care nu sunt inerente naturii neînsuflețite. Principalul subiect al acestei discuții prelungite este întrebarea: "Sunt toate manifestările vieții reducabile la legile fizice și chimice?"
Baza metodologică pentru rezolvarea acestei probleme a fost principiul inegalabilității calitative. El sugerează că, pe măsura acumulării cunoștințelor științifice, vor fi oferite explicații fizico-chimice ale problemelor biologice și, în același timp, vor fi dezvăluite noi cunoștințe despre natura vie care nu sunt explicate în stadiul actual din punctul de vedere al fizicii. Principala consecință practică a principiului irreducibilității calitative - numai un "aliaj calitativ" al metodelor de fizică și biologie poate asigura avansarea biofizică
"Biofizica este o direcție a științelor naturale, al cărei scop este să explicăm rațional legătura dintre aspectele fizice și biologice ale materiei vii".
Istoria dezvoltării biofizicii
Se poate argumenta că biofizica își începe istoria din tratatul fundamental al lui Cicero (II-III î.Hr.) "Fiziologia". Acest nume vine de la cuvântul fizician - așa că a fost numit apoi știința naturii. Știința vieții naturii, Cicero, a numit fiziologia. Acest nume indică deja rolul important al fizicii în formarea științei vieții.
În secolul al XVIII-lea în fizică, dezvoltarea secțiunilor de hidrodinamică, teoria stărilor gazelor, termodinamică, a pus bazele doctrinei energiei electrice. În matematică se formează metode de calcul diferențial și integral. F. Leibniz a propus noțiunea de "forță de muncă" - mV 2, spre deosebire de cantitatea de mișcare mV. În acest moment, sunt descrise principiile de bază ale hemodinamicii, care mai târziu sunt denumite biofizică (L. Eiler).
Următorul pas serios în dezvoltarea biofizicii este asociat cu descoperirea electricității biologice a lui L. Galvani (1791). El a descoperit fenomenul de răsucire a picioarelor broaștei ca răspuns la o descărcare electrică și a sugerat rolul principal al electricității în transmisia neuromusculară. L. Galvani a stabilit dependența cantitativă a stimulării și excitației, a introdus conceptul de "prag". În 1837, Matteuchi, folosind un galvanometru, a înregistrat mai întâi potențialul electric al celulelor vii.
În secolul al XIX-lea fizica clasică a fost formată deja sub formă, așa cum o știm astăzi. La granița secolelor XIX-XX se desfășura formarea biofizicii ca sistem complex și integral de cunoaștere a naturii vii. Astăzi biofizica include o serie de secțiuni, fiecare dintre ele fiind formată în
direcție științifică independentă. Și dacă în anii 1930 și 40 ați putea să vă considerați în continuare un expert în biofizică "în general", astăzi o persoană nu este în măsură să acopere toate direcțiile sale.
Ce studiază biofizica?
Secțiunea 1. Biofizica generală. Include termodinamica sistemelor biologice, cinetica proceselor biologice, fotobiologie si biofizica moleculara.
Termodinamică biologică sau termodinamică a sistemelor biologice. studiază procesele de transformare a materiei și a energiei în organismele vii. Această secțiune a biofizicii pregătește încă drumul pentru discuții despre faptul dacă legile termodinamicii sunt îndeplinite în organismele vii. Această secțiune se bazează pe lucrările lui A. Lavoisier și P. Laplace menționate mai sus, care au dovedit aplicabilitatea primei legi a termodinamicii la sistemele vii. Dezvoltarea ulterioară a acestei direcții a condus la descrierea echivalentului termic Helmholtz al produselor alimentare. Cea mai mare contribuție la acest proces a fost făcută de biofizicianul austriac I. Prigogine, care a dovedit aplicabilitatea celei de-a doua lege a termodinamicii sistemelor biologice și a pus bazele teoriei termodinamicii sistemelor de neechilibru deschis.
Cinetica proceselor biologice este probabil domeniul biofizicii cel mai aproape de fizică și chimie. Viteza și modelele de reacții din sistemele vii diferă puțin de celelalte. Subiectul exclusiv este - studiul enzimelor, cinetica reacțiilor enzimatice și metodele de reglare a activității enzimatice descrise de Michaelis și Menten.
Fotobiologie. sau biofizica cuantică - studiază interacțiunea radiației cu organismele vii. Lumina vizibilă joacă un rol deosebit de important în biologie ca sursă de energie (fotosinteză) și informație (viziune). Aici trebuie remarcat marea contribuție a omului de știință rus M. Lomonosov, care a propus o teorie cu trei componente despre viziunea de culoare, care mai târziu și-a găsit dezvoltarea în lucrările lui Jung și Helmholtz (Physiological Optics, 1867). Ei au descris sistemul optic al ochiului, fenomenul de cazare și au inventat "oglinda oculară" - un oftalmoscop, care până astăzi este folosit în studiul retinei.
Biofizica moleculară este o secțiune strâns legată de chimia fizică și studierea tiparelor de formare și funcționare a biomacromoleculelor. Această secțiune a început să se dezvolte rapid numai în a doua jumătate a secolului XX, deoarece necesită echipamente sofisticate de cercetare. Aici trebuie remarcat lucrarea lui Polling și Corey cu privire la studiul structurii moleculelor de proteine, Watson și Crick - asupra studiului moleculei ADN.
Secțiunea II. Biofizica celulară. Subiectul acestei secțiuni sunt principiile de organizare și funcționare a unei celule vii și a fragmentelor acesteia, a membranelor biologice.
Această secțiune de biofizică a început să se dezvolte după apariția teoriei celulare a lui Schwann. Structura și funcția membranelor celulare au fost descrise (Robertson, Singer și Nicholson), concepte formulate de membrane cu permeabilitate selectivă (B. Pfeffer și J. de Vries, Overton), învățăturile canale de ioni (Eisenman, Mullins, Hill).
Experimentele E. du Bois-Reymond și teoria W. Ostwald transmembranare diferență de potențial marcat începutul predării electricității biologice, a țesuturilor excitabile și să conducă la o înțelegere a legilor de funcționare a celulelor nervoase și musculare.
Mecanisme de transmitere a informațiilor în celulele, doctrina mediatorilor primare și secundare și a sistemelor de semnalizare intracelulară - una dintre zonele în curs de dezvoltare rapidă a biofizică moderne. Ionii de calciu, nucleotide ciclice, hidroliza produselor phosphoinositides membrane, prostaglandine, oxid nitric - o listă de molecule care transmit informații din membrana în celulă și între celule este actualizat.
Biofizica este din ce în ce mai mult introdusă în medicină. Noi abordări biofizice sunt utilizate în diagnosticul și tratamentul diferitelor boli. Exemplele includ imagistica prin rezonanță magnetică, expunerea la unde electromagnetice de înaltă frecvență, metodele de terapie celulară etc.
Caracteristicile metodelor biofizice
După cum sa menționat mai sus, principiul inegalabilității calitative în biofizică necesită un "aliaj calitativ" al metodelor de fizică și biologie. Metodele de cercetare biofizică se caracterizează printr-o serie de proprietăți comune.
În primul rând. biofizica funcționează cu metode cantitative care permit măsurarea și evaluarea obiectivă a fenomenului investigat. Acest principiu metodologic este introdus din fizică.
În al doilea rând. biofizica consideră obiectul studiat în ansamblu, fără a-l dezmembra. În mod natural, orice măsurătoare introduce în mod inevitabil unele perturbări în sistemul studiat, dar metodele biofizice tind să reducă la minimum această perturbare. Din acest motiv, în prezent, metode precum spectroscopia infraroșie, studiul luminii reflectate și metodele fluorescente de cercetare sunt utilizate pe scară largă în biofizică.
În al treilea rând. un principiu metodologic important al biofizicii este "strategia de abordare a sistemului". Metodele biofizice se bazează pe inseparabilitatea structurii și funcției, având în vedere relațiile structurale-funcționale ale sistemelor vii ca principiu de bază al organizării lor.
Caracteristicile numite definesc biofizica ca o direcție științifică independentă, având subiectul propriu de cercetare și abordări metodologice. În următoarele prelegeri vor fi luate în considerare secțiuni separate de biofizică și vor fi descrise realizările acestei științe importante în stadiul actual. O atenție deosebită va fi acordată aplicării metodelor biofizice în biologie și medicină.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: