Що таке біофізика

З розширенням і поглибленням людських знань про живі організми з`явилися такі розділи науки, які вивчають процеси і явища, пов`язані одночасно до різних областей знань. Серед таких наукових дисциплін біологічна фізика, або біофізика. Що ж вона вивчає і які її методи досліджень?

Відомо, що фізика вивчає основні закони природи: Будова атомів і ядер, властивості елементарних частинок, взаємодія електромагнітних хвиль і частинок і т. Д. біофізика, виникла на стику біології і фізики, - це наука про основні фізичних і фізико-хімічних процесах в живому організмі і їх регулювання.

Біофізикам потрібно пізнати закономірності будови і роботи живих організмів, не порушуючи їх властивостей, зберігаючи організм в живому, діяльному стані. Адже, відмираючи, організм втрачає властиві йому властивості, всі процеси в ньому змінюються, і він стає звичайною неживої системою. У цьому полягає велика складність. Звідси виникла необхідність вивчати живі організми на різних «рівнях» - дослідити властивості біологічних молекул, характерні особливості і роботу клітин, вивчати спільну роботу органів в цілому організмі і т. Д. Тому в біофізики виділилися такі великі розділи: молекулярна біофізика, біофізика клітини, біофізика процесів управління і регуляції та ін. Коротко розповімо про кожного з основних розділів біофізики.

молекулярна біофізика вивчає властивості біологічних молекул, фізико-хімічні процеси в рецепторних клітинах. Ці клітини називаються рецепторними або чутливими, так як вони першими сприймають сигнали про світло, смак, запах (латинською «рецепт» - відчуваю).

Молекулярна біофізика досліджує, наприклад, процеси, які протікають в органах почуттів тварин - В органах зору, слуху, дотику і нюху. Ми звикли, що в нашому організмі все відбувається просто, само собою, і часом не замислюємося, наскільки складні біофізичні процеси відбуваються, наприклад, коли ми відчуваємо смак цукру або відчуваємо запах квітів. А це одна з проблем, над якою багато років працює молекулярна біофізика. Справа в тому, що відчуття смаку або запаху можливі завдяки складним фізико-хімічним процесам в рецепторних клітинах при взаємодії з ними молекул різних речовин.

Відомо, що хіміки створили 1 млн. Органічних сполук і майже кожне з них має свій характерний запах. Людина може розрізняти кілька тисяч запахів, причому деякі речовини ми відчуваємо при виключно малої концентрації - всього мільйонні і мільярдні частки міліграма на літр води. Наприклад, щоб відчути такі речовини, як скатол, трінітробутілтолуол, досить їх концентрації 10^-9 мг / л. тварини набагато чутливіші людини. Наприклад, геологи використовують спеціально навчених собак для пошуку по запаху рудних родовищ, розташованих глибоко під землею. Всім добре відома робота собак-шукачів, що знаходять слід по мізерно слабкого запаху. Але, мабуть, гостротою нюху всіх перевершують риби і комахи. Деякі риби відчувають пахуче речовина, навіть якщо воно міститься у воді в зникаюче малих концентраціях - всього 10^-11 мг / л. метелики виявляють мало не одну молекулу пахучої речовини, що припадає на 1 м³ повітря.

Молекулярна біофізика допомагає з`ясувати не тільки різниця в чутливості і будову органів нюху у різних тварин, а й сам процес визначення запаху. Зараз встановлено, що є 6-7 основних запахів, різними поєднаннями яких пояснюється їх різноманіття. Цим основним запахів відповідають певні типи нюхових клітин.

Молекулярна біофізика вивчає властивості і процеси не тільки у тварин, але і у рослин. Зокрема, вона займається вивченням фотосинтезу. У зеленому листі берези, черемхи, яблуні чи пшениці відбуваються дивовижні і складні процеси. Сонце посилає на Землю колосальну кількість енергії, яка пропадала б без користі, якби не зелене листя, вловлюють її і створюють з її допомогою з води і вуглекислого газу органічна речовина і тим самим дають життя всім живим організмам.

Фотосинтез протікає в зелених частинках - хлоропластах, які перебувають в клітинах листа і містять рослинний пігмент - хлорофіл. Порції світлової енергії (фотони) поглинаються пігментом і виробляють фотоокислення води: вона віддає свій електрон молекулі хлорофілу, а протон використовується для відновлення вуглекислого газу до вуглеводів. Протон і електрон, як відомо, складають атом водорода- цей атом «по частинах» віднімається у молекули води. У процесі фотосинтезу звільняється кисень, яким дихають усі живі організми.

Основа фотосинтезу - найперший елементарний процес: взаємодія порцій світлової енергії (фотонів) з молекулою хлорофілу. Саме цей процес вивчає молекулярна біофізика в фотосинтезі, з тим щоб пізнати, як відбувається перетворення світлової енергії в енергію хімічних зв`язків і подальше перетворення речовин. Якщо цей фундаментальний процес буде пізнаний до кінця, його можна буде здійснювати в штучних умовах. Тоді людство опанує найшвидшим і найбільш економічним способом отримання органічних речовин, отже, продуктів харчування і цінної сировини, які дають сьогодні людині зелені рослини.

Існує тісний зв`язок між вивченням клітин і молекулярних процесів, що відбуваються в них, т. Е. Між молекулярної і клітинної біофізики. Одна з них вивчає молекулярні зміни, властивості біологічних молекул і системи, утворені молекулами в клітинах (як кажуть, субмолекулярние освіти), їх властивості та зміни, інша досліджує властивості і функціонування різних клітин - видільних, скорочувальних, нюхових, світлочутливих і ін.

розвитку біофізики клітини багато в чому сприяли успіхи фізики, радіоелектроніки, саме завдяки цим наукам біофізика отримала електронні мікроскопи, що дозволили збільшувати мікроскопічні об`єкти в сотні тисяч разів. На озброєнні біофізиків з`явився електронний парамагнітний резонанс, за допомогою якого можна вивчати особливі активні частини молекул - так звані вільні радикали, які відіграють дуже важливу роль у всіх біологічних процесах. За допомогою високочутливих до світла приладів - фотоелектронних помножувачів (ФЕУ) стало можливим визначати вкрай малі потоки світла. Використання цих приладів призвело до великого відкриття в біофізики клітини.

Давно була відома здатність до світіння у живих організмів: світлячків і різних водних організмів, звана біолюмінесценцією. Але за допомогою ФЕУ вдалося виявити, що здатність до світіння мають органи майже всіх тварин і рослин. Це так зване надслабку світіння - біохемілюмінесценції - відбувається в результаті фізико-хімічних реакцій всередині клітин, і пов`язане воно з внутрішньоклітинним окисленням речовин ліпідів, що входять в структурні елементи. Велику роль в цих процесах відіграють згадані нами вільні радикали. За інтенсивністю надслабкого світіння можна стежити за рівнем окислювальних обмінних реакцій і виділенням енергії в результаті різноманітних реакцій, що йдуть всередині клітин.

Виявлення надслабкого світіння, наявності вільних радикалів, зв`язку їх з життєдіяльністю клітини різко змінило уявлення про клітинних процесах. Перед біофізикою клітини постало завдання не тільки розібратися в ультрамікроскопічному будові клітини і її органел, але і з`ясувати, як пов`язані один з одним ці елементи, як вони працюють, в чому причина злагодженості, узгодженості процесів, що відбуваються в клітинах.

При дослідженні клітини в електронному мікроскопі вченим відкрився новий світ ультрамікроскопічних, т. Е. Найдрібніших, клітинних структур. Були виявлені внутрішньоклітинні мембрани, канальці, трубочки, бульбашки. Всі ці структури, в мільйони разів тонші людської волосини, грають певну роль в життєдіяльності клітини. Будь-яка клітина, що здається простим грудочкою цитоплазми з ядром, являє собою складне утворення з великим числом дрібних часток (структурних елементів), що діють точно і злагоджено, в строгому порядку, тісно пов`язаних між собою. Кількість цих структурних елементів дуже велике, наприклад в нервовій клітині до 70 тис. Частинок - мітохондрій, завдяки яким клітина дихає і отримує енергію для своєї діяльності.

Відео: Біофізика Від неживого до живого

У будь-якій клітині живого організму відбувається поглинання необхідних речовин і виділення непотрібних, відбувається дихання, розподіл, поряд з цим клітини виконують спеціальні функції. Так, клітини сітківки ока визначають силу і якість світла, клітини слизової носа визначають запах речовин, клітини різних залоз виділяють фізіологічно активні речовини - ферменти і гормони, що регулюють ріст і розвиток організму.

Про всієї своєї великої роботи - побачене, почуте, впізнали - клітини нервової тканини тварин повідомляють електричними імпульсами в головний мозок - головний координуючий центр. Біофізика клітини в цілому і один з її важливих розділів, званий електрофізіологією клітини, вивчають, як клітини отримують необхідні відомості з навколишнього простору, як ці відомості зашифровані в електричних сигналах - імпульсах, як утворюються в клітинах біологічні струми і потенціали.

Відео: Дмитро Сергійович Чернавський - Молекулярна біофізика - 1

Клітини живого організму тісно пов`язані між собою, з головним мозком - головним керуючим центром. У самих клітинах, в тисячах їх структурних елементів, відбуваються впорядковані біохімічні процеси. Завдяки чому так злагоджено і точно відбуваються ці сотні тисяч реакцій?

Справа в тому, що і клітка, і окремий орган, і цілісний організм являють собою певну систему, засновану на специфічних законах регулювання та взаємозв`язку. Ось ці особливості вивчає наймолодший розділ - біофізика процесів управління і регуляції.

Розповімо про розділ біофізики, скориставшись наступним прикладом. Кожен орган людини складається з великого числа клітин, що виконують специфічну роботу. Наприклад, особливу роль в нюху грає слизова оболонка носа - так званий слизовий епітелій. Площа його не більше 4 см², але містить він мало не 500 млн. нюхових клітин - рецепторів. Відомості про їхню роботу передаються по нервових волокнах, число яких досягає 50 млн., В нюховий нерв і потім в головний мозок. Сигнали, що йдуть від клітин у вигляді первинних електричних імпульсів, повинні бути правильно розшифровані. Для цього вони направляються в різні відділи головного мозку, що складаються з величезного числа клітин. Наприклад, тільки великі півкулі головного мозку містять 2 * 10¹⁰ клітин, мозочок -10¹¹ клітин. Мозок вживає необхідних "рішення" і передає відповідні сигнали - вказівки про те, як повинні працювати ті чи інші клітини, тканини або органи. У центральну нервову систему надходять сотні тисяч різноманітних сигналів із зовнішнього середовища про звуках, світлі, запахах і сигнали про стан клітин самого організму. Зі сказаного видно, наскільки складні взаємозв`язки в будь-який живий системі - в окремій клітці або цілому організмі, як складна робота по управлінню клітинами, регулювання їх стану і контролю за узгодженістю всіх життєвих процесів.

Цей важливий відділ біофізики спирається на закономірності, відкриті інший наукою - кібернетикою. Біофізики, які вивчають процеси управління і регулювання, користуючись її методами, розробили ряд електронних моделей, наприклад черепахи, нервової клітини і процесу фотосинтезу, які полегшують вивчення складних явищ регуляції в організмі.

Дослідження регуляторних процесів в живому організмі показало, що вони мають дивовижну властивість - саморегуляцією. Клітини, тканини, органи живих організмів є саморегульованими, що самоорганізуються, Самоналагоджувальний, самонавчається. Це означає, що робота клітин, органів і організму в цілому визначається властивостями і якостями, закладеними в самому організмі. Тому кожна клітинка або орган самостійно, без допомоги ззовні регулює сталість складу середовища всередині них. Якщо під впливом будь-якого фактора їх стан змінюється, це дивна властивість допомагає їм повернутися знову в нормальне cостояние.

Хлоропласти в клітинах листа змінюють своє розташування в залежності від сили освітлення: при сильному освітленні вони розташовуються уздовж стінок клітин (зліва) - при слабкому - по всій клітці. Це приклад клітинної саморегуляції.

Ось тільки один простий приклад такої саморегуляції. Ми вже розповідали про важливу роль хлоропластів, які перебувають в клітинах зеленого листа. Хлоропласти здатні самостійно пересуватися в клітинах під впливом світла, оскільки вони дуже чутливі до нього. У сонячний яскравий день при великій інтенсивності світла Хлоропласти розташовуються уздовж клітинної стінки, як би намагаючись уникнути дії сильного світла. У похмурі хмарні дні хлоропласти розташовуються по всій поверхні клітини, щоб поглинати більше променів. Перехід хлоропластів з одного положення в інше під впливом світла (фототаксис) відбувається завдяки клітинної саморегуляції.

Пізнання людиною природи, різноманітних живих організмів йде так стрімко і призводить до таких несподіваних результатів і висновків, що вони не вкладаються в рамки будь-якої однієї науки. Біофізика поклала початок новим розділах науки, які розширюють горизонти людських знань. Так виділилася в самостійну галузь біології радіобіологія - наука про дію різних видів радіації на живі організми, космічна біологія, вивчає проблеми життя в космосі, механохімія, досліджує перетворення хімічної енергії в механічну, що відбувається в м`язових волокнах. На основі біофізичних досліджень виникла нова наука - біоніка, вивчає живі організми з метою використання принципів їх роботи для створення нових і більш досконалих за конструкцією приладів і апаратів.

Ми розповіли лише про невелику частину досліджень, проведених біофізиками, але прикладів можна було б навести значно більше, як в області вивчення молекул, субклітинних структур, так і організму в цілому. Кожен день приносить нові відкриття, винаходи, цінні ідеї. Наше століття - це час великих успіхів у всіх областях знання, в тому числі і в вивченні природи.