Державна освітня установа вищої професійної освіти
І.В. Ковальов, І.В. Петрова, Л. В. Капілевіч, А.В. Носаря, Є.Ю. Дьякова
ЛЕКЦІЇ з біофізики
Навчально-методичний посібник За редакцією проф. Баскакова М.Б.
ББК: E901я7 Л: 436
Посібник призначений для студентів 3-5 курсів медико-біологічного факультету і студентів 1 і 2 курсу фармацевтичного факультету Сибірського державного медичного університету. Їм можуть також користуватися студенти медичних вузів і біологічних спеціальностей університетів, самостійно вивчають основи біофізики.
У посібнику систематично викладено теоретичний і фактичний матеріал курсу загальної біофізики, біофізики клітини і біофізики органів і систем.
ВСТУП В біофізики
Як самостійна наука біофізика виникла в 1966 році, коли був організований міжнародний науковий союз біофізиків, і з'явилося таке визначення цієї науки: «Біофізика являє собою особливу орієнтацію думки». Проте, дискусія про суть біофізики, як науки, триває і до сьогоднішнього дня.
Біофізика виникла на стику біології та фізики і, в силу цього, склад біофізиків завжди був неоднорідний. До сих пір проглядаються два напрямки в розвитку біофізики, і їх асиміляція відбувається не завжди гладко. Так, з одного боку, фізичні явища життєдіяльності приймаються за самостійний предмет вивчення у відриві від їх біологічного значення, і нерідко все прояви життя зводяться до фізичних закономірностям. З іншого боку, навпаки, передбачається, що поряд з фізичними закономірностями живим системам властиві особливі властивості, в принципі незрозумілі з точки зору фізики. З цих причин визначення біофізики несуть нерідко діаметрально протилежний характер. наприклад:
«Біофізика - це фізична хімія і хімічна фізика біологічних процесів» (П.О.Макаров, 1968).
«Біофізика - фізика явищ життя, що вивчаються на всіх рівнях» (Волькенштейн, 1981).
У той же час:
«Біофізика - частина біології, що має справу з фізичними принципами побудови і функціонування деяких порівняно простих біологічних систем» (Л.А.Блюменфельд, 1977).
Наведені формулювання визначають по суті два підходи до біофізики, заснованих на протилежних методологиях цих підходів.
Аргументи «фізиків» найчастіше зводяться до того, що багато складні біологічні процеси добре вкладаються в рамки порівняно простих математичних моделей (ферментативний каталіз, фотоінактівація ферментів, популяційна модель «хижак-жертва»).
Прихильники «біологічного» підходу стверджують, що в живих системах можна знайти безліч явищ, які не властивих неживій природі. Основним предметом цієї тривалої дискусії є питання «Зводяться Чи все прояви життя до фізико-хімічним закономірностям?»
Методологічною основою вирішення даного питання став принцип якісної незвідність. Він передбачає, що в міру накопичення наукових знань будуть пропонуватися фізико-хімічні пояснення біологічних проблем і, в той же час, виявлятися нові знання про живу природу, які не можна пояснити на даному етапі з точки зору фізики. Головне практичне наслідок з принципу якісної незвідність - лише «якісний сплав» методів фізики та біології може забезпечити біофізики просування
«Біофізика - природничо напрямок, метою якого є раціональне пояснення зв'язку фізичного і біологічного аспектів живої матерії».
Історія розвитку біофізики
Можна стверджувати, що свою історію біофізика починає вести з фундаментального трактату Цицерона (II-III століття н.е.) «Фізіологія». Ця назва походить від слова фізика - так тоді називали науку про природу. Науку ж про живу природу Цицерон назвав фізіологією. Таку назву вже свідчить про велику роль фізики у формуванні науки про життя.
У XVIII столітті в фізиці відбувається розвиток розділів гідродинаміки, теорії газових станів, термодинаміки, закладаються основи вчення про електрику. В математиці формуються методи диференціального й інтегрального числення. Ф.Лейбніц запропонував поняття «живої сили» - mV 2 на противагу кількості руху mV. В цей час описані основні принципи гемодинаміки, які пізніше відносять до біофізики (Л. Ейлер).
Наступний серйозний крок у розвитку біофізики пов'язаний з відкриттям Л. Гальвані біологічного електрики (1791). Він виявив феномен посмикування жаб'ячих лапок у відповідь на електричний розряд і припустив головну роль електрики в нервово-м'язової передачі. Л. Гальвані встановив кількісну залежність роздратування і збудження, ввів поняття «порога». У 1837 році Маттеучі, використовуючи гальванометр, вперше зареєстрував електричний потенціал живих клітин.
У XIX столітті класична фізика сформувалася вже в тому вигляді, як ми знаємо її сьогодні. На межі XIX - XX століть йшло формування і біофізики як комплексної і цілісної системи знань про живу природу. Сьогодні біофізика включає цілий ряд розділів, кожен з яких сформувався в
самостійна наукова дисципліна. І якщо в 1930 - 40-ті роки ще можна було вважати себе фахівцем в біофізики «взагалі», то сьогодні одній людині явно не під силу охопити всі її напрямки.
Що вивчає біофізика?
Розділ 1. Загальна біофізика. Включає в себе термодинаміку біологічних систем, кінетику біологічних процесів, фотобіологія і молекулярну біофізику.
Біологічна термодинаміка, або термодинаміка біологічних систем. вивчає процеси перетворення речовини і енергії в живих організмах. Цей розділ біофізики досі створює грунт для дискусій про те, чи виконуються закони термодинаміки в живих організмах. Основу цього розділу поклали вже згадані вище роботи А. Лавуазьє і П. Лапласа, які довели застосовність першого закону термодинаміки до живих систем. Подальший розвиток цього напрямку привело до опису Гельмгольцом теплових еквівалентів їжі. Найбільший внесок в цей процес вніс австрійський біофізик І. Пригожин, який довів застосовність другого закону термодинаміки до біологічних систем і поклав початок вченню про термодинаміки відкритих нерівноважних систем.
Кінетика біологічних процесів - мабуть, найбільш близька до фізики і хімії область біофізики. Швидкість і закономірності протікання реакцій в живих системах мало відрізняються від інших. Ексклюзивним предметом є - вчення про ферменти, про кінетику ферментативних реакцій і способах регуляції ферментативної активності, описана Міхаелісом і Ментен.
Фотобіологія. або квантова біофізика - вивчає взаємодію випромінювань з живими організмами. Видиме світло грає виключно важливу роль в біології як джерело енергії (фотосинтез) і інформації (зір). Тут потрібно відзначити великий внесок російського вченого М. Ломоносова, який запропонував трикомпонентну теорію колірного зору, що знайшла потім свій розвиток в роботах Юнга і Гельмгольца ( «Фізіологічна оптика», 1867). Вони описали оптичну систему ока, явище акомодації і винайшли «очне дзеркало» - офтальмоскоп, до сьогоднішнього дня використовується при дослідженні сітківки.
Молекулярна біофізика - розділ, тісно прилягає до фізичної хімії та вивчає закономірності утворення та функціонування біомакромолекул. Цей розділ почав бурхливо розвиватися лише в другій половині XX століття, так як вимагає складного обладнання для проведення досліджень. Тут слід зазначити роботи Поллінга і Корі з вивчення структури молекул білка, Уотсона і Крика - по вивченню молекули ДНК.
Розділ II. Біофізика клітини. Предметом даного розділу є принципи організації і функціонування живої клітини і її фрагментів, біологічних мембран.
Цей розділ біофізики став розвиватися після появи клітинної теорії Шванна. Були описані структура і функція клітинних мембран (Робертсон, Сінджер і Ніколсон), сформульовані уявлення про виборчу проникності мембран (В. Пфеффер і Х. де Фриз, Овертон), вчення про іонних каналах (Ейзенман, Муллінз, Хіллі).
Експерименти Е. Дюбуа-Реймона і теорія В. Оствальда про трансмембранної різниці потенціалів поклали початок вченню про біологічне електриці, про збудливих тканинах і привели до розуміння закономірностей функціонування нервових і м'язових клітин.
Механізми передачі інформації в клітинах, вчення про первинних і вторинних посередників і внутрішньоклітинних сигнальних системах - одне з активно розвиваються напрямків сучасної біофізики. Іони кальцію, циклічні нуклеотиди, продукти гідролізу мембранних фосфоінозитидів, простагландини, оксид азоту - перелік молекул, що передають інформацію від мембрани всередину клітини і між клітинами, постійно поповнюється.
Біофізика все глибше впроваджується в медицину. Нові біофізичні підходи знаходять застосування в діагностиці та лікуванні різних захворювань. Як приклади можна назвати магніторезонансну томографію, вплив електромагнітними хвилями високочастотного діапазону, методи клітинної терапії і т.д.
Особливості біофізичних методів
Як згадувалося вище, принцип якісної незвідність в біофізики обумовлює необхідність «якісного сплаву» методів фізики та біології. Біофізичні методи дослідження характеризуються рядом загальних властивостей.
По перше. біофізика оперує кількісними методами, що дозволяють виміряти і об'єктивно оцінити досліджуване явище. Цей методологічний принцип привнесений з фізики.
По-друге. біофізика розглядає досліджуваний об'єкт в цілому, не розчленовуючи його. Природно, що будь-яке вимірювання неминуче вносить в досліджувану систему деякі обурення, але біофізичні методи прагнуть звести це обурення до мінімуму. З цієї причини в даний час широке поширення в біофізики отримують такі методи, як інфрачервона спектроскопія, дослідження відбитого світла, флуоресцентні методи досліджень.
По-третє. важливим методологічним принципом біофізики є «стратегія системного підходу». Біофізичні методи грунтуються на нерозривності структури і функції, розглядаючи структурно-функціональні взаємозв'язки в живих системах як основний принцип їх організації.
Названі особливості визначають біофізику як самостійна наукова дисципліна, що має власний предмет досліджень і методологічні підходи. У наступних лекціях будуть розглянуті окремі розділи біофізики, описані досягнення цієї важливої науки на сучасному етапі. Особливу увагу буде приділено застосуванню біофізичних методів в біології та медицині.