Официальный сайт нияу мифи приемная комиссия нияу мифи сетевая школа нияу мифи

СОДЕРЖАНИЕ
Что такое биофизика (введение) 4

1. 
   Физический инструментарий биофизика 10
   
2. 
   Молекулярная биофизика 13
   
3. 
   Биофизика клетки 16
   
4. 
   Биофизика сложных систем 19
   
5. 
   Радиационная биофизика 22
   
6. 
   Медицинская биофизика 25
   
7. 
   Биоинформатика 28
   
8. 
   Биофизика и экология 34
   
9. 
   Биофизика фотобиологических процессов 36
   
10. 
    Биофизика в космосе 38
    
11. 
    3D-биопринтинг живых органов 43
    
12. 
    Генная инженерия 49
    

Где работают биофизики (заключение) 53
Список литературы 54

ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА (ВВЕДЕНИЕ)

Биофизика применяет физические и математические методы ис- следования, представления физической химии и классические физи- ческие закономерности окружающего мира к исследованию живых биологических систем на разных уровнях их организации – молеку- лярном, мембранном, клеточном, популяционном [1]. Несмотря на свое «двойное» название, биофизика как междисциплинарная наука использует знания из многих областей: физики, биологии, матема- тики, химии, экологии и медицины (рис. В.1).

Рис. В.1. Биофизика как междисциплинарная область знаний

В формировании биофизики выделяют два истока – физику и фи- зиологию [2]. По мере развития физики и роста интереса к познанию сущности жизни усиливалась тенденция объяснять жизненные явле- ния языком физических законов. И если первым истоком выступает физика, то вторым оказалась физиология, в которой наряду с изуче- нием физиологических процессов росло стремление раскрыть внут- ренние механизмы, лежащие в основе элементарных физиологиче- ских функций, опираясь на принципы физики и химии. Это стрем- ление ярко проявлялось на протяжении всей истории физиологии. Работы, относящиеся к компетенции физики и физиологии, сыграли большую роль в формировании биофизики как самостоятельного научного направления.

Становление биофизики заняло немало времени. Ниже приведен краткий исторический перечень достижений, которые стали основой для формирования биофизики как науки [1].
Во времена Аристотеля (384–322 гг. до н. э.) физика включала в себя всю совокупность знаний о неживой и живой природе. Биоло- гия как наука сформировалась лишь в XIX в. Понятие «биология» было сформулировано в 1802 г. одновременно и независимо друг от друга французским естествоиспытателем Жаном Батистом Ламар- ком (1744–1829) и немецким исследователем Готфридом Рейнхоль- дом Тревиранусом (1776–1837). В 1892 г. Карл Пирсон (1857–1936) написал: «Нужна <...> отрасль науки, имеющая своей задачей при- ложение законов неорганических явлений, или физики, к развитию органических форм. <...> Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой».
Леонардо да Винчи (1452–1519) создал классификацию мышц, учение о биомеханике скелета, кинематике скелетно-мышечных си- стем, биодинамике сердца, общей механике движения человека и ло- шади, полета птиц и т. д.
В XVII в. активно развивался раздел физики «Механика». В это время наиболее значительным достижением стало учение о крово- обращении английского врача и анатома Уильяма Гарвея (1578– 1657), которое выявило одну из важнейших функциональных систем организма. Данное учение утвердило экспериментальный метод по- знания жизнедеятельности биологических объектов.
Антони ван Левенгук (1632–1723) создал линзы со 160-кратным увеличением, что послужило мощным толчком для изучения живых организмов на новом уровне. Исследователи смогли обнаружить тончайшие сосуды – капилляры. А Роберту Гуку (1635–1703) это позволило открыть клеточное строение тканей растений. В 1838 г. Маттиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882) сформулировали клеточную теорию, которая стала первым учением в биологии, получившим всеобщее признание.
Иоганн Вольфганг Гёте (1794–1832) разработал теорию цветного зрения, в то время как школа Ньютона занималась физикой внешних оптических раздражителей, вызывающих ощущение света.
В России систематические естественнонаучные исследования начались со времени основания Петром I в 1725 г. Академии наук в
Петербурге. Первым отечественным естествоиспытателем стал Ми- хаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), который в общей форме сформулировал закон сохранения массы и движения и в 1756 г. вы- двинул одну из первых гипотез цветного зрения.
В 1791 г. итальянский анатом Луиджи Гальвани (1737–1798) опубликовал результаты своих опытов по изучению воздействия электрических разрядов электрофорной машины на мышцы ля- гушки. Он сделал вывод, что животными организмами движет элек- тричество. Алессандро Вольта (1745–1827) повторил эти опыты и усовершенствовал методику эксперимента, результатом чего стало создание первого источника постоянного тока.
В XIX в. появились первые научные теории в биологии: учения об эволюции, клеточной теории; а также в научных направлениях – микробиологии, биохимии, эмбриологии. Биология превращалась из описательной науки в экспериментальную.
В физике XIX в. большую роль сыграла термодинамика. Приори- тет в открытии первого начала принадлежит немецкому врачу Юли- усу Роберту Майеру (1814–1878). Антуан Лоран Лавуазье (1743– 1794) доказал, что в процессе дыхания кислород атмосферы заменя- ется углекислым газом. Экспериментально он показал, что дыхание подобно процессу медленного горения, при котором выделяется не- обходимое организму тепло. Герман Людвиг Фердинанд Гельм- гольц (1821–1894) смог измерить скорость распространения нерв- ного импульса и стал первым исследователем, увидевшим сетчатку глаза живого человека с помощью изобретенного им специального глазного зеркала – офтальмоскопа. Экспериментально он обнару- жил, что при дыхании энергия расходуется не только на нагрев ор- ганизма, но и на синтез органического вещества в мышцах.
В XX в. новые открытия в физике (рентгеновское излучение, ра- диоактивный распад) и современные физические теории (квантовая механика, теория относительности) обусловили мощный прорыв в области физического эксперимента. Это позволило выйти на моле- кулярный уровень при исследовании строения биологического ве- щества и создать новое научное направление – молекулярную био- физику. Дополнительный толчок был дан трудом австрийского фи- зика-теоретика, одного из создателей квантовой механики, лауреата Нобелевской премии Эрвина Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» [3]. В книге, увидевшей свет в 1945 г., сделан акцент
на то, что многие законы физики имеют место в жизнедеятельности и работе организмов живых существ.
Посредством рентгеноструктурного анализа была установлена молекулярная структура материального носителя генетической ин- формации – ДНК, что привело к созданию новейшей биотехнологии, основой которой является генная инженерия. Британский физиолог и биофизик Арчибальд Вивьен Хилл (1886–1977) разработал фунда- ментальные основы теории мышечных сокращений на молекуляр- ном уровне.
Значителен вклад российских ученых в становление и развитие биофизики. В первую очередь, академика Петра Петровича Лазарева (1878–1942), организовавшего в 1919 г. Институт биологической физики. В 1922 г. ученый прочитал первый в России лекционный курс под названием «Биофизика» для врачей при клинике Москов- ского университета. В 1953 г. Борис Николаевич Тарусов (1900– 1977) создал первую кафедру биофизики на биологическом факуль- тете МГУ. Он автор гипотезы о ведущей роли свободнорадикальных реакций перекисного окисления липидов в развитии патологических процессов в клетке. Глеб Михайлович Франк (1904–1976) в 1957 г. создал Институт биофизики АН СССР. Под его руководством реша- лись задачи математического описания численности биологических популяций.
Александр Леонидович Чижевский (1897–1964) много лет зани- мался исследованием влияния аэроионов на живые организмы и изу- чением биофизики эритроцитов. Он стал основателем трех мощных научных направлений в исследовании влияния на живые организмы слабых электромагнитных полей, космофизических воздействий и аэроинов.
Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1929) для изучения фото- синтеза использовал сконструированный им прибор, позволяющий исследовать выделение кислорода в зависимости от длины волны света, которым облучали хлорофилл. Роль физико-химических фак- торов в жизни клетки, в частности влияние водородного показателя на эффективность фагоцитоза, объяснил Николай Константинович Кольцов (1872–1940). Ученый стал основоположником молекуляр- ной биологии, сформулировав в 1927 г. положение о размножении клетки за счет репродукции молекул путем точного автокаталитиче- ского воспроизведения материнских матричных молекул.
Большой вклад в восстановление отечественной генетики внес Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900–1981), ставший одним из основоположников популяционной и радиационной гене- тики, радиоэкологии.
В 1950-х гг. интенсивно развивается атомная отрасль, и встает острый вопрос в подготовке специалистов по дозиметрии и радиа- ционной защите. В МИФИ создается кафедра № 1 «Радиационная физика, биофизика и экология». Ее создание, становление и разви- тие неразрывно связаны с именем ее первой заведующей – Екате- рины Лукиничны Столяровой. На кафедре были созданы научные направления по изучению содержания благородных радиоактивных газов в атмосфере, физики защиты и внутриреакторной дозиметрии, микродозиметрии и др.
Борис Павлович Белоусов (1893–1970), российский и советский химик и биофизик, в 50-х гг. ХХ в. провел химическую реакцию, ко- торая протекала по автоколебательному типу: присутствовавший в растворе церий (металл переменной валентности) то окислялся, то восстанавливался, в зависимости от этого раствор менял окраску. В течение нескольких лет этот легко воспроизводимый процесс ка- зался многим невероятным и на него попросту не обращали внима- ния. И только к началу 1970-х гг. подробные описания колебатель- ных реакций в работах Анатолия Марковича Жаботинского (1938– 2008) обошли крупнейшие научные журналы мира. Реакция Бело- усова определила развитие нового биофизического направления ис- следований автоволновой неустойчивости. Оно было важно для по- нимания работы сердца, мозга, кишечника и многих других пульси- рующих органов.
Работы по автоколебаниям в биологических системах связаны с разработкой Альфредом Джеймсом Лоткой (1880–1949) математи- ческой модели, основанной на законе действующих масс и способ- ной описать автоколебательную химическую реакцию. Ученый ис- пользовал ее для описания не только химических, но и популяцион- ных колебаний в системе «жертва – хищник». В 1931 г. итальянский математик Вито Вольтерра (1860–1940) предложил подобную мо- дель, служащую базовой и сегодня при описании популяционных взаимодействий. Микробиолог Георгий Францевич Гаузе (1910– 1986) в 1936 г. опубликовал работу по исследованию колебаний чис- ленности популяций простейших.
В 1961 г. Б.Н. Тарусов с сотрудниками обнаружили сверхслабое свечение живых тканей, свидетельствующее о том, что в тканях и клетках живого организма протекают все стадии квантового (физи- ческого) процесса. Все жизненные процессы имеют биохимическую основу.
К середине XX в. биофизика стала самостоятельным и высоко- развитым научным направлением, объясняющим явления, происхо- дящие в живой материи, и исследующим способы управления био- логическими процессами. В связи с новым витком развития физиче- ских теорий и созданием инструментальной базы биофизика пере- шла к исследованию наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетики.
I Международный биофизический съезд, состоявшийся в Сток- гольме в 1961 г., принял международную классификацию биофи- зики. Было выделено три основных раздела биофизики: молекуляр- ная биофизика, биофизика клетки, биофизика сложных систем. В настоящее время бурно развиваются и другие направления биофи- зики: экологическая, медицинская, математическая, радиационная, биоинформационная и др.