История биофизики

История биофизики

История биофизики

Биофизика рассматривает механизмы физических и физико-химических явлений в биологических системах на уровнях:

  • субмолекулярном;
  • молекулярном;
  • надмолекуляром;
  • клеточном;
  • тканевом;
  • органном;
  • организменном.

Предмет биофизики и ее название

Предметом биофизики считают физические и физико-химические процессы, которые лежат в основе жизни. Существуют и другие определения предмета этой науки. Так, например, лауреат Нобелевской премии А. Сент – Дьердьи говорил, что биофизика – это все то, что интересно.

Термин «биофизика» стал повсеместно использоваться в научной литературе с 1892 года, когда К.

Пирсон, написавший книгу «Грамматика науки», сказал, что наука, которая пытается показать, что факты биологии – морфологии, эмбриологии и физиологии образуют частные случаи приложения общих физических законов, названа этиологией. И может быть ее стоит назвать биофизикой.

Примерно в это же время немецкие ученые во главе с А. Фиком называли данную область знаний медицинской физикой. Французские же исследователи во главе с физиологом Ж.А. Д’Арсонвалем предпочитали термин «биологическая физика» еще до Пирсона.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

В соответствии с предметом изучения биофизика является биологической наукой. Однако методы изучения биологических объектов и способы анализа полученных данных, говорят нам о том, что биофизика – это своеобразный раздел физики биологических процессов.

М.В. Волькенштейн определяет физику как физику явлений жизни.

Биофизика – это новая или старая наука?

Часто о биофизике говорят как о новой науке. Так в 1934 году П.Л. Капица писал, что биофизика — это новая область исследований, приходящая совместно с биохимией на место классической физиологии.

Действительно, отдельной научной дисциплиной биофизика стала не так давно, однако ее элементы появились вместе с первыми работами по экспериментальной физике. Такие исследования Г.

Галилея как измерение температуры тела, вычисление работы, которую совершает человек, можно считать биофизическими.

Многие ученые XVII – XVIII веков, И. Ньютон, М.В. Ломоносов, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье и другие, стремились объяснить процессы жизни человека и животных, применяя законы физики.

В XIX веке массово стали применять аналитические методы исследования явлений в биологии. Максимальное развитие данные приемы получили в физиологии, внутри которой и возникла биофизика. Делались попытки большинство физиологических процессов, вплоть до высшей нервной деятельности, рассмотреть на основе законов физики.

Эти объяснения сопровождались экспериментальными доказательствами. Известный физик Г. Гельмгольц получил скорость распространения нервного импульса. Э. Дюбуа – Реймон исследовал биоэлектрогенез практически всех органов и тканей организма. Э. Вебер описал часть свойств гемодинамики, как физических процессов.

В это время физиками исследователями были сделаны ряд открытий в области чувств, например, закон Вебера – Фехнера.

XIX век определил тренд в развитии биофизики. Так, И.М. Сеченов, выдающийся русский физиолог, последовательно применял физику и химию, развивая исследования в медицине и физиологии. Он использовал математические методы и физическую химию при рассмотрении процесса дыхания.

Это позволило ему установить количественные законы, описывающие процессы растворения газов в биологических жидкостях. В трудах И.М. Сеченова намечен путь развития физиологии и биофизики, который связан с физикой и химией. В своей диссертации И.М.

Сеченов писал о том, что физиолог – это физико-химик, который рассматривает процессы в живом организме.

XX век сделал биофизику самостоятельной наукой. Она стала изучать фундаментальные проблемы биологии такие как:

  • наследственность,
  • изменчивость,
  • онтогенез,
  • филогенез,
  • метаболизм,
  • биоэнергетики.

Метод внешних аналогий в биофизике

Первым основным методом, который применялся в биофизике, стал метод внешних аналогий. Его применяли большинство биофизиков XVII – XIX веков. Эти ученые рассматривали живой организм как физическую систему.

Замечание 2

В настоящее время метод внешних аналогий успешно применяется в биофизике. Так, сокращение мышц уподобляют обратному пьезоэффекту и моделируют на этом основании. Амебное перемещение клеток рассматривают как движение капли ртути в кислотном растворе. Проведение нервного импульса моделируют так же, как миграцию царапины по проволоке из железа, которую обработали азотной кислотой.

Отметим, что значение таких моделей имеет существенные ограничения. Появление новых аппаратов для проведения исследований заставляет создавать новые модели одного и того же биологического процесса.

Так, рефлекторную деятельность во времена Декарта рассматривали в аналогии с работой паровой машины, позднее в аналогии с телефонной станцией, сейчас аналогию проводят с компьютером.

Нельзя не отметить, что подобные феноменологические модели необходимы, они дают возможность уточнять детали исследованных ранее явлений, создавать бионические системы, использующие законы биологических организаций для создания сложных технических аппаратов.

Но данное направление моделирования не стало основным в решении задач, стоящих пред биофизикой, поскольку основной целью биофизики является раскрытие внутренних механизмов биологических процессов, а не построение внешних аналогий.

В настоящее время принято считать, что живые организмы являются сложными физико-химическими системами. Следовательно, именно физико-химическое моделирование является наиболее эффективным. Именно такой вид моделей вскрыл природу биоэлектрогенеза, позволил объяснить природу мембран, дал почву для создания ионной теории возбуждения и др.

Современная биофизика

Современную биофизику можно рассматривать как физическую химию и химическую физику биологических систем.

В исследованиях этой науки используют основной принцип эмпирического рассмотрения природных явлений – количественный анализ реакций организма на применяемые стимулы, при этом строятся функциональные зависимости между ними.

В настоящее время функциями организма считают его форму деятельности с определенным результатом в конце. Проявлением этого результата служат физиологические свойства. Во внутренние механизмы этих функций нельзя проникнуть, если применять классические подходы физиологии, так как они обладают физической и химической природой. Здесь на выручку и приходит биофизика и биохимия.

Допустим необходимо рассмотреть биопотенциалы. При этом биофизик будет интересоваться, механизмом появления электромагнитных процессов в живых тканях, физическим основанием процесса возникновения потенциала, искать каков источник энергии для него.

Для физиолога биопотенциал будет, показателем жизнедеятельности организма, количественной характеристикой физиологических свойств. Рассматривая электрокардиограмму, физиолог будет делать вывод о свойствах сердечной мышцы.

Биофизик будет исследовать физическую природу электрогенеза в миокарде и электрические процессы, происходящие в сердце.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/biofizika/istoriya_biofiziki/

История биофизики (стр. 1 из 2)

История биофизики

Биофизические исследования в физике

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляется электронный микроскоп.

Эффективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгено-структурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм.

Широко проникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика. Добившись огромных успехов в познании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой материи. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата.

Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов — электрических, электронных, математических и т. п.

Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающая ритмические движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор соляной кислоты.

При нанесении на него царапины, разрушающей поверхностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, которая очень похожа на волны, бегущие по нервам при возбуждении. Изучению этой модели посвящается много исследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальнейшем создается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории.

Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном

Остальные области молекулярной биофизики пользуются меньшей популярностью. Среди них следует отметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. Математическая биофизика связана со многими областями биологии.

Она не только описывает в математической форме количественные закономерности таких явлений, как рост, деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать сложные физиологические процессы высших организмов.

В США школой Ра-шевского издается журнал «Математическая биофизика».

Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникновение в конце XIX — начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия.

Эта новая дисциплина сразу же привлекла к себе внимание биологов тем, что она открывала возможность познания физико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живых системах, с которыми им трудно было работать.

Ряд направлений, возникших в физической химии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейших событий в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевская премия, 1903) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах (1887), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов, которым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, проведения нервных импульсов, в кровообращении и т. д.

Уже в 1890 г. молодой физиолог В. Ю. Чаговец выступает с исследованием «О применении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связать возникновение биоэлектрических потенциалов с неравномерным распределением ионов. Несколько позже с аналогичными соображениями выступил американский биолог Ж.

Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.

В перенесении физико-химических представлений на биологические явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов солей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный закон возбуждения: порог физиологического возбуждения определяется количеством перенесенных ионов. Физик и химик В.

Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толковании проницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.

Физиология клетки

Возникновение новых направлений в физиологии животных и человека, коренное изменение многих сложившихся ранее представлении и концепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м годам нашего столетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитии физиологических наук, явились следствием современной научно-технической революции. Грандиозные достижения физики и техники, в особенности электроники, автоматики и вычислительной техники, давшие в руки физиологов принципиально новые методы сбора и анализа информации, привели к технической революции в этой области знания. Подтвердилась справедливость высказывания И. П. Павлова, что наука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.

Созданной в наше время новой инструментальной технике физиология обязана фундаментальными открытиями, возможностью проникновения в интимные процессы жизнедеятельности, в их внутреннюю организацию и механизм их регуляции.

физика биология химия термодинамика

Техническое перевооружение физиологии

На протяжении десятка лет неузнаваемо изменился облик физиологической лаборатории. Старая аппаратура, служившая исследователям более столетия, отжила свой век и перекочевала в музеи истории науки.

Особенно ценными оказались следующие качества новой инструментальной техники: высокая чувствительность и точность измерительной аппаратуры, ее быстродействие, возможность преобразования одних процессов в другие (например, механических и тепловых в электрические), возможность хранения и воспроизведения информации, осуществимость синхронного исследования нескольких физиологических процессов, возможность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многих приборов. Стал достижим точный количественный и временной анализ микропроцессов (изменений температуры в 0,000001°, механических перемещений, составляющих микроны, электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих в микрообъектах (одиночных клетках и их структурах) в микроинтервалы: времени (в течение долей миллисекунды). Применение современной инструментальной техники и разработка большого числа новых методов исследования оказали влияние решительно на все отделы физиологии.

Развитие общей физиологии тесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур. Еще в начале XX в. К. А. Тимирязев сетовал на то, что физиология клетки «пока и неосуществима, так как пе придумано еще ни весов, ни термометров, ни гальванометров для клеточки».

В настоящее время такие приборы сконструированы, и это явилось одной из важнейших предпосылок создания подлинно экспериментальной физиологии клетки.

Другой предпосылкой следует считать успехи морфологического и биохимического исследования клетки, также связанные с применением новой исследовательской техники.

Для понимания происходящих в клетке физиологических процессов чрезвычайно велико значение исследований, выполненных при помощи электронного микроскопа. Благодаря его применению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70—80.

А, оспаривавшееся некоторыми исследователями, было обнаружено существование сложных систем внутриклеточных мембран и раскрыта их пространственная организация. Выяснилось, что мембраны представляют собой обязательный структурный элемент клетки. Особое внимание физиологов привлекли исследования саркоплазматической сети (ретикулума) мышечных волокон.

Это образование, впервые обнаруженное при помощи светового микроскопа, было вновь открыто Ф. Шёстрандом и Б. Андерсоном в середине 50-х годов благодаря применению электронного микроскопа, позволившего изучить детали его строения. Изучена структура миофибрилл — сократительных элементов мышечных волокон.

Посредством электронной микроскопии сверхтонких срезов мышц в сочетании с исследованием рассеяния рентгеновых лучей под малыми углами установлено, что миофибриллы состоят из двух систем нитей, которые различаются по толщине и химическому составу. Полагают, что более толстые нити образованы миозином, более тонкие — актином.

Нити одной системы входят своими концами в промежутки между нитями другой системы, причем между теми и другими имеются связывающие их поперечные мостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия, 1963), обнаруживший такую структуру миофибрилл (1955—1956), высказал предположение, что во время сокращения происходит скольжение одной системы нитей по другой.

Велики и достижения современной биохимии, получившей возможность изучать роль различных внутриклеточных образований в процессах обмена веществ.

Этими возможностями биохимия обязана методикам ультрацентрифугирования, ультразвуковой дезинтеграции, электрофореза, хроматографии, пламенной фотометрии, масс-спектрометрии, изотопной индикации, адсорбционной спектроскопии, ауторадиографии, люминесцентного анализа, определения двойного лучепреломления в потоке и многим другим, основанным на новейших достижениях физики и техники.

Источник: https://mirznanii.com/a/322821/istoriya-biofiziki

Booksm
Добавить комментарий