Биофи́зика (от — жизнь, — природа) — комплексная наука на стыке биологии, физики и математики:
раздел биологии, изучающий физические аспекты существования природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом; раздел современной математической физики, изучающий биологические объекты как разновидность сложных нелинейных физических систем; наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности действия физических законов на биологическом уровне организации вещества и энергии.
«Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям»Рубин А. Б. Биофизика (учебник) в 2-х т.т. — М., 2002. C. 9..
По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406.
Разделы биофизики Согласно номенклатуре ЮНЕСКО, в биофизике выделяются разделы: 2406.01 Биоакустика (коммуникация и локация в воздушных и водной средах) 2406.02 Биоэлектричество (мембранный потенциал, информационные и интегральные процессы, ЦНС и ВНС) 2406.03 Биоэнергетика (энергообеспечение и теплопродукция) 2406.04 Биомеханика 2406.05 Биооптика (биолюминесценция, зрение и обработка информации) 2406.06 Медицинская физика (методы диагностики, физиотерапии и патогенез) 2406. Биофизика сложных систем (системогенез, первичный синергогенез, эволюция, индивидуальное развитие, уровни организации биосистем) 2406. Биофизика сенсорных систем (психофизика) 2406. Биофизика среды обитания (экологическая, космофизика) 2406. Биофизика периодических процессов (биоритмология) 2406. Биофизика развития и эволюции 2406. Биофизика метаболизма (массоперенос, терморегуляция, гемодинамика) 2406.99 Прочие
Приведённая выше классификация основана на принципе структурной организации объектов и предназначена для максимально удобства изложения новых разработок, одновременно демонстрируя проблемы авангардных направлений и затруднения в формировании и развитии значимых тем и направлений. Для изучения общего курса биофизики традиционной школы более приемлема следующая классификацияПо материалам: Рубин А. Б. Биофизика (учебник) в 2-х т.т. — М., 2002. C. 6.. Но время показало ограничивающий характер старой школы, которая в лучшем случае упоминает основу самой науки — биофизику сложных систем. В силу этого огромная армия высокообразованных узкопрофильных специалистов обходят базовые понятия жизни и жизнедеятельности, системогенеза, высших функций сложных организмов. Это ограничило развитие этих направлений и подготовку специалистов в проблемных научных направлениях. Биофизика сложных систем: понятийный аппарат, объекты и их уровни организации в БСС системогенез и его виды в репродукции организмов — синергогенез, соматогенез, морфогенез иерархия и классификация в БСС системообразующие факторы и механизмы в формировании системных коммуникаций и объектов систем методология системологии и её репродуктивная творческая роль в БСС и эффективность применения в других научно-практических областях. Биофизика коммуникаций и сенсорная биофизика: сенсорные системы и их механизмы трансляции сигналов; психофизика каналов информационных преобразований психофизика интегральных процессов восприятия и полимодальная биофизика экспертные методы исследования и биодетекция культурами и препаратами модальности прямого и приборного (преобразованного, трансформированного, усиленного, изменённого стимула) изучения и измерений в науке и практике. Теоретическая биофизика: математическая биофизика, математическое и информационное моделирование структур и функций объектов биофизики; методы теорфизики в биофизике: кинетика биологических процессов; термодинамика биологических процессов: преобразования энергии в живых структурах; Молекулярная биофизика: физические и структурные основы организации и функционирования биополимеров надмолекулярные и субмолекулярные систем; методы изучения и модельного (символьного и /или графического) отражения и прогнозирования молекулярных структур Квантовая биофизика; Биофизика клетки и клеточных процессов: биофизика мембранных процессов: свойства и структура биологических мембран и их частей; механизмы транспорта через биомембраны; Биофизика метаболизма Биофизика фотобиологических процессов: основы фотосинтеза, структуры и функции (механизмы) фотосинтеза; воздействия внешних источников света на живые системы и адаптация к соляризации; радиационная биофизика — влияния ионизирующего излучения на организм; массоперенос, теплорегуляция и системные реакции в метаболических процессах организма. Прикладная биофизика: биоинформатика: хотя не является собственным разделом биофизики, но очень тесно связана с ней; биометрия; биомеханика: функции и структура опорно-двигательного аппарата и физические движения биологических систем; биофизика эволюционных процессов и индивидуального развития в биомедицине; медицинская (патологическая) биофизика: патогенез и методы компенсаторного и реконструктивного восстановления; физические методы исследования и воздействия и их эффективность (разрешение, влияние, последействие применения); оптимизация биофизических условий сред продуктивности и качества процессов в биотехнологиях. Биофизика среды обитания: техногенные и природные факторы среды обитания; многофакторные среды обитания мигрантов и биотехнологий (жилища и территории, курортолечение, транспорт, акванавтика, космонавтика, биотроны и др.); космическая погода и астрофизическое влияние ближнего (гео и гелио факторы) и дальнего (глубинного) космоса; биоритмология и внешние факторы синхро и десинхронизации биоритмов; системные и локальные мероприятия профилактики негативных влияний среды обитания (биомедицина).
История исследований Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.
Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам.
СССР Первый Институт физики и биофизики в Москве был создан в 1927 году. Но просуществовал он недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П. П., был арестован и Институт закрылиГорелик Г. Е. Москва, физика, 1937 год. .
Современные направления исследований В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.
Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.
Крупные исследователи в биофизике Луиджи Гальвани: открыл биоэлектричество. Герман Гельмгольц: первый замерил скорость нервных импульсов. Александр Леонидович Чижевский — советский биофизик, основоположник гелиобиологии, аэроионификации, электрогемодинамики, философ. Впервые научно доказал влияние космической погоды на биосферу. Пётр Петрович Лазарев — российский и советский биофизик. Создал физико-химическую теорию возбуждения (ионная теория возбуждения), вывел единый закон раздражения, исследовал процесс физиологической адаптации органов чувств (преимущественно зрения, а также слуха, вкуса и обоняния) к действующим на них раздражителям, вывел единый закон раздражения, разрабатывал проблему приложимости законов термодинамики к биологическим процессам. Ирвинг Ленгмюр: разработал концепцию одномолекулярного органического покрытия. Лауреат Нобелевской премии по химии 1932 года. Дьёрдь фон Бекеши: исследователь человеческого уха. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1961 года. Макс Перуц и Джон Кендрю: исследователи строения белков с помощью рентгеноструктурного анализа. Лауреаты Нобелевской премии по химии 1962 года. Морис Уилкинс: открыл трёхмерную молекулярную структуру ДНК. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года. Герд Бинниг, Эрнст Руска, Генрих Рорер: разработали сканирующий туннельный и сканирующий атомно-силовой микроскопы. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1986 год. Бернард Кац: исследовал роль норадреналина в синаптической передаче. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1970 года. Питер Митчелл: Автор хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования. Лауреат Нобелевской премии по химии 1978 года. Эрвин Неэр и Берт Закман: разработали метод локальной фиксации потенциала. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1991 года. Питер Агре — лауреат Нобелевской премии по химии 2003 года за открытие и исследование аквапорина. Премия была разделена с Родериком Маккиноном — американским биохимиком и кристаллографом, который в 1998 году с коллегами смог получить трёхмерную молекулярную структуру бактериального калиевого канала и раскрыть природу его селективности.
Области применения Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.
В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгеноструктурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.
Также разрабатываются специальные методики с использованием эффектов при восприятии некоторых воздействий на биологическую форму материи.
См. также Биогеофизика
Примечания
Литература
Биофизика / Под общ. ред. акад. АН СССР П. Г. Костюка. — К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. — 504 с. Волькенштейн М. В. Биофизика: Учебное руководство, 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 592 с. — ISBN 5-02-013835-5 Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф., Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с. — ISBN 978-5-9221-0848-5 Рубин А. Б. Биофизика. Учебник в 2-х тт. — М., 1999, 2002.
Гудков С. В., Частные вопросы радиационной биофизики. — Н. Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2022. – 236 с. ISBN 978-5-91326-750-4
Ссылки
Нечипоренко Ю. Достижения современной биофизики — немного истории и достижения современной биофизики.