Биофизика - Медицинская или биологическая физика
Биофизика (от греческого слова Bios - жизнь и physike или physis - природа) представляет собой науку, которая изучает физико-химические и физические процессы в живых организмах. Синонимы - биологическая физика, медицинская физика. Традиционно биологическую медицинскую физику разделяют на молекулярную, объектом исследования которой являются биологические макромолекулы, биологическую физику клетки, которая изучает супрамолекулярные структуры живой клетки, биофизику сложных систем, которая рассматривает различные уровни организации живых систем - группировка клеток, ткани, организмов, популяции.
Биофизика в своих исследованиях широко использует химические, физические, а в последнее время - также электронно-вычислительные методы.
Биологические явления лежат в основе многих диагностических и терапевтических методов. В физических и биофизических исследованиях живых систем специфика определяется тем, что в их построении участвует генетическая информация, следствием чего является пространственно-временная организация внутриклеточных процессов, направленная на минимизацию энергетического баланса в клетке.
Сама организация клетки обеспечивает гомеостаз, который координируется регулирующими биофизическими механизмами, содержащих системы прямой и обратной связи и синхронизируют внутренние ритмы живого организма с ритмами окружающей среды.
В рамках современного подхода бифизики живой организм является уникальной, открытой, многоцелевой системой, которая саморегулируется и включает активные среды.
Активные среды - это система, состоящая из большого количества отдельных элементов (клеток), каждый из которых является автономным источником энергии: нейронные волокна и сети, мышечные структуры сердца, гладкомышечные волокна сосудов, а также другие ткани, в которых возникают и распространяются автоволны.
Теория автоволн в биологической физике позволяет выделить параметры, отвечающие за устойчивость нормальных волн, возникновения и распространения паразитарных автоволн. Для анализа живых систем используются различные биофизические подходы: термодинамический, кинетический, системный анализ, теория управления, синергетика, инфодинамика, моделирование и т. Каждый из них помогает определить специфику живого организма и его взаимодействия с внешней средой, возникновения, развития, адаптации и переходного состояния.
Иногда как самостоятельные разделы биофизики выделяют биоэнергетику, биомеханику, биоакустики и математическую биофизику.
Биоэнергетика изучает совокупность процессов преобразования энергии в живому организму, в т.ч. биофизическое извлечение энергии из внешней среды, аккумулирования и использования ее для процессов жизнедеятельности.
Биомеханика состоит из трех частей:
- механика макроскопических движений организма изучает механические свойства живых тканей, органов и организма;
- гидродинамика кровообращения и внешнего дыхания;
- механика мышечного сокращения.
Результаты исследований в этих областях находят применение в медицине, ортопедии, лечебной физкультуре, физиологии труда и тому подобное.
Биоакустика - учение о биофизике восприятии и излучения звука биологическими объектами. Математическая биофизика изучает живые системы методами математического моделирования. Для построения моделей используются системы дифференциальных и интегральных уравнений, характеризующих причинно-следственные явления, определяющие функционирование сложных биосистем всех уровней - от молекулярного до видового и биосферного.
Математические модели применяются для решения медицинских задач, в т.ч. в иммунологии, при анализе развития эпидемий или инфекционных заболеваний, в фармакологии, в процессах управления клиническим лечением, для предотвращения развития побочных эффектов и тому подобное. Для решения прикладных задач биологической физике используются и другие математические приемы медицинской физики, в частности теория графов, которая позволяет решать подобные задачи, не используя дифференциальных уравнений, моделирование методом молекулярной механики и тому подобное.
Живая клетка является очень сложным объектом исследований. Поэтому в клеточной биофизике для изучения процессов структурного, энергетического и информационного обеспечения как самой клетки, так и ее взаимодействия с внешней средой используются различные модели, где механизмы, которые изучаются, оказываются более четко. Искусственные модели в биологической физике сыграли большую роль в развитии представлений о структуре мембран и их роль в жизнедеятельности клетки.
В модельных мембранах, которые построены из разных липидов, фосфолипидов с включением белков в различных структурных комбинациях, удалось исследовать явление избирательной проницаемости, выявить механизмы действия различных лекарственных препаратов (наркотиков, лекарств, ядов и т.п.). Разработанные методы медицинской физики с фиксированием мембранного потенциала и метод локальной фиксации мембранного потенциала определили для предотвращения создания гармоничного учения о потенциале покоя клетки, формирование потенциала действия и распространения возбуждения в нервах в норме или при интерпретации некоторых патологических проявлений.
Живой организм функционирует в условиях действия физических факторов, которые непрерывно меняются (температура, давлениее, механическиех волны, электрические, магнитные и электромагнитные поля), что является важным для биофизике как науке.
Для количественного анализа некоторых факторов природа создала высокочувствительные рецепторы. Для восприятия продольных упругих волн с частотой от 16 до 20000 Гц у человека и животных есть специальный орган слуха, который способен различать звуки по высоте тона, тембром и громкостью. Законы распространения звуковых волн и взаимодействия их со средой лежат в основе методов корректировки слуха и звуковых методов диагностики. Особое место в жизни организмов занимает фоторецепция.
Биологическая физика зрения включает излучения глаза как оптического прибора с привлечением законов взаимодействия света с веществом и аппарата квантовой механики, так и физические основы молекулярного механизма зрения и формирования физиологической реакции. В основе любого физиологического процесса лежит эффект поглощения света и возникновения возбужденного состояния. Трансформация энергии и электронно-возбужденные взаимодействия оказываются в фоторегуляторних и фотодеструктивних явлениях, которые необходимо учитывать при выборе лекарственных препаратов и косметических средств. Важнейшей проблемой является также преобразования энергии при воздействии на организм ионизирующих излучений, определяет значительный вклад биофизики в понимание первичных механизмов лучевого поражения и разработку способов управления лучевыми реакциями биологических объектов, животных и человека с помощью различных модифицирующих средств.
На современном этапе биофизики большое внимание уделяется собственным физическим полям, которые формируются организмом человека. Это электрические поля (переменные и квазипостоянные), магнитные поля (переменные и постоянные), тепловое поле (излучение в инфракрасном и сверхвысокочастотного диапазона), излучение в оптическом и УФ-диапазонах, ионизирующее излучение и акустические поля.
Молекулярная биофизика изучает строение и физико-химические свойства биополимеров - белков и нуклеиновых кислот. Эти соединения являются динамическими структурами, и каждая из них имеет несколько конформационных форм, переходы между которыми часто определяют биологическую функциональность.
Теоретический аппарат молекулярной биофизики - это термодинамика, статистическая механика, квантовая механика. В экспериментальных исследованиях биофизики используется широкий арсенал физических методов: методы оптики, спектроскопии, калориметрии, микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других методов, часто усовершенствованных специально для исследования биологических структур.
Результаты биофизических исследований строение, физические свойства молекул, клеточных структур, клеток, тканей, органов и физические процессы, сопровождающие обмен веществ и действие физических факторов на живую систему, создают теоретическую базу для оценки функционального состояния организма, изучение механизмов возникновения болезней, понимание развития патологии и действия фармакологических препаратов, разработки методов диагностики и физиотерапии, создание современной медицинской техники.
Развитие фармации выявило необходимость подготовки высококвалифицированных специалистов, которые не только обладают глубокими знаниями в области профессионально ориентированных дисциплин, но и имеют фундаментальную практическую и теоретическую подготовку в области химии, физики, биологии и смежных дисциплин биофизики. Специалистам в области фармации особое внимание следует уделить вопросам биологической физике, которые имеют непосредственное отношение к практической и научной деятельности провизоров: математическому и клиническому моделированию фармакокинетических процессов, молекулярной биофизики, транспорта субстанций через биологические мембраны, биологической физике кровообращения, нервного импульса, методам анализа лекарственных препаратов и тому подобное.
^Наверх