Биофизика

Биофизика

Биофизика (көне гр. βίος — өмір, φύσις — табиғат): биологиялық физика — тірі организмдерде жүретін физикалық және физикалық-химиялық процестерді, сондай-ақ, биологиялық жүйелердің ультрақұрылымын зерттейтін ғылым. Физика, химия, математика ғылымдарының идеясы, теориялық негіздері мен биологиялық әдістердің ұштасуы Биофизиканың дамуына зор мүмкіндік туғызды.

Биофизиканың даму тарихы

Физика мен химия заңдылықтарын биологиялық құбылыстарды талдауға қолдану жөніндегі биофизикалық жеке зерттеулер XVII ғасырдан белгілі. Француз ғалымы Р. Декарт адам денесін күрделі машина деп, ал Италия ғалымы Л.Гальвани жануарлардың организміне электр тогымен әсер еткенде, олардың бұлшық етінің жиырылуын “жануарлардың электрлік қасиеті” деп қараған. XIX — XX ғасырларда энергияның сақталу және айналу заңы (Ю.Р.Майер), қозудың иондық теориясы, жарықтың биология құрылымдарға әсері (Г.Гельмгольц, П. П. Лазарев), тірі организмдердің мүшелері мен клеткаларындағы осмостық және биоэлектрлік қасиеттер (Э. Дюбуа-Реймон, Ю.Бернштейн, Ж.Леб, В.Нернст) зерттелді.

Биофизика мынадай негізгі тарауларға бөлінеді

• Молекулярлық Биофизика;
• Клеткалық процестер Биофизикасы;
• Басқару және реттеу процесінің Биофизикасы.

Молекулярлық Биофизика тірі организмдерді синтездейтін макромолекула мен молекулалық биобірлестіктердің физикалық-химиялық қасиеттерін, олардағы биохим. процестердің қарым-қатынастары мен энергия сипатын анықтайды.

Клеткалық процестердің Биофизикасы жасушалардың физикалық-химиялық негіздерін, биологиялық мембраналар мен жасуша органоидтарының молекулалық құрылысын, олардың атқаратын қызметіне сәйкес механикалық және электрлік қасиеттерін, жасушадағы биохимиялық процестердің энергиясын, биологиялық процестердің термодинамикасын зерттейді, Биофизикалық факторлардың тірі организмдерге (жануарлар мен өсімдіктерге, микроорганизмдерге және адамға) әсерлерін анықтайды.

Биологиялық жүйелердегі басқару және реттеу процестері Биофизикасы организмдердегі басқару жүйесінің ішкі байланыстарын зерттейді, олардың Биофизикалық моделін жасау арқылы физикалық табиғатын анықтайды.

ЮНЕСКО номенклатурасы бойынша биофизиканың келесі тараулары ажыратылады:

• 2406.01 Биоакустика (ауа және су орталарындағы коммуникация және локация)
• 2406.02 Биоэлектрлік (мембраналық потенциал, ақпараттық және интегралдық үрдістер)
• 2406.03 Биоэнергетика (энергоқамтамасыздандыру және жылуды өндіру)
• 2406.04 Биомеханика
• 2406.05 Биооптика (биолюминесценция, көру және ақпаратты өндеу)
• 2406.06 Медициналық физика (диагностика, физиотерапия әдістері және патогенез)
• 2406. Күрделі жүйелердің биофизикасы (системогенез, біріншілік синергогенез, жеке даму, биожүйелердің ұйымдасу деңгейлері)
• 2406. Сенсорлық жүйелер биофизикасы (психофизика)
• 2406. Тіршілік ету ортасының биофизикасы (экологиялық биофизика, космофизика)
• 2406. Қайталанбалы үрдістер биофизикасы (биоритмология)
• 2406. Метаболизм биофизикасы (массаның ауысуы, терморегуляция, гемодинамика)
• 2406.99 Басқалары

Зерттеу тарихы

Эрвин Шрёдингердің «Физика тұрғысынан өмір деген не?» (1945) биофизиканың негізі ретінде өмірдің термодинамикалық негіздері, тірі ағзалардың жалпы құрылымдық ерекшеліктері, кванттық механика заңдарына биологиялық құбылыстардың сәйкес келуі сияқты ғылымның негізі және т.б. ретінде жұмыс жасайды деп айтуға болады.

Биофизика өз дамуының бастапқы кезеңдерінде физика, химия, физикалық химия және математика идеялар және әдістерімен тығыз байланысты және биологиялық объектілерді зерттеуде нақты тәжірибелік әдістерді қолданды (спектрлік, изотоптық, дифракция, радио-спектроскопиялық). Биофизика дамуының осы кезеңінің басты нәтижесі - физиканың негізгі заңдарын биологиялық объектілерге қолданылуының эксперименталдық дәлелі болып табылады.

КСРО

1927 жылы Мәскеуде алғашқы физика және биофизика институты құрылды. Бірақ ұзаққа созылмады: 1931 жылы оның жетекшісі, академик Лазарев П.П. қамауға алынып, институт жабылды.

Зерттеудің қазіргі заманғы бағыттары

Қазіргі уақытта күрделі жүйелердің биофизикасы және молекулалық биофизика қарқынды дамып келеді.

Биофизикалық зерттеулердің заманауи бағыттары: космогеофизикалық факторлардың физикалық және биохимиялық реакцияларға әсері, фотобиологиялық процестер, математикалық модельдеу, ақуыз және мембрана құрылымдарының физикасы, нанобиология және т.б.

Биофизикадағы ірі зерттеушілер

• Луиджи Гальвани: биоэлектрлікті ашты.
• Герман Гельмгольц: бірінші болып жүйке импульстарының жылдамдығын өлшеді.
• Александр Леонидович Чижевский — кеңестік биофизик, гелиобиологияның негізін қалаушысы, аэроионификация, электрогемодинамик, философ. Алғаш рет ғарыштық ауа райының биосфераға әсерін ғылыми түрде дәлелдеді.
• Пётр Петрович Лазарев — ресейлік және кеңестік биофизик. Ол қозғалыстың физикалық-химиялық теориясын (иондық қозғау теориясы) құрды, сезім органдарының физиологиялық бейімделу үдерісін (көбінесе көру, сондай-ақ есту, дәм және иіс) оларға әсер ететін ынталандыру әдістерін зерттеді, тітіркенудің бірыңғай заңын жасады, термодинамика заңдарының биологиялық процестерге қолданылу проблемасын жасады.

Қазақстанда Биофизикалық зерттеулер

Биофизика молекулалық биология, биохимия ғылымдарымен тығыз байланысты. Биофизиканың негізгі салалары радиобиология, биомеханика, биоэнергетика, фотобиология, биолюминесценция, т.б. Жалпы, Қазақстанда биофизикалық зерттеулер XX ғасырдың 60-жылдарында басталды. Қазір биофизикамен Онкологиялық және радиологиялық ғылыми-зерттеулер институты, Ботаника және фитоинтродукция институты, “Биоген” жабық акциондық қоғамы, ҚазҰУ, ҚазҰМУ шұғылданады. Қазақстанда, әсіресе, радиологиялық зерттеулер жақсы дамыған (С. Балмұқанов, С. Рысқұлова, А. Сейсебаев, Т. Байбекова). Қазақ мемлекеттік ұлттық университетінде лазер технологиясын ауыл шаруашылығында пайдаланып, ауыл шаруашылық дақылдардың тұқымын, егістіктерді, суды гелий-неон лазерінің сәулесімен өңдеу арқылы астықтың өнімін, өсімдіктің әр түрлі кеселге төзімділігін арттыруға болатындығы дәлелденді (В.М. Инюшин, Қ.Өрісбаев, С. Төреханов, т.б.). Суды лазермен активтендіру арқылы өндірістік ластанған судағы ауыр металдардың (қорғасын, сынап, кадмий, никель, т.б.) мөлшерін және органикалық зиянды заттарды азайтуға болатындығы анықталды (Инюшин, Өрісбаев, т.б.) Ауыл шаруашылық дақылдарының биоэлектрлік активтілігі олардың физиологиялық қасиеттерімен (Ф. Полымбетова), ал жүйке жасушасының биоэлектрлік активтілігі жылу реттелу процестерімен (С. Тілеулин) байланыстылығы зерттелді. Клетка мембранасының өткізгіштік қасиеті және оның механизмі (О. В. Есырев), ауыл шаруашылық дақылдарының фотосинтезі зерттелді (В. П. Беденко). Жүн талшығының өсуін реттейтін биологиялық механизмдер ашылды (Э.Б. Всеволодов). Гендік ақпаратты ядродан цитоплазмаға тасымалдайтын молекулалардың бір жерден екінші жерге ауыстырылуын қамтамасыз ететін биополимерлерде байқалатын бірқатар физикалық-химиялық процестер молекулалық биология мәселелерімен байланыстыра зерттелді.

Елімізде алғашқы бифизикалық зерттеулер 19 ғасырдың аяғы 20 ғасырдың басында К.А. Тимирязевтің хлорофилдің спектрін зерттеуден және проф. А.Г.Гурвичтің клетканың митогенетикалық сәулесін зерттеулерден басталады. Ал проф. А.Л. Чижевский космикалық биофизиканың негізін қалады. 1939 жылы Нью-Йоркте биофизиканың Бірінші халықаралық конгресі болды, оның президенті болып проф. А.Л.Чижевский сайланды. Венгерлік ғалымдар Э. Бауэр («Теоретикалық биология»,1935) және А. Сент-Дьерди («Биоэнергетика», 1958, 1964; «Субмолекулалық биологияға кіріспе», 19660 және т.б.) биофизиканың дамуына көп үлес қосты. 1919 жылы Наркомздравтың Бірінші биологиялық физика Институты ұйымдастырылды, П.П. Лазарев оның директоры болды. Институт штатында 36 ғылыми қызметкерлер және 16 техникалық қызметкерлер болды. П.П. Лазарев (188-1942) - физик, биофизик, геофизик, қозудың физико-химиялық теориясының негізін қалаушы ғалым. 1956 жылдан бастап ҚазГУдың топырақ биологиясы факультетінде А.А. Соколов биофизика курсын жүйелі түрде оқыта бастады. Осы факультеттің деканы Халиловтың бастамасымен проф. Б.А. Домбровский зоология кафедрасында, одан кейін гистология және цитология кафедрасында биофизикалық зерттеулер лабораториясы құрылды. Зерттеушілер тобының құрамына В.М. Инюшин, Н.А. Воробьев, Н.Н. Федорова және басқалар кірді. Олар электронды және флуоресцентті микроскопия, Кирлиан эффектісін, митогенетикалық сәулелену, газ лазерлерінен поляризацияланған қызыл жарықтың биологиялық әсерін зерттеулермен айналысты. 1966 ж. В.И. Инюшин поляризацияланған монохромдық қызыл жарықтың радиациялық зиянын азайту проблемасы жөнінде кандидаттық диссертация қорғады. 1967 жылы заттың бесінші жағдайы (күйі) – биоплазма тұжырымы пайда болды. Шығыс Қазақстан облысында Серебрянск қаласының маңында 1967 жылы осы тақырып бойынша симпозиум өтті.

Тағы қараңыз

• Биогеофизика

Әдебиет

• Аккерман Ю. Биофизика. — М.: Мир, 1964. — 684 с.
• 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.
• Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. — 184 с.
• Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика. — М.: Медицина, 1983. — 272 с.
• Rodney M. J. Cotterill (2002). Biophysics : An Introduction. Wiley.
• Sneppen K, Zocchi G (2005-10-17). Physics in Molecular Biology (1 ed.). Cambridge University Press.
• Glaser R (2004-11-23). Biophysics: An Introduction (Corrected ed.). Springer.
• Hobbie RK, Roth BJ (2006). Intermediate Physics for Medicine and Biology (4th ed.). Springer.
• Cooper WG (August 2009). "Evidence for transcriptase quantum processing implies entanglement and decoherence of superposition proton states". Bio Systems. 97 (2): 73–89. doi:10.1016/j.biosystems.2009.04.010.
• Cooper WG (December 2009). "Necessity of quantum coherence to account for the spectrum of time-dependent mutations exhibited by bacteriophage T4". Biochemical Genetics. 47 (11–12): 892–910. doi:10.1007/s10528-009-9293-8.
• Goldfarb D (2010). Biophysics Demystified. McGraw-Hill.

Сілтеме

• Biophysical Society
• Journal of Medicine, Physiology and Biophysics,(IISTE), USA. Chief Editor of the journal is Ignat Ignatov. Chief editor of all IISTE journals is Alexander Decker.
• Journal of Physiology: 2012 virtual issue Biophysics and Beyond(қолжетпейтін сілтеме)
• Link archive of learning resources for students: biophysika.de (60% English, 40% German)