Опишите предмет науки биофизика и раскройте ее значение для биологической науки и медицины
Биофизика - молодая отрасль естествознания, возникшая на стыке двух мощных наук— физики и биологии.
Объект Биофизики – живая система (часть клетки, клетка, отдельный орган, целый организм)
Биофизические исследования начинаются с физической постановки задачи, относящейся к живой природе, и должны формулироваться исходя из общих законов физики и атомно-молекулярного строения вещества.
Теоретическое построение и модели биофизики основаны на физических понятиях энергии, силы, типов взаимодействия, на общих понятиях физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. В центре внимания биофизики как биологической науки лежат биологические процессы и явления.
Основная задача биофизики заключается в том, чтобы на конкретном биологическом материале показать, каким образом физические, физико-химические и химические процессы, протекающие в живом организме, переходят в качественно новые, уже физиологические явления. Вторым фактором, обусловливающим сложность указанной проблемы, является исключительная специфичность, гетерогенность и динамичность биологических систем. Поскольку предметом биофизики являются физические и физико-химические процессы в организме, то при биофизических исследованиях применяются в основном физические и физико-химические методы, которые модифицируются и приспосабливаются для целей биофизических исследований. Биофизические методы должны обладать высокой чувствительностью и точностью, не должны вносить значительных искажений в структуру и свойства исследуемого объекта. Все методы должны давать количественные результаты, что позволяет получать количественные зависимости между изменениями различных физико-химических параметров живой системы.
В последнее время биофизика стала оказывать заметное влияние на развитие теоретической и практической медицины. Одна из основных задач медицинской биофизики — это выявление физических и физико-химических параметров, которые можно было бы использовать для объективной диагностики функционального состояния организма. Характерным свойством живых клеток является наличие мембранного потенциала, способность удерживать ионные градиенты, способность поляризовать электрический ток, наличие электрокинетического потенциала, способность к хемилюминесценции, движение цитоплазмы. Некоторые из этих параметров медицина уже давно использует для оценки состояния организма. Методы, основанные на регистрации биопотенциалов, стали классическими (электрокардиография, электроэнцефалография и т. п.).
Наиболее важной проблемой медицинской биофизики является исследование физических и физико-химических основ патологических процессов. На основе изучения механизма действия ионизирующей радиации были получены вещества, осуществляющие химическую защиту от радиации при их введении в организм перед облучением,— ингибиторы. Исследование электрических явлений в костях позволило разработать метод заживления костных переломов с помощью электрического тока.
Расскажите об основных разделах биофизики.
По решению Международной ассоциации общей и прикладной биофизики, к разделам этой дисциплины относятся: молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика органов чувств и сложных систем.
1. Молекулярная биофизика. Изучает строение и физические свойства молекул, входящих в состав организма, исследует условия равновесия молекулярных биологических процессов, изменения их течения во времени, термодинамику биологических процессов.
Методами современной физики молекулярная биофизика исследует физические свойства этих соединений:
1) структура биологических полимеров;
2) условия стабильности их пространственной структуры;
3) природа сил, ответственных и за устойчивость
биополимеров, и определяющих их конформационную
подвижность
4) условия, в которых существуют стабильные формы и
происходят структурные изменения биополимеров.
2. Биофизика мембранных процессов или биофизика клетки. Изучает физические и физико-химические особенности клеточных структур, закономерности деления и дифференцировки клеток, а также такие высокоспециализированные функциональные проявления клеток, как генерация возбуждения и биопотенциалы. Эта часть биофизики изучает молекулярную организацию и конформационные свойства биологических мембран, биофизику процесса транспорта веществ через мембрану, электрогенез.
3. Биофизика фотобиологических процессов. Изучает механизмы фотоэнергетических и фоторецепторных систем, выясняет роль и механизмы участия электронно-возбужденных состояний в биологических процессах.
4. Биофизика органов чувств. Изучает функционирование этих систем в физических и биологических аспектах и исследует превращение энергии, которые происходят при восприятии внешних раздражений.
5. Биофизика сложных систем. Изучает проблемы регулирования и саморегулирования сложноустроенных многоклеточных организмов, а также термодинамические и кинетические особенности их функционирования. В этом разделе биофизика смыкается с биологической кибернетикой, предметом которой являются процессы управления и регулирования в биологических системах.
3. Опишите типы термодинамических систем и приведите примеры.
Термодинамическая система — любой объект природы, состоящий из достаточно большого количества частиц и каким-либо образом отграниченный от окружающей среды.
Различают 3 вида термодинамических систем в зависимости от их взаимодействия с окружающей средой:
а) Изолированные системы — не могут обмениваться с окружающей средой ни энергией, ни веществом (могут существовать вечно). Изолир. система со временем приходит в состояние термодинамического равновесия. В этом состоянии, как и в стационарном, параметры системы сохраняются неизменными во времени. Таких систем в реальных условиях не существует, но понятие изолированной системы используют для понимания главных термодинамических принципов (удобная термодинамическая модель).
б) Замкнутые системы — могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом. Пример закрытой системы — споры, космический корабль, закрытый термос с чаем, герметично упакованные продукты (бутылки с газированной водой)
в) Открытые системы — это системы, которые могут обмениваться с окружающей средой и энергией, и веществом. Здесь самый важный пример — живые объекты (люди, животные, растения, водоемы).
Энергия системы – это ее способность совершать работу
По агрегатному состоянию:
1. Гомогенная – отсутствие резких изменений физических и химических свойств при переходе от одних областей системы к другим (состоят из одной фазы).
2. Гетерогенная – две или более гомогенные системы в одной (состоит из двух или нескольких фаз).