Биофизика для каждого

• АВТОР: Ольга Слатинская

• РЕДАКТОРЫ: Антон Чугунов, Андрей Панов

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Биофизика — наука на стыке биологии, физики и... химии, а также медицины и математики. Биофизика проникает во все разделы биологии и является бесспорным помощником при анализе результатов. Быть биофизиком — значит уметь читать спектры. Быть биофизиком — значит уметь увидеть за одинокой вспышкой молекулы целую жизнь клетки. Быть биофизиком — значит моделировать сложные биохимические и биофизические процессы в клетках, мембранах, ДНК и даже биостанциях. В этом году состоялся VI Съезд биофизиков России, на котором были обнародованы многие достижения современной биофизики.

Немного о биофизике

Когда человек впервые слышит слово «биофизика», в его голове сразу же всплывают сложные образы. Особенно страшные встают перед глазами биологов, ведь, казалось бы, откуда в биологии взяться физике? Ответ прост — все биологические процессы очень тесно связаны с химией и физикой, ведь жизнь биологических объектов осуществляется главным образом за счет передвижения биологических молекул и ионов совместно с протеканием электрических импульсов. Откуда взяться физике при изучении отдельных биологических молекул? Всё опять просто — дело в том, что все биологические молекулы состоят из атомов, а значит, имеют электронное облако, заряд и спин.

Что же такое биология? Согласно определению Джона Бернала, «биология — это в основном описательная наука, больше похожая на географию... Несомненно, должна существовать также подлинная и общая биология. Истинная биология в полном смысле этого слова была бы наукой о природе и активности всех организованных объектов, где бы они ни находились — на нашей планете, на других планетах солнечной системы или в иных звездных системах» [1].

Физика, в свою очередь, это область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, ее структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания [2].

Определение у такого понятия, как «биофизика», много, вот некоторые из них:

• Биофизика — раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех ее 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.
• Биофизика — это наука, изучающая физические и физико-химические явления в живых организмах, структуру и свойства биополимеров, влияние различных физических факторов на живые системы («Энциклопедический словарь»).
• Юрий Мешалкин (заведующий лабораторией лазерной фотобиофизики, г. Новосибирск) дает следующее определение: «биофизика — наука, изучающая физические явления и свойства, важные для функционирования биологических систем, и использующая для этого комплекс экспериментальных и теоретических методов физики и физической химии».
• Андрей Рубин (заведующий кафедрой биофизики биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова) характеризует биофизику как «науку о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических процессов» [3]. В то же время, «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 обобщенных понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям» [4].
• Михаил Волькенштейн (советский физикохимик и биофизик) предложил определение биофизики через ее задачи: «Задачи биофизики состоят в познании явлений жизни, основанном на общих принципах физики, и изучении атомно-молекулярной структуры вещества».

Таким образом, биофизика — это сложная, многозадачная наука, которая изучает организацию и перераспределение вещества и энергии на биологическом уровне организации. Главным инструментом биофизики служат спектральные приборы, способные зарегистрировать спектры от молекул. Например, экологическая биофизика по спектрам флуоресценции хлорофилла (рис. 1) может определить состояние фотосинтетического аппарата фитопланктона, а в сочетании с оптическими спектрами по форме пиков и положению максимумов пигментов, участвующих в фотосинтезе, можно сделать вывод о том, какие именно виды фитопланктона обитают в исследуемой области, а по изменению популяций сделать вывод о произошедших изменениях в экосистеме исследуемой области. С другой стороны, биофизики активно пользуются флуоресценцией от одиночных молекул (например, с методами PALM и STORM подробнее можно ознакомиться в других статьях «Биомолекулы» [5–7]). Есть и совсем высокотехнологичные методы биофизики, способные по физическим сигналам (электронной или рентгеновской дифракции, а также ядерному магнитному резонансу) восстанавливать пространственное (трехмерное) строение биомолекул — эта область получила название структурной биологии [8].

Наконец, важнейшую роль в биофизике играют математическое и компьютерное моделирование, позволяющие строить реалистичные имитации различных биологических систем — от молекулярных до популяционных [9].

Одна из самых интересных задач биофизики...

Много научных работ проведено на зафиксированных препаратах, выделенных веществах, либо же помещенных в искусственную среду. Ученые долгое время изучали биологические объекты вне их естественной среды обитания, создавая условия из буферных растворов, лишь отдаленно соответствующие естественным. Благодаря этому был накоплен бесценный опыт о природе и механизмах взаимодействия/работы тех или иных веществ. Однако в современной биофизике наблюдается тенденция к изучению биологических объектов не in vitro, а in vivo, что позволит получить картину процессов, в реальном времени происходящих в биологических объектах [10]. Это становится возможным благодаря развитию новых технологий и современного оборудования. Так, уже ведутся работы по разработке приборов, которыми можно идентифицировать опухолевые клетки и ткани органов при помощи методов флуоресценции, спектроскопии комбинационного рассеяния и масс-спектрометрии (рис. 2). Разработка новых диагностических методов позволит врачам в режиме реального времени определять и удалять участки органов и тканей, поврежденных опухолью.

Продолжение в источнике: https://biomolecula.ru/articles/biofizika-dlia-kazhdogo

Источник: m.vk.com

Комментарии: