Історія біофізики

Біофізичні дослідження у фізиці

Інтерес фізиків до біології в XIX в. безперервно зростав. Одночасно і в біологічних дисциплінах посилювалася тяга до фізичних методів дослідження. Останні все ширше проникали в самі різні галузі біології. За допомогою фізики розширюються інформаційні можливості мікроскопа. На початку 30-х років XX ст. з'являється електронний мікроскоп. Ефективним знаряддям біологічного дослідження стають радіоактивні ізотопи, все більше удосконалюється спектральна техніка, рентгено-структурний аналіз. Розширюється сфера застосування рентгенових і ультрафіолетових променів; електромагнітні коливання використовуються не тільки як засобу дослідження, але і як фактори впливу на організм. Широко проникає в біологію і, особливо фізіологію, електронна техніка.

Поряд з впровадженням нових фізичних методів розвивається і так звана молекулярна біофізика. Домігшись величезних успіхів в пізнанні суті неживої матерії, фізика починає претендувати, користуючись традиційними методами, на розшифровку природи живої матерії. В молекулярної біофізики створюються досить широкі теоретичні узагальнення із залученням складного математичного апарату. Слідуючи традиції, біофізик прагне в експерименті піти від дуже складного ( «брудного») біологічного об'єкта і вважає за краще вивчати поведінку виділених з організмів речовин в можливо більш чистому вигляді. Велике розвиток отримує розробка різних моделей біологічних структур і процесів - електричних, електронних, математичних і т. П. Створюються і вивчаються моделі клітинного руху (наприклад, ртутна крапля в розчині кислоти, яка здійснює ритмічні рухи, подібно амебі), проникності, нервового проведення. Велика увага привертає, зокрема, модель нервового проведення, створена Ф. Ліллі. Це залізне дротове кільце, вміщене в розчин соляної кислоти. При нанесенні на нього подряпини, яка руйнує поверхневий шар оксиду, виникає хвиля електричного потенціалу, яка дуже схожа на хвилі, що біжать по нервах при збудженні. Вивченню цієї моделі присвячується багато досліджень (починаючи з 30-х років), що використовують математичні методи аналізу. Надалі створюється більш досконала модель, що базується на кабельній теорії. Основою її побудови з'явилася деяка фізична аналогія між розподілом потенціалів в електричному кабелі і нервовому

Решта областей молекулярної біофізики користуються меншою популярністю. Серед них слід відзначити математичну біофізику, лідером якої є Н. Рашевський. Математична біофізика пов'язана з багатьма областями біології. Вона не тільки описує в математичній формі кількісні закономірності таких явищ, як зростання, поділ клітин, збудження, а й намагається аналізувати складні фізіологічні процеси вищих організмів. У США школою Ра-Шевська видається журнал «Математична біофізика».

Сильним поштовхом для формування біофізики послужило виникнення в кінці XIX - початку XX ст. фізичної хімії, продиктоване необхідністю виявлення механізмів, що лежать в основі хімічної взаємодії. Ця нова дисципліна відразу ж привернула до себе увагу біологів тим, що вона відкривала можливість пізнання фізико-хімічних процесів в тих «брудних», з точки зору фізика, живих системах, з якими їм важко було працювати. Ряд напрямків, що виникли у фізичній хімії, породив такі ж напрямку в біофізики.

Одним з найбільших подій в історії фізичної хімії була розробка С. Арреніус (Нобелівська премія, 1903) теорії електролітичноїдисоціації солей у водних розчинах (1887), що розкрила причини їх активності. Ця теорія викликала інтерес фізіологів, яким була добре відома роль солей в явищах збудження, проведення нервових імпульсів, в кровообігу і т. Д. Вже в 1890 р молодий фізіолог В. Ю. Чаговець виступає з дослідженням «Про застосування теорії дисоціації Арреніуса до електромоторним явищ в живих тканинах », в якому спробував зв'язати виникнення біоелектричних потенціалів з нерівномірним розподілом іонів. Трохи пізніше з аналогічними міркуваннями виступив американський біолог Ж. Леб, який визнав пізніше пріоритет Чаговця.

У перенесення фізико-хімічних уявлень на біологічні явища бере участь цілий ряд основоположників фізичної хімії. Виходячи з явища руху іонів солей, В. Нернст (1908) сформулював свою знамениту кількісний закон збудження: поріг фізіологічного збудження визначається кількістю перенесених іонів. Фізик і хімік В. Оствальд розробив теорію виникнення біоелектричних потенціалів, засновану на припущенні наявності на поверхні клітини напівпроникною для іонів мембрани, здатної розділяти іони протилежних зарядів. Тим самим були закладені основи біофізичного напрямки в тлумаченні проникності і структури біологічних мембран в широкому сенсі.

Виникнення нових напрямків в фізіології тварин і людини, докорінна зміна багатьох сформованих раніше поданні та концепцій, пов'язані з переходом до досліджень на клітинному, субклітинному і молекулярному рівнях організації життя, відносяться до 40-х років нашого століття. Ці події, що знаменують справжній перелом у розвитку фізіологічних наук, були наслідком сучасної науково-технічної революції. Грандіозні досягнення фізики і техніки, особливо електроніки, автоматики та обчислювальної техніки, що дали в руки фізіологів принципово нові методи збору та аналізу інформації, привели до технічної революції в цій області знання. Підтвердилася справедливість висловлювання І. П. Павлова, що наука рухається поштовхами в залежності від успіхів, що робляться методикою.

Створеної в наш час нової інструментальної техніці фізіологія зобов'язана фундаментальними відкриттями, можливістю проникнення в інтимні процеси життєдіяльності, в їх внутрішню організацію і механізм їх регулювання.

фізика біологія хімія термодинаміка

Протягом десятка років невпізнанно змінилося обличчя фізіологічної лабораторії. Стара апаратура, що служила дослідникам більш століття, віджила свій вік і перекочувала в музеї історії науки.

Особливо цінними виявилися такі якості нової інструментальної техніки: висока чутливість і точність вимірювальної апаратури, її швидкодія, можливість перетворення одних процесів в інші (наприклад, механічних і теплових в електричні), можливість зберігання та відтворення інформації, здійсненність синхронного дослідження декількох фізіологічних процесів, можливість проведення спостережень на відстані, малі габарити і вага багатьох приладів. Став досяжний точний кількісний і часовий аналіз микропроцессов (змін температури в 0,000001 °, механічних переміщень, що становлять мікрони, електричної напруги, рівного мікровольт), що відбуваються в мікрооб'єктах (одиночних клітинах і їх структурах) в мікроінтервали: часу (протягом часткою мілісекунди) . Застосування сучасної інструментальної техніки і розробка великої кількості нових методів дослідження вплинули рішуче на всі відділи фізіології.

Розвиток загальної фізіології тісно пов'язане з успіхами у вивченні функцій клітин і їх структур. Ще на початку XX ст. К. А. Тімірязєв ​​нарікав на те, що фізіологія клітини «поки і нездійсненна, так як пе придумано ще ні ваг, ні термометрів, ні гальванометрів для клітинки». В даний час такі прилади сконструйовані, і це стало однією з найважливіших передумов створення справді експериментальної фізіології клітини. Іншою причиною слід вважати успіхи морфологічного і біохімічного дослідження клітини, також пов'язані з застосуванням нової дослідницької техніки.

Для розуміння що відбуваються в клітині фізіологічних процесів надзвичайно велике значення досліджень, виконаних за допомогою електронного мікроскопа. Завдяки його застосуванню доведено наявність поверхневої мембрани, товщиною 70-80. А, заперечуване деякими дослідниками, було виявлено існування складних систем внутрішньоклітинних мембран і розкрита їх просторова організація. З'ясувалося, що мембрани являють собою обов'язковий структурний елемент клітини. Особливу увагу фізіологів привернули дослідження саркоплазматической мережі (ретикулума) м'язових волокон. Це утворення, вперше виявлене за допомогою світлового мікроскопа, було знову відкрито Ф. Шёстрандом і Б. Андерсоном в середині 50-х років завдяки застосуванню електронного мікроскопа, що дозволив вивчити деталі його будови. Вивчено структуру міофібрил - скорочувальних елементів м'язових волокон. За допомогою електронної мікроскопії надтонких зрізів м'язів в поєднанні з дослідженням розсіяння рентгенівського проміння під малими кутами встановлено, що міофібрили складаються з двох систем ниток, які розрізняються по товщині і хімічним складом. Вважають, що більш товсті нитки утворені миозином, більш тонкі - актином. Нитки однієї системи входять своїми кінцями в проміжки між нитками іншої системи, причому між тими і іншими є зв'язують їх поперечні містки. Е. Хакслі (Нобелівська премія, 1963), що виявив таку структуру міофібрил (1955-1956), висловив припущення, що під час скорочення відбувається ковзання однієї системи ниток по інший.

Великі і досягнення сучасної біохімії, що отримала можливість вивчати роль різних внутрішньоклітинних утворень в процесах обміну речовин. Цими можливостями біохімія зобов'язана методикам ультрацентрифугирования, ультразвукової дезінтеграції, електрофорезу, хроматографії, полум'яної фотометрії, мас-спектрометрії, ізотопної індикації, адсорбційної спектроскопії, ауторадіографії, люмінесцентного аналізу, визначення подвійного променезаломлення в потоці і багатьом іншим, заснованим на новітніх досягненнях фізики і техніки.

Термодинаміка систем поблизу рівноваги (лінійна термодинаміка). Перший і другий закони термодинаміки

Предметом термодинаміки є розгляд загальних закономірностей перетворення енергії при її перенесенні в формі теплоти і роботи між тілами.

Залежно від характеру обміну енергії і маси з навколишнім середовищем через кордони системи розрізняють три групи систем. Ізольовані системи не обмінюються із зовнішнім середовищем ні енергією, ні масою, вони повністю ізольовані від впливу навколишнього середовища. Системи, які через свої кордони обмінюються енергією з навколишнім середовищем, але не можуть обмінюватися масою (речовиною), відносяться до закритих систем. Відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем і енергією, і масою.

Будь-яка система характеризується певними властивостями, або термодинамічними параметрами. Їх сукупність визначає термодинамічний стан системи, тому зміна хоча б одного з параметрів призводить до зміни термодинамічного стану системи в цілому.

Процеси, які відбуваються в системі і змінюють її стан, можуть бути рівноважними або нерівновагими. Рівноважні, або оборотні, процеси протікають в системі таким чином, що викликані ними зміни в стані системи можуть відбутися в зворотній послідовності без додаткових змін у навколишньому середовищі. Навпаки, нерівноважні, або незворотні, процеси, до яких відносяться реальні перетворення в природі, не володіють цими властивостями, і їх перебіг у зворотному напрямку супроводжується залишковими змінами у навколишньому середовищі. У класичній термодинаміці розглядаються головним чином рівноважні стану системи, при яких її параметри зберігають своє значення у всіх точках системи і не змінюються мимовільно в часі.

Перший закон термодинаміки. Цей закон - узагальнення багатовікового досвіду людства, він є законом збереження енергії в застосуванні до процесів перетворення теплоти.

Звичайна запис першого закону термодинаміки має вигляд

d Q = dU + d A

і означає, що теплота dQ, поглинена системою із зовнішнього середовища, йде на збільшення внутрішньої енергії dU системи і здійснення роботи dA проти зовнішніх сил.У загальному випадку dA включає роботу проти сил зовнішнього тиску pdv і максимальну корисну роботу, яка супроводжує хімічні перетворення:

d A = d A _'max + pdv

Список використаної літератури

1. Г. Мякішев, В. Григор'єв. Сили в природі. - М .: «Наука», 1987.

2. Історія біології: з поч. 20 в. до наших днів. - М .: «Просвещение», 1983.

3. Рубін А.Б. Біофізика. - М .: «Наука», 1988.