Біофізика

Біофі́зика (від біо… та фізика), біологічна фізика — міждисциплінарна наука, яка досліджує біологічні, фізичні та фізико-хімічні закономірності життєдіяльності живих організмів і структуру біологічних систем від субмолекулярного рівня до організмового (див. Рівні організації живого).

Зміст

1 Історична довідка
2 Характеристика
3 Біофізика в Україні
4 Значення
5 Література
6 Автор ВУЕ

Історична довідка

Перші біофізичні дослідження відомі з 17 ст. Фізичні ідеї та методи для вивчення окремих процесів і явищ у живих організмах та системах застосовували значно раніше. Від епохи Відродження функціонуванням біологічних систем цікавилося чимало фізиків. У результаті цих досліджень було встановлено низку як біологічних, так і фізичних особливостей живих організмів і систем. Термін «біофізика» 1892 запропонував К. Пірсон. Як самостійна галузь науки біофізика сформувалася 1961 (1-й Міжнародний біофізичний конгрес).

Характеристика

Загальні положення

Біофізика вивчає фізичні явища в окремих молекулах (молекулярна біофізика), клітинах (біофізика клітини), тканинах, органах та їхніх системах, а також фізичні процеси, які відбуваються під час взаємодії організму з довкіллям.

Основними завданнями біофізики є пояснення фізичних та фізико-хімічних механізмів функціонування живих систем, зокрема електронно-конформаційних взаємодій у біологічних макромолекулах (див. Біополімери), регулювання та самоорганізації складних біологічних систем, дослідження механізмів трансформації енергії в біологічних системах (див. Біоенергетика) тощо.

Методи досліджень

У біофізичних дослідженнях застосовують такі методи: спектроскопії у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній області; спектроскопії комбінаційного розсіювання світла; мас-спектроскопії; спектроскопії резонансу ядерного магнітного; рентгеноструктурного аналізу; термічного аналізу; хроматографії, поляриметрії, рефрактометрії, мікроскопічного аналізу, колориметрії.

Розділи біофізики

Основні розділи біофізики: молекулярна біофізика, біофізика клітини, біофізика комунікацій і регуляторних процесів, біомеханіка, біоенергетика, біоакустика, математична біофізика.

Молекулярна біофізика

Молекулярна біофізика вивчає фізико-хімічні властивості та функціональну роль біологічних макромолекул і молекулярних комплексів живого організму методом рентгеноструктурного аналізу. За допомогою цього методу біохіміки М. Ф. Перуц і Дж. К. Кендрю з’ясували структуру молекул білків міоглобіну і гемоглобіну. Ці дослідження уможливили вивчення структури активних центрів ферментів. Біологи Ф. Г. К. Крік і Дж. Д. Вотсон встановили будову дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Успіхи молекулярної біофізики зумовили виникнення молекулярної біології.

Біофізика клітини

Біофізика клітини, або біофізика мембранних процесів, вивчає фізико-хімічні основи життєдіяльності клітини, її біоенергетичні процеси, механічні та електричні властивості, а також будову і функції мембран біологічних, біоенергетичні процеси клітини, її механічні та електричні властивості. Значного поступу в розвитку цього наукового напряму досягнуто після 1950-х передусім завдяки дослідженням біологічних мембран. Застосування електроніки у фізіологічних дослідах та використання математичного моделювання сприяли розробці нейрофізіологом А. Л. Годжкіном і фізіологом Е. Ф. Гакслі теорії поширення нервового імпульсу. Ця теорія стала основою сучасних уявлень про механізми виникнення потенціалу дії (див. Біоелектричні потенціали, Мембранна теорія збудження).

Значний внесок у вивчення мембранних механізмів виникнення збудження в нейронах належить електрофізіологу Д. Воронцову і нейрофізіологу П. Костюку. Важливими завданнями біофізики клітини є з’ясування механізмів перенесення йонів через мембрани плазматичні, вивчення енергетичних перетворень під час дихання і фотосинтезу.

Біофізика комунікацій і регуляторних процесів

Біофізика комунікацій і регуляторних процесів досліджує фізичні особливості зору та слуху, вивчає і моделює внутрішні зв’язки системи регуляції в організмах. Предмет дослідження біофізики комунікацій і регуляторних процесів пов’язаний із кібернетикою біологічною.

Прикладна біофізика займається розробленням нових приладів і методів досліджень для діагностики медичної, діагностики ветеринарної, фізіотерапії, реабілітації. Важливим напрямом прикладної біофізики є медична радіологія.

Біофізика в Україні

В Україні осередками біофізичних досліджень і підготовки фахівців-біофізиків є найбільші та найдавніші заклади вищої освіти. Зокрема, вчені Львівського університету Яна-Казимира, згодом Львівського державного університету імені Івана Франка (тепер Львівський національний університет імені Івана Франка) вивчали електричну активність у мозку головному, струми в сітківці ока, функціональний стан нервових волокон, гальванотропізм тощо. А. Бек обґрунтував метод електроенцефалографії, Я. Парнас уперше у світі використав радіоактивні ізотопи фосфору для дослідження процесів трансфосфорилювання. У 1960-х на біологічному факультеті був створений ізотопний блок, де досліджували важливі біофізичні процеси за допомогою радіоізотопів гідрогену, карбону, кальцію та ін. У 1963 була організована група біоніки та моделювання фізіологічних процесів, яка проводила наукові дослідження в галузі біофізики мовної комунікації, зокрема, вивчення та моделювання слухового сприймання мовних сигналів. Тепер кафедра біофізики та біоінформатики біологічного факультету вишу готує біофізиків.

У Харківському державному університеті (тепер Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна) 1933 з’явилася перша біофізична лабораторія, з 1936 — аспірантура за фахом «Біофізика», 1966 відбувся перший випуск фахівців-біофізиків. У 1978 на радіофізичному факультеті створено спеціалізовану кафедру молекулярної і прикладної біофізики, яку очолив академік АН України Б. Вєркін. Появі спеціалізованої кафедри біофізики передувало становлення унікальних напрямів наукових досліджень, зокрема експериментів В. Данилевського щодо впливу електромагнітних полів на організм людини. Протягом останніх десятиліть в різний час кафедрою завідували член-кореспонденти НАН України Ю. Малюкін, Є. Гордієнко.

Біофізиків в Україні також готують Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», ДНП «Львівський національний університет імені Данила Галицького», Київський національний університет імені Тараса Шевченка.

На кафедрі біофізики та нейробіології Навчально-наукового центру «Інститут біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка вивчають проблеми молекулярної та клітинної біофізики, біофізичних механізмів функціонування живих систем і сучасні методи їх дослідження. Перший набір студентів на спеціальність «біофізика» було проведено 1964. Науковцями кафедри біофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка і Національної академії наук України створено Українське біофізичне товариство (1993), яке входить до Європейської асоціації біофізичних товариств.

Дослідження з біофізики проводять вчені Національної академії наук України. У 1962 в Інституті фізіології рослин АН УРСР (тепер Фізіології рослин і генетики інститут НАН України) було створено відділ біофізики і радіобіології, який згодом став структурним підрозділом Клітинної біології та генетичної інженерії інституту НАН України і проводив фундаментальні дослідження біофізичних аспектів фізіологічних реакцій та механізмів біологічної дії йонізуючих випромінювань на судинні рослини. Відділ начолі з Д. Гродзинським вивчав фізіологічну роль природної радіоактивності та її значення в еволюції рослин, можливості використання мічених атомів у фізіології і біохімії рослин та інші важливі наукові проблеми. Науково-дослідним центром в галузі біофізики, молекулярної фізіології, нейрофізіології, патологічної фізіології є Фізіології інститут імені О. О. Богомольця НАН України.

Значення

Біофізичні дослідження живих систем на різних рівнях організації живого і фізичних процесів, які супроводжують обмін речовин, впливу фізичних чинників на живі системи тощо, дозволяють оцінити функціональний стан організму, виявити механізми виникнення хвороб, з’ясувати причини розвитку патологій та вивчити механізми дії фармакологічних препаратів, розробити методи діагностики й фізіотерапії, створити нові зразки сучасної медичної техніки.

Література

Ackerman E. Biophysical Science. Englewood Cliffs : Prentice-Hall, 1962. 626 p.
Setlow R., Pollard E. Molecular Biophysics. Reading : Addison-Wesley Publishing, 1964. 545 p.
Деркач М. П. Основи біофізики. Львів : Вища школа, 1967. 278 с.
Костюк П. Г. Физиология центральной нервной системы. 2-е изд., перераб. и доп. Киев : Вища школа, 1977. 319 с.
Ємчик Л. Ф., Кміт Я. М. Медична і біологічна фізика. Львів : Світ, 2003. 592 с.
Кравець В. І. Біофізика. Івано-Франківськ : Прикарпатський національний університет, 2005. 256 с.
Костюк П. Г., Зима В. Л., Магура І. С. та ін. Біофізика. Київ : ВПЦ «Київський університет», 2008. 567 с.
Лопушанський Я. Й. Біофізичний словник. 2-ге вид., випр. і допов. Львів : Ліга-Прес, 2010. 410 с.
Бура М. В., Санагурський Д. І. Біофізика сенсорних систем. Львів : Львівський національний університет імені Івана Франка, 2014. 192 с.
Личковський Е. І., Тіманюк В. О., Чалий О. В. та ін. Біофізика. Фізичні методи аналізу та метрологія. Вінниця : Нова Книга, 2014. 464 с.
Терещенко М. Ф., Тимчик Г. С., Яковенко І. О. Біофізика. Київ : Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського, 2019. 444 с.
Посудін Ю. І., Бойко В. В., Годлевська О. О. та ін. Біофізика. Київ : Ліра-К, 2020. 703 с.