БІОФІЗИКА

БІОФІЗИКА (грец. bios — життя + physike < physis — природа) — наука, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні процеси в живих організмах. Традиційно біофізику поділяють на молекулярну, об’єктом дослідження якої є біологічні макромолекули, біофізику клітини, яка вивчає надмолекулярні структури живої клітини, біофізику складних систем, яка розглядає різні рівні організації живих систем — угруповання клітин, тканини, організми, популяції.

Б. у своїх дослідженнях широко використовує фізичні, хімічні, а останнім часом — і обчислювальні методи. Біологічні явища лежать в основі багатьох терапевтичних і діагностичних методів. У фізичних дослідженнях живих систем специфіка визначається тим, що у їх побудові бере участь генетична інформація, наслідком чого є просторово-часова організація внутрішньоклітинних процесів, спрямована на мінімізацію енергетичного балансу в клітині. Сама організація клітини забезпечує гомеостаз, який координується регулюючими механізмами, що містять системи прямого і зворотного зв’язку і синхронізують внутрішні ритми живого організму з ритмами навколишнього середовища. У рамках сучасного підходу живий організм є унікальною, відкритою, багатоцільовою системою, яка саморегулюється і включає активні середовища (АС). АС — це система, що складається з великої кількості окремих елементів (клітин), кожний з яких є автономним джерелом енергії: нейронні волокна і мережі, м’язові структури серця, гладком’язові волокна судин, а також інші тканини, в яких виникають і розповсюджуються автохвилі. Теорія автохвиль дозволяє виділити параметри, які відповідають за стійкість нормальних хвиль, виникнення і розповсюдження паразитарних автохвиль. Для аналізу живих систем використовуються різні підходи: термодинамічний, кінетичний, системний аналіз, теорія управління, синергетика, інфодинаміка, моделювання тощо. Кожний з них допомагає визначити специфіку живого організму і його взаємодії із зовнішнім середовищем, виникнення, розвитку, адаптації й перехідного стану. Іноді як самостійні розділи Б. виділяють біоенергетику, біомеханіку, біоакустику і математичну біофізику. Біоенергетика вивчає сукупність процесів перетворення енергії в живому організму, у т.ч. вилучення енергії із зовнішнього середовища, акумулювання й використання її для процесів життєдіяльності. Біомеханіка складається з трьох частин: 1) механіка макроскопічних рухів організму вивчає механічні властивості живих тканин, органів і організму; 2) гідродинаміка кровообігу і зовнішнього дихання; 3) механіка м’язового скорочення. Результати досліджень у цих галузях знаходять застосування в медицині, ортопедії, лікувальній фізкультурі, фізіології праці тощо. Біоакустика — вчення про сприйняття й випромінювання звуку біологічними об’єктами. Математична біофізика вивчає живі системи методами математичного моделювання. Для побудови моделей застосовуються системи диференціальних та інтегральних рівнянь, які характеризують причинно-наслідкові явища, що визначають функціонування складних біосистем усіх рівнів — від молекулярного до видового і біосферного. Математичні моделі застосовуються для розв’язання медичних завдань, у т.ч. в імунології, при аналізі розвитку епідемій або інфекційних захворювань, у фармакології, у процесах управління клінічним лікуванням, для унеможливлення розвитку побічної дії тощо. Для розв’язання прикладних завдань використовуються й інші математичні прийоми, зокрема теорія графів, яка дозволяє розв’язувати подібні задачі, не використовуючи диференціальних рівнянь, моделювання методом молекулярної механіки тощо.

Жива клітина є дуже складним об’єктом досліджень. Тому в клітинній Б. для вивчення процесів структурного, енергетичного та інформаційного забезпечення як самої клітини, так і її взаємодії із зовнішнім середовищем використовуються різні моделі, де механізми, які вивчаються, виявляються більш чітко. Штучні моделі відіграли велику роль у розвитку уявлень про структуру мембран і їх роль у життєдіяльності клітини. У модельних мембранах, які побудовані з різних ліпідів, фосфоліпідів із включенням білків у різних структурних комбінаціях, вдалося дослідити явище вибіркової проникності, виявити механізми дії різних ЛП (наркотиків, антибіотиків, отрут тощо). Розроблені методи з фіксуванням мембранного потенціалу і метод локальної фіксації мембранного потенціалу визначили для унеможливлення створення гармонійного вчення про потенціал спокою клітини, формування потенціалу дії і розповсюдження збудження в нервах у нормі або при інтерпретації деяких патологічних проявів.

Живий організм функціонує в умовах дії фізичних факторів, які безперервно змінюються (температури, тиску, механічних хвиль, електричних, магнітних і електромагнітних полів). Для кількісного аналізу деяких факторів природа створила високочутливі рецептори. Для сприйняття поздовжніх пружних хвиль з частотою від 16 до 20 000 Гц у людини є спеціальний орган слуху, який здатний розрізняти звуки за висотою тону, тембром і гучністю. Закони розповсюдження звукових хвиль і взаємодії їх із середовищем лежать в основі методів коригування слуху і звукових методів діагностики. Особливе місце в житті організмів посідає фоторецепція. Б. зору включає випромінювання ока як оптичного приладу із залученням законів взаємодії світла з речовиною і апарату квантової механіки, так і фізичні основи молекулярного механізму зору і формування фізіологічної реакції. В основі будь-якого фізіологічного процесу лежить ефект поглинання світла і виникнення збудженого стану. Трансформація енергії та електронно-збуджені взаємодії виявляються у фоторегуляторних і фотодеструктивних явищах, які необхідно враховувати при виборі ЛП і косметичних засобів. Найважливішою проблемою є також перетворення енергії при дії на організм іонізуючих випромінювань, що визначає значний внесок Б. у розуміння первинних механізмів променевого ураження і розробку способів управління променевими реакціями біологічних об’єктів і людини з допомогою різних модифікуючих засобів. На сучасному етапі велика увага приділяється власним фізичним полям, які формуються організмом людини. Це електричні поля (змінні й квазіпостійні), магнітні поля (змінні й постійні), теплове поле (випромінювання в інфрачервоному і надвисокочастотному діапазонах), випромінювання в оптичному і УФ-діапазонах, іонізуюче випромінювання і акустичні поля.

Молекулярна Б. вивчає будову і фізико-хімічні властивості біополімерів — білків і нуклеїнових кислот. Ці сполуки є динамічними структурами, і кожна з них має декілька конформаційних форм, переходи між якими часто визначають біологічну функціональність. Теоретичний апарат молекулярної біофізики — це термодинаміка, статистична механіка, квантова механіка. В експериментальних дослідженнях використовується широкий арсенал фізичних методів: методи оптики, спектроскопії, калориметрії, мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу та інших методів, часто вдосконалених спеціально для дослідження біологічних структур.

Результати біофізичних досліджень про будову, фізичні властивості молекул, клітинних структур, клітин, тканин, органів і фізичні процеси, які супроводжують обмін речовин і дію фізичних факторів на живу систему, створюють теоретичну базу для оцінки функціонального стану організму, вивчення механізмів виникнення хвороб, розуміння розвитку патології й дії фармакологічних препаратів, розробки методів діагностики і фізіотерапії, створення сучасної медичної техніки.

Розвиток фармації виявив необхідність підготовки висококваліфікованих спеціалістів, які не тільки володіють глибокими знаннями в галузі професійно орієнтованих дисциплін, але й мають фундаментальну теоретичну і практичну підготовку в галузі фізики, хімії, біології і суміжних дисциплін. Спеціалістам у галузі фармації особливу увагу слід приділити питанням, які мають безпосереднє відношення до практичної й наукової діяльності провізорів: математичному моделюванню фармакокінетичних процесів, молекулярній Б., транспорту речовин крізь біологічні мембрани, Б. нервового імпульсу, кровообігу, методам аналізу ЛП тощо.

Биофизика / Под общ. ред. П.Г. Костюка. — К., 1988; Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физизики.– М., 1977; Волькенштейн М.В. Биофизика. — М., 1988; Медична та біологічна фізика / О.В. Чалий та ін. — К., 1999; Сент-Дьерди А. Введение в субмолекулярную биологию — М., 1964; Тиманюк В.А., Животова Е.Н. Биофизика. — К., 2004; Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика — М., 1972; Schrodinger E. What s life? The Physical Aspect of the Living Cell.– Dublin. 1945; Szent-Gyorgyi A. Intraductson to a Submolecular byology. — N.Y.–London, 1960.