Биофизика. Предмет, цели, методы

Познание функций человека – одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит – дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача – как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов

Биофизика – наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.

Выделяют-

молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
биофизика клеток – изучение структуры клеток и физико-химические проявления – проницаемость, образование биопотенциалов
биофизика органов чувств – физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
Биофизика сложных системы – процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света

Задачи биофизика

Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм

Эйлер(1707-1783) – законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам

Лавуазье (1780) – изучал обмен энергии в организме

Гальвани(1786) – основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве

Гельмгольц(1821)

Рентген – пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов

Аррениус – законы классической кинетики для объяснения биологических процессов

Ломоносов – закон сохранения и превращения энергии

Сеченов - изучал транспорт газа в крови

Лазарев – основоположник отечественной биофизической школы

Полинг – открытие пространственной структуры белка

Уотсон и Крик – открытие двойной структуры ДНК

Ходжкин, Хаксли, Катц – открытие ионной природы биоэлектрических явлений

Пригожин –теория термодинамики необратимых процессов

Эйген – теория гиперциклов, как основа эволюции

Сакман, Неер – установили молекулярную структуру ионных каналов

Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.

Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне

Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов – радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки

Методы биофизических исследований

Рентгеноструктурный анализ – исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
Колоночная хроматография – различное распределение и анализ смесей между 2 фазами – подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом – колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
Спектральный анализ – качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания – эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения – абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию – электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
Изотопная индикация
Электронная микроскопия
Ультрафиолетовая микроскопия – исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата

Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс – регуляция и управление физиологическими функциями.

Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика – искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.

Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»

Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.

Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.

Системы – организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива – люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.

Программа – последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.

Связь – процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.

Сообщения бывают непрерывными и дискретными.

Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).

Дискретное – состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)

Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода – символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).

Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.

Сообщение и информация – это не одно и тоже, ибо по теории информации

Информация – мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.

Возможность наступления события - априорная информация.

Та вероятность события после получения информации – апостериорная информация.

Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.

Свойства информации.

Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) – «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.

Дезинформация – отрицательное значение информации.

Мера неопределенности событий – энтропия(H)

H=log2 N

Если log2 N=1, тогда N=2

Единица информации – бит(двойничная единица информации)

H=lg N (хартли)

1 хартли – количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит

Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции

Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.

Наиболее древний – гуморальный механизм регуляции.

Нервный механизм.

Нервно-гуморальный механизм.

Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.

Форпостный механизм (у человека) – в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.