Какво е биофизика

С разширяването и задълбочаването на човешкото познание за живите организми има раздели на науката, която изучава процесите и явленията, свързани както с различните области на знанието. Сред тези дисциплини Биологична физика,

Известно е, че основните закони на физически изследвания природа: Структурата на атома и ядра, свойства на частици, взаимодействието на електромагнитните вълни и частици и др ... биофизика, които са възникнали в пресечната точка на биологията и физиката - науката относно основните физични и физико-химичните процеси в живите организми и тяхното регулиране.

Биофизика трябва да знаят, структурата и моделите на живите организми да работят, без да пречи на техните свойства, поддържане на тялото в жив, активно състояние. В крайна сметка, otmiraya, тялото губи присъщите му свойства, всички процеси в него се променят и това се превръща в една обща неодушевен система. Това е най-голямата трудност. Следователно не е необходимо да се проучи живи организми в различни "нива" - да се изследва свойствата на биологични молекули, характеристики и работни клетки, за проучване изпълнение сътрудничество в целия организъм и т.н. Затова, в биофизика да отделят такива големи области: молекулни биофизика, биофизика на клетъчни биофизика .. процеси за управление и регулиране и др. Накратко обясняват всяка от основните части на биофизиката.

молекулна биофизика изучаване на свойствата на биологични молекули, физикохимичните процеси в рецепторните клетки. Тези клетки се наричат ​​рецептор или чувствителен, тъй като те са първите, които възприемат сигналите на светлина, вкус, мирис (в Латинска "рецепти" - усещане).

Молекулно биофизика изследва, например, процеси, които се случват в сетивните органи животни - в органите на зрение, слух, допир и мирис. Научихме, че в тялото ни всичко се случва само по себе си, а понякога и не мисля за това, как да се появят сложни биофизични процеси, например, когато се чувстваме вкуса на захар или усетите мирис на цветя. И това е един от въпросите, върху които молекулярните биофизика работи в продължение на много години. Фактът, че усещанията на вкуса или миризмата възможни чрез сложни физични и химични процеси в рецепторни клетки във взаимодействието на тези молекули с различни вещества.

Известно е, че химици създадоха 1 млн. Органични съединения, и почти всеки един от тях има своя специфична миризма. Едно лице може да различи хиляди миризми, някои вещества, които се чувстват като у изключително ниска концентрация - всичките милиони и милиарди милиграм на литър вода. Например, за да усети вещества като скатол, trinitrobutiltoluol им достатъчна концентрация от 10^-9 мг / л. Животните са много по-чувствителни от човека. Например, геолози използват специално обучени кучета за търсене на миризмата на рудни находища, намиращи се дълбоко под земята. Добре известно е, за работата на полицейски кучета, намирането на следи от пренебрежимо ниско миризма. Но, може би, всички остротата на миризмата превъзходно за риби и насекоми. Някои риби се чувстват миризлив вещество, дори и ако той се съдържа във вода в пренебрежимо малки количества - само 10^-11 мг / л. пеперуди проявяват почти една молекула мирис на 1 м³ въздух.

Молекулярна биофизика помага да разберете не само разликата в чувствителността и структурата на обонятелния орган в различни животни, но също така и в процеса на определяне на миризмата. Сега е установено, че има 6-7 основни миризми, различни комбинации от тях е поради тяхното многообразие. Тази основна миризми съответстват на определени видове обонятелни клетки.

Molecular биофизика проучвания свойства и процеси, не само при животни, но също и в растения. В частност, той се занимава с изучаването на фотосинтеза. Зелената листа бреза, череша, ябълка и пшеницата са изненадващи и сложни процеси. Слънцето изпраща на Земята огромно количество енергия, която би са изчезнали без използването на това, ако не зелени листа, за да я хване и създаване с него на вода и въглероден диоксид и органично вещество, като по този начин живота на всички живи организми.

ФОТОСИНТЕЗА частици, протичащи в зелено - хлоропласти са в листни клетки и съдържащ растителен пигмент - хлорофил. Части от светлинната енергия (фотони) абсорбира от пигмента и продукция фотоокисление на вода: тя дава своя електрон хлорофил молекула и протона се използва за възстановяване на въглероден диоксид на въглехидрати. Протон и електрон са известни съдържа този атом vodoroda- атом "парче" се отнема от молекулата на водата. В процеса на фотосинтезата се освобождава кислород вдъхна от всички живи организми.

Основа фотосинтеза - първия елементарен процес: взаимодействие порции светлинна енергия (фотони) от молекулата на хлорофил. Този процес разглежда молекулни биофизиката с фотосинтеза, за да се знае как светлинната енергия се превръща в химическа енергия и следващите вещества реализация. Ако този фундаментален процес ще бъде напълно известни до края, може да се извършва в изкуствени условия. Тогава човечеството притежава най-бързият и най-икономичен начин за производство на органични вещества, поради това, храна и ценни суровини, които дават един мъж зелено растение днес.

Съществува тясна връзка между изследването на клетка и молекулните процеси, протичащи в тях, т.е.. E. Между молекулни и клетъчни биофизика. Един от тези изследвания молекулни промени, свойствата на биологични молекули и системи, образувани от молекули в клетките (както се каже образуване submolecular) и промяна на техните свойства, други свойства и функция изследва различна клетка - отделителна, свиване, обонятелните и други фоточувствителен.

развитие клетъчна биофизика до голяма степен е допринесъл за успеха на физиката, електрониката, именно защото тези науки биофизика получили електронни микроскопи, което позволи да се увеличат микроскопични обекти в стотици хиляди пъти. В услуга биофизика появиха електронен парамагнитен резонанс, с което да се проучи специфичните активни части на молекулите - така наречените свободни радикали, които играят много важна роля във всички биологични процеси. Използването на силно чувствителен към светлина устройства - фотоумножителни тръби (PMT) е било възможно да се определи изключително малки потоци от светлина. Използването на тези устройства е довело до по-голяма прозрачност в клетъчните биофизика.

Той отдавна е известен със способността да светят в живите организми: светулки и различни водни организми, наречени биолуменесцентния. Но с фотоумножаващ успял намерено, че способността да излъчват светлина трябва органи на почти всички животни и растения. Този така наречен ултра-слаб луминесценция - biochemiluminescence - Тя се появява в резултат на физико-химични реакции в клетките, и се свързва с вътреклетъчен липидното окисление на вещества в структурните елементи. Те играят важна роля свободните радикали се насочили към нас в тези процеси. Чрез ultraweak интензитет луминисценция може да следи нивото на метаболитни реакции на окисление и освобождаване на енергия в резултат от множество реакции, проявяващи се в клетките.

Ultraweak откриване на луминесценция, присъствието на свободни радикали и тяхната връзка с живота на клетките се променя драматично представяне на клетъчни процеси. Преди Cell Биофизика задача е не само да се разбере ultramicroscopic структурата на клетките и техните органели, но и за да разберете как тези елементи са свързани помежду си, как те работят, каква е причината за съгласуваност, координация процеси, протичащи в клетките.

Когато клетката изследовател в електронния микроскоп откри един нов свят на ultramicroscopic, т. Е. Най-малките, клетъчни структури. Не са открити вътреклетъчни мембрани, тръби, тръби, флакони. Всички тези структури, милион пъти по-тънки от човешки косъм, имат роля в клетъчната активност. Всяка клетка, привидно проста еднократно цитоплазмата към ядрото, има сложна конструкция с множество малки частици (структурни елементи), работещи точно и последователно, в строг ред, е тясно свързани един с друг. Размерът на тези структурни елементи е много голяма, като нервните клетки до 70 хиляди частици -. Митохондриите, благодарение на което клетъчната дишането и получава енергия за своите операции.

Видео: биофизика от нежива към живота

Във всеки клетка на жив организъм, усвояването на основни вещества и разпределението на ненужни, дъх случи, дивизия, заедно с тези клетки изпълняват специфични функции. Например, ретинални клетки определят силата и качеството на леки назалните мукозни клетки определят миризма вещества, клетки от различни жлези секретират физиологично активни вещества - ензими и хормони, които регулират растежа и развитието на организма.

За целия си голяма работа - вижда, чува, да идентифицират - клетки в нервната тъкан на животните, съобщиха от електрически импулси в мозъка - основното координационен център. Биофизика клетки като цяло, както и един от нейните важни секции нарича клетка електрофизиология, учи как клетки получават необходимата информация от околната среда, тъй като тази информация се кодира в електрически сигнали - импулси както е получено в клетките на биологични течения и потенциали.

Видео: Дмитрий Chernavskii - молекулярна биофизика - 1

Клетките на живия организъм са тясно свързани помежду си с мозъка - главен контролен център. Самите клетки, в хиляди техни структурни елементи се срещат подреден биохимични процеси. Поради това, за последователно и точно изпълнение на тези стотици хиляди реакции?

Фактът, че в клетката, и отделна орган, и целия организъм сигурни система осъществява въз основа на специфичните регулаторни закони и взаимоотношения. Тези конкретни проучвания младият раздел - биофизика процесите на управление и регулиране.

Ние покриваме този раздел на биофизиката, като се използва следния пример. Всяко човешко тяло се състои от голям брой клетки, които изпълняват определена работа. Например, една особена роля в обонянието играе носната лигавица - т.нар мукозна епител. размерът му е не повече от 4 см², но тя съдържа почти 500 милиона обонятелни клетки -. рецептор. Информация за работата им се предава по нервните влакна, броят на който достига до 50 млн., В обонятелния нерв, а след това на мозъка. Сигналите, идващи от клетките под формата на първични електрически импулси трябва да бъде правилно разшифрован. За да направите това, те отиват в различни части на мозъка, състоящ се от огромен брой клетки. Например, само мозъчните полукълба включват 2 * 10¹⁰ клетки, малкия мозък -10¹¹ клетки. Мозъкът не предприеме необходимите "решения" и предава сигнали за реагиране - инструкции за това как работата трябва да бъде на тези или други клетки, тъкани или органи. В централната нервна система получава стотици хиляди различни сигнали от външната среда на звук, светлина, миризма и сигнали за състоянието на клетките на организма. От по-горе може да се види колко сложно отношенията във всяка жива система - в една клетка или на целия организъм като комплекс работни клетки управление, регулиране и контрол на състоянието им за координиране на всички жизнени процеси.

Този важен отдел биофизика се основава на законите, другата отворена наука - кибернетика. Биофизика, изучаване на процесите на управление и регулиране, като се използват методите, разработи серия от електронни модели като костенурки, нервни клетки и процеса на фотосинтеза, които улесняват изучаването на регулирането на сложни явления в тялото.

Едно проучване на регулаторните процеси в живите организми са показали, че те имат изненадващо имот - саморегулиране. Клетки, тъкани, органи на живите организми са саморегулира, самоорганизиращи се, саморегулираща, самообучение система. Това означава, че работата на клетките, органите и обикновено се определя от свойствата и характеристиките, предвидени в организма. Следователно, всяка клетка или орган независимо, без външна помощ регулира постоянството на състава на средата вътре в тях. Ако под влияние на всеки фактор им състояние се променя, този невероятен имот им помага да се върне обратно към нормалното състояние.

Хлоропласти в листните клетки променят тяхното подреждане в зависимост от силата на осветлението: при силна светлина, те са поставени по протежение на стените на клетките (вляво) - със слаб - в рамките на клетката. Това е пример за саморегулиране на клетката.

Тук е само един прост пример за такава възможност за саморегулиране. Ние вече говорихме за важната роля на хлоропласти, който се намира в клетките на зелено листо. Хлоропласти са способни самостоятелно движение в клетките под въздействието на светлина, тъй като те са много чувствителни към него. На един слънчев светъл ден при висока интензивност на светлината, хлоропласти са разположени по протежение на клетъчната стена, като че ли се опитва да избегне силна светлина. На облачност облачни дни хлоропласти са разположени по повърхността на клетката да абсорбира повече светлина. Хлоропластен преход от една позиция в друга под влиянието на светлина (phototaxis) се осъществява чрез клетъчен саморегулиране.

Познаването на човешката природа, разнообразието на живите организми е толкова бързо и толкова води до неочаквани резултати и изводи, че те не се вписват в рамките на една единствена наука. Биофизика бележи началото на нов клон на науката, за да разширите хоризонтите на човешкото познание. Така че един независим клон на биологията радиобиология - науката за въздействието на различни форми на радиацията върху живите организми, пространство биология, изучава проблемите на живот в космоса, mechanochemistry, проучване на превръщането на химическа енергия в механична енергия, която се среща в мускулните влакна. Въз основа на биофизични изследвания, нова наука - биониката, изучаване на живите организми, за да използвате принципите на тяхната работа за създаване на нов и подобрен дизайн на инструменти и апарати.

Казано ни е само една малка част от изследването, проведено от биофизици, но примери могат да се посочат още много, защото в изследването на молекули, субклетъчни структури и на организма като цяло. Всеки ден носи нови открития, изобретения, полезни идеи. Нашата епоха - време на голям напредък във всички области на знанието, включително изследването на природата.