Медицина

Биофизика - область науки, которая изучает физические и физико-химические явления зарождения, формирования, жизнедеятельность, воссоздание жизни на всех уровнях, начиная с молекул, клеток, органов органов и тканей, заканчивая организмами и биосферы в целом.

Биофизика - наука, которая изучает физические и физико-химические закономерности в жизнедеятельности растительных и животных организмов, системную организацию процессов жизнедеятельности на всех уровнях (клетка, ткань, органы, организмы, биосфера), а также механизм действия физических факторов на организмы. Сначала Бы. развивалась как часть физиологии, и только в 20 в., благодаря достижениям физики и физической химии, с одной стороны, и физиология, из второго, она выделилась в самостоятельную науку. В 18 в. М. В. Ломоносов, исходя из представлений о химической связи раздражительных молекул материи с молекулярными и эфирными структурами нервов, описал механизм раздражений в чувствительных нервах и распространения возбуждения в нервах, а также объяснил, как возникает ощущение вкуса и нюху. Итальянский физиолог Л. Гальвани (1791) положил начало электробиологии, доказав, что в живых тканях есть электричество. В 19 в. немецкий физиолог Г. Гельмгольц определил скорость распространения процессов возбуждения вдоль нерва и заложил основы современная физиологичной оптики и физиологичной акустики. Отечественные физиологи И. М. Сеченов, О. Ф. Вериго, О. Ф. Самойлов, М. Есть. Введенский, О. О. Ухтомский, Д. С. Воронцов разработали бы, мышц и нервов. К. А. Тимирязев, опираясь на закон сохранения энергии, впервые установил (1875) количественную зависимость между скоростью фотосинтеза и впитыванием хлорофиллом световых волн разной длины. Украинский физиолог В. Ю. Чаговець, исходя из теории электролитической диссоциации, впервые (1896) выдвинул физико-химическую теорию электрических явлений в живых тканях, которую он обстоятельно развил в своих следующих працях.

Советский физиолог и биофизик П. П. Лазарев впервые разработал точные физические методы учета поглощенной энергии, установила связь между поглощением энергии и фотохимическим действием, развил ионную теорию возбуждения В. Нернста и разработал теорию адаптации относительно всех органов чувства и центральной нервной системы.

Анохин п.К.(1898-1974), ученик Бехтерева и Павлова сформулировал в пятидесятых теорию функциональных систем, внедрив понятие системогенезу, как механизм формирования живых систем, показав детерминизм явлений, формирования и развития систем, и критерии их определения. Чижевский о.Л.(1897-1964), творец гелиобиофизики и понятие космической погоды. Впервые установил механизмы влияния на биосферу и социум Солнечной активности. Ключевыми в работах были установленные механизмы электрических явлений в гемодинамике.

В последнее десятилетие наиболее интенсивно развивается радиобиология - раздел Б, что изучает влияние ионизирующих излучений на живой организм. Открытие Фредериком та Ирен Жолио-кюри (1932) искусственной радиоактивности обогатило биологическую науку новыми точными методами исследования (меченые атомы, авторадиография, гисторадиография но др.), которые дали возможность глубоко изучать обменные процессы в организме. Применение искусственных радиоактивных изотопов в медицине расширило возможности диагностики и лечения отдельных болезней, в частности некоторых форм рака. В наше время, когда человек овладел ядерной энергией, Б перед, появляются новые актуальные проблемы: защита от вредных ядерных излучений, изучения влияния на организм условий междупланетных путешествий, и тому подобное.

Основные направления исследований:
Современная биофизика разделяется на несколько подразделов.
Молекулярная биофизика изучает физико-химические свойства и функциональную роль биологических макромолекул (биополимеров) и молекулярных комплексов (ультраструктур) живых организмов, которые создают функциональные единицы клеток, характер взаимодействия их с ионами, молекулами и радикалами, их пространственного строения и энергетики процессов, что в них происходят.
1. Биофизика клетки изучает физико-химические основы функционирования клетки, строение и основные функции биологических мембран (поверхностной плазматической мембраны и мембран внутриклеточных органоидов), - их проницаемости, адгезивности, каталитической активности, электро- и химозвозбудительности, - энергетические процессы клетки, ее механические и электрические свойства.
2. Биофизика органов чувств выясняет молекулярные физико-химические механизмы рецепции, изучает процессы трансформации энергии внешних стимулов в специфические реакции нервных клеток и механизмов кодировки информации в органах чувств.
3. Биофизика сложных систем исследует явления и механизмы системогенезу и функционирования живых организмов, проблемы регуляции, и саморегулюванняна уровни клеток, органов, организмов и биоценозов и биосферы вцелом.
4. Теоретическая и математическая биофизика рассматривает теоретические основы биофизики, в частности вопрос кинетики и термодинамики, осуществляет математическое моделирование биологических процессов, структуры и свойств отдельных макромолекул и субклеточных образований (макромолекулярных комплексов).

In silico - это латинская фраза, которая употребляется в значении «сделано с помощью компьютера или с помощью компьютерной симуляции». Фразу стали употреблять по аналогии к in vivo или in vitro, которые широко используют в биологии. Латинским языком in silico ничего не означает; это искусственно созданная фраза.

Биологические ритмы - фундаментальное свойство органического мира, что обеспечивают способность организмов к адаптации и выживанию в циклический переменных условиях внешней среды. В организме человека более выразительнее выделяются колебания, которые имеют периоды ровные или близкие по продолжительности до суток, недели, месяца, сезона или года.

Изучением циклических феноменов в живых организмах занимается раздел биологии - хронобиология.

Геопатогенные зоны - псевдонаучное название локальных геохимических аномалий токсичных или радиоактивных элементов в горных породах, почвах, подземных водах ли на определенной территории. Патогенное действие аномально высокой концентрации токсичных и радиоактивных химических элементов в геологической среде на организм человека и домашних животных давно известная и детально описанная в специальной литературе.

Геопатогенные зоны могут формироваться в зонах развития активных глубинных геологических разломов, близкого залегания подземных вод. Это ослабленные участки горного массива, по которых происходит интенсивный энерго-, массоперенос. Системой разломов к земной поверхности транспортируются мантийные газы, опаснейшим из которых является радон. Попадая к организму человека он провоцирует развитие рака легких. Распад изотопов радона в легочной ткани вызывает микро ожог, поскольку вся энергия альфа-частиц поглощается практически в точке распада. Рак легких, вызванный радоновым облучением, является шестой за частотой причиной смерти от рака.

На данном этапе изучения проблемы геопатогенных зон по большей части сводится именно к вопросам радоновой безопасности. Поэтому самыми распространенными методами выявления геопатогенных зон на сегодня является структурно-геодинамическиое картирование, а также эманацийна съемка.

Лазерные щипцы (англ. Laser tweezers), иногда «оптические щипцы», «оптический пинцет» или «оптическая ловушка» - научный прибор, что позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно лазерного диоду). Они позволяют прикладывать силы от фемто ньютонов к нано ньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров к микронам. В последние годы лазерные щипцы стали популярными орудиями в биофизике, где их используют при исследовании структуры и принципа работы белков.

Еще в 17 веке высказывались предположение, которое светло может оказывать давление на вещество. В работе «De Cometis» немецкий астроном Кеплер выдвинул мысль, что хвосты комет отклоняются под действием солнечного света. Хотя позже оказалось, что это не единственный механизм такого отклонения, идея Кеплера была важной для развития астрономии. Например, исследования показали, что звездное радиационное давление - один из самых главных механизмов, которые отвечают за динамику частиц в межзвездном пространстве. Через два столетия Максвелл рассчитал величину светового давления с помощью своей теории электромагнитных явлений. Проведенные в 1900 русским физиком Лебедевым экспериментальные исследования подтвердили существование давления света.

После открытия Басовым и Прохоровим в 1953 году принципа лазера, появился источник света, достаточно мощное и из достаточно колимованым пучком света для манипуляции макроскопическими объектами. Но только в 1970 в научной литературе появились публикации сотрудника Bell Labs Артура Ашкина (Arthur Ashkin), в которых сообщалось о регистрации оптических сил рассеяния и градиентных сил на частицах микронных размеров. Через несколько лет Ашкин с коллегами сообщили о первом наблюдении того, что в настоящий момент называется оптической ловушкой, то есть щепотка света, сфокусированного таким образом, что он может стойко удерживать микроскопических частиц (10 нм-10 мкм) в трех измерениях.

Подобный принцип используется и для лазерного охлаждения, метода понижения температуры, к значениям недосягаемым другими средствами, предложенный советским физиком Летоховим в 1968 и реализованный той же группой Ашкина в 1978 году. Прежний сотрудник Ашкина Стивен Чу (Steven Chu) продлил эти исследования и получил за эту работу Нобелевскую премию 1997 года.

В 1980-х годах Стивен Блок (Steven Block) и Говард Берг (Howard Berg) впервые применили технологию лазерных щипцов в биологии, используя ее для того, чтобы схватить бактерию с целью исследования бактериальных жгутиков. Уже в 1990-х годах исследователи, такие как Карлос Бустаманте (Carlos Bustamante), Джеймс Спудич (James Spudich) и Стивен Блок разработали метод оптической силовой спектроскопии, применяя его для того, чтобы характеризовать биологические двигатели молекулярного масштаба. Эти молекулярные моторы вездесущи в биологии, и отвечают за передвижение клеток, изменение их формы, и за транспорт в пределах клетки. Оптические ловушки позволили этой биофизике наблюдать динамику молекулярных моторов, рассматривая одну выбранную молекулу отдельно от других. Оптическая силовая спектроскопия позволила лучше понять природу движущих сил, которые действуют в молекуле и имеют стохастическую (случайную) природу.

Лазерные щипцы довели свою пользу также и в других областях биологии. Например, в 2003 году методика лазерных щипцов была использована для сортировки клеток. Создавая в области, наполненной микробиологическим образцом, световую картину большой интенсивности, можно сортировать клетки за их собственными оптическими характеристиками. Лазерные щипцы также были использованы для исследования цитоскелета, измерения эластичных свойств биополимеров и изучения передвижения клеток.

Физические принципы

Маленькие диэлектрические сферы взаимодействуют с электрическим полем, созданным пучком света, за счет приведенного дипольного момента. В результате взаимодействия этого диполя с полем, сфера втягивается вдоль электрического градиенту поля к точке наивысшей интенсивности света. Кроме градиентной силы, на сферу также действует рассеивающая сила, вызванная отражением света от ее поверхности. Эта сила толкает сферу вдоль пучка света. Однако, если луч сильно сфокусированный, градиент интенсивности преодолевает силу светового давления.

Более детальный анализ, проведенный Ашкиним, базируется на двух механизмах, действие которых зависит от размера частицы. В атмосферной науке известно, что частица в воздухе рассеивает светло по-разному в зависимости от своего размера. Если размер рассеивающих частиц намного меньше, чем длина волны света, это рассеивание называется релеєевським (от имени британского физика лорда Релея). Релеевске рассеивания растет с увеличением частоты электромагнитной волны, потому при рассеивании белого света рассеяно светло будет иметь голубой оттенок. Соответственно светло, которое проходит прямо имеет красный стек. Этот эффект отвечает за красные краски заката солнца и голубой цвет неба. Когда светло рассевается на частицах (пыль, дым, водные капельки), которые имеют размер больше, чем длина волны света, законы рассеивания сложнее. Задачу о рассеивании света сферой в общем случае, независимо от размеров сферы, развязал немецкий физик Густав Ми. Рассеивание Ми отвечает за белье туч.

В этом типе устройства лазерное излучение подается через оптическое волокно. Если один конец оптического волокна формирует выпуклую поверхность, то такая форма позволит сфокусировать светло так, чтобы образовать оптическую ловушку с высокой числовой апертурой.

Если же концы волокна не выпуклы, лазерный свет будет расходиться, и потому стойкая оптическая ловушка может быть образована только при размещении двух концов волокон из разных боков от оптической ловушки, добиваясь баланса градиентных сил и сил светового давления. Градиентные силы удерживают частицы в поперечном направлении, тогда как силы, предопределенные оптическим давлением двух встречных лучей будут компенсировать друг друга. Равновесная z-позиция сферы в такой ловушке - такое положение, где обе силы светового давления равняются друг друга. Такие лазерные щипцы были впервые разработаны А. Констеблем и Дж. Глюком, которые использовали эту методику для растяжения микрочастиц. Манипулируя входной мощностью из обоих концов волокна, возможно регулировать растягивающую силу. Такая система может использоваться для измерения вязкопластичных свойств клеток. Ее чувствительность достаточна, чтобы различить разные фенотипф цитоскелета. Недавние эксперименты продемонстрировали возможность дифференциации раковых клеток от нераковых.