Биофизика

Биофизика — наука, изучающая физические свойства биологически важных молекул, молекулярных комплексов, клеток и сложных биологических систем, а также протекающие в них физические и физико-химические процессы.
Биофизические исследования используются при изучении механизмов возникновения болезней человека, разработке новых лекарственных средств, методов лечения и диагностики, а также при создании современной медицинской техники.
Изучение физико-химической основы биологических явлений, протекающих на молекулярном уровне, стало возможным благодаря успехам физики и физической химии в конце 19 — начале 20 в.

По мере совершенствования методов физико-химических исследований возможности Б. значительно расширялись. Интенсивному развитию науки способствовало появление новых физических методов — рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, прецизионной спектрометрии и спектрофлюориметрии, электрометрии, оптических измерений, методов, основанных на ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и др., а также компьютерной техники. Изучение явления ЯМР и распространения ультразвуковых волн в тканях с применением компьютерной техники привело к созданию новых, перспективных методов диагностики — ЯМР и ультразвуковой томографии. Разрабатываются методы автоматической расшифровки ЭКГ, изучения магнитных полей человека, современные методы лабораторной диагностики, основанные на измерении люминесценции, хемилюминесценции, светорассеяния. Создаются новые аппараты для физиотерапии, основанные на действии колебаний сверхвысокой частоты в различных диапазонах частот, лазеров разных спектров, УФ-излучения в сочетании с хемотерапией и др.
Б. включает квантовую биофизику, молекулярную биофизику, биофизику клетки и биофизику сложных систем (органов, тканей, организма). Сведения из различных разделов Б., используемые в медицине, условно объединяют в комплекс под названием «медицинская биофизика».
Квантовая биофизика изучает вопросы взаимодействия света и биологических структур (молекул, биологических мембран, клеток, тканей), а также электронную структуру биологически важных соединений и ее связь с их химическими свойствами и биологической активностью. При этом используются теоретические расчеты молекулярных орбиталей, спектральный и люминесцентный анализ (см. Оптические методы исследования), методы, основанные на электронном парамагнитном резонансе в сочетании с техникой импульсного и непрерывного облучения биологических объектов различными источниками света, включая лазеры, при обычных температурах и в условиях глубокого охлаждения объектов жидким азотом или гелием. С помощью этих методов медицинская Б. изучает первичные процессы, возникающие при действии УФ-излучения на кожу, клетки, плазму крови и зрительный аппарат, участие в них молекул белков, нуклеиновых кислот и коферментов, поглотивших квант света, а также продуктов окисления липидов (см. Фотобиологические процессы). В присутствии фотосенсибилизирующих средств эти процессы могут происходить при облучении организма не только коротковолновым (240—300 нм), но и длинноволновым (более 300 нм) и даже видимым светом. Интенсивный видимый свет, например свет лазеров, может вызвать фотохимические реакции в активных центрах ферментов, лежащие в основе механизма терапевтического действия низкоэнергетических лазеров.
Большой интерес представляет изучение роли свободных радикалов в жизнедеятельности клеток и развитии патологических процессов в организме (см. Радикалы свободные).

Как выяснилось, образование свободных радикалов может происходить не только в результате фотохимических реакций или действия на клетки ионизирующего излучения, но и в процессе биохимических реакций, протекающих при активации фагоцитирующих клеток (макрофагов и гранулоцитов). нарушении функций митохондрий и системы гидроксилирования чужеродных соединений в эндоплазматаческом ретикулуме. Образующиеся при этом активные формы кислорода, включая супероксидный радикал, обладают сильным цитотоксическим действием. Изучение механизма этих процессов привело к созданию методов контроля за их интенсивностью, основанных на измерении хемилюминесценции (свечения, возникающего за счет этих реакций), а также лекарственных препаратов, ограничивающих развитие свободнорадикальных реакций — супероксиддисмутазы, токоферола, ретинола и др.
Молекулярная биофизика изучает структуру макромолекул, их физические свойства и связь строения молекул с их функцией. Основные объекты исследования — нуклеиновые кислоты и белки, а также полисахариды и липидные комплексы. Эти исследования способствуют раскрытию природы ряда патологических процессов, развитию генной и белковой инженерии, открывающих большие перспективы для создания наиболее эффективных методов лечения болезней человека. Получение белков с заданными свойствами может послужить основой для разработки принципиально новых лекарственных средств, физические свойства и биологическая активность которых могут быть предсказаны на основании анализа этих свойств у белков и пептидов и путем компьютерных расчетов их структуры.
Биофизика клетки изучает строение и функции клеточных мембран (см. Мембраны биологические), природу клеточной подвижности, биоэлектрогенез, межклеточные взаимодействия и другие вопросы, связанные с физическими свойствами клетки. Большие успехи достигнуты в изучении физических свойств липидного слоя мембран, от которых зависит функционирование большинства мембранных ферментов, транспорт ионов и различных химических веществ, а также генерация биоэлектрических потенциалов. Исследования показали, что изменение вязкости липидного слоя мембран приводит к нарушению их функций, которое в свою очередь может вызвать развитие в тканях патологических процессов.

Тяжелые последствия (потеря мембранами барьерных свойств, дезорганизация внутриклеточных процессов и гибель клетки) отмечаются вследствие резкого увеличения проницаемости липидного слоя мембран или его электрического пробоя собственной трансмембранной разностью потенциалов. В основе многих сердечно-сосудистых, нервных болезней и болезней почек лежат нарушения проводимости ионных каналов; механизм этих нарушений также является предметом изучения биофизики клетки. Исследование проницаемости и электрических свойств мембран лежит в основе изучения механизма и эффективности действия многих лекарственных препаратов. Выявлены физические основы межклеточных и межмембранных взаимодействий — адгезия (сцепление) между клетками и при контакте клеток с различными поверхностями, а также их электрические контакты. Значительные успехи достигнуты в расшифровке механизма слияния мембран, наблюдаемого на определенных стадиях различных клеточных процессов, таких, например, как пиноцитоз, секреция, деление клетки (см. Клетка). Эти исследования имеют большое значение в онкологии, так как нарушение межклеточных взаимодействий характерно для опухолевого процесса.
Биофизика сложных систем достигла наибольших успехов в области изучения электрических полей в органах и тканях и, в первую очередь, электрического поля сердца и биопотенциалов головного мозга. Благодаря применению ЭВМ стали возможны расчеты электрического поля сердца, основанные на электрических свойствах отдельных клеток, а хорошо разработанные теоретические основы электрокардиографии и ее модификаций (например, вектор электрокардиографии) позволяют при анализе изменений электрической активности сердца выявить механизмы нарушений функции отдельных участков сердечной мышцы и отдельных клеточных структур, распространения возбуждения в возбудимых тканях, к которым относится мышца сердца, а также механизмы возникновения спонтанных очагов возбуждения, приводящего к аритмиям. Все эти исследования используются при создании систем мониторного наблюдения за состоянием больных, находящихся в условиях интенсивной терапии, и во время хирургических операций. Недостаточно изучена электрическая активность головного мозга в силу исключительной сложности его сигналов, обусловленной суперпозицией большого числа биопотенциалов отдельных клеток. Использование статистических методов обработки сигналов — один из подходов к их анализу. Информация об электрической активности головного мозга расширилась благодаря измерению электрической активности отдельных его участков с помощью набора электродов во время нейрохирургических операций.

Изучением механических свойств биологических тканей и жидкостей, а также различных механических процессов в организме, таких, например, как мышечное сокращение, внешнее дыхание, гемодинамика, занимается биомеханика. Исследования в биомеханике осуществляются методами Б. с использованием достижений смежных наук — биохимии, цитологии, физиологии.
Исследование физических процессов в органах чувств проводится на молекулярном и клеточном уровнях. Центральной проблемой в этой области стало изучение физической основы процесса рецепции, т.е. механизма преобразования различных раздражений (звуковых, механических, химических, световых и др.) в электрические сигналы, поступающие в анализаторы головного мозга. Наиболее значительны достижения в изучении физико-химической основы зрительной рецепции. Расшифрован механизм превращений родопсина после поглощения им кванта света. Выявлена связь между превращениями родопсина и активацией систем вторичных мессенджеров (кальция и циклических нуклеотидов) в зрительных рецепторах с последующим формированием в них электрического сигнала. Результаты этих исследований, а также достижения других разделов Б. (квантовой, молекулярной) позволили изучить механизмы развития ряда болезней глаз. В частности, стало известно, что в патогенезе катаракты и дегенерации сетчатки ведущую роль играет активация свободнорадикальных процессов, вызванная нарушением функции защитных систем клеток — ферментов глутатионпероксидазы и супероксиддисмутазы, а также систем связывания ионов железа, антиоксидантов. На основе этих исследований осуществляется поиск новых лекарственных средств для лечения болезней глаз. Результаты изучения физики и физиологии органов слуха и зрения позволили приступить к созданию искусственных органов чувств.