Ce este Biofizică

Odată cu extinderea și aprofundarea cunoștințelor umane despre organismele vii există secțiuni ale științei care studiază procesele și fenomenele legate atât de diverse domenii ale cunoașterii. Printre aceste discipline Fizică biologică,

Este cunoscut faptul că legile de bază ale studiilor de fizică natură: Structura atomilor și nucleelor, proprietăți ale particulelor, interacțiunea undelor electromagnetice și de particule, etc ... biofizică, care a apărut la intersecția dintre biologie și fizică - știința asupra proceselor fizice și fizico-chimice de bază în organismele vii și reglementarea acestora.

Biofizică trebuie să cunoască structura și modelele de organisme vii funcționează fără a perturba proprietățile lor, păstrând corpul într-o viață, starea activă. La urma urmei, otmiraya, organismul își pierde proprietățile sale inerente, toate procesele din ea se schimbă și devine un sistem comun neînsuflețit. Aceasta este cea mai mare dificultate. Prin urmare, a existat o nevoie de a studia organismele vii la diferite „niveluri“ - pentru a investiga proprietățile moleculelor biologice, caracteristici și celule de lucru, pentru a studia executarea colaborării în întregul organism etc. Prin urmare, în biofizică să aloce astfel de zone mari: biofizica moleculara, biofizica de biofizică celulare .. procesele de gestionare și reglementare și altele. pe scurt explica fiecare dintre secțiunile principale ale biofizică.

biofizică molecular studierea proprietăților moleculelor biologice, procesele fizico-chimice din celulele receptorilor. Aceste celule sunt numite receptori sau sensibile, deoarece acestea sunt primele de a percepe semnalele de lumină, gust, miros (în „rețete“ Latină - simt).

Biofizica investighează, de exemplu, procesele care au loc în organele de simț animale - în organele de vedere, auz, tactil și mirosul. Am aflat că în corpul nostru tot ceea ce se întâmplă doar de la sine, și, uneori, nu cred că despre modul în care au loc procese biofizice complexe, de exemplu, atunci când ne simțim gustul de zahăr sau se simt mirosul florilor. Și aceasta este una dintre problemele peste care biofizica moleculare lucrează de mai mulți ani. Faptul că senzațiile de gust sau miros posibil prin procese fizice și chimice complexe în celulele receptorilor din interacțiunea acestor molecule cu diferite substanțe.

Este cunoscut faptul că chimiști au creat 1 milion. Compuși organici, și aproape fiecare dintre ele are mirosul caracteristic. O persoană poate distinge mii de mirosuri, unele substanțe ne simțim concentrație extrem de scăzută - toate milioanele și miliarde de un miligram pe litru de apă. De exemplu, pentru a sesiza substanțe precum scatol, trinitrobutiltoluol concentrația lor suficientă de 10^-9 mg / l. Animalele sunt mult mai sensibile decât umane. De exemplu, geologii folosesc special câini instruiți pentru a căuta mirosul zăcămintelor situate adânc în subteran. Este bine cunoscut pentru activitatea de câini de poliție, găsirea unei urme de miros neglijabil de joasă. Dar, probabil, toată claritatea miros de pește superioare și insecte. Unii pesti se simt substanta olfactiva, chiar dacă acesta este conținut în apă în concentrații mici dispărând - numai 10^-11 mg / l. fluturi prezintă aproape o moleculă de odorant per 1 m³ aer.

biofizica moleculara ajuta pentru a afla nu numai diferența în sensibilitatea și structura organului olfactiv în diferite animale, dar, de asemenea, procesul de determinare a mirosului. Acesta este acum stabilit că există 6-7 mirosuri majore, diferite combinații de care se datorează diversității lor. Acest miros de bază corespund anumitor tipuri de celule olfactive.

biofizica moleculara studiaza proprietatile si procesele, nu numai la animale, ci și în plante. În special, se ocupă cu studiul fotosintezei. Frunza verde mesteacăn, cireș, măr și grâu sunt procese surprinzătoare și complexe. Soarele trimite pe Pământ o cantitate uriașă de energie care ar fi dispărut fără utilizarea, în cazul în care nu frunze verzi, prinderea aceasta și crearea cu ea de apă și dioxid de carbon și substanțe organice dând astfel viață tuturor organismelor vii.

Particulele fotosintezei care curg în verde - cloroplaste sunt celule de frunze și care conțin pigment de plante - clorofilă. Porțiuni din energia luminii (fotoni) absorbită de pigment, și produc Fotooxidarea de apă: dă molecula clorofilei de electroni, iar protonul este utilizat pentru a recupera dioxidul de carbon la carbohidrati. Proton și electron sunt cunoscute pentru a cuprinde acest atom atom vodoroda- „fragmentar“ este luat de molecula de apă. În procesul de fotosinteza este eliberat oxigenul respirat de toate organismele vii.

Baza fotosinteză - primul proces elementar: reacția porții de energie a luminii (fotoni) din molecula de clorofilă. Acest proces analizează biofizica moleculara in fotosinteza, pentru a ști cum energia luminoasă este transformată în energie chimică și substanțe de conversie ulterioare. Dacă acest proces fundamental va fi pe deplin cunoscute până la sfârșitul anului, aceasta poate fi efectuată în condiții artificiale. Apoi omenirea posedă cel mai rapid și cel mai economic mod de a produce substanțe organice, prin urmare, produse alimentare și materii prime valoroase, care dau un om o planta verde astăzi.

Există o legătură strânsă între studiul celulei și procesele moleculare care apar în ele, adică. E. Între biofizica moleculare și celulare. Unul dintre aceste studii modificari moleculare, proprietatile moleculelor și sistemele biologice, formate de moleculele din celule (cum spune formarea submolecular) și modificări ale proprietăților lor, alte proprietăți și funcții explorează diferite de celule - excretor, contractile, olfactive și alte fotosensibil.

dezvoltare Biofizică celulă contribuit în mare măsură la succesul de fizica, electronica, tocmai pentru că aceste științe Biofizica a primit microscoape electronice, ceea ce a permis să crească obiecte microscopice în sute de mii de ori. In serviciul biofizică a apărut cu rezonanță electronică paramagnetic, prin care să studieze porțiunile specifice active ale moleculelor - radicalii liberi așa-numitele, care joacă un rol foarte important în toate procesele biologice. Utilizarea foarte sensibile la dispozitivele de lumină - tuburile fotomultiplicatoare (PMT), a fost posibil să se determine fluxuri extrem de mici de lumină. Utilizarea acestor dispozitive a condus la o mai mare transparență în biofizica de celule.

Acesta a fost mult timp cunoscut pentru capacitatea de a stralucesc in organismele vii: licurici și diverse organisme acvatice, numite bioluminiscență. Dar, cu un fotomultiplicator a reușit a constatat că capacitatea de a emite lumină au corpurile de aproape toate animalele și plante. Această așa-numita ultra-slab luminiscență - biochemoluminescenta - Ea apare ca urmare a reacțiilor fizico-chimice în interiorul celulelor, și este asociat cu o oxidare a lipidelor intracelulare substanțelor din elementele structurale. Acestea joacă un rol important radicalii liberi sunt denumiți noi în aceste procese. Prin intensitatea luminescență ultraweak poate monitoriza nivelul reacțiilor de oxidare metabolice și eliberarea de energie care rezultă din reacții multiple care apar în interiorul celulelor.

detecție Ultraweak de luminescență, prezența radicalilor liberi și legătura lor cu viața celulelor schimbat dramatic reprezentarea proceselor celulare. Înainte de sarcină Biofizica Cell nu a fost doar pentru a înțelege structura ultramicroscop a celulelor și organite lor, dar, de asemenea, pentru a afla modul în care aceste elemente sunt legate între ele, modul în care acestea funcționează, ceea ce este motivul de coerență, procesele de coordonare care apar în celule.

Când om de știință de cercetare de celule in microscop electronic a deschis o nouă lume de ultramicroscop t. E. Cele mai mici, structuri celulare. au fost găsite intracelular membrane, conducte, tuburi, flacoane. Toate aceste structuri, de un milion de ori mai subtire decat un fir de par uman, au un rol în activitatea celulară. Orice celulă, aparent simplu nodul citoplasmă la nucleu, are o structură complicată, cu un număr mare de particule minuscule (elemente structurale) care funcționează cu precizie și în mod constant, în ordine strictă, este strâns legate între ele. Cantitatea acestor elemente structurale este foarte mare, cum ar fi o celulă nervoasă la 70 mii de particule -. Mitocondriile, datorită căreia respirația celulară și primește energie pentru operațiunile sale.

Video: Biofizică de la nonliving la viața

În orice celulă a unui organism viu, absorbția substanțelor esențiale și alocarea inutile, respirație apare, divizare, împreună cu aceste celule efectua funcții specifice. De exemplu, celulele retiniene determina puterea si calitatea celulelor mucoase nazale ușoare determinate substante miros, celule de diferite glande secreta substante active fiziologic - enzime și hormoni care reglează creșterea și dezvoltarea organismului.

Despre toate marile opera sa - văzut, auzit, de a identifica - celulele din țesuturile nervoase ale animalelor raportate de impulsuri electrice din creier - centrul de coordonare principal. Celulele Biofizică, în general, și una dintre secțiunile sale importante numite electrofiziologie de celule, studia modul in care celulele primesc informațiile necesare din mediul în care aceste informații sunt codificate în semnale electrice - impulsuri ca produs în celulele curenților biologice și potențiale.

Video: Dmitri Chernavskii - Biofizica - 1

Celulele unui organism viu sunt strâns interconectate cu creierul - centrul de control principal. ei înșiși Celulele, în mii de elementele lor structurale apar ordonată procese biochimice. Datorită acestui lucru consistent și cu acuratețe a efectua aceste sute de mii de reacții?

Faptul că celula, și separat organ, și întregul organism sunt anumite sistem pe baza unei legi și relații specifice de reglementare. Aceste studii particulare - cel mai tânăr secțiune Biofizică proceselor de reglementare și de management.

Noi acoperă această secțiune de Biofizică, folosind exemplul următor. Fiecare corp uman constă dintr-un număr mare de celule care efectuează un anumit loc de muncă. De exemplu, un rol special în simțul mirosului joacă un mucoasei nazale - așa-numitul epiteliul mucoasei. dimensiunea sa nu este mai mare de 4 cm², dar conține aproape 500 de milioane de celule olfactive -. receptor. Informații despre activitatea lor sunt transmise de-a lungul fibrelor nervoase, numărul care ajunge la 50 mln., In nervul olfactiv si apoi creierul. Semnalele care provin din celule sub formă de impulsuri electrice primare trebuie să fie corect decriptat. Pentru a face acest lucru, ei merg la diferite părți ale creierului, constând dintr-un număr foarte mare de celule. De exemplu, numai emisferele cerebrale includ 2 * 10¹⁰ Celulele, cerebel -10¹¹ celule. Creierul ia necesar "soluţii" și transmite semnalele de răspuns - instrucțiuni privind modul de lucru trebuie să fie acelea sau alte celule, țesuturi sau organe. In sistemul nervos central primeste sute de mii de diverse semnale din mediul extern de sunet, lumină, miros și semnale cu privire la starea celulelor organismului. Din cele de mai sus se poate vedea cât de complicat relația în orice sistem de viață - într-o singură celulă sau întregul organism la fel de complex de celule de lucru de management, reglementarea și monitorizarea stării lor pentru coordonarea tuturor proceselor vitale.

Acest departament de important Biofizică se bazează pe legile, pe de altă știință deschisă - Cibernetică. Biofizică, studierea proceselor și reglementarea de management, folosind metodele sale, a dezvoltat o serie de modele electronice, cum ar fi broască țestoasă, celulele nervoase si procesul de fotosinteză, care facilitează studiul reglementării fenomenelor complexe în organism.

Un studiu al proceselor de reglementare în organismele vii a arătat că acestea au o proprietate surprinzătoare - auto-reglementare. Celulele, țesuturi, organe ale organismelor vii sunt auto-reglare, auto-organizare, auto-reglare, sistem de auto-învățare. Acest lucru înseamnă că activitatea de celule, organe și, în general, determinate de proprietățile și caracteristicile stabilite în organism. De aceea, fiecare celulă sau organ independent, fără ajutor din exterior reglementează constanței compoziției mediului în interiorul lor. Dacă sub influența oricărui factor de starea lor se schimbă, această proprietate uimitoare îi ajută să se întoarcă înapoi la starea normală.

Cloroplaste în celulele frunzelor schimba aranjarea lor în funcție de puterea de iluminare: în lumină puternică, acestea sunt plasate de-a lungul pereților celulelor (stânga) - cu o slabă - de-a lungul celulei. Acesta este un exemplu de auto-reglementare a celulei.

Aici este doar un simplu exemplu de astfel de auto-reglementare. Am vorbit deja despre rolul important al cloroplastelor, situat în celulele de frunze verzi. Cloroplaste sunt capabile de mișcare independentă în celulele sub influența luminii, deoarece acestea sunt foarte sensibile la ea. Într-o zi luminoasă însorită la intensitate mare a luminii, cloroplastelor sunt situate de-a lungul peretelui celular, ca și cum ar încerca să evite lumina puternică. În zilele înnorate noros cloroplaste sunt situate pe suprafața celulei pentru a absorbi mai multa lumina. tranziție cloroplastidiană de la o poziție la alta sub influența luminii (phototaxis) se realizează prin celular autoreglare.

Cunoașterea naturii umane, varietatea organismelor vii este atât de rapid și așa duce la rezultate neașteptate și concluzii pe care acestea nu se încadrează în cadrul unei singure știință. Biofizică a marcat începutul unei noi ramuri a științei pentru a extinde orizonturile cunoașterii umane. Deci, o ramură independentă a biologiei radiobiologie - știința efectelor diferitelor forme de radiație asupra organismelor vii, biologie spațiu, studiază problemele vieții în spațiu, mechanochemistry, explorarea conversia energiei chimice în energie mecanică, care are loc in fibrele musculare. Pe baza studiilor biofizice, o nouă știință - bionica, studierea organismelor vii, în scopul de a utiliza principiile muncii lor de a crea un design nou și îmbunătățită a instrumentelor și a aparatelor.

Ni se spune doar o mică parte din cercetările efectuate de biophysicists, dar exemple ar putea fi dat mult mai mult ca în studiul de molecule, structuri subcelulare și a organismului ca întreg. In fiecare zi aduce noi descoperiri, inventii, idei valoroase. Epoca noastră - o perioadă de mare progres în toate domeniile cunoașterii, inclusiv studiul naturii.