Što je biofizika

Uz proširenje i produbljivanje ljudskog znanja o živim organizmima postoje sekcije nauka koja proučava procese i pojave koje se odnose i na različitim poljima znanja. Među ovim disciplinama Biološki fizika, ili biofizike. Ono što ona uči i koje su njegove metode istraživanja?

Poznato je da je osnovni zakoni fizike studija priroda: Struktura atoma i jezgra, svojstva čestica, interakcije elektromagnetskih valova i čestica, itd ... biofizika, koji je nastao na raskrsnici biologije i fizike - nauka o osnovnim fizičkim i fizikalno-kemijskih procesa u živim organizmima i njihove regulacije.

Biofizike treba da znaju strukture i obrasci živih organizama radi bez ometanja njihove imovine, držeći tijelo u život, aktivno stanje. Na kraju krajeva, otmiraya, tijelo gubi svoja inherentna svojstva, svi procesi u njemu se mijenja i postaje zajednički nežive sistema. Ovo je najveća poteškoća. Stoga je postojala potreba za proučavanjem živih organizama na različitim "nivoima" - istražiti svojstva bioloških molekula, karakteristike i rad ćelija, da studiraju izvršenje suradnji u cijelom organizmu, itd Dakle, u biofizike da izdvoje takve velike površine: molekularna biofizika, biofizika ćelije biofizike .. procese upravljanja i regulacije i dr. Ukratko objasniti svaku od glavnih sekcija biofizike.

molekularna biofizika Proučavajući svojstva bioloških molekula, fizikalno-kemijskih procesa u ćelijama receptora. Ove ćelije se zovu receptora ili osjetljive, jer su prvi koji će sagledati signale svjetlosti, ukus, miris (na latinskom "receptima" - osjećaj).

Molekularne biofizike istražuje, na primjer, procesi koji se javljaju u smislu organima životinje - u organima vida, sluha, dodira i mirisa. Saznali smo da u našem tijelu se sve dešava samo po sebi, a ponekad i ne razmišljaju o tome kako doći do složenih biofizičkih procesa, na primjer, kada smo osjetiti okus šećera ili osjetiti miris cvijeća. I ovo je jedno od pitanja nad kojima molekularnoj biofizici radi dugi niz godina. Činjenica da je senzacije ukusa i mirisa moguće složene fizičke i kemijske procese u receptor ćelije u interakcije ovih molekula s različitim supstancama.

Poznato je da kemičari su stvorili 1 milion. Organska jedinjenja, a gotovo svaka od njih ima svoj karakterističan miris. Osoba može razlikovati hiljade mirise, neke supstance osećamo na ekstremno niske koncentracije - sve milijune i milijarde miligrama po litri vode. Na primjer, da oseti supstance kao što je skatol, trinitrobutiltoluol njihov dovoljnoj koncentraciji od 10^-9 mg / l. Životinje su mnogo osjetljiviji od ljudskog. Na primjer, geolozi koristiti specijalno obučeni psi za traženje miris rude nalazi duboko pod zemljom. Poznato je za rad policijskih pasa, pronalaženje trag zanemarljivo nizak mirisa. Ali, možda, sve oštrinu miris vrhunskog riba i insekata. Ribu osjećati mirisnih tvari, čak i ako je sadržan u vodi u vanishingly malim koncentracijama - samo 10^-11 mg / l. leptiri pokazuju gotovo jednog molekula dezodoransi po 1 m³ zrak.

Molekularnoj biofizici pomaže da saznaju ne samo razlika u osjetljivosti i struktura mirisnog organa u različitih životinja, ali i proces određivanja miris. Sada je utvrđeno da postoje 6-7 velike mirise, različite kombinacije koja je zbog svoje različitosti. Ovaj osnovni mirisi odgovaraju određene vrste mirisni ćelija.

Molekularnoj biofizici proučava svojstva i procese, a ne samo na životinjama, ali i kod biljaka. Konkretno, on se bavi proučavanjem fotosinteze. Zeleni list breze, trešnje, jabuka i pšenice su iznenađujući i složene procese. Sunce šalje na Zemlju ogromnu količinu energije koja bi nestao bez upotrebe, ako ne i zeleno lišće, hvatanje je i stvaranje s njom vode i ugljičnog dioksida i organske tvari dajući život svim živim organizmima.

Fotosinteze čestice teče u zelenom - hloroplasti su u listu ćelije i sadrže biljni pigment - klorofil. Porcije svjetlo energije (fotona) apsorbira pigment, i proizvode fotooksidacije vode: ona daje elektron molekula hlorofila, a proton se koristi za oporaviti ugljen-dioksida u ugljenih hidrata. Protona i elektrona je poznato da čine ovaj atom vodoroda- atom "parcijalno" je oduzeta iz molekula vode. U procesu fotosinteze se oslobađa kisik udahnuo od svih živih organizama.

Osnova fotosinteze - prva osnovna procesa: reagira porcije energije svjetlosti (fotona) iz klorofila molekula. Ovaj proces ispituje molekularnoj biofizici u fotosinteze, kako bi znali kako se svjetlo energija pretvara u hemijsku energiju i kasnijih supstanci konverzije. Ako se ovaj fundamentalni proces će biti u potpunosti poznat do kraja, može se obavljati u vještačkim uslovima. Onda čovječanstvo posjeduje najbrži i najekonomičniji način za proizvodnju organske materije, dakle, hranu i vrijedne sirovine koje daju čovjek zeleni biljka danas.

Postoji bliska veza između proučavanje ćelija i molekularnih procesa koji se odvijaju u njima, tj. E. Između molekularnih i celularnih biofizike. Jedna od tih studija molekularne promjene, svojstva bioloških molekula i sistema, formiraju molekule u stanicama (kako kažu submolecular formiranje) i promjene njihove imovine, druga svojstva i funkcije istražuje drugu ćeliju - izlučivanje, kontraktilnom mirisni, i druge fotosenzitivne.

razvoj ćelija biofiziku u velikoj mjeri doprinijeli uspjehu fizike, elektronike, upravo zbog ovih nauka biofizike dobio elektronskih mikroskopa, što je omogućilo da se poveća mikroskopske objekte u stotinama hiljada puta. U službi biofizike pojavio elektronske paramagnetske rezonancije, kojim se proučavaju specifične aktivne dijelove molekula - tzv slobodnih radikala, koji igraju vrlo važnu ulogu u svim biološkim procesima. Koristeći jako osjetljive na svjetlo uređaja - photomultiplier cijevi (PMT) je omogućeno da se odredi izuzetno mali potoci svjetlosti. Korištenje ovih uređaja je dovelo do veće transparentnosti u ćeliji biofizike.

Odavno je poznat po sposobnosti da sjaj u živim organizmima: svici i razne vodene organizme, pod nazivom bioluminiscencija. Ali sa fotomultiplikatorska uspjeli utvrdio da je sposobnost da se emituju svetlost imati tijela gotovo svih životinja i biljaka. Ovaj takozvani ultra slab luminiscencije - biochemiluminescence - Javlja se kao posljedica fizikalno-kemijske reakcije u ćelijama, a to je povezano sa intracelularni lipida oksidaciju supstanci u strukturnim elementima. Oni igraju važnu ulogu slobodnih radikala nazivaju se nama u ovim procesima. Po ultraslaba intenzitet luminiscencije mogu pratiti razinu metaboličkih reakcija oksidacije i oslobađanje energije rezultat višestrukih reakcije javljaju unutar ćelija.

Ultraslaba detekciju luminiscencije, prisustvo slobodnih radikala i njihovog povezivanja sa životom ćelija dramatično promijenila zastupljenost mobilnih procesa. Prije nego što Cell biofizike zadatak nije bio samo da shvate ultramicroscopic strukturu ćelija i njihovih organele, ali i da saznate kako se ovi elementi odnose jedni prema drugima, kako oni rade, što je razlog koherentnosti, procesa koordinacije dešavaju u ćelijama.

Kada istraživanje ćelija naučnik u elektronski mikroskop je otvorio novi svijet ultramicroscopic, t. E. Najmanji, ćelijske strukture. intracelularni membrane, kanali, cijevi, bočice nije pronađeno. Sve ove strukture, milion puta tanji od ljudske kose, imaju ulogu u aktivnost ćelija. Bilo koju ćeliju, naizgled jednostavne paušalni citoplazme u jezgru, ima složenu strukturu sa velikim brojem sitnih čestica (konstruktivni elementi) koji rade precizno i ​​dosljedno, u strogoj bi, usko međusobno povezane. Iznos od ovih strukturalnih elemenata je vrlo velik, kao što su nervne ćelije do 70 hiljada čestica -. Mitohondriji, zahvaljujući kojima ćeliji disanje i prima energiju za svoj rad.

Video: Biofizika iz neživog u životni

U bilo koju ćeliju živog organizma, apsorpciju esencijalnih tvari i dodjelu nepotrebne, dah se javlja, podjela, uz ove ćelije obavljaju određene funkcije. Na primjer, ćelije mrežnjače odrediti snagu i kvalitetu svjetla nosne sluznice ćelije određen miris supstanci, ćelije raznih žlijezda izlučuju fiziološki aktivne tvari - enzima i hormona koji reguliraju rast i razvoj organizma.

O svemu njegov veliki posao - vidi, čuje, identificirati - ćelije nervnog tkiva životinja prijavili električne impulse u mozgu - glavni Koordinacionog centra. Biofizika stanice u cjelini, a jedan od njegovih važnih sekcije pod nazivom ćelija elektrofiziologija, proučavajući kako se ćelije dobiju potrebne informacije iz okoline kao ove informacije kodirane u električne signale - impulsa kao proizvedeni u ćelijama biološke struje i potencijala.

Video: Dmitry Chernavskii - Molekularna biofizika - 1

Ćelije živog organizma su usko povezane sa mozgom - glavni kontrolni centar. Samih ćelija, u hiljadama njihovih strukturnih elemenata javljaju uredno biohemijskih procesa. Zbog toga tako dosljedno i precizno obavljanje ovih stotine hiljada reakcija?

Činjenica da je ćelija, a poseban orgulje, i cijeli organizam određene sistem na osnovu određenih regulatornih zakona i odnosa. Ove posebno studije najmlađa sekcija - biofizike procese i pravila upravljanja.

Pokrivamo ovom dijelu biofizike, koristeći sljedeći primjer. Svako ljudsko tijelo se sastoji od velikog broja ćelija koje obavljaju određeni posao. Na primjer, posebnu ulogu u smislu mirisa igra nosne sluznice - tzv sluznice epitel. njegova veličina nije veća od 4 cm², ali sadrži skoro 500 miliona mirisni ćelija -. receptor. Informacije o svom radu se prenose duž nervnih vlakana, broj koja doseže 50 milijuna kuna., U mirisni živac, a zatim mozga. Signali koji dolaze iz ćelija u obliku primarne električnih impulsa mora biti ispravno dekriptirati. Da biste to učinili, oni idu u različitim dijelovima mozga, koji se sastoji od velikog broja ćelija. Na primjer, samo hemisfere uključuju 2 * 10¹⁰ ćelije, mali mozak -10¹¹ ćelija. Mozak uzima potrebne "rješenja" i prenosi signale odgovor - upute o tome kako rad treba biti oni ili druge ćelije, tkiva ili organa. U centralni nervni sistem prima stotine hiljada različitih signala iz vanjskog okruženja zvuka, svjetlosti, mirisa i signala o stanju ćelija organizma. Iz navedenog se može vidjeti koliko je komplikovano odnosa u bilo kojem živi sistem - u jednoj ćeliji ili cijeli organizam kao složen posao ćelije upravljanje, regulaciju i praćenje njihovog stanja za koordinaciju svih životnih procesa.

Ovaj važan odjel biofizike se temelji na zakonima, a drugi otvoren nauke - kibernetike. Biofizike, proučavajući procese i pravila upravljanja, koristeći svoje metode, razvio niz elektronskih modela, kao što su kornjače, nervne ćelije i proces fotosinteze, koji olakšavaju studija regulacije kompleksa pojava u organizmu.

Studija regulatornih procesa u živim organizmima je pokazalo da imaju iznenađujuće imovine - samoregulacije. Ćelije, tkiva, organa živih organizama su samoregulišući, samoorganizacije, self-podešavanje, samostalno učenje sistema. To znači da je rad ćelija, organa i općenito određuje osobine i karakteristike utvrđene u organizmu. Zbog toga, svaka ćelija ili organ samostalno, bez pomoći izvana uređuje konstantnost sastav srednje unutar njih. Ako pod utjecajem bilo kojeg faktora njihove statusne promjene, ova neverovatna imovina im pomaže da se vrate u normalno stanje.

Hloroplasti u listu ćelijama promijeniti njihov raspored u zavisnosti od snage rasvjeta: pod jakim svjetlo, oni su smješteni uz zidove ćelija (lijevo) - sa slabim - u cijeloj ćeliji. Ovo je primjer samoregulacije ćelije.

Ovdje je samo jedan jednostavan primjer takve samoregulacije. Već smo govorili o važnoj ulozi hloroplasta, nalazi se u ćelijama zelenog lišća. Hloroplasti su u stanju samostalno kretanje u ćelijama pod uticajem svjetlosti, jer su vrlo osjetljivi na to. Na sunčanom sunčanom danu na visokog intenziteta svjetlosti, hloroplasti se nalaze uz ćelijski zid, kao da pokušava da izbegne jaka svjetlost. Na oblačno dana hloroplasti nalaze se po cijeloj površini ćelije da apsorbira više svjetla. Hloroplasta prelazak iz jednog položaja u drugi pod uticajem svetlosti (phototaxis) se ostvaruje preko mobilne samoregulacije.

Poznavanje ljudske prirode, raznolikost živih organizama je tako brzo i tako dovodi do neočekivanih rezultata i zaključaka koji se nisu uklapali u okviru jedne nauke. Biofizike označio početak nove grane nauke da proširi horizonte ljudskog znanja. Dakle, nezavisna grana biologije Radiobiologija - nauka o efektima različitih oblika zračenja na žive organizme, prostor biologije, proučava probleme života u svemiru, mehanohemijskog, istraživanje pretvaranje kemijske energije u mehaničku energiju, koja se javlja u mišićnih vlakana. Na osnovu biofizičkih studija, nova nauka - bionika, studiraju žive organizme kako bi mogli koristiti principe njihovog rada za stvaranje nove i poboljšane dizajn instrumenata i aparata.

Rečeno nam je da samo mali dio istraživanja provodi biophysicists, ali primjera može dati mnogo više kao u proučavanju molekula, subćelijskih strukture i organizam u cjelini. Svaki dan donosi nova otkrića, izuma, vrijedne ideje. Našeg doba - vrijeme veliki napredak u svim poljima znanja, uključujući i proučavanje prirode.