Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 20:44 дата обновления страницы
Наука о жизни
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 20:44
icq:
613603564
Что такое биофизика
Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях
человек опирается на науку и технику. Громадные радиотелескопы услышали
"голос" далеких галактик, прочные батискафы помогли открыть на дне
океана новый мир с невиданными животными, мощные ракеты вышли из сферы
земного притяжения и открыли дорогу в космос...
Есть в окружающей нас природе еще одна "крепость". Это сама жизнь. Да,
жизнь, живой организм, живая клетка - невидимый глазом комочек
протоплазмы (или цитоплазмы) с ядром, заключенный в оболочку,- одно из
самых загадочных явлений в мире. И эта "крепость" должна сдаться, мощное
оружие - ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых
клеток, проникая в самую сущность жизни.
Изучение человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким
неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки
старых наук. Например, физика - одна из наиболее важных наук о природных
явлениях - развилась так широко, что возникла потребность выделить
новые, самостоятельные области - квантовую физику, ядерную, физику
твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Процесс расширения и
углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и таких
разделов наук, которые изучают процессы и явления, относящиеся
одновременно к различным областям знания.
Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии,
является биофизика, играющая особую роль в изучении свойств живой
материи.
Биофизика - это наука о физических и физико-химических процессах и их
регулировании в живом организме.
От биофизики в свою очередь отпочковываются новые науки, расширяющие
горизонты человеческих знаний. Так выделилась радиобиология - наука о
действии различных видов радиации на живые организмы ; космическая
биология - наука, изучающая особенности жизни в космосе; механохимия,
исследующая взаимное превращение химической и механической энергии,
происходящее в мышечных волокнах ; совсем недавно возникла бионика,
изучающая живые организмы с целью использовать принципы их работы для
создания новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов.
Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы
слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных
направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах -
молекулярной биофизике, клеточной и биофизике процессов управления.
Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей -
теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом,
взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия.
Теоретическая биофизика изучает первичные явления и процессы,
происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят
ученые, веществах, т. е. на выделенных из живого организма или
искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают
основные процессы фотосинтеза, природу биопотенциалов, биолюминесценцию
и другие явления.
Экспериментальная же (прикладная) биофизика изучает работу организма в
целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической
биофизики (биофизика движения, зрения, регулирования физиологических
функций).
Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется
молекулярной биофизикой. Этот отдел изучает свойства биологических
молекул, физико-химические процессы, происходящие в чувствительных
клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание
уделяется при этом изучению свойств ферментов - белков, обладающих
свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых
организмах.
Благодаря успехам молекулярной биофизики люди узнали много нового о том,
как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит
передвижение молекул и ионов, как идет синтез белков, как запасается
энергия в живых клетках. Молекулярная биофизика помогает в изучении
фотосинтеза.
Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие
удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или
черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное
количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые
листья, улавливающие ее, создающие с ее помощью органическое вещество и
тем самым дающие жизнь всему живому на Земле.
Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в
клетках листа, - хлоропластах, содержащих растительные пигменты -
хлорофилл и каротиноиды.
Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят
фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а
затем и протон используется для восстановления углекислого газа до
углеводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода;
этот атом по частям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и
присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же
воды (его называют гидроксилом) разлагается особыми ферментами, образуя
кислород, которым дышит все живое.
Мы рассказали очень сжато о фотосинтезе. На самом деле превращение
световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в химическую энергию веществ,
синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконечную цепь
молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с
одних молекул на другие, образуются и распадаются молекулы соединений,
обладающие большой энергией, происходят сотни тысяч реакций.
Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и
выяснению его деталей мы обязаны молекулярной биофизике.
Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над
тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист - это как бы
миниатюрный "завод", вырабатывающий вещества, составляющие основу
питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения
потребляют в год громадные количества углекислого газа - 150 000 000 000
г! Если ученые разгадают до конца великую тайну зеленого листа,
человечество получит самый быстрый и самый экономичный способ получения
питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня
дают человеку зеленые растения.
Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают
в животных организмах, например в их органах чувств.
Одна из таких удивительных и необычайных страниц молекулярной биофизики
- изучение запаха. Химики создали около 1 млн. органических соединений,
и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может различать
несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно
исключительно малых количеств, чтобы их ощутить, - всего миллионные и
миллиардные доли миллиграмма на литр воды (например, таких веществ, как
скатол, тринитробутилтолуол, [достаточною-7-Ю-9 мг/л).
Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например,
различают около полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно
собаки-ищейки) чувствовать нужный запах, даже если он ничтожно слаб.
Стоит человеку только чуть-чуть прикоснуться к предмету - и собака уже
может определить, кто это сделал. Известны случаи, когда натренированные
собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под
землей на глубине 2-3 м.
Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы
ощущают пахучее вещество при его неизмеримо малом содержании-10" мг/л.
Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. м3 воды!
Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких
километров. Расчеты показывают, что в таком случае бабочки обнаруживают
чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 мг
воздуха. Как это происходит, остается пока загадкой. Некоторые ученые
предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные
волны, энергия которых воспринимается чувствительными клетками насекомых
и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях.
Недавно внимание биофизиков привлекла необычная способность некоторых
видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапками какого-либо вещества,
мгновенно производит точный химический анализ. Механизм этого явления
неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках
определяют "вкус" вещества электромагнитным путем!
Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различия в
чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных,
рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас
установлено, что имеется несколько основных (6-7) запахов, сочетаниями
которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам
соответствуют определенные типы обонятельных клеток, воспринимающих
запах. В клетках есть молекулярные по размерам углубления строго
определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих
веществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса - диска и
т. д.). Попадая в "свое" углубление, молекула раздражает нервные
окончания и создает ощущение запаха.
Даже из краткого рассказа видно, что существует тесная связь между
изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е.
между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает
молекулярные изменения, свойства биологических молекул, а также те
системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят,
субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая
исследует свойства и функционирование клеток - выделительных,
сократительных, обонятельных и др.
Развитию биофизики клетки, о которой мы сейчас расскажем, во многом
способствовало изобретение электронного микроскопа. Применение
электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз
намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о
их внутреннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом
сразу открылся новый мир ультрамикроскопических (самых мельчайших)
клеточных структур. Электронные микроскопы позволили увидеть различной
толщины мембраны, мельчайшие трубочки, в сотни тысяч раз тоньше
человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, канальцы.
Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры -
митохондрии, хлоропласты - тоже имеют довольно сложное строение. Стало
ясно, что любая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром,
представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших
клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в
строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно.
Особенно поразило исследователей многообразие структурных элементов.
Например, в нервной клетке находится до 70 тыс. частиц - митохондрий,
благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей
деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотни тысяч самых мелких
частиц - рибосом, создающих белковые молекулы.
Самое удивительное то, что в любой маленькой клеточке живого организма
происходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых
веществ и выделение ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим
клетки выполняют специальные функции: клетки сетчатки глаза определяют
силу и качество света, клетки слизистой оболочки носа определяют запах
веществ, клетки различных желез выделяют особые вещества - ферменты,
способствующие пищеварению, и гормоны, помогающие росту и развитию
организма.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки
сообщают нервными электрическими импульсами в головной мозг - главный
координирующий центр. Как клетки получают необходимые сведения из
окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических
сигналах-импульсах, как образуются биологические потенциалы в клетках,
какова связь с головным мозгом - все эти и многие другие вопросы изучает
биофизика клетки.
Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно
известно, что многие живые организмы обладают способностью к свечению -
люминесценцией. Сильно свечение многих обитателей морей - рыб, губок,
звезд и т. д. Но оказывается, клетки любых организмов обладают
люминесценцией - так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь
ничтожен, что обнаружить его могут лишь особые приборы - фотоэлектронные
умножители, способные в миллионы раз усиливать падающий световой поток.
Сверхслабое свечение наблюдается в корешках и листьях растений, в
клетках различных органов животных. Сверхслабое свечение присуще всем
клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических
реакций, протекающих в клетках.
Ученые выяснили, что сверхслабое свечение имеет свои особенности у
различных групп животных, насекомых и растений. По интенсивности
сверхслабого свечения биофизики уже сейчас могут определить засухо- и
морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем
самым помочь селекционерам и физиологам растений в выведении нужных
сортов.
Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них
реакции, несмотря на их сложность, протекают с удивительной
правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с
головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма
изучает возникший совсем недавно отдел науки - биофизика процессов
управления и регуляции.
Расскажем о работе этого отдела на следующем примере. Каждый орган
человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих
специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая
оболочка носа - так называемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка
занимает площадь не более 4 с но содержит чуть ли не 500 млн.
обонятельных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в
обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн.,
и далее в мозг. Отделы мозга - полушария головного мозга - содержат 2
1010 клеток, а в мозжечке их еще больше-10й. Даже] трудно себе
представить, какой поток информации получает мозг каждую секунду от
всех органов и тканей.
Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов,
должны быть правильно расшифрованы, затем необходимо принять
соответствующие "решения" и передать ответные сигналы - указания о
том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы в целом в
определенных условиях. Ясно, что в центральную нервную систему
поступают тысячи разнообразных сигналов из внешней среды в виде звуков,
света, запахов и пр. Таким образом, | мы видим, насколько сложны
взаимосвязи в любом организме, как сложна работа по управлению клетками,
регулированию их состояния, контролю за согласованностью всех
жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на законы, открытые другой наукой
- кибернетикой. Пользуясь ее методами, биофизики, изучающие процессы
управления и регулирования, разработали электронные модели живых
организмов, органов, клеток и даже отдельных процессов, происходящих в
этих клетках. Такие электронные модели (например, электронная черепаха,
электронная нервная клетка, электронная модель процесса фотосинтеза)
облегчают изучение всех | сложных явлений регуляции в живом организме.
Биофизики, изучающие регуляцию и управление в живом организме, выяснили,
что как клетки, так и органы живых организмов представляют собой
систему, обладающую удивительным свойством. Клетки и органы, как говорят
биофизики,- это САМО-регулирующиеся, САМОорганизующиеся,
САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы, т. е. вся их работа,
необычные качества и свойства, характеризующие их, постоянство состава
среды внутри них и выполняемой ими работы - все обусловлено процессами,
протекающими в них самих.
Чтобы немного подробнее представить себе работу биофизиков, расскажем об
одном интересном направлении, возникшем на основе биофизики и уже
оформившемся в самостоятельную биофизическую науку - бионику.
Это наука, которая изучает живые организмы для создания совершенных
искусственных систем, машин и приборов. Результаты исследований биоников
показали, что инженерам-конструкторам всех специальностей есть чему
поучиться у природы. Вот несколько примеров.
В конструкцию современных электронных вычислительных машин входит
большое количество различных деталей (полупроводниковые диоды, триоды,
сопротивления, конденсаторы и т. д.). Размеры электронных вычислительных
машин зависят от того, сколько таких деталей (элементов) находится в 1
см3 машины. Чем больше рабочих элементов в 1 см3 (так называемая
плотность монтажа), тем более емка "память" машины, больше возможностей
проводить нужные операции, лучше работа. Оказывается, что если наивысшая
плотность монтажа в технических схемах машин достигает 2000 элементов в
1 слг3, то плотность монтажа элементов мозга в 50 тыс. раз больше: 100
ООО ООО элементов в 1 см3.
Отличие живых организмов от самых сложных современных машин и приборов
проявляется не только в строении, но и в свойствах. Возьмем, к примеру,
органы зрения. Глаза у животных не только разной величины - от
микроскопически малых у муравья (0,1 мм) до гигантских (20-30 см) у
кальмаров, - но отличаются и другими свойствами.
Оказывается, глаз рыбы-мечехйоста способен усиливать контраст между
краем видимого изображения и общим фоном, так что предмет становится
резко очерченным - подобно тому как это делают на экране телевизора,
усиливая или ослабляя контраст. Интересным свойством обладает также глаз
обыкновенной болотной лягушки. Известно, что лягушка питается только
движущейся пищей - мухами, мошками, жучками. Но если насекомое не
движется, лягушка никогда не найдет свою пищу и останется голодной: ее
глаз воспринимает лишь движущиеся предметы, оставляя без внимания фон.
Давно было известно, что ночные лесные птицы (филин, сова) отлично видят
в темноте, но совсем недавно выяснилась необычайная способность
некоторых животных (лягушки, мыши) видеть даже "невидимые" ионизирующие
лучи - рентгеновскую и космическую радиацию.
Природа оказалась исключительным конструктором, достигшим необычайных
высот мастерства и в области слуха. Опыты показали, что человеческое ухо
по своей чувствительности способно воспринимать звуки, ничтожно малую
интенсивность которых даже трудно себе представить. Ее можно сравнить
разве что с "шумом", с которым происходит тепловое движение молекул! Не
менее поразителен слуховой орган кузнечика, расположенный у него на
ножке. Этот орган позволяет кузнечику чувствовать колебания, размах
которых (амплитуда) составляет половину диаметра атома водорода!
Чувствительность слуха кузнечика настолько высока, что, находясь в
Москве, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие в
районе Дальнего Востока.
Бионика стремится познать все необычные свойства живых организмов и
применить полученные данные для создания машин и приборов. Например,
ученые разрабатывают прибор, который даст возможность слепым читать
книги, набранные обычным типографским шрифтом. Уже создана модель
искусственной руки, управляемой мыслью человека, точнее говоря,
биопотенциалами, возникающими в мышцах. На основе изучения глаз пчелы и
стрекозы (у них, кстати, очень большой угол зрения - 240-300°)
конструкторы создали прибор - небесный компас, используемый при движении
судов, самолетов. Изучение медузы помогло сконструировать прибор,
предупреждающий о наступлении шторма почти за 15 часов. Список приборов,
разработанных биониками, весьма большой, и даже простое их перечисление
заняло бы много времени.
Но бионики не только копируют функции и строение отдельных органов
животных. Они исследуют и используют особенности передачи информации у
насекомых, птиц, рыб. Результаты этих работ очень интересны. Так,
недавно стало известно, что комары поддерживают между собой связь с
помощью электромагнитных волн миллиметрового диапазона (13-17 мм),
причем дальность действия комариной "радиостанции" - 15 м\ Записаны
звуки, издаваемые комарами при "испуге", "страшной опасности" (например,
при появлении летучей мыши). Ученые работают над созданием
ультразвуковых аппаратов, отпугивающих вредных насекомых и привлекающих
полезных. (О бионике также см. ст. "Что такое техническая кибернетика и
бионика".)
* * *
Мы рассказали лишь о
небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно
было бы привести значительно больше как в области изучения молекул,
клеток, так и организма в целом. Наш век - это время великих свершений
во всех областях знания, в том числе в познании живой природы.
А.П. Дубов
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.