Профессия биофизик.
Определение понятия, предмет и задачи биофизики
Биофизика – это наука, изучающая функционирование биосистем (биологических систем) на физическом и физико-химическом уровне.
Биофизика изучает физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации, которые являются основой физиологических явлений. Возникновение биофизики произошло как одно из направлений развития физики, свой вклад также вносят такие науки, как математика, химия и биология.
Живой огранизм как биосистема – это сложная, динамичная, равновесная, открытая, саморегулирующаяся, адаптирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, в которой важнейшими функциональными веществами являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты, имеющие сложное атомно-молекулярное строение и взаимодействующие между собой..
Задачи биофизики
1. Раскрытие общих закономерностей поведения биосистем как открытых неравновесных систем. Теоретическое обоснование термодинамических (т/д) основ жизни.
2. Научное истолкование явлений индивидуального и эволюционного развития, саморегуляции, самообновления и самовоспроизведения.
3. Выяснение связей между строением, свойствами и функциями биополимеров и других биологически активных веществ.
4. Создание и теоретическое обоснование физико-химических методов исследования биологических объектов.
5. Физическое истолкование важнейших функциональных явлений биосистем: генерация и распределение нервного импульса, мышечное сокращение, рецепция, фотосинтез и др.
Разделы биофизики
1. Молекулярная биофизика – изучает строение и физико-химические свойства биомолекул.
2. Биофизика клетки – изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем.
3. Биофизика сложных систем – изучает кинетику биопроцессов, динамику (поведение во времени) разнообразных процессов, присущих живой материи, и термодинамику биосистем.
Молекулярная биофизика
1. Введение
Биомолекулы. Состав → строение → свойства → функции → роль → значение.
Предмет биофизики, её разделы.
6. Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК.
7. Липиды.
8. Углеводы.
В чем суть профессии Биофизик
Биофизики исследуют функцию и эволюцию биологических систем посредством принципов и подходов физики и применяют свои исследования в различных секторах экономики.
Биофизики в науке и образовании
Биофизики изучают и преподают в университетах и институтах. Они используют физику (особенно лазерную физику и современную оптику), материаловедение и науку о поверхности и другие технологии. Биофизики следуют, например, сложным метаболическим процессам, чтобы получить представление об образовании и деградации веществ в организме или понять систему общения или локации живых существ. Одним из наиболее важных направлений является медицинское исследование. Вместе с клиническими врачами, биофизики отслеживают механизмы респираторных и легочных заболеваний у курильщиков. Они изучают новые способы наблюдения за действиями лекарств или имеют дело с взаимодействием физических сил с живыми системами.
Биофизики-преподаватели формируют лекции и готовят семинары, упражнения и практические задания. Для этого они разрабатывают учебные материалы, инструкции по обучению и экспериментальные установки. Им также приходится разрабатывать, проводить и корректировать учебные и экзаменационные мероприятия. Биофизики изыскивают средства для исследовательских проектов в государственных учреждениях и промышленных предприятиях, реализуют исследовательские проекты и публикуют результаты проведенных исследований. На конференциях и конгрессах они рассказывают о своих результатах и выводах.
Для самостоятельной научной деятельности требуется степень магистра и докторская степень.
Биофизики в НИОКР (исследованиях и разработках)
На промышленных предприятиях биофизики развивают, например, продукты и процедуры. В случае необходимости, они также работают над разработкой новых биоматериалов или биосенсоров, которые могут использоваться в фундаментальных исследованиях клеточной биологии, в терапии опухолей или в экологическом анализе. Как отвечающие за развитие компании, биофизики также могут отвечать за организацию исследований и управление проектами. В клиниках и диагностических центрах биофизики разрабатывают, например, новые методы исследований для биологии и медицины.
Поскольку биофизика представляет собой междисциплинарную науку, биофизики работают вместе с другими учеными и специалистами. Это могут быть физики, молекулярные биологи, генетики или эмбриологи.
Руководящие должности в биофизике часто требуют степени магистра.
Биофизика - это наука, которая изучает физические и физико-химические явления, которые происходят в живых организмах. Также данная наука изучает структуру и свойства биополимеров, а также влияние различных физических факторов на живые организмы и живые системы.
На протяжении наиболее продолжительного периода истории человечества считалось, что науки являются «несмешиваемыми». Прошло множество веков, и человечество поняло, что для дальнейшего развития надо изучать «гибридные науки». Первые в мире попытки применить физические методы и идеи к изучению живого организма были предприняты еще в XVII в.
Дальнейшее развитие биофизики связано с:
1) изучением работ Луиджи Гальвани. В своих работах он выдвигал существование «животного электричества» (более подробно о нем будет рассказано ниже);
2) изучением работ Г. Гельмгольца, а также с изучением и развитием акустики и оптики;
3) изучением механики и энергетики живых организмов;
4) изучением работ П. П. Лазарева и работ Ю. Бернштейна, а также с изучением ионной и мембранной теории возбуждения.
Биофизика изучает целостные системы, не разлагая их на составные части. Если же будут выделяться составные части, то в процессе такого «выделения» частного из целого будут утрачены важные для дальнейшего нормального существования свойства целостной системы. Это прежде всего негативно отразится на самой биофизической науке. Полимеры нормально функционируют исключительно в условиях ненарушенной, целостной системы. Поэтому биофизики должны изобрести новые приемы и методы исследования. Главной особенностью таких методов является то, что они изучают полимеры именно в тех условиях, в которых они и живут.
Если были нарушены важные для дальнейшего нормального существования свойства и процессы клетки, то, соответственно, изменяются и ее физические и химические параметры. При определенных воздействиях клетка может потерять ряд своих способностей (например, способность к поляризации), хотя внешний вид клеток может оставаться неизменным.
Но клетка может не только потерять свои способности, но и приобрести так называемые артефакты. Артефакт для биофизики - это вновь образованные структуры и соединения. Главная особенность артефактов заключается в том, что их нет в неповрежденных, т. е. в целых клетках.
С появлением микроскопов, а затем с использованием электронных микроскопов значительно расширились границы исследования биологии, химии, биофизики и многих других наук. Ученые, используя методы электронной микроскопии, пытаются вскрыть детали тонкого строения молекулярного вещества. При этом они могут наткнуться и на артефакты. К чему это может привести? А вот к чему:
1) если артефакт по внешним признакам неотличим, то это может привести к ошибочным результатам. Помимо «внешнего сходства», здесь также играют заметную роль такие факторы, как наличие достаточных знаний у ученого и проявление им в процессе исследования клетки предельного внимания;
2) артефакт может быть обнаружен, если ученый обладает достаточным объемом знаний и информации, а также проявил максимальное внимание.
Перед биофизической наукой стоит ряд сложных теоретических и практических задач. Эти задачи входят в компетенцию биофизики, а другие науки могут оказывать ей помощь:
1) вопрос размена энергии в биологическом субстрате;
2) исследование роли субмикроскопических и физико-химических свойств и структур в жизнедеятельности клеток и тканей;
3) возникновение возбуждения и происхождение биоэлектрических потенциалов;
Значение четвертой задачи, т. е. задачи, касающейся вопросов авторегулирования физико-химических процессов в живых организмах, состоит в том, что надмолекулярные структуры, которые отсутствуют в живых организмах, были выявлены в гистологических препаратах. Достоверно установлено, что живым клеткам присущи следующие свойства :
1) наличие электрического потенциала между непосредственно самой клеткой и окружающей ее средой;
2) живая клетка удерживает ионный градиент по калию и натрию между клеткой и окружающей ее средой;
3) способность поляризировать электрический ток.
Эти свойства присущи только живым клеткам. Одну из самых заметных ролей в истории появления и развития биофизики сыграл выдающийся ученый Луиджи Гальвани.
2. Луиджи Гальвани, его теория. Спор с Вольтом
Луиджи Гальвани (1737-1798 гг.) - выдающийся ученый, он занимался анатомией и физиологией. Гальвани стал одним из основателей учения об электричестве. Луиджи Гальвани также известен тем, что он первый обратил внимание на то, что электрические явления возникают при мышечном сокращении (этот эффект, а точнее, явление, был назван «животным электричеством»).
Луиджи Гальвани родился 9 сентября 1737 г. в Италии, в г. Болонье. Он не планировал заниматься науками, а искал уединения и хотел беседовать в своих молитвах с Творцом, Богом. Поэтому Гальвани сначала готовился постричься в монахи, но уйти жить в монастырь у него не получилось. Скорее всего, Гальвани понял, что аскетический образ жизни не для него, и мировая история приобрела еще одного выдающегося ученого.
Гальвани поступил в местный университет, после окончания которого в 1759 г. начал готовить свою научную диссертацию. На свою научную работу Луиджи Гальвани тратит целые годы. В 1762 г. Гальвани с успехом защищает свою диссертацию, которая была названа «О костях». Успех Гальвани был настолько огромен, что он сразу же занял пост главы кафедры анатомии университета, который он сравнительно недавно окончил. Таким образом, была по достоинству оценена работа молодого ученого.
Параллельно с научной работой Луиджи Гальвани занимался и практикой: хирургией и акушерством. Через 12 лет, в 1774 г., Гальвани, проводя опыт над лягушкой, открывает «животное электричество». Луиджи Гальвани заинтересовался этим явлением как физиолог. Его заинтересовала способность мертвого препарата проявлять себя как живой материал. Он менял положение металлического провода в теле лягушки, менял источники тока и множество других параметров.
Проводя такой опыт, Луиджи Гальвани хотел использовать в качестве источника тока природное электричество, но погода стояла ясная и на небе не было ни облачка. Ученый чисто случайно прижал электроды, которые были воткнуты в спинной мозг лягушки, к железной решетке, на которой и лежала лягушка. Луиджи Гальвани был очень сильно удивлен, когда увидел, что появились такие же сокращения, как и во время опытов, которые проводились во время грозы.
Еще больше Луиджи Гальвани был удивлен, когда выяснил, что мышцы сокращаются и в то время, когда внешний источник тока отсутствует. Оказалось, что мышцы начинают сокращаться и при простом наложении на них двух пластин разных металлов, соединенных проводником.
Этими опытами физиолога Луиджи Гальвани заинтересовался другой известный ученый - физик Алессандро Вольта. Вольта высказал предположение, что электричество заключается в тех двух пластинах разных металлов, которые использовал Гальвани. И электричество возникает при соединении этих пластин проводником. Таким образом, физик Алессандро Вольта стал оппонентом в научном споре физиолога Луиджи Гальвани.
Так начался величайший спор между двумя учеными. Алессандро Вольта настаивал на том, что источник электричества - это металлы, а другой настаивал на том, что источник тока - это животные. Оба ученых проводили эксперименты в подтверждение своей теории. Луиджи Гальвани, как ему показалось, нашел неопровержимые доказательства своей точки зрения, которая состоит из двух элементов:
1) доказал, что электричество возникает и без участия металлов;
2) сняв кожный покров с нерва лапки лягушки, Луиджи Гальвани поднес его к мышцам. Мышца начала сокращаться.
Алессандро Вольта, однако, не успокоился и не отступился.
Он тоже привел весьма и весьма убедительные доказательства в пользу своей точки зрения.
Хотя и Гальвани, и Вольта считали, что в споре прав только один из них, по прошествии продолжительного периода времени стало ясно, что обе точки зрения имеют право на существование.
Алессандро Вольта был соотечественником Луиджи Гальвани, так как оба они родились в Италии, но в разных городах. Важнейшим его вкладом в развитие науки было изобретение им принципиально нового источника постоянного тока. В 1800 г. Алессандро Вольта создал так называемый вольтов столб. Это был первый химический источник электричества. Имя Алессандро Вольта было увековечено тем, что в честь него назвали единицу разности потенциалов электрического поля (вольт). Свое заслуженное признание Вольта получил в XIX в. В 1800 г. Наполеон Бонапарт открывает университет в Павии и Вольта назначают профессором кафедры экспериментальной физики.
Также Вольта был введен в комиссию института Франции; через несколько лет он получает золотую медаль, а также премию первого консула; его приглашают работать в Петербург. Папа римский назначает ему пожизненную пенсию, а во Франции он получает орден Почетного легиона.
Позже Вольта переезжает жить и работать в Австрию, в университет города Павия. К этому времени ученый был уже удостоен дворянского титула графа.
Австрийские власти так берегли Вольта, что разрешили ему работать, не посещая службу, а также подтвердили его право на пожизненную пенсию. В Павии Вольта был деканом философского факультета.
Биофизика (биологическая физика) - наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Её возникновение было стимулировано и подготовлено физиологией и биохимией, а само становление и развитие проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой.
Цель данного курса лекций заключается в обучении слушателей пониманию сути ряда результатов использования методов и понятий физики, химии и математики в биологии клетки, что позволит лучше представить механизмы функционирования целого организма. Действительно, возникновение биофизики во многом связано с конкретными вопросами, поставленными физиологией. Физиология исследует функции органов, место и роль этих функций в обеспечении жизнедеятельности, в то время как биофизика изучает первичные механизмы, лежащие в основе этих физиологических функций.
Надеемся, что данный курс лекций позволит слушателям не только выучить основные понятия и методы биофизики, но и использовать полученные знания в своей будущей профессии как в области оригинальных научных исследований, так и в области нанобиотехнологии, медицинского и научного приборостроения, фармакологии, психологии и экологии.
Формат
Форма обучения заочная (дистанционная).
Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.
Важным элементом изучения дисциплины является написание творческих работ в формате сочинения-рассуждения по заданным темам, которое должно содержать полные, развернутые ответы, подкреплённые примерами из лекций и/или личного опыта, знаний или наблюдений.
Требования
Знание математики, физики, химии и биологии в соответствии со стандартами обучения на биологических факультетах университетов
Программа курса
Раздел 1. Молекулярная биофизика.
Лекция № 1.
- Часть 1. Специфика биологических молекул. Явления гравитации и инерции для биологических молекул.
- Часть 2. Специфика биологических молекул. Взаимодействие атомов и молекул.
- Часть 3. Термодинамика биосистем.
Лекция № 2.
- Часть 1. Физические взаимодействия в биологических молекулах (ковалентные и не ковалентные взаимодействия, водородные связи, гидрофобные взаимодействия.
- Часть 2. Водородные связи. Роль молекул воды для функционирования биологических молекул.
Лекция № 3.
- Часть 1. Аминокислоты, классификация аминокислот.
- Часть 2. Белки - первичная структура; вторичная структура белка; третичная структура белка; четвертичная структура белка. Фолдинг молекулы белка.
- Часть 3. Фолдинг и денатурация белка.
Лекция № 4.
- Часть 1. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 1.
- Часть 2. Нуклеиновые кислоты, структура и функции 2.
Лекция № 5. Сахара, углеводы, структура и функции.
Лекция № 6.
- Часть 1. Биофизические механизмы ферментативного катализа.
- Часть 2. Электронно-конформационные взаимодействия молекул белка при ферментативном катализе.
- Часть 3. Стабилизация ферментами переходного состояния химических реакций. Первичные механизмы ферментативных реакций.
- Часть 4. Кинетика ферментативных реакций; регуляция ферментативной активности (температура, рН).
- Часть 5. Регуляция ферментативных реакций.
Лекция № 7.
- Часть 1. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
- Часть 2. Митохондрии.
- Часть 3. Биофизика трансформации энергии: митохондрии и хлоропласты. Клеточное дыхание.
- Часть 4. Фотосинтез; фотосистемы и компоненты цепи переноса электронов в митохондрии.
Раздел 2. Биофизика клетки.
Лекция № 8.
- Потенциал покоя и потенциал действия в клетках. Мембрана. Состав и свойства. Методы исследования мембран.
Лекция № 9. Биофизика транспорта ионов. Электро-химическим потенциал. Пассивный и активный транспорт ионов; Возбудимые и не возбудимые мембраны. Распространение возбуждения в клетках.
Лекция № 10.
- Часть 1. Биоэлектрические потенциалы. Уравнение Нернста и уравнение постоянного поля Гольдмана-Ходжкина-Катца. Пассивные свойства мембраны.
- Часть 2. Потенциал покоя и потенциал действия в клетках.
Раздел 3. Биофизика сложных систем.
Лекция № 11.
- Часть 1. Молекулярные механизмы сокращения мышцы.
- Часть 2. Строение и свойства актина и миозина. Механизмы регуляции мышечного сокращения. Миозиновый и актиновый механизм регуляции мышечного сокращения
- Часть 3. Электромеханическое сопряжение в мышцах. Механика мышечного сокращения.
Лекция № 12.
- Часть 1. Биофизика рецепции. Передача сигнала в фоторецепторных клетках.
- Часть 2. Биофизика транспорта макромолекул. Свободнорадикальные процессы.
- Часть 3. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 1.
- Часть 4. Воздействие электромагнитных излучений. Действие радиации 2.
Результаты обучения
По итогам обучения слушатели курсов должны
а) в предметной области:
- знать основные физико-химические принципы формирования и функционирования биологических молекул (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы);
- знать основы функционирования биологических молекул в клеточных процессах (мембранология, биоэнергетика, генерация клеточного возбуждения и сокращения, рецепция);
- знать основы функционирования биологических молекул в процессах биосенсорики (зрение, слух) и действия факторов внешней среды (электромагнитные поля, радиация);
б) в методической области:
- знать методы исследования физико-химических превращений в биологических молекулах (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, спектрофотометрия, флуоресценция, спектроскопия комбинационного рассеяния, инфракрасная спектроскопия и т.д.);
- знать методы исследования физико-химических превращений биологических молекул в функционирующей клетке (микроэлектродные методы, изотопные методы, микроскопия: атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия, конфокальная микроскопия, лазерно-интерференционная микроскопия и т.д.);
- знать основные понятия цитологии клеток, методы их культивирования и диагностики для разработки основ нанобиотехнологии;
в) в личностной области:
- понимать роль биофизики в исследовании молекулярных аспектов жизни, использовать достижения биофизики в развитии научного и медицинского приборостроения, фармакологии и экологии.