Проблемы биофизики

Размещено на http://allbest.ru

Биофизика

Физика получила свое наименование от греческого слова физис - природа. Физические явления происходят в космосе и микромире, в неорганических и органических веществах, в неживой и живой природе.

В настоящее время физику можно определить как науку о свойствах и строении материи, о простейших и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и об их взаимных превращениях. Поэтому понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания.

Многообразные формы движения материи, будучи качественно различными, изучаются разными науками: физикой, химией, биологией и др. Материалистическая философия утверждает, что высшую форму движения материи (например, биологическую) нельзя свести к низшей, физической, форме движения, однако, не принимая во внимание физических явлений, невозможно понять механизм явлений более высокого порядка.

Животные и растения представляют собой системы, в которых протекают физические и химические процессы, но жизнь как высшую, биологическую, форму движения материи можно понять только на основе комплексного к ней подхода.

Развитие биологии показало, что для познания элементарных биологических явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. И поэтому на стыке биологии, физики и химии возникла новая наука - биофизика, изучающая физические и физико-химические процессы в биологических системах на всех уровнях их организации и влияние различных физических факторов на живые организмы.

Нелегко было дать определение этой новой науки, что видно из высказываний ведущих советских биофизиков 60-70-х годов. Так, Л. А. Блюменфельд считал биофизику разделом биологии, использующим для объяснения биологических процессов физические, химические и математические методы, и это было оправдано, поскольку предметом исследования биофизики являются биологические объекты.

Б. Н. Тарусов, учитывая огромное значение для этой науки физической химии, определял биофизику как «физическую химию и химическую физику биологических систем», а М. В. Волькенштейн считает, что, поскольку биофизическое исследование начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе, то биофизика есть «физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и кончая биосферой в целом».

Такое различие в определениях не случайно и каждое из них по-своему верно. В самом деле, по изучаемым объектам биофизика близка к биологии, а по области исследуемых явлений и по применяемым методам - к физике. В настоящее время биофизика - наука вполне сформировавшаяся и самостоятельная.

Как самостоятельная отрасль науки биофизика оформилась в 1961 г. в соответствии с решением I Международного биофизического конгресса. Согласно классификации, принятой этим конгрессом, биофизика включает четыре раздела.

Молекулярная биофизика, которая рассматривает строение и физические свойства биологических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и др.) и молекулярных комплексов, составляющих основу живых организмов, а также происходящие в этих системах превращения и миграцию энергии.

Биофизика клетки исследует структуру клетки и ее органелл, происходящие в них физико-химические процессы, проявления физико-химической активности клетки, ее электрические свойства, клеточную энергетику и термодинамику.

Биофизика органов чувств изучает механизмы перехода энергии внешних раздражителей в электрические импульсы в рецепторах и кодирование этих импульсов с целью передачи информации..

Биофизика сложных систем занимается изучением и моделированием внутренних связей в биологических ^объектах на всех уровнях, от молекулярного до экологического, а также проблемами регулирования и саморегулирования этих объектов.

Сюда же иногда относят биомеханику, исследующую механизмы работы органов кровообращения, дыхания и движения. Помимо этого, к биофизике традиционно относят и такие проблемы, как влияние физических факторов на живой организм (шума, электромагнитных полей, ионизирующих излучений и пр.).

Некоторые проблемы послужили основой для создания новых разделов науки. Так, биологическое действие ионизирующих излучений стало предметом исследования радиобиологии.

В настоящее время в функционируют Институт биофизики РАН, Научный центр биологических исследований в г. Пущино, Институт биофизики АМН и др. В 1953 г. Б. Н. Тарусовым была организована при биолого-почвенном факультете МГУ одна из первых в мире кафедр биофизики, а в 1959 г. появилась кафедра биофизики при физическом факультете МГУ.

Всего в нашей стране готовят специалистов в области биофизики более 25 кафедр. Из ведущих советских биофизиков, способствовавших становлению этой науки, следует особо отметить Л. А. Блюменфельда, Ю. А. Владимирова, М. В. Волькенштейна, Г. Р. Иваницкого, П. П. Лазарева, Б. Н. Тарусова, Г. М. Франка.

Биофизика тесно связана с электрофизиологией, неврологией, офтальмологией, фармакологией и т. п. Комплексные исследования физиков, биофизиков, биохимиков и физиологов позволили получить представление о строении и свойствах биологических молекул, механизмах действия клеточных мембран и клеточных структур.

Успешно разрабатываются физико-математические модели биологических процессов.

Значительное влияние на биофизику оказало развитие кибернетики и теории информации, так как с помощью математического аппарата этих дисциплин стал возможен анализ явлений, происходящих в нервной системе, а также молекулярных механизмов закрепления наследственных качеств.

Исключительно большой вклад внесла биофизика в медицину. Тем не менее многое в биологических процессах остается еще не ясным и подлежит дальнейшим исследованиям.

Понятие о магнитобиологии

Магнитобиология занимается изучением воздействия магнитного поля на биообъекты. высокочастотный магнитокардиограмма биологический

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения:

* о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле;

* об угнетении роста бактерий в магнитном поле;

* о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле;

* об ориентации растений в магнитном поле;

* о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови;

* об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.

Первичными процессами во всех случаях являются физические или физико-химические процессы.

Такими процессами могут быть: ориентация молекул; изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле; силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы и др.

Понятие о биомагнетизме

Биомагнетизм занимается проблемами, которые связаны с магнитными свойствами и магнитными полями, создаваемыми биологическими объектами.

Магнитное поле человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно очень мало: индукция магнитного поля составляет для сердца - 10-¹¹, для мозга 10-¹³ Тл. (ср. с магнитным полем Земли - 10-⁵ Тл).

Для измерения магнитного поля тела человека используют специальный магнитометр (сокращенное его название СКВИД), который регистрирует сверхмалые магнитные поля до 10-¹⁸ Тл.

Метод основан на измерении не самого магнитного поля тела, а его изменения в пространстве.

Биотоки, возникающие в организме в результате сердечной деятельности, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей можно измерить.

Так, например, на основании регистрации магнитной составляющей электромагнитного поля сердца создан бесконтактный диагностический метод - магнитокардиография (МКГ).

Магнитокардиограмма внешне похожа на электрокардиограмму (ЭКГ), и ее элементы имеют те же обозначения. Метод МКГ используют, например, для раздельной записи магнитокардиограмм сердца матери и сердца плода. При исследованиях мозга используется магнитоэнцефалография (МЭГ), основанная на регистрации характеристик магнитных полей, обусловленных биоэлектрической активностью мозга.

Наша планета и обитающие на ней живые существа постоянно находятся в поле действия электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и галактиками, Диапазон частот этих волн от 10 МГц до 10 ГГц, однако интенсивность их незначительная и обычно не превышает 10⁹ Вт/м², хотя при солнечных вспышках она может возрастать в сотни раз.

В последние 40-50 лет в связи с развитием электроэнергетики, радио и телевидения интенсивность ЭМП на планете значительно возросла.

Радио- и телевизионные станции создают «радиофон», интенсивность которого хотя и не слишком велика, но для обеспечения уверенного приема радиопередач она должна быть по крайней мере в 10 раз выше интенсивности природных ЭМП.

Вблизи же радио и телевизионных станций напряженность поля должна быть еще больше и может достигать величины порядка 0,1 В/м, тогда как средняя напряженность поля «атмосфериков», т. е. электрических разрядов в атмосфере, не превышает 10-³ В/м.

Вблизи линий электропередач, высоковольтных трансформаторов возникают ЭМП промышленной частоты (50 Гц). Они быстро уменьшаются с расстоянием, но вблизи от источников могут быть довольно значительными.

Высокочастотные (ВЧ) поля с частотой от 10 до 100 МГц, создаваемые, например, генераторами для сушки древесины, также дают достаточную вблизи напряженность поля.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) поля с частотами до 1000 МГц возникают вблизи радиолокационных и подобных им установок и оцениваются уже по величине потока энергии.

Эксперименты над животными и наблюдения за людьми показывают, что электромагнитные поля оказывают несомненное влияние на многие функции живых организмов и практически все живые существа (по тем или иным показателям) чувствительны к действию ЭМП. При взаимодействии поля с биообъектами энергия поля в основном затрачивается на нагревание этих объектов.

В низкочастотном диапазоне (до 10 МГц) почти все ткани можно рассматривать как проводящие вещества (tg>-l), и превращение энергии ЭМП в теплоту связано преимущественно с потерями проводимости.

При более высоких частотах, т. е. в диапазонах УВЧ и СВЧ, тангенс угла. потерь уменьшается, и ткани уже нельзя рассматривать как проводники. Даже нагревание крови при СВЧ обусловлено диэлектрическими потерями.

Глубина проникновения ЭМП в ткани зависит от частоты: чем больше частота, тем меньше проникающая способность электромагнитных волн. Ориентировочно можно считать, что глубина проникновения ЭМП в ткани равна 0,1 длины волны.

Количество теплоты, выделяемой в тканях, зависит от электрических параметров ткани, от частоты и, естественно, от интенсивности облучения. Поскольку ионный состав и количество полярных молекул в разных тканях различно, то при одном и том же ЭМП в разных тканях выделяется разное количество теплоты.

Степень нагрева зависит еще и от терморегуляционных свойств ткани. Органы с относительно малым количеством кровеносных сосудов (глаза, семенники) нагреваются сильнее, так как кровь, обладающая большой теплоемкостью, хорошо отводит тепло.

Расчеты показывают, что сколько-нибудь значительных изменений в тканях, связанных с их нагревом, можно ожидать лишь в очень сильных ЭМП, в которых величины напряженности электрического поля достигают значений порядка 100 В/м для СВЧ и порядка 10⁶ В/м для ВЧ.

Интенсивности таких полей на много порядков превышают интенсивности естественных ЭМП, и, как правило, они применяются в терапевтической практике.

При высоких интенсивностях ЭМП нагрев может быть настолько значительным, что возникают ожоги, некроз тканей, дегенеративные изменения в клетках.

Чисто физические соображения говорят о том, что реакция организма возможна только на поля больших интенсивностей, вызывающих недопустимый нагрев тканей.

Поэтому долгое время считалось, что природные ЭМП, а также радиофон не оказывают влияния на биосферу, и изучение этого влияния почти не проводилось. Однако за последние десятилетия было обнаружено, что самые различные организмы - от одноклеточных до млекопитающих - обладают высокой чувствительностью к ЭМП, интенсивности которых близки к природным, т. е. в тысячи и миллионы раз более слабым, чем те, которые вызывают заметные тепловые эффекты, причем чувствительность к ЭМП повышается при переходе от менее организованных к более высокоорганизованным системам.

К эффектам нетеплового характера относится в основном действие на центральную и вегетативную нервную систему, что, в свою очередь, приводит к функциональным сдвигам других физиологических систем организма.

К таким сдвигам относятся нарушения ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.п. У человека могут нарушаться зрительные, звуковые, осязательные ощущения. У животных происходит изменение эмоционального состояния: от угнетенного до возбужденного.

Живые организмы получают посредством природных ЭМП информацию о состоянии внешней среды в дополнение к информации, доставляемой обычными органами чувств.

Кроме того, создаваемые самими организмами слабые ЭМП используются ими для внутривидовой и межвидовой сигнализации.

Такие собственные ЭМП удалось зарегистрировать у человека, лягушки и насекомых на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких метров от поверхности тела.

Например, пчела создает импульсы с частотой 300 Гц, напряженность электрического поля которых на расстоянии 10 см от нее равна примерна 10 мВ/м. Не исключено, что взаимодействием собственного магнитного поля с геомагнитным объясняются навигации рыб, птиц и насекомых, а также причины их миграций.

Человек, находящийся в ЭМП с частотами 425, 1310 и 2982 МГц, слышит жужжание, свист, щелканье.

Это экссенсорное восприятие (т.е. восприятие, осуществляемое помимо известных органов чувств) объясняют тем, что ЭМП оказывает непосредственное действие на электрическое поле нейронов мозга, в результате чего и возникает ощущение звука.

Многое в действии высокочастотных ЭМП на живой организм остается еще неясным, в частности его влияние на генетический код.

В связи с ежегодным возрастанием высокочастотного радиофона на нашей планете ряд ученых считают его столь же опасным, как и загрязнение окружающей среды продуктами промышленного производства и шумом.

Размещено на Allbest.ru