Для глубокого понимания сложных процессов, происходящих в живых организмах, от молекулярного уровня до целых систем, потребовалось объединить знания и методы нескольких научных дисциплин. Так, на пересечении биологии, физики и химии сформировалась новая самостоятельная наука — биологическая физика, или биофизика. Это междисциплинарная область, которая исследует биологические явления через призму физических законов. Исторически важно отметить, что первый в мире специализированный институт биологической физики был основан именно в СССР, в Москве, в 1919 году, что подчеркивает вклад отечественной науки в её развитие.
Основные направления биофизики
Биофизика как наука структурирована и включает несколько ключевых направлений. Молекулярная биофизика фокусируется на изучении физических и физико-химических свойств биологических молекул (таких как белки и нуклеиновые кислоты) и их комплексов. Она анализирует энергетические процессы внутри них. Благодаря достижениям в этой области была расшифрована пространственная структура сотен белков и выявлены фундаментальные принципы организации молекул, составляющих основу жизни. Эти исследования имеют огромное прикладное значение и служат мощным фундаментом для развития биохимии, генетики, молекулярной биологии и цитологии.
Особый интерес представляет изучение возбужденных состояний молекул, в которых они проявляют повышенную химическую активность. Это явление является ключевым для понимания целого ряда фотобиологических процессов, таких как преобразование световой энергии в химическую при фотосинтезе, механизмы восприятия света в зрении, а также природное свечение — биолюминесценция. Исследования в этой области позволили, в частности, изучить природу слабого ультрафиолетового свечения, характерного для некоторых видов животных и растений.
Энергетика и транспорт в живых системах
Любой живой организм — это высокоорганизованная система, непрерывно преобразующая один вид энергии в другой. Энергия, получаемая из пищи, расходуется на построение и обновление клеток, движение и выполнение всех жизненных функций. Одна из важнейших задач биофизики — исследовать механизмы этого энергетического обмена, как на уровне отдельных молекул (например, в митохондриях), так и в масштабах целого организма.
Поскольку многие организмы состоят из жидкостей (кровь, лимфа, пищеварительные соки) более чем на 90%, критически важным становится вопрос их разделения и избирательного обмена веществами. Эту функцию выполняют биологические мембраны (подробнее см. Клетка). Изучение их строения и принципов работы (избирательной проницаемости, активного транспорта) имеет огромное практическое значение. Синергия биофизики, биохимии и физиологии в этой области уже привела к созданию жизненно важных медицинских устройств, таких как искусственная почка.
Саморегуляция и биомеханика
Живой организм — это яркий пример саморегулирующейся системы. Для понимания принципов его движения (ходьбы, бега), циркуляции крови и процесса дыхания биофизика тесно сотрудничает с такими дисциплинами, как биокибернетика и биомеханика. Эти знания крайне важны для анализа физиологических процессов человека в различных условиях: во время труда, отдыха или экстремальных нагрузок, например, при полете в космос. Результаты таких исследований помогают в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний и являются основой для разработки сложных аппаратов, способных временно или постоянно заменять функции отдельных органов человека.