Биофизика

Для понимания и изучения многих биологических явлений, физических, физико-химических процессов, проходящих в живых организмах, структуры биологических систем от молекулярного уровня до целого организма ученым необходимо было применить методы и знания, накопленные другими науками, в частности объединить усилия биологии, физики и химии. Так на стыке этих трех наук возникла новая наука – биологическая физика, биофизика. Первый в мире институт биологической физики был создан в СССР в Москве в 1919г.

Биофизика имеет ряд самостоятельных научных направлений. Молекулярная биофизика изучает физические и физико-химические свойства молекул и их комплексов, характер протекающих в них энергетических процессов. Благодаря работам в этой области определена структура сотен белков, изучены принципы строения молекул, из которых построены клетки живого организма. Подробные исследования имеют большое значение для развития других наук – биохимии, генетики, молекулярной биологии, цитологии.

Биофизика изучает и возбужденное состояние молекул, в котором они приобретают высокую химическую активность. Именно это явление лежит в основе фитобиологических процессов фотосинтеза, зрения, биолюминесценции.

Проникновение в суть таких процессов помогло изучить слабое ультрафиолетовое свечение, свойственное некоторым животным и растениям. Любой живой организм – сложная система, в которой происходит превращение одного вида энергии в другой. Организм получает энергию из пищи, расходует ее на построение клеток, движение и другие действия. Биофизика исследует вопрос, как происходит энергетический обмен на молекулярном уровне и во всем организме в целом.

Многие организмы на 90% состоят из жидкости: артериальная, венозная кровь, лимфа, желудочный сок. Что их разделяет и как при этом происходит обмен веществ в организме – получение новых и вывод отработанных? Все это обеспечивают биологические мембраны (см. клетка). Изучение принципа их действия имеет большое значение. В частности, содружество биофизики, биохимии и физиологии в этой части помогло создать искусственную почву.

Живой организм – саморегулирующаяся система. Разгадкой принципов движения – ходьбы, бега, тока крови, дыхание – вместе с биофизикой заняты биокибернетика, биомеханика. Это важно для познания физиологических процессов в человеческом организме во время труда, отдыха, полета в космос, для предупреждения сердечно-сосудистых заболеваний, создания аппаратов, заменяющих отдельные органы человека.

Биохимия

Биохимия стала самостоятельной наукой только в конце XIX в. предмет, который она изучает – химический состав организмов, образование в них различных единений и превращение одних в другие химические процессы, происходящие в организме.

Одна из ее задач – исследовать, какие процессы, вещества могут быть общими для всех организмов и что характерно для определенной группы их, отдельного организма. В зависимости от того, какой биологический объект изучается, различают биохимию человека, животных, растений, микробов. Но часто открытие, сделанное на одних объектах, находит приложение и к другим.

По методам исследования биохимию также делят на несколько направлений. Эстетическая биохимия занимается анализом химического состава организма. Так, в организме животных были найдены белки, углеводы, витамины, ферменты; растений – витамины, дубильные и эфирные масла, антибиотики, алкалоиды, гликозиды и другие вещества.

Динамическая биохимия изучает процессы преобразования веществ в организме, например, процессы брожения веществ, фиксации азота из воздуха. К. А. Тимирязев исследовал фотосинтез и химию хлорофилла, а его ученики – процессы биоокисления, азотистого и белкового обмена веществ у растений. Достижения в этом направлении биохимии позволили расширить использование антибиотиков в медицине, создать на основе биологического синтеза производства различных продуктов. Биохимия дала человеку знания, помогающие успешно хранить собранный урожай, определять лучшие сроки заготовки растительного и животного сырья, правильно его перерабатывать. Появился научный подход к управлению процессами повышения урожайности растений на полях с помощью улучшения почвы.

Определением химических веществ, лежащих в основе различных процессов жизнедеятельности организмов, занимается функциональная биохимия. В частности она изучает ферменты и гормоны и их роль в важнейших жизненных процессах, влияние лекарственных и других веществ на организм и др.

Развитие биохимии привело к крупным открытиям в биологии. Было выяснено строение белков, порядок расположения в них аминокислот. Объяснена роль нуклеиновых кислот в синтезе белков и передаче наследственных признаков в организмах и многое другое.

Особенности строения белков и нуклеиновых кислот обусловливают их чрезвычайно высокую химическую активность. Они являются основными двигателями и регуляторами процессов обмена веществ, протекающих в живой клетке. Знание строения нуклеиновых кислот позволяет управлять развитием организмов, получать животных и растения с нужными качествами.

                     биологическую бионику, базирующуюся на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.

                     теоретическую бионику, которая разрабатывает математический аппарат биологического моделирования, а также математические модели явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.

                     техническую бионику, реализует математические модели или иные стороны деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. Примеры: мы все знаем самолёт. Но не догадываемся как придумали самолёт. А его придумали так: люди увидели птицу и решили собрать свою птицу. Люди увидели рыбу и решили создать подводную лодку.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

                     изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

                     исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

                     изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

                     исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой — всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением.

Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой. Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.