Что изучает биофизика как наука
Биофизика: определение, история, специализация и карьера
Определение биофизики
Биофизика – это отрасль науки, которая использует физические методы для изучения биологических процессов. Физика использует математические законы для объяснения мира природы, и ее можно применять к биологическим организмам и системам, чтобы понять их работу. Исследования в области биофизики помогли предотвратить и лечить болезни, ускорить разработку лекарств и создать технологии, позволяющие людям жить более устойчиво и защищать меняющуюся окружающую среду.
История биофизики
Биофизика – относительно молодая отрасль науки; оно возникло как определенное подполе в начале и середине 20 века. Тем не менее, основы для изучения биофизики были заложены группой физиологов в Берлине значительно раньше, в 19 веке. В Берлинскую школу физиологов входили Герман фон Гельмгольц, Эмиль Дюбуа-Реймонд, Эрнст фон Брюке и Карл Людвиг. В 1856 году Адольф Фик, один из учеников Людвига, даже опубликовал первый учебник по биофизике. Но технологии в физике в настоящее время недостаточно развиты, чтобы детально изучать формы жизни, например, на молекулярном уровне.
В первой половине 20-го века немецкие ученые доминировали в биофизике. Они изучали электромагнитные поля и свет, и они в основном занимались изучением воздействия радиации на живые существа. Популярность биофизики возросла, когда австрийский физик Эрвин Шредингер опубликовал книгу «Что такое жизнь? в 1944 году. Эта книга была основана на серии публичных ��екций, которые Шредингер прочитал, объясняя процессы живых существ с помощью физики и химии. В нем он предложил идею о том, что существует молекула в живых существах, которые содержали генетическую информацию в ковалентные связи, Это вдохновило ученых, таких как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, на поиск и характеристику генетической молекулы, и с помощью исследования рентгеновской кристаллографии Розалинд Франклин они обнаружили двойная спираль Структура ДНК в 1953 году.
К середине 20-го века биофизические программы выросли и приобрели популярность в других странах, а с 1950-1970-х годов биофизические исследования проводились более быстрыми темпами, чем когда-либо прежде. В дополнение к открытию ДНК и ее структуры, биофизические методы также использовались для создания вакцин, разработки методов визуализации, таких как МРТ и КАТ, для помощи врачам в диагностике заболеваний и создания новых методов лечения, таких как диализ, лучевая терапия и кардиостимулятор. В настоящее время биофизика также начала уделять внимание вопросам, связанным с изменением климата Земли. Например, некоторые биофизики работают над разработкой биотоплива из живых микроорганизмов, которые могут заменить бензин в качестве топлива.
Области биофизики
Биофизика включена во многие различные области биологии. Некоторые темы исследований в области биофизики или биофизики включают в себя:
Майор биофизики
Некоторые университеты предлагают степень бакалавра гуманитарных наук или бакалавра наук в области биофизики, в то время как другие предлагают степень биофизики только на уровне магистратуры (то есть степени магистра и / или доктора). Степени биофизики в значительной степени сосредоточены на курсах физики и биофизики, и обычно те, кто специализируется в области биофизики, также обязаны пройти многочисленные уроки математики и химии. На уровне бакалавриата можно рассчитывать на курсы по общей и органической химии, исчислению, механике, линейной алгебре и биохимия, Другие возможные курсы включают клеточную биологию, генетика молекулярная биология, статистика и вычислительная биология и др. Другой важный компонент многих степеней биофизики – исследование; некоторые программы требуют проведения исследований в лаборатории в течение определенного количества семестров, что завершается старшим исследовательским проектом. Конкретные курсы, предлагаемые в основной программе по биофизике, могут варьироваться от университета к университету, но специализация в области биофизики позволит адекватно подготовить студента к его карьере в области исследований в области биофизики.
Если учащийся интересуется биофизикой, но его школа не предлагает степень биофизики, часто существуют сопоставимые программы, которые можно найти в других специальностях, которые включают в себя большую часть тех же курсов. Специальность по физике – это еще один хороший вариант, и можно рассмотреть возможность добавления другой специальности или специальности в области биохимии, химии или биологии в зависимости от исследовательских интересов и предлагаемых программ.
Карьера в биофизике
Наиболее распространенные варианты карьеры для биофизиков включают исследования, преподавания или их комбинации. Обычно требуется степень магистра, чтобы стать учителем биофизики, руководителем лаборатории или научным сотрудником, а докторская степень необходима для того, чтобы быть главным исследователем исследовательской лаборатории. Основные исследователи планируют эксперименты и контролируют все исследования, проводимые в лаборатории, в то время как руководители лабораторий и научные сотрудники играют более вспомогательную роль и помогают главному исследователю в проведении своих исследований. Те, у кого есть степени бакалавра, могут получить должности техников-исследователей, что также важно в лаборатории. Специалисты-исследователи проводят множество экспериментов, позволяя главному исследователю писать научные статьи, исследовательские предложения и гранты.
Биофизика для каждого
Биофизика для каждого
Липидный бислой с рецепторами
кадр из анимации с YouTube
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Биофизика — наука на стыке биологии, физики и. химии, а также медицины и математики. Биофизика проникает во все разделы биологии и является бесспорным помощником при анализе результатов. Быть биофизиком — значит уметь читать спектры. Быть биофизиком — значит уметь увидеть за одинокой вспышкой молекулы целую жизнь клетки. Быть биофизиком — значит моделировать сложные биохимические и биофизические процессы в клетках, мембранах, ДНК и даже биостанциях. В этом году состоялся VI Съезд биофизиков России, на котором были обнародованы многие достижения современной биофизики.
Конкурс «био/мол/текст»-2019
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.
Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
Немного о биофизике
Когда человек впервые слышит слово «биофизика», в его голове сразу же всплывают сложные образы. Особенно страшные встают перед глазами биологов, ведь, казалось бы, откуда в биологии взяться физике? Ответ прост — все биологические процессы очень тесно связаны с химией и физикой, ведь жизнь биологических объектов осуществляется главным образом за счет передвижения биологических молекул и ионов совместно с протеканием электрических импульсов. Откуда взяться физике при изучении отдельных биологических молекул? Всё опять просто — дело в том, что все биологические молекулы состоят из атомов, а значит, имеют электронное облако, заряд и спин.
Что же такое биология? Согласно определению Джона Бернала, «биология — это в основном описательная наука, больше похожая на географию. Несомненно, должна существовать также подлинная и общая биология. Истинная биология в полном смысле этого слова была бы наукой о природе и активности всех организованных объектов, где бы они ни находились — на нашей планете, на других планетах солнечной системы или в иных звездных системах» [1].
Физика, в свою очередь, это область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, ее структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания [2].
Определение у такого понятия, как «биофизика», много, вот некоторые из них:
Таким образом, биофизика — это сложная, многозадачная наука, которая изучает организацию и перераспределение вещества и энергии на биологическом уровне организации. Главным инструментом биофизики служат спектральные приборы, способные зарегистрировать спектры от молекул. Например, экологическая биофизика по спектрам флуоресценции хлорофилла (рис. 1) может определить состояние фотосинтетического аппарата фитопланктона, а в сочетании с оптическими спектрами по форме пиков и положению максимумов пигментов, участвующих в фотосинтезе, можно сделать вывод о том, какие именно виды фитопланктона обитают в исследуемой области, а по изменению популяций сделать вывод о произошедших изменениях в экосистеме исследуемой области. С другой стороны, биофизики активно пользуются флуоресценцией от одиночных молекул (например, с методами PALM и STORM подробнее можно ознакомиться в других статьях «Биомолекулы» [5–7]). Есть и совсем высокотехнологичные методы биофизики, способные по физическим сигналам (электронной или рентгеновской дифракции, а также ядерному магнитному резонансу) восстанавливать пространственное (трехмерное) строение биомолекул — эта область получила название структурной биологии [8].
Рисунок 1а. Флуориметр MULTI-COLOR-PAM, позволяющий регистрировать флуоресценцию с живых листьев растений (общий вид)
Рисунок 1б. Флуориметр MULTI-COLOR-PAM в действии
Биофизика
Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества.
По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406. [2]
Содержание
Разделы биофизики
Согласно номенклатуре ЮНЕСКО в биофизике выделяются разделы [2] :
История исследований
Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.
Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам.
Россия
Современные направления исследований
В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.
Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.
Крупные исследователи в биофизике
Области применения
Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.
В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.
Также разрабатываются специальные методики с использованием эффектов при восприятии некоторых воздействий на биологическую форму материи.
Значение слова «биофизика»
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
раздел современной математической физики, изучающий биологические объекты как разновидность сложных нелинейных физических систем;
наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации, и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности действия физических законов на биологическом уровне организации вещества и энергии.
«Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям».
По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406.
биофи́зика
1. биологическая физика, научная дисциплина использующая методы физики для целей биологии ◆ В XX веке, когда науки «прочно» размежевались, возникла обратная тенденция: синтезирование наук, имевшее своим следствием такие дисциплины, как физическая химия, биофизика, биохимия и т. д. А. А. Реформатский, «Принципы синхронного описания языка», 1960–1970 г. (цитата из НКРЯ)
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.
Вопрос: табличный — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?
Биофизика
Вы будете перенаправлены на Автор24
Биофизика: сущность и значение
Биофизика – это наука о самых простых и фундаментальных взаимодействиях, которые лежат в основе биологических процессов. В основании биофизических моделей лежат физические понятия энергии, силы, типы взаимодействия, общие понятия физической и формальной кинетики, термодинамики, теории информации. Данные понятия отображают природу основных физических взаимодействий и законов движения материи. Центром внимания биофизики как биологической науки являются биологические процессы и явления.
Трендом биофизики на современном этапе является проникновение на элементарные уровни молекулярной основы структуры организации живого.
Биофизика является одной из фундаментальных биологических дисциплин. Изучение данной науки позволяет формировать научное мышление современного медицинского работника.
Биофизические методы входят в практику исследовательских лабораторий и стали основанием для методов диагностики заболеваний и их лечения.
Биофизика имеет большое методологическое значение.
Законы физики и химии являются базисом биофизических положений и теорий, которые в свою очередь стали их развитием. На первоначальном этапе развития биофизики главным выводом стал вывод о том, что основные законы физики, как науки о законах движения материи, применимы к области биологии.
Важное методологическое значение для разных областей биологии имеют эмпирические доказательства закона сохранения энергии (первое начало термодинамики), принципы химической кинетики, как основы динамического поведения биосистем, концепции открытых систем и второго начала термодинамики в биосистемах.
Биофизика – это фундаментальная наука, которая исследует свойства биологических объектов с точки зрения физических законов. Объектом исследования этой науки являются физико-химические процессы в живых организмах, которые составляют основу их существования, а также их механизмы.
Готовые работы на аналогичную тему
Биофизику можно считать физикой живых систем разного уровня: молекулы, мембраны, клетки, органа, популяции. Биофизику определяют как науку, которая строит и исследует идеальные системы, являющиеся моделями отображающими основные свойства живого для различных уровней организации.
Биофизика была признана самостоятельной наукой в 50- е годы XX века. Эта наука возникла на стыке биологии, физики и математики.
Биологическая форма движения материи очень сложна, но ее можно представить как совокупность более простых физических и химических форм движения, которые дают новые качественные сочетания.
Биофизика, в совокупности с другими науками, на сегодняшний момент, является теоретической основой биологии.
Предмет и объекты биофизики
Предмет биофизики весьма сложен и многогранен. Для его изложения необходимо использование материалов разных разделов биологии, использования современных методов и представлений физики, математики, химии.
Исследование человеческого организма и процессов, которые нарушают его жизнедеятельность, в первую очередь, составляют предмет биофизики.
Биофизика имеет большой круг объектов изучения. Данная наука рассматривает физические свойства и явления на уровне:
В состав биофизики входят авиационная и космическая биомеханика.
Методы биофизики
Многие методы, которые используют в биофизике, она позаимствовала из физики и химии. Но следует отметить, что объект исследования и задачи, которые ставятся перед учеными, привели к значительной трансформации первоначальных методов физики и соответствующих им приборов. Например, процедура измерения биологических потенциалов нервных клеток при помощи микроэлектродов и фиксирующей напряжение аппаратуры значительно отличается от методов измерения в физике.
Правильное применение физических законов возможно только при установке определенных границ системы, для которой можно проводить исследования и расчеты. В биофизике могут применяться классические методы измерения физики. Так если используется, например, спектральный анализ, то особенности биологических объектов такие как, широкие полосы поглощения, значительное рассеяние света и другие, заставляют создавать специальные приборы, которые приспособлены для экспериментов в биологии.
Современная биофизика имеет систему специальных методов, которые приспособлены для решения ее задач, например:
В среде биологических дисциплин биофизика является наиболее точной наукой. Биофизики ориентируются на логичные строгие доказательства каждого положения. Эти доказательства основываются на точных экспериментах. Исследуемые биофизикой явления количественно описываются. Исследования проводятся при помощи современной аппаратуры. Биофизика применяет методы физического и математического моделирования.
Особенности моделирования в биофизике
Модели в биофизике основываются на результатах прямых экспериментов, данных о реальных молекулярных свойствах биологических объектов. Они не могут быть просто перенесены из физики в биологию, как схема похожего процесса.
Значимой особенностью является то, что создание моделей в биофизике требует модификации идей смежных наук. Это равносильно созданию новых понятий в этих науках при применении к анализу биологических процессов.
Содержание биофизики как науки
В содержание биофизики включены:
Теоретические основы биофизики включают: вопросы кинетики, термодинамики, математического моделирования биосистем, основ молекулярной (квантовой) биофизики.
К прикладной биофизике относят: биофизику конкретных процессов, которые текут на разных структурных уровнях организации живого.