ПЕРЕСЕЧЕНИЕ БИОЛОГИИ И ФИЗИКИ

АННОТАЦИЯ
Данная работа посвящена обзору и анализу дисциплины на стыке двух наук – биологии и физики, биофизике. В работе представлена классификация биофизики по изучаемым направлениям, представлено общее описание этой науки и основные вещи ее развития. Так же описаны основные наиболее перспективные направления в изучении этой дисциплины и ее прикладное значение в инженерии.

ABSTRACT
This work is devoted to the review and analysis of discipline on the joint of two Sciences - biology and physics, Biophysics. The paper presents a classification of Biophysics of the studied areas, presents a General description of this science and the main thing its development. Also describes the main and the most promising trends in the study of this discipline and its practical value in engineering.






















ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА

Итак, первый вопрос, который возникает при анализе такой науки, как биофизика – что это за наука, что она изучает и каковы ее методы.
Биофизика – наука, возникшая на стыке физики и биологии, изучающая основные физические и физико-химические процессы в живом организме и методах их регулирования.
Главная особенность изучения объектов биофизики – это изучение физических процессов в живой системе без последующего нарушения ее живых свойств и сохраняя организм в живом состоянии, ведь умирая живая система теряет присущие ей свойства и превращается в обычный объект неживой системы, тем самым выходя за пределы изучения биологии (а соответственно и биофизики). Таким образом, объект исследования биофизики – это физические процессы, протекающие в живых организмах, а соответственно субъект изучения биофизики – это конкретные живые системы: клетки, организмы и так далее.



Рис. 1 – Живая клетка человека – субъект изучения биофизики




КЛАССИФИКАЦИЯ БИОФИЗИКИ

Соответственно, как и любые другие науки, биофизика имеет свою классификацию по отраслям и своим разделам. Признаки для классификации биофизики делятся на 2 типа:
1) По рассматриваемым биологическим уровням жизнедеятельности орга-низма:
 Молекулярная биофизика
 Клеточная биофизика
 Биофизика процессов управления и регуляции
 Кибернетика (в рамках биофизики)

2) Традиционная классификация биофизической школы (по применяемой методологии):
 Биофизика сложных систем
 Биофизика коммуникаций и сенсорная биофизика
 Теоретическая биофизика
 Молекулярная биофизика
 Прикладная биофизика
 Биофизика метаболизма
 Биофизика среды обитания живых организмов

Соответственно, кратко комментируя первый тип классификации биофизики можно сказать, что в нем главный критерий разделения – это непосредственные физические размеры (и количество взаимосвязей между субъектами – соответственно). Молекулярная биофизика исследует процессы на уровне молекул и атомов, наиболее часто используемый аппарат тут – как и в химии, рассматривает химические реакции и электролитические процессы, например. Самый типичный пример применения молекулярной биофизики – для изучении механизма обоняния и различения запахов и механизм фотосинтеза. Клеточная биофизика, соответственно, изучает жизнедеятельность клеток и их составных частей: взаимодействие митохондрий, выработку АТФ в клетке человека, биолюминесценцию и подобные феномены. Биофизика процессов управления и регуляции рассмат-ривает конкретные био-системы на уровне происходящих в них процессов; наиболее часто этот раздел биофизики применяется при изучении мозга и центральной нервной системы при рассмотрении био-электрических процессов в мозге, для изучения неронов и вообще рефлексии живой системы. Под живой системой чаще всего в этом разделе подразумевается конкретный орган, реже – конкретный живой организм. Наиболее часто живой организм в общем, механизмы его саморегуляции и управления любыми протекающими процессами в нем исследует биофизическая кибернетика.

Более детально прокомментируем традиционную классификацию биофизики, которую используют во всех ведущих учебных заведениях с соответствующими профилями (факультет БМТ в МГТУ им. Н.Э. Баумана; кафедра биофизики МГУ им. Ломоносова и т.п.). Здесь главный критерий разделения – это методика изучения и анализа, применяющая в разделе. Если говорить упрощенно, то теоретическая биофизика – это анализ и исследования «на бумаге», например, молекулярная биофизика – это биофизика с использованием математического аппарата, характерного чисто для химии (этот раздел биофизики уже скорее представляет собой дисциплину на стыке даже 3 наук: физики, химии и биологии. Изучает электролитические процессы, химические реакции в органике и смежное), биофизика метаболизма – это изучение функционирования организмов и очень прикладная секция биофизики (наиболее тесно этот раздел связан не в чистом виде, но тесно с протезированием, например). Для более наглядного понимания составим табличку с названиями разделов по этому типу классификации и краткими описаниями.

Таблица 1 – Описание каждого раздела биофизики по традиционной классификации
Название раз-дела Визуальное представление Что конкретно изучает Связь с другими дисциплинами
Теоретическая биофизика Общие законо-мерности развития живых систем с точки зрения физики и глобальные законы живой природы. Теоретическая физика, теоре-тическая химия, экология.
Прикладная биофизика Применение фун-даментальных знаний биофизики под решение кон-кретных приклад-ных задач. Медицина и смежные при-кладные дисци-плины (рентге-нология, радио-логия и т.п.).
Молекулярная биофизика Изучение живых организмов на мо-лекулярном уров-не, химические процессы в орга-низме. Химия.
Биофизика ме-таболизма Рассматривает ус-тоявшиеся взаи-мосвязи между отдельными сис-темами в живом организме. Дала влияние на диетологию и протезирование.
Биофизика среды обита-ния Изучает биогео-ценозы (замкну-тые системы с ус-тоявшейся флорой и фауной) и усло-вия пригодности для живых орга-низмов. Экология.
Биофизика сложных сис-тем Изучает разнооб-разные макроско-пические системы, состоящие из множества эле-ментов, коопера-тивное поведение которых приводит к возникновению новых структур. Синергетика.
Биофизика коммуникаций Изучает то, с по-мощью чего жи-вые организмы взаимодействуют с окружающим миром. Какие-то част-ные положения кибернетики.









ПРИКЛАДНАЯ БИОФИЗИКА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СТУДЕНТА-ИНЖЕНЕРА

Как мы успели заметить, сама биофизика испытала влияние инженерной мысли и сама оказала влияние в том числе и на инженерию. Самая наиболее интересная часть биофизики, которая может заинтересовать стороннего студента-инженера – это прикладная биофизика. Изначально сам замысел этого раздела и заключался в том, что специалисты в этой области будут решать конкретные задачи (излечение людей от какой-то болезни, диагностика организма и т.п.) с использованием фундаментальных знаний биофизики. Но каждый человек понимает, что каждое решение таких задач подразумевает под собой какую-то аппаратную реализацию, нотку изобретательства и инженерной мысли. В данной главе мы проанализируем интересные девайсы и решения биофизиков, которые приобрели в миру распространение и являются ходовыми методами лечения и диагностирования человеческого организма.

Лучевая и химическая терапия при лечении раковых заболеваний

Самый типичный пример применения биофизики в современной медицине – это применение радиактивного излучения для лечения онкологических заболеваний.


Рис. 2 – Аппарат для лучевой терапии
В основе этого метода лечения лежит воздействие ионизирующим излучением, которое создается специальными аппаратами с радиоактивным источником. Положительный эффект достигается благодаря чувствительности опухолевых клеток к ионизирующему излучению. При этом нормальные клетки практически не страдают. Злокачественная опухоль погибает, когда в ней накапливается максимальная доза облучения. Чтобы этого добиться, используют различные методики, направляя лучи к раку с разных сторон. Лучевая терапия в лечении рака может использоваться как единственный метод (редко), так и вкупе с другими методами (операцией и химиотерапией).
Наиболее ощутимые плюсы этого метода лечения по сравнению с простым медикаментозным химическим лечением онкологии – это точеченое воздействие на раковые клетки (при химическом методе приходится отравлять весь организм, так что помимо раковых клеток гибнет и часть здоровых) и наибольшая эффективность при уничтожении раковых клеток. Явные минусы – это дороговизна и сложная аппаратная реализация, а так же негативное воздействие радиации на самого пациента (Не даром получили распространения толки о выпадении волос; хотя наиболее ощутимое – не это, а общее ослабление иммунитета).

Зубное протезирование

Еще один полезный метод пришел к нам из биофизики метаболизма и прикладного раздела. Основная идея данного метода – это использование имплантанта или съемного протеза вместо утраченного или разрушенного зуба для восстановления непосредственного функционирования челюсти.



Рис. 3 – Зубной нейлоновый протез слева и металлокерамический имплантант справа

Как уже было косвенно отмечено, зубное протезирование бывает съемное или перманентное, бывает частичное или полное.

В основе съемного зубного протезирования лежит использование нейлонового съемного протеза, на зуб устанавливается специальная прокладка с пазами под конкретный протез в виде зуба.
В то же время, постоянное протезирование базируется на вставки в челюсть, в саму зубную полость металлокерамического имплантанта, который будет точно внешне и функционально повторять настоящий зуб. Основная сложность в обоих случаях – подобрать такой материал, который бы не нарушил естественные химические процессы в зубной полости и не воздействовал на прилежащие зубные нервы (самый типичный недуг, одолевающий людей после некачественного протезирования – химический пульпит, когда имплантант воздействует на нервы прилежащего зуба, в следствие чего этот самый соседний зуб отмирает).
Ну и соответственно, протезирование бывает частичным или полным – в за-висимости от количества утраченных или поврежденных зубов.

Рентген

Пожалуй, самое долгоиграющее, распространенное и давнее изобретение, относящееся к прикладной биофизике – это рентген и диагностика органов или костей с его помощью. Основная идея заключается в том, что рентгеновское излучение обладает достаточной проникающей способностью, чтобы проникать через кожу и мышцы человека, но недостаточную, чтобы проходить сквозь кости и ткани жизненно важных органов.


Рис. 4 – Аппарат рентгеновского излучения

Получение изображения основано на ослаблении рентгеновского излучения при его прохождении через различные ткани с последующей регистрацией его на рентгеночувствительную плёнку. В результате прохождения через образования разной плотности и состава пучок излучения рассеивается и тормозится, в связи с чем на пленке формируется изображение разной степени интенсивности. В результате, на плёнке получается усреднённое, суммационное изображение всех тканей (тень). Из этого следует что для получения адекватного рентгеновского снимка необходимо проводить исследование рентгенологически неоднородных образований. В современных цифровых аппаратах регистрация выходного излучения может производиться на специальную кассету с плёнкой или на электронную матрицу. Аппараты обладающие электронной чувствительной матрицей стоят значительно дороже аналоговых устройств. При этом печать плёнок производится только при необходимости, а диагностическое изображение выводится на монитор и, в некоторых системах, сохраняется в базе данных вместе с остальными данными о пациенте.
Кстати, просторечное название процедуры, «рентген» - именно ходовое, но не научное, правильное название процедуры – неинвазивная рентгенография.

Биоимпедансные весы

Последнее, что хотелось бы затронуть в работе – это не самые громкое и известное ноу-хау от биофизики, но достаточно интересно – это биоимпедансные весы. Смысл такого девайса заключаетс в том, что через человека пропускаются микроскопические токи в течение не очень большого промежутка времени, и далее по электро-химическим параметрам прибор, весы, сможет определить параметры организма в широком профиле: вес, удельное количество влаги в органах, костный состав, мышечный тонус и т.д.


Рис. 5 – Биоимпедансные весы

Поскольку кровь, кости, различные органы, жидкость и остальные ткани в теле человека обладают различным удельным электрическим сопротивлением, импедансом, то соответственно пропускание через них тока одинаковой величины может дать представлении о состоянии того или иного органа или ткани.

В заключении хотелось бы отметить, что биофизика дала много интересного людям как раз в виду сочетания в себе разносторонних методологий изучения и анализа явлений, таких, как физика, химия, биология, медицина, экология и т.д. – именно эта дисциплина показывает современную научную тенденцию разносторонности, востребованности в специалистах широкого профиля, а не узко-направленных и сепаратных изучениях отдельных явлений.















СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E8%EE%F4%E8%E7%E8%EA%E0
2. http://www.bio.spbu.ru/education/magister/priem/id9_biophys2.php
3. http://85.142.23.144/packages/request/3C665567-3FE0-4A33-8488-38153B165AA4/1.0.0.1/3.pdf
4. http://medportal.ru/enc/oncology/cancertreatment/
5. http://rakustop.ru/luchevaya-terapiya-v-onkologii.html
6. http://www.naudent.ru/protezirovanie
7. http://www.onclinic.ru/diagnostika_i_analizy/diagnostika/rentgenovskie_issledovaniya/rentgen/
8. http://www.ofitnese.com/kak-vybrat-vesy-s-analizatorom-sostava-tela/
9. http://profbeckman.narod.ru/MED7.htm
10. http://omr.by/dlja-pacientov/metody-lechenija/luchevaja-terapija