Файл: 3.pdf

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

10 

ГЛАВА 1

ВСТУП ДО БІОФІЗИКИ І 

БІОМЕХАНІКИ 

«Людина є, зазвичай, машиною, яка, як і будь-яка 

інша  в  природі,  підпорядковується  неминучим  і 
єдиним  для  усієї  природи  законам;  але  тією 
системою ..., яка в найвищому рівні є самостійно 
організованою, самостійно підтримуючою і, навіть, 
такою, що самостійно організується...» 

І. П. Павлов 

§ 1.1. ПРЕДМЕТ, МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ, ІСТОРІЯ 

РОЗВИТКУ БІОФІЗИКИ 

«Біофізика характерна лише їй притаманним 

фізичним  підходом  до  вивчення  широкого  кола 
життєвих явищ...» 

Г. М. Франк 

Біологічна  фізика

  –  це 

наука,  що  вивчає  фізичні  і  фізико-хімічні 

закономірності в життєдіяльності рослинних і тваринних організмів, 
системну організацію процесів життедіяльності на усіх рівнях організації 
живого  (клітина,  тканина,  органи,  організми,  біосфера),  а  також 
механізм дії фізичних факторів на організми

. 

Теоретична  будова  і  моделі  біофізики  засновані  на  фізичних 

поняттях енергії, сили, типів взаємодії, на загальних поняттях фізичної 
кінетики, термодинаміки. Ці поняття відображають природу  основних 
взаємодій  і  законів  руху  тіл,  що,  як  відомо,  складає  предмет  фунда-
ментальної  природничої  науки  –  фізики.  В  центрі  уваги  біофізики 
лежать 

біологічні  процеси 

і  явища.  Біофізика  вивчає  фізичну  основу 

процесів, які відбуваються у біологічних системах. 

Біологічною  системою

  є 

сукупність  живих  організмів,  окремий 

живий  організм  і  будь-яка  його  частина,  наприклад,  орган,  тканина, 
сукупність  клітин,  окрема  клітина,  частина  клітини,  метаболіти, 
ферменти, рецептори, які взаємодіють і взаємоперетворюються у складі 
живого організму

. Частина біологічної системи може мати самостійну 

назву,  залежно  від  того,  предметом  якої  науки  є  ця  частина.  Існують 
фізіологічні  системи,  біохімічні  системи  та  інші,  за  назвою  відповідних 

Основи біофізики і біомеханіки

11 

розділів  біології  (

Life  science

).  Таким  чином,  біофізика  вивчає  механізми 

діяльності і працездатності біологічної системи на будь-якому рівні її 
організації  (від  окремих  його  частин,  окремих  клітин  –  до  складного 
багатоклітинного  організму). 

Об’єктом

  вивчення  біофізики  є  біологічна 

система  будь-якого  рівня  її  організації,  а 

предметом 

–  фізичне 

обґрунтування процесів, які відбуваються у біологічних системах. 

Незважаючи на складність і взаємозв’язок різних процесів в організмі 

людини,  часто  серед  них  можна  виділити  такі,  які  є  близькими  до 
фізичних. Наприклад, такий складний фізіологічний процес, як кровообіг, 
за  своєю  природою  є  фізичним,  бо  пов’язаний  з  течією  рідини 
(

гідродинаміка

),  розповсюдженням  великих  коливань  за  судинами 

(

коливання  і  хвилі

)  та  механічною  роботою  серця  (

механік

а),  генерацією 

біопотенціалів  (

електрика

)  тощо.  Дихання  пов’язане  з  рухом  газу 

(

аеродинаміка

), тепловіддачею (

термодинаміка

), випаровуванням (

фазові 

перебудови

) тощо. Дослідження фізики таких мікропроцесів необхідно 

для  правильної  оцінки  стану  організму,  природи  деяких  захворювань, 
дії  ліків,  призначення  правильного  курсу  лікування  тощо.  Цим  і 
займається наука біофізика. 

Крім того, будь-який прояв життєдіяльності, будь-яка функція клітин 

потребує енергії. Енергія потрібна для біосинтетичних реакцій і різних 
форм клітинної активності, а будь-яка діяльність клітин завжди співпадає 
у часі з розпадом аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). При підсиленій, 
але  короткочасній  роботі,  наприклад,  при  виконанні  бігу  на  коротку 
дистанцію, м’яз працює майже виключно за рахунок АТФ, яка є у цьому 
м’язі,  тому  окремо  у  біофізиці  розглядаються  питання  перетворення 
енергії  у  біологічних  системах.  Розділ  біофізики,  який  займається 
перетворенням енергії у біологічних системах, має назву 

біоенергетика

. 

Розвиток  і  становлення  біофізики  як  науки,  що  стоїть  на  межі 

біології, фізики, хімії, математики, відбувався за декількома стадіями. 
Спочатку біофізика розвивалась як частина фізіології. У XVIII столітті 

М. В. Ломоносов

, згідно з уявленнями про хімічний зв’язок подразнюючих 

молекул  матерії  з  молекулярними  й  ефірними  структурами  нервів, 
описав механізм подразнень у чутливих нервах та поширення збудження 
у нервах. Він також пояснив як виникає відчуття смаку і нюху. Суттєвий 
внесок  у  XVIII  столітті  мали  результати  досліджень  фізика 

Юнга 

Томаса

  (1773-1829),  який  пояснив  явище  акомодації  ока  зміною 

кривизни  кришталика,  першим  пояснив  явище  інтерференції  світла, 
розробив теорію кольорового зору, дослідив деформацію тіл. Італійський 
фізіолог 

Л. Гальвані

 (1791) поклав початок електробіології, довівши, 

що в живих тканинах є електрика. 

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

12 

Основний розвиток біофізики пов’язаний з усвідомленням необхідності 

принципового застосування в галузі біології основних законів фізики, 
як фундаментальної природничої науки про закони руху матерії. Важливе 
загальнометодичне  наукове  значення  для  розвитку  споріднених  до 
біології  галузей  мають  отримані  у  цей  період  (XVIII-XIX  століття) 
експериментальні  докази  закону  збереження  енергії  (

I  закон 

термодинаміки

), затвердження принципів хімічної кінетики як основи 

динамічної поведінки біологічних  систем, концепції відкритих систем 
та 

II закону термодинаміки

 для біологічних систем. 

На  початку  XIX  століття  французький  фізик  і  фізіолог 

Пуазель 

Жан

Луї  Марі

  (1799-1869)  вивчав  протікання  рідини  у  тонких 

циліндричних  трубках  і  внутрішнє  тертя,  першим  застосував  ртутний 
манометр для вимірювання тиску крові. 

У  середині  XIX  століття  німецький  лікар 

Майер  Юліус  Роберт

(1814-1878)  встановив,  що  кількість  окислювальних  продуктів  в 
організмі зростає при підвищенні роботи, яка ним виконується (одним 
із перших відкрив закон збереження і перетворення енергії). 

Гельмгольц  Герман  Людвіг  Фердинанд

  (1821-1894)  –  німецький 

лікар-фізіолог  і  фізик  –  математично  обґрунтував  закон  збереження 
енергії,  відмітив  його  загальну  характеристику,  розробив  термодинамічну 
теорію  хімічних  процесів,  визначив  швидкість  поширення  процесів 
збудження вздовж нерва та заклав основи сучасної фізіологічної оптики і 
фізіологічної  акустики.  Далі  розвиток  науки  стимулювали  винаходи 

Дарсенваля  Жак  Арсена

  (1851-1940)  –  французького  фізіолога, 

засновника електрофізіотерапії. 

Усе  це  вплинуло  на  розвиток  біології  і,  поряд  з  її  досягненнями, 

надало  успіхів  у  вивченні  структури  біополімерів,  сприяло  формуванню 
сучасного провідного напрямку експериментальної біологічної науки – 
фізико-хімічної біології, у якому біофізика займає провідне місце. 

У XIX столітті фізіологи 

І. М. Сєченов

, 

О. Ф. Веріго

, 

О. Ф. Самойлов

, 

М.  Є.  Веденський

, 

О.  О.  Ухтомський

, 

Д.  С.  Воронцов

  розробили 

біофізику м’язів і нервів. 

К. А. Тімірязєв

, спираючись на закон збереження 

енергії,  вперше  встановив  (1875)  кількісну  залежність  між  швидкістю 
фотосинтезу і вбиранням хлорофілом світлових хвиль різної довжини. 
Український фізіолог 

В. Ю. Чаговець

, виходячи з теорії електролітичної 

дисоціації,  вперше  (1896)  висунув  фізико-хімічну  теорію  електричних 
явищ у живих тканинах, яку він докладно розвинув у своїх наступних 
працях. 

Радянський  фізіолог  та  біофізик 

П.  П.  Лазарєв

  вперше  розробив 

точні фізичні методи обліку поглинутої енергії, встановив зв’язок між 
поглинанням  енергії  і  фотохімічною  дією,  розвинув  іонну  теорію 

Основи біофізики і біомеханіки

13 

збудження  В.  Нернста  і  розробив  теорію  адаптації  стосовно  всіх  органів 
чуття і центральної нервової системи. 

П.  К.

Анохін

  (1898-1974),  учень  В.  Бехтєрєва  та  І.  Павлова, 

сформулював  теорію  функціональних  систем,  запровадивши  поняття 

системогенезу

 як механізму формування живих систем, та показавши 

детермінізм явищ, формування та розвитку систем і критерії їх визначення. 

О.  Л.  Чижевський

  (1897-1964),  творець  геліобіофізики  та  поняття 

космічної погоди, вперше встановив механізми впливу Сонячної активності 
на  біосферу  і  соціум.  Ключовими  в  роботах  були  встановлені  механізми 
електричних явищ в гемодинаміці. 

В останні десятиріччя найбільш інтенсивно розвивається радіобіологія – 

розділ  біофізики,  що  вивчає  вплив  іонізуючих  випромінювань  на  живий 
організм.  Відкриття 

Фредеріком

  та 

Ірен

Жоліо-Кюрі 

(1932)  штучної 

радіоактивності збагатило біологічну науку новими точними методами 
дослідження  (мічені  атоми,  авторадіографія,  гісторадіографія  тощо), 
які  дали  можливість  глибоко  вивчати  обмінні  процеси  в  організмі. 
Застосування  штучних  радіоактивних  ізотопів  у  медицині  розширило 
можливості  діагностики  і  лікування  окремих  хвороб,  зокрема  деяких 
форм  рака.  В  наш  час,  коли  людина  опанувала  ядерну  енергію,  перед 
біофізикою  постають  нові  актуальні  проблеми:  захист  від  шкідливих 
ядерних випромінювань, вивчення впливу на організм умов міжпланетних 
подорожей тощо. 

Ідеї  і  методи  біофізики  не  тільки  знаходять  сьогодні  широке 

застосування при вивченні біологічних процесів на макромолекулярному 
рівні, але і розповсюджуються, особливо в останні роки, на популяційний 
і екосистемний рівні організації живої природи. 

Сьогодні основний зміст біофізики складають наступні завдання: 
1)

пошук  загальних  принципів  біологічно  значущих  впливів  на 

молекулярному рівні; 

2)

розкриття їхньої природи відповідно до знань сучасної фізики, 

хімії, математики; 

3)

розробка узагальнених понять, які адекватно описують біологічні 

явища. 

Сучасна  біофізика  має  різні  спеціалізації  відповідно  до  рівня 

організації об’єктів чи явищ та методів: 

–

Молекулярна  біофізика

  вивчає  фізико-хімічні  властивості  й 

функціональну роль біологічних макромолекул (біополімерів) та моле-
кулярних  комплексів  (ультраструктур)  живих  організмів,  які  створюють 
функціональні  одиниці  клітин,  та  характер  їхньої  взаємодії  з  іонами, 
молекулами і радикалами, їхню просторову будову й енергетику процесів, 
що в них відбуваються; 

Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін  

14 

–

Біофізика клітини

 вивчає фізико-хімічні основи функціонування 

клітини,  будову  й  основні  функції  біологічних  мембран  (поверхневої 
плазматичної мембрани та мембран внутрішньоклітинних органоїдів): 
їх проникненості, каталітичну активність, електро- та хімозбудливість, 
а  також  енергетичні  процеси  клітини,  її  механічні  та  електричні 
властивості; 

–

Біофізика  органів  чуття

  з’ясовує  молекулярні  фізико-хімічні 

механізми  рецепції,  вивчає  процеси  трансформації  енергії  зовнішніх 
стимулів у специфічні реакції нервових клітин і механізмів кодування 
інформації в органах чуття; 

–

Біофізика  складних  систем 

досліджує  явища  та  механізми 

системогенезу (еволюція, індивідуальний розвиток) та функціонування 
живих  організмів  чи  біоценозів  (соціуму),  проблеми  регулювання  й 
саморегулювання  на  рівні  клітин,  органів,  організмів  та  біоценозів  і 
біосфери в цілому; 

–

Теоретична  і  математична  біофізика

  розглядає  теоретичні 

основи  біофізики,  зокрема,  питання  кінетики  і  термодинаміки,  здійснює 
математичне моделювання біологічних процесів, структури та властивостей 
окремих  макромолекул  і  субклітинних  утворень  (макромолекулярних 
комплексів); 

–

Прикладна  біофізика 

здійснює  цільові  дослідження  питань 

прикладного  характеру  та  використання  знань,  методів,  контролю  чи 
керування явищами задля прикладних розробок та їхнього застосування: 
медична, екологічна та технічні (біотехнічні) чи технологічні їх напрямки: 

–

біоінформатика,

 саме з позиції коммунікацій, програм та читання, 

запису, трансляції, сприйняття, обробки сигналів у природних біосистемах 
є  ґрунтовним  розділом  біофізики  сенсорних  систем  –  психофізика, 
комунікативна та ергономічна біофізика; 

–

біометрія

 – метрологічна, медична, ергономічна, біотехнічна, 

екологічна; 

–

біомеханіка

  повязує  функції  та  структуру  опорно-рухового 

апарату з рухом біосистем – протезування, робототехніка, ергономіка, 
дизайн, архітектура; 

–

біофізика еволюційних процесів

 та індивидуальний розвиток – 

системогенез,  гомеостаз,  формоутворення,  провідні  чинники  норми 
розвитку  та  життєдіяльності,  патогенезу  і  їхні  оздоровчий  чи  реабі-
літаційний, біомедичний, психофізичний аспекти); 

–

біофизіка періодичних (циклічних) процесів

 – біоритмологія та 

хрономедицина,  адаптаційні  механізми,  періодичні  процеси,  фізичні