Биофизика

Различают биофизику: молекулярную, клетки, сложных биологических систем (исследует взаимодействие и взаимную регуляцию биологических процессов на уровне тканей, организма и сообществ организмов).

Биофизика развивалась по пути объединения и взаимопроникновения биологических подходов с идеями и методами физики, физической химии, математики. Первые попытки применить законы механики к изучению функций организма (кровообращение, восприятие звука и света и др.) были сделаны в XVII веке. Дальнейшие основные этапы развития биофизики связаны с открытием электрических явлений в тканях животных (Л.Гальвани), развитием физиологической акустики и оптики (Г.Гельмгольц), механики и энергетики живых организмов, разработкой ионной теории возбуждения (П.П.Лазарев). В числе первых биофизических работ – опыты А.Ф.Самойлова по электрокардиографии, проведённые в начале ХХ века в Казанском университете (регистрация биоэлектрических потенциалов работающего сердца).

В ХХ веке выделились отдельные направления биофизики: радиобиология, биоэнергетика, фотобиология и др. В 1919 году в Москве был создан Институт биологической физики (П.П.Лазарев). В 1961 году состоялся 1-й Международный биофизический конгресс (Стокгольм, Швеция).

Становление биофизики в Татарстане (в 1960-е годы) связано с широким внедрением в биологию, особенно в физиологию, физических методов исследований. В Институте биологии Казанского филиала Академии Наук СССР под руководством Н.А.Мальцева была сконструирована установка ядерный магнитный резонансный релаксометр, позволяющая измерять параметры спиновых и молекулярных систем в живых тканях (времена релаксации, коэффициенты самодиффузии). В последующем были получены первые результаты исследования состояния воды в клетке и доказано, что структура и динамические параметры воды в тканях не отличаются от аналогичных в неживых системах (Л.Н.Абецедарская, Ф.Г.Мифтахутдинова, В.Д.Федотов).

В1970-е годы впервые в СССР была создан экспериментальный установка ядерный магнитный резонансный диффузометр с импульсным градиентом магнитного поля. Дана комплексная характеристика диффузионного переноса воды в тканях и дифференцированы потоки по плазмодесмам (А.В.Анисимов), получены новые данные о механизмах функционирования ионных каналов (Г.А.Великанов). Развивается метод временной диэлектрической спектроскопии (Ю.Д.Фельдман, Ю.Ф.Зуев, В.М.Валитов), на базе которого с конца 1980-х годов ведутся исследования динамики и гидратации белков. Методом ядерного магнитного резонанса-релаксации обнаружен и количественно охарактеризован ряд релаксационных переходов в белках в диапазоне частот 102–1012Гц (В.Д.Федотов, А.Г.Крушельницкий, Н.П.Обухов, Р.А.Задиханов). Выявлена количественная связь между скоростью ферментативной реакции и параметрами флуктуаций электрического поля в активном центре фермента, которые определяются конформационными движениями в белке (А.Э.Ситницкий). Обнаружена анизотропия броуновского вращения глобулярных белков в растворах, вызываемая взаимным ориентированием белков за счёт электрических взаимодействий (В.Д.Федотов, А.Г.Крушельницкий, И.В.Ермолина).

С 1990-х годов проводятся исследования молекулярных механизмов функционирования биологически активных соединений (в основе ферментов) в модельных мембранных системах (С.Ю.Зуев).

С 1970-х годов на кафедре физиологии растений Казанской сельскохозяйственной академии проводятся исследования состояния воды в растительных тканях. Изучены времена протонной релаксации в растительных тканях во вращающейся и лабораторных системах координат, состояние воды в прорастающих семенах в связи с развитием клеточных структур и метаболическими процессами в семенах (Ф.Д.Самуилов, В.И.Никифорова, Е.А.Никифоров). Показано наличие в клетках растений различных фракций воды и оценено её количество. Методом ядерного магнитного резонанса во вращающейся системе координат обнаружены сверхмедленные молекулярные движения с частотой 103-105 Гц, характеризующие состояние прочносвязанной воды, льда, а также подвижность протонов, входящих в состав ультраструктуры клеток семян. По низкотемпературным измерениям зарегистрирован фазовый переход молекул воды из жидкого состояния в твёрдое, установлено наличие в семенах воды, не замерзающей при температуре до –40°С.

Одним из интенсивно развивающихся направлений биофизики в Татарстане является исследования процессов передачи возбуждения в периферических и центральных синапсах. Центром проведения этих исследований является Казанский медицинский университет. В 1960-е годы Г.И.Полетаевым впервые была внедрена технология микроэлектродных исследований, в начале 1970-х годов – применён метод квантового анализа синаптических процессов. В дальнейшем его учениками выявлены ключевые принципы функционирования синаптического аппарата. Установлено, что в нервно-мышечном синапсе ацетилхолин не только возбуждает постсинаптическую мембрану, но и посредством активации специальных рецепторных структур на двигательном нервном окончании по принципу обратной связи оказывает влияние на освобождение последующих порций медиатора; выявлены молекулярные механизмы этого модулирующего действия (Е.Е.Никольский, Э.А.Бухараева). Проведено детальное исследование неимпульсной формы выделения медиатора из нервных окончаний – неквантовой секреции, изучен её молекулярный механизм, связанный с функционированием специальных активных транспортных систем, локализованных в нервном окончании, показано первоочередное нарушение неквантовой секреции при повреждении двигательного нерва (Е.Е.Никольский, В.А.Воронин). Выявлено, что газообразный посредник NO в синапсах теплокровных избирательно модулирует неквантовое освобождение медиатора, не оказывая влияния на квантовый его выброс (М.Р.Мухтаров, Е.Е.Никольский, А.Х.Уразаев), в то время как в синапсах холоднокровных NO оказывает влияние на квантовую секрецию (А.Л.Зефиров, Р.Р.Халиуллина). Установлена физиологическая роль неквантовой секреции, которая заключается в поддержании на определенном уровне потенциала покоя клеток-мишеней в субсинаптической зоне. Экспериментально доказано, что изменение временного хода вызванной секреции квантов медиатора является одним из важных пресинаптических механизмов модуляции синаптической передачи возбуждения (Э.А.Бухараева, Е.Е.Никольский). Выявлено наличие на двигательных нервных окончаниях позвоночных специальных рецепторов для аденозинтрифосфорной кислоты, активация которых изменяет синаптическую передачу (Р.А.Гиниятуллин, Е.М.Соколова).

В Казанском ветеринарном институте в 1960–1980-х годов проводились исследования электрических явлений в деятельности сердечнососудистой системы различных видов животных методами фоно- и электрокардиографии, реографии, электроэнцефалографии, радиотелеметрии (Г.П.Новошинов, Р.Х.Тукшаитов). С 1970-х годов ведутся исследования биофизических процессов, протекающих в организме животных при отравлении и инфекционных воздействиях (Г.П.Новошинов, М.Я.Тремасов, П.К.Сметов). Получены данные о механизме мембранотропного эффекта фосфорорганических пестицидов и микотоксинов, об особенностях их влияния на функциональное состояние синаптических структур, выявлена роль «малых» тепловых эффектов при патологиях. Результаты исследований легли в основу разработки биологических средств индикации пестицидов и микотоксинов и антидотной терапии. Разработана математическая модель взаимодействия «вирус–клетка» (Ф.Б.Тахаутдинов). С начала 1990-х годов во Всероссийском ветеринарном институте проводятся исследования электрокинетических свойств клеток крови (Р.Я.Гильмутдинов), иммунодефицитного состояния организма животных при инфекционных заболеваниях (Г.Х.Ильясова, Р.Х.Юсупов).

Границы биофизики в значительной степени условны; по объектам и методам исследований она тесно связана с молекулярной биологией, биоорганической химией, биохимией, вместе с которыми часто включается в физико-химическую биологию. Многие направления биофизика имеют важное практическое значение (биомедицинское приборостроение, медицинская диагностика, совершенствование техники проведения исследований и др.).

Самуилов Ф.Д., Никифоров Е.А., Никифорова В.И. Исследование состояния воды в тканях растений методом ядерного спинового эха // Доклады Академии Наук СССР. 1971. Т. 196, № 3.

Самуилов Ф.Д., Никифоров Е.А., Никифорова В.И. Исследование ядерной магнитной релаксации протонов в растительной ткани во вращающейся и лабораторной системах координат // Доклады Академии Наук СССР. 1976. Т. 229, № 4.

Тукшаитов Р.Х., Новошинов Г.П. Биофизические основы ветеринарной реовазографии. Казань, 1975.

Анисимов А.В., Раткович С. Транспорт воды в растениях. Исследование импульсным методом ЯМР. М., 1992.

Гильмутдинов Р.Я., Равилов А.З., Титов В.В. Клеточный электрофорез при изучении инфекционной патологии сельскохозяйственных животных. Казань, 1992.

Федотов В.Д., Шнайдер Х. Структура и динамика полимеров. Исследование методом ЯМР. М., 1992.

Великанов Г.А., Нуриев И.Х., Ценцевицкий А.Н. Электрическое возбуждение вакуоли непосредственно внутри протопласта, изолированного из клеток высшего растения // Биологические мембраны. 1996. Т. 13. № 4.

Vyskocil F., Nikolsky E., Zemkova H., Krusek J. The role of non-quantal release of acetylcholine in regulation of postsynaptic membrane electrogenesis // J. of Physiol. (Paris). 1995. V.89.

Mukhtarov M., Urazaev A., NikolskyE., Vyskocil F. Effect of nitric oxide and O synthase inhibition on nonquantal acetylcholine release in the rat diaphragm // Eur. J. of euroscience. 2000. 12.

Авторы – Р.Х.Тукшаитов, В.Д.Федотов