План
1. Визначення біофізики як науки.
2. Розвиток і становлення біофізики як науки
3. Основні розділи біофізики
4. Завдання біофізики як фундаментальної і прикладної науки на сучасному етапі.
1. Визначення біофізики як науки
Біофізика як наука почала формуватися ще в XIX столітті. Багато фізіологи того періоду вже працювали над питаннями, які в даний час є об'єктами біофізичного дослідження. Піонером у цій галузі є видатний російський фізіолог І.М. Сєченов. Вивчаючи динаміку дихального процесу за допомогою методів фізичної хімії і використовую певний математичний апарат він встановив кількісні закони розчинності газів в біологічних рідинах. За його пропозицією така область дослідження стала іменуватися молекулярної фізіологією. Інший дослідник, відомий німецький фізик Гемгольц (H. Hemholz), розробляючи проблеми термодинаміки, робить спробу використання цих законів для розуміння енергетики живих систем. Вивчаючи роботу органів зору, він вперше визначив швидкість проведення збудження по нерву.
У формуванні біофізики як біологічної науки видатну роль зіграли дослідження К.А. Тімірязєва в області фотосинтезу, які з'явилися початком становлення фотобіофізікі.
Таким чином, біофізика це наука про найбільш простих і фундаментальних взаємодіях, що лежать в основі біологічних явищ.
Теоретичне побудова і моделі біофізики засновані на фізичних поняттях енергії, сили, типів взаємодії, загальні поняття фізичної і формальної кінетики, термодинаміки, теорії інформації. Ці поняття відображають природу основних взаємодій і законів руху матерії, що, як відомо, становить предмет фізики - як фундаментальної природничої науки. У центрі уваги біофізики як біологічної науки лежать біологічні процеси і явища. Основна тенденція сучасної біофізики - проникнення на найглибші, елементарні рівні, складові молекулярну основу структурної організації живого.
2. Розвиток і становлення біофізики як науки
Розвиток і становлення біофізики як прикордонної науки проходило ряд стадій. Уже на початкових етапах біофізика була тісно пов'язана з ідеями і методами фізики, хімії, фізичної хімії та математики.
Проникнення і застосування законів фізики для опису різних закономірності живої природи зустріло цілий ряд труднощів.
Ще в минулому столітті робилися спроби використовувати методи і теорії фізики для вивчення та розуміння природи біологічних явищ. Причому дослідники розглядали живі тканини і клітини як фізичні системи і не враховували того факту, що основну роль в цих системах відіграє хімія. Саме тому спроби вирішувати завдання оцінки властивостей біологічного об'єкта з чисто фізичних позицій носили наївний характер.
Основним методом цього напрямку були пошуки аналогій.
Біологічні явища, подібні до явищами суто фізичними трактувалися, відповідно, як фізичні.
Наприклад ефект м'язового скорочення пояснювали по аналогії з п'єзоелектричним ефектом, на підставі тільки того факту, що при накладенні потенціалу на кристал відбувалася зміна довжини кристала, приблизно так само як відбувалася зміна довжини м'яза при скороченні. Зростання клітин вважали аналогічним зростання кристала. Клітинний розподіл розглядали як явище, обумовлене тільки поверхнево-активними властивостями зовнішніх шарів протоплазми. Амебоідному рух клітин уподібнювалися зміни поверхневого натягу і, відповідно, його моделювали рухом ртутної краплі в розчині кислоти.
Навіть значно пізніше, в двадцяті роки нашого століття, детально розглядали і вивчали модель нервового проведення на аналізі поведінки так званої моделі Лілі. Ця модель являла собою залізний дріт, яка занурювалася в розчин кислоти і покривалася при цьому плівкою окису. При нанесенні на поверхню подряпини окис руйнувалася, а потім відновлювалася, але одночасно руйнувалася в сусідній ділянці і так далі. Іншими словами, вийшло поширення хвилі руйнування і відновлення, дуже схоже на поширення хвилі електронегативності виникає при подразненні нерва.
Виникнення і розвиток у фізиці квантової теорії призвело до спроби пояснити дію променистої енергії на біологічні об'єкти з позиції статистичної фізики. У цей час з'являється формальна теорія, яка пояснювала променеве ураження як результат випадкового попадання кванта (або ядерної частки) в особливо вразливі клітинні структури. При цьому абсолютно втрачалися з виду ті конкретні фотохімічні реакції і наступні хімічні процеси, що визначають розвиток променевого ураження в часі.
Ще порівняно недавно на підставі формального подібності закономірностей електропровідності живих тканин і електропровідності провідників напівпровідників намагалися застосувати теорію напівпровідників для пояснення структурних особливостей цілих клітин.
Цей напрямок, що базується на моделях і аналогіях, хоча й може привернути до роботи дуже зроблений математичний апарат, навряд чи наблизить біологів до розуміння сутності біологічних процесів. Спроби використання чисто фізичних уявлень для розуміння біологічних явищ і природи живої матерії дали велику кількість спекулятивних теорій і ясно показали, що прямий шлях фізики в біологію не продуктивний, так як живі організми стоять незрівнянно ближче до хімічних систем, ніж до фізичних.
Значно більш плідним виявилося впровадження фізики в хімію. Застосування фізичних уявлень зіграло велику роль у розумінні механізмів хімічних процесів. Виникнення фізичної хімії зіграло революційну роль. На основі тісного контакту фізики та хімії виникли сучасна хімічна кінетика і хімія полімерів. Деякі розділи фізичної хімії, в яких фізика отримала домінуюче значення, стали називатися хімічної фізикою.
Саме з виникненням фізичної хімії пов'язаний розвиток біофізики.
Багато важливих для біології подання прийшли в неї з фізичної хімії. Досить нагадати, що застосування фізико-хімічної теорії розчинів електролітів до біологічних процесів, призвело до подання про важливу роль іонів в основних процесах життєдіяльності.
З розвитком фізичної та колоїдної хімії розширюється фронт робіт у галузі біофізики розширюється. З'являються спроби пояснити з цих позицій механізми реагування організму на зовнішні впливи. Так велику роль у розвитку біофізики зіграла школа Леба (J. Loeb 1906 р). У роботі Леба були виявлені фізико-хімічні основи явищ партеногенезу і запліднення. Конкретну фізико-хімічну інтерпретацію отримало явище антагонізму іонів.
Пізніше з'явилися класичні дослідження Шаде (H. Schde) про роль іонних і колоїдних процесів в патології запалення. Ці дослідження завершуються фундаментальною працею «Фізична хімія у внутрішній медицині», які видається в Росії в 1911-1912 рр..
Перша світова війна призупинила розвиток біофізики як науки.
Але вже в 1922 році в СРСР відкривається «Інститут біофізики», яким керує П.П. Лазарєв. Тут він розробляє іонну теорію збудження, яка в цей же час розробляється і Нернстом Було встановлено, що в явищах порушення та проведення вирішальна роль належить саме іонів.
С.І. Вавилов займається питаннями граничної чутливості ока. В.Ю. Чаговець розробляє іонну теорію виникнення біопотенціалів, Н.К. Кольцов обгрунтовує роль поверхневого натягу, іонів і рН у морфогенезі.
Школа Кольцова зіграла значну роль у розвитку біофізики в СРСР. Його учні широко розробляли питання впливу фізико-хімічних факторів зовнішнього середовища на клітини і їх структури.
Дещо пізніше (1934) Родіонов С.Р. і Франк Г.М. відкрили явище фотореактивації, Завойський (1944) метод електронного парамагнітного резонансу.
Основний підсумок початкового періоду розвитку біофізики - це висновок про принципову можливість використання в області біології основних законів фізики як фундаментальної природничої науки про закони руху матерії.
Важливе общеметодіческого наукове значення для розвитку різних галузей біології мають отримані в цей період експериментальні докази закону збереження енергії (перший закон термодинаміки),
Застосування уявлень колоїдної хімії до аналізу деяких біологічних процесів показало, що в основі протоплазми різними факторами лежить коагуляція біоколлоідов. У зв'язку з виникненням вчення про полімери колоїдна хімія протоплазми переросла в біофізику полімерів, і, особливо, поліелектролітів.
Поява хімічної кінетики також викликало появу аналогічного напрямку в біології. Ще Арреніус - один із засновників хімічної кінетики, показав, що загальні закономірності хімічної кінетики застосовні до вивчення кінетичних закономірностей у живих організмах і до окремих біохімічних реакцій.
Успіхи застосування фізичної та колоїдної хімії при поясненні ряду біологічних явищ знайшли відображення і в медицині.
Була виявлена роль колоїдних і іонних явищ у запальному процесі. Фізико-хімічну інтерпретацію отримали закономірності клітинної проникності та її змін при патологічних процесах, тобто фізико-хімічна (біофізична патологія).
З розвитком біофізики в біологію проникли і точні експериментальні методи досліджень - спектральні, ізотопні, радіоскопічний.
3. Основні розділи біофізики
За рішенням Міжнародної асоціації загальної та прикладної біофізики, до розділів цієї дисципліни відносяться:
1. Молекулярна біофізика. Вивчає будову та фізичні властивості молекул, що входять до складу організму (насамперед білків і нуклеїнових кислот), досліджує умови рівноваги молекулярних біологічних процесів, зміни їх перебігу в часі, термодинаміку біологічних процесів. Основна проблема полягає в тому, щоб розкрити природу взаємодії атомних груп, які визначають конформаційні особливості та внутрішню динаміку біологічних макромолекул, механізми взаємодії електронних і конформаційних переходів і на цій основі зрозуміти механізм функціонування біополімерів в живих системах.
2. Біофізика мембранних процесів або біофізика клітини. Вивчає фізичні і фізико-хімічні особливості клітинних структур, закономірності поділу та диференціювання клітин, а також такі високоспеціалізовані функціональні прояви клітин, як генерація збудження і біопотенціали. Ця частина біофізики вивчає молекулярну організацію та конформаційні властивості біологічних мембран, біофізику процесу транспорту речовин через мембрану, електрогенез.
3. Біофізика фотобиологических процесів. Вивчає механізми Фотоенергетичне і фоторецепторних систем, з'ясовує роль і механізми участі електронно-збуджених станів у біологічних процесах.
4. Біофізика органів чуття. Вивчає функціонування цих систем у фізичних і біологічних аспектах і досліджує перетворення енергії, які відбуваються при сприйнятті зовнішніх подразнень.
5. Біофізика складних систем. Вивчає проблеми регулювання і саморегулювання сложноустроенних багатоклітинних організмів.
4. Завдання біофізики як фундаментальної і прикладної науки на сучасному етапі
На сучасному етапі розвитку біофізики відбулися принципові зрушення, пов'язані, перш за все з розвитком біофізики складних систем і молекулярної біофізики. Саме в цих областях, що займаються закономірностями динамічної поведінки біологічних систем і механізмами молекулярних взаємодій в биоструктур, отримані загальні результати, на підставі яких в біофізиці сформувалася власна теоретична база.
Сучасний етап розвитку біофізики характеризується тим, що на перший план виступає проблема формулювання вихідних теоретичних понять, що відображають фундаментальні механізми взаємодії в біологічних системах на молекулярному рівні. Разом з тим специфіка біологічних систем представляється у своєрідності фізичних механізмів молекулярних процесів. Принципова особливість полягає в тому, що характерні параметри елементарних взаємодій можуть змінюватися залежно від умов їх протікання в організмі. Наприклад, ефективність швидкостей окремих елементарних актів перенесення електрона в реакційному центрі фотосинтезу не тільки змінюються направлено протягом життєвого циклу розвитку, але і різна у сортів рослин, що відрізняються за фізико-біохімічними показниками та продуктивності. Вивчення глибоких біофізичних механізмів у зв'язку з фізіолого-біохімічними особливостями об'єкта створюють базу і для практичного застосування біофізичних досліджень, зокрема в медицині.
Так у цей час пріоритетними вважаються дослідження в галузі фізико-хімічної біології в цілому і біофізики зокрема такі питання:
1) Вивчення структури і механізмів вираження генів;
2) Різноманітні аспекти клітинної біології (в тому числі хромосомно-генетичні дослідження, проблеми клітинної диференціювання і міжклітинних взаємодій);
3) Вивчення структури біополімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів та їх комплексів один з одним і низькомолекулярними лігандами).
Вирішення цих завдань здійснюється як за допомогою теоретичного аналізу, так і за допомогою великого набору фізичних, хімічних і біологічних методів. При цьому серед експериментальних методів провідна роль належить рентгеноструктурному аналізу кристалів білків, високодозвільного ЯМР-спектроскопії білків і поліпептидів в розчині і методам мікросеквенірованія білків.
Без термодинамічного підходу до дослідження біологічних процесів неможливо правильно розрахувати харчовий раціон для людини.
Вивчення швидкості біологічних процесів дозволяє встановити закономірності ряду біологічних явищ - зростання, розмноження, метаболізму не тільки в умовах нормального функціонування організму, але при патологічних змінах - бактеріальної інтоксикації, дію іонізуючого випромінювання, алергії і т.д.
Вивчення проникності клітин і тканин в біофізичні аспекти дозволяють фармакологам і токсикологам встановити закономірності всмоктування в організмі і виведення з організму різних препаратів. Фізіологи, патофізіологи і лікарі, вивчаючи проникність різних речовин можуть з'ясувати зміни водно-іонного обміну, що відбуваються в організмі в нормі і в патології.
Особливе значення ці питання набули в даний час у зв'язку з встановленням взаємозв'язку розладів водно-сольового балансу з різними патологічними процесами і найбільш часто зустрічаються післяопераційними ускладненнями.
Біофізичні методи (ЕКГ, ЕЕГ, ЕМГ) і проведення електричного струму в живих системах мають важливе значення для ранньої діагностики ряду захворювань, а також для оцінки процесів росту, розвитку, регенерації та життєздатності тканин, що використовуються при трансплантації.
Без відповідних біофізичних досліджень не можна достовірно виявити всі проблеми пов'язані з функціонуванням органу зору. слуху, смакових відчуттів, не можна встановити всі закономірності роботи серця, впливу випромінювань різної природи.
1. Визначення біофізики як науки.
2. Розвиток і становлення біофізики як науки
3. Основні розділи біофізики
4. Завдання біофізики як фундаментальної і прикладної науки на сучасному етапі.
1. Визначення біофізики як науки
Біофізика як наука почала формуватися ще в XIX столітті. Багато фізіологи того періоду вже працювали над питаннями, які в даний час є об'єктами біофізичного дослідження. Піонером у цій галузі є видатний російський фізіолог І.М. Сєченов. Вивчаючи динаміку дихального процесу за допомогою методів фізичної хімії і використовую певний математичний апарат він встановив кількісні закони розчинності газів в біологічних рідинах. За його пропозицією така область дослідження стала іменуватися молекулярної фізіологією. Інший дослідник, відомий німецький фізик Гемгольц (H. Hemholz), розробляючи проблеми термодинаміки, робить спробу використання цих законів для розуміння енергетики живих систем. Вивчаючи роботу органів зору, він вперше визначив швидкість проведення збудження по нерву.
У формуванні біофізики як біологічної науки видатну роль зіграли дослідження К.А. Тімірязєва в області фотосинтезу, які з'явилися початком становлення фотобіофізікі.
Таким чином, біофізика це наука про найбільш простих і фундаментальних взаємодіях, що лежать в основі біологічних явищ.
Теоретичне побудова і моделі біофізики засновані на фізичних поняттях енергії, сили, типів взаємодії, загальні поняття фізичної і формальної кінетики, термодинаміки, теорії інформації. Ці поняття відображають природу основних взаємодій і законів руху матерії, що, як відомо, становить предмет фізики - як фундаментальної природничої науки. У центрі уваги біофізики як біологічної науки лежать біологічні процеси і явища. Основна тенденція сучасної біофізики - проникнення на найглибші, елементарні рівні, складові молекулярну основу структурної організації живого.
2. Розвиток і становлення біофізики як науки
Розвиток і становлення біофізики як прикордонної науки проходило ряд стадій. Уже на початкових етапах біофізика була тісно пов'язана з ідеями і методами фізики, хімії, фізичної хімії та математики.
Проникнення і застосування законів фізики для опису різних закономірності живої природи зустріло цілий ряд труднощів.
Ще в минулому столітті робилися спроби використовувати методи і теорії фізики для вивчення та розуміння природи біологічних явищ. Причому дослідники розглядали живі тканини і клітини як фізичні системи і не враховували того факту, що основну роль в цих системах відіграє хімія. Саме тому спроби вирішувати завдання оцінки властивостей біологічного об'єкта з чисто фізичних позицій носили наївний характер.
Основним методом цього напрямку були пошуки аналогій.
Біологічні явища, подібні до явищами суто фізичними трактувалися, відповідно, як фізичні.
Наприклад ефект м'язового скорочення пояснювали по аналогії з п'єзоелектричним ефектом, на підставі тільки того факту, що при накладенні потенціалу на кристал відбувалася зміна довжини кристала, приблизно так само як відбувалася зміна довжини м'яза при скороченні. Зростання клітин вважали аналогічним зростання кристала. Клітинний розподіл розглядали як явище, обумовлене тільки поверхнево-активними властивостями зовнішніх шарів протоплазми. Амебоідному рух клітин уподібнювалися зміни поверхневого натягу і, відповідно, його моделювали рухом ртутної краплі в розчині кислоти.
Навіть значно пізніше, в двадцяті роки нашого століття, детально розглядали і вивчали модель нервового проведення на аналізі поведінки так званої моделі Лілі. Ця модель являла собою залізний дріт, яка занурювалася в розчин кислоти і покривалася при цьому плівкою окису. При нанесенні на поверхню подряпини окис руйнувалася, а потім відновлювалася, але одночасно руйнувалася в сусідній ділянці і так далі. Іншими словами, вийшло поширення хвилі руйнування і відновлення, дуже схоже на поширення хвилі електронегативності виникає при подразненні нерва.
Виникнення і розвиток у фізиці квантової теорії призвело до спроби пояснити дію променистої енергії на біологічні об'єкти з позиції статистичної фізики. У цей час з'являється формальна теорія, яка пояснювала променеве ураження як результат випадкового попадання кванта (або ядерної частки) в особливо вразливі клітинні структури. При цьому абсолютно втрачалися з виду ті конкретні фотохімічні реакції і наступні хімічні процеси, що визначають розвиток променевого ураження в часі.
Ще порівняно недавно на підставі формального подібності закономірностей електропровідності живих тканин і електропровідності провідників напівпровідників намагалися застосувати теорію напівпровідників для пояснення структурних особливостей цілих клітин.
Цей напрямок, що базується на моделях і аналогіях, хоча й може привернути до роботи дуже зроблений математичний апарат, навряд чи наблизить біологів до розуміння сутності біологічних процесів. Спроби використання чисто фізичних уявлень для розуміння біологічних явищ і природи живої матерії дали велику кількість спекулятивних теорій і ясно показали, що прямий шлях фізики в біологію не продуктивний, так як живі організми стоять незрівнянно ближче до хімічних систем, ніж до фізичних.
Значно більш плідним виявилося впровадження фізики в хімію. Застосування фізичних уявлень зіграло велику роль у розумінні механізмів хімічних процесів. Виникнення фізичної хімії зіграло революційну роль. На основі тісного контакту фізики та хімії виникли сучасна хімічна кінетика і хімія полімерів. Деякі розділи фізичної хімії, в яких фізика отримала домінуюче значення, стали називатися хімічної фізикою.
Саме з виникненням фізичної хімії пов'язаний розвиток біофізики.
Багато важливих для біології подання прийшли в неї з фізичної хімії. Досить нагадати, що застосування фізико-хімічної теорії розчинів електролітів до біологічних процесів, призвело до подання про важливу роль іонів в основних процесах життєдіяльності.
З розвитком фізичної та колоїдної хімії розширюється фронт робіт у галузі біофізики розширюється. З'являються спроби пояснити з цих позицій механізми реагування організму на зовнішні впливи. Так велику роль у розвитку біофізики зіграла школа Леба (J. Loeb 1906 р). У роботі Леба були виявлені фізико-хімічні основи явищ партеногенезу і запліднення. Конкретну фізико-хімічну інтерпретацію отримало явище антагонізму іонів.
Пізніше з'явилися класичні дослідження Шаде (H. Schde) про роль іонних і колоїдних процесів в патології запалення. Ці дослідження завершуються фундаментальною працею «Фізична хімія у внутрішній медицині», які видається в Росії в 1911-1912 рр..
Перша світова війна призупинила розвиток біофізики як науки.
Але вже в 1922 році в СРСР відкривається «Інститут біофізики», яким керує П.П. Лазарєв. Тут він розробляє іонну теорію збудження, яка в цей же час розробляється і Нернстом Було встановлено, що в явищах порушення та проведення вирішальна роль належить саме іонів.
С.І. Вавилов займається питаннями граничної чутливості ока. В.Ю. Чаговець розробляє іонну теорію виникнення біопотенціалів, Н.К. Кольцов обгрунтовує роль поверхневого натягу, іонів і рН у морфогенезі.
Школа Кольцова зіграла значну роль у розвитку біофізики в СРСР. Його учні широко розробляли питання впливу фізико-хімічних факторів зовнішнього середовища на клітини і їх структури.
Дещо пізніше (1934) Родіонов С.Р. і Франк Г.М. відкрили явище фотореактивації, Завойський (1944) метод електронного парамагнітного резонансу.
Основний підсумок початкового періоду розвитку біофізики - це висновок про принципову можливість використання в області біології основних законів фізики як фундаментальної природничої науки про закони руху матерії.
Важливе общеметодіческого наукове значення для розвитку різних галузей біології мають отримані в цей період експериментальні докази закону збереження енергії (перший закон термодинаміки),
Застосування уявлень колоїдної хімії до аналізу деяких біологічних процесів показало, що в основі протоплазми різними факторами лежить коагуляція біоколлоідов. У зв'язку з виникненням вчення про полімери колоїдна хімія протоплазми переросла в біофізику полімерів, і, особливо, поліелектролітів.
Поява хімічної кінетики також викликало появу аналогічного напрямку в біології. Ще Арреніус - один із засновників хімічної кінетики, показав, що загальні закономірності хімічної кінетики застосовні до вивчення кінетичних закономірностей у живих організмах і до окремих біохімічних реакцій.
Успіхи застосування фізичної та колоїдної хімії при поясненні ряду біологічних явищ знайшли відображення і в медицині.
Була виявлена роль колоїдних і іонних явищ у запальному процесі. Фізико-хімічну інтерпретацію отримали закономірності клітинної проникності та її змін при патологічних процесах, тобто фізико-хімічна (біофізична патологія).
З розвитком біофізики в біологію проникли і точні експериментальні методи досліджень - спектральні, ізотопні, радіоскопічний.
3. Основні розділи біофізики
За рішенням Міжнародної асоціації загальної та прикладної біофізики, до розділів цієї дисципліни відносяться:
1. Молекулярна біофізика. Вивчає будову та фізичні властивості молекул, що входять до складу організму (насамперед білків і нуклеїнових кислот), досліджує умови рівноваги молекулярних біологічних процесів, зміни їх перебігу в часі, термодинаміку біологічних процесів. Основна проблема полягає в тому, щоб розкрити природу взаємодії атомних груп, які визначають конформаційні особливості та внутрішню динаміку біологічних макромолекул, механізми взаємодії електронних і конформаційних переходів і на цій основі зрозуміти механізм функціонування біополімерів в живих системах.
2. Біофізика мембранних процесів або біофізика клітини. Вивчає фізичні і фізико-хімічні особливості клітинних структур, закономірності поділу та диференціювання клітин, а також такі високоспеціалізовані функціональні прояви клітин, як генерація збудження і біопотенціали. Ця частина біофізики вивчає молекулярну організацію та конформаційні властивості біологічних мембран, біофізику процесу транспорту речовин через мембрану, електрогенез.
3. Біофізика фотобиологических процесів. Вивчає механізми Фотоенергетичне і фоторецепторних систем, з'ясовує роль і механізми участі електронно-збуджених станів у біологічних процесах.
4. Біофізика органів чуття. Вивчає функціонування цих систем у фізичних і біологічних аспектах і досліджує перетворення енергії, які відбуваються при сприйнятті зовнішніх подразнень.
5. Біофізика складних систем. Вивчає проблеми регулювання і саморегулювання сложноустроенних багатоклітинних організмів.
4. Завдання біофізики як фундаментальної і прикладної науки на сучасному етапі
На сучасному етапі розвитку біофізики відбулися принципові зрушення, пов'язані, перш за все з розвитком біофізики складних систем і молекулярної біофізики. Саме в цих областях, що займаються закономірностями динамічної поведінки біологічних систем і механізмами молекулярних взаємодій в биоструктур, отримані загальні результати, на підставі яких в біофізиці сформувалася власна теоретична база.
Сучасний етап розвитку біофізики характеризується тим, що на перший план виступає проблема формулювання вихідних теоретичних понять, що відображають фундаментальні механізми взаємодії в біологічних системах на молекулярному рівні. Разом з тим специфіка біологічних систем представляється у своєрідності фізичних механізмів молекулярних процесів. Принципова особливість полягає в тому, що характерні параметри елементарних взаємодій можуть змінюватися залежно від умов їх протікання в організмі. Наприклад, ефективність швидкостей окремих елементарних актів перенесення електрона в реакційному центрі фотосинтезу не тільки змінюються направлено протягом життєвого циклу розвитку, але і різна у сортів рослин, що відрізняються за фізико-біохімічними показниками та продуктивності. Вивчення глибоких біофізичних механізмів у зв'язку з фізіолого-біохімічними особливостями об'єкта створюють базу і для практичного застосування біофізичних досліджень, зокрема в медицині.
Так у цей час пріоритетними вважаються дослідження в галузі фізико-хімічної біології в цілому і біофізики зокрема такі питання:
1) Вивчення структури і механізмів вираження генів;
2) Різноманітні аспекти клітинної біології (в тому числі хромосомно-генетичні дослідження, проблеми клітинної диференціювання і міжклітинних взаємодій);
3) Вивчення структури біополімерів (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів та їх комплексів один з одним і низькомолекулярними лігандами).
Вирішення цих завдань здійснюється як за допомогою теоретичного аналізу, так і за допомогою великого набору фізичних, хімічних і біологічних методів. При цьому серед експериментальних методів провідна роль належить рентгеноструктурному аналізу кристалів білків, високодозвільного ЯМР-спектроскопії білків і поліпептидів в розчині і методам мікросеквенірованія білків.
Без термодинамічного підходу до дослідження біологічних процесів неможливо правильно розрахувати харчовий раціон для людини.
Вивчення швидкості біологічних процесів дозволяє встановити закономірності ряду біологічних явищ - зростання, розмноження, метаболізму не тільки в умовах нормального функціонування організму, але при патологічних змінах - бактеріальної інтоксикації, дію іонізуючого випромінювання, алергії і т.д.
Вивчення проникності клітин і тканин в біофізичні аспекти дозволяють фармакологам і токсикологам встановити закономірності всмоктування в організмі і виведення з організму різних препаратів. Фізіологи, патофізіологи і лікарі, вивчаючи проникність різних речовин можуть з'ясувати зміни водно-іонного обміну, що відбуваються в організмі в нормі і в патології.
Особливе значення ці питання набули в даний час у зв'язку з встановленням взаємозв'язку розладів водно-сольового балансу з різними патологічними процесами і найбільш часто зустрічаються післяопераційними ускладненнями.
Біофізичні методи (ЕКГ, ЕЕГ, ЕМГ) і проведення електричного струму в живих системах мають важливе значення для ранньої діагностики ряду захворювань, а також для оцінки процесів росту, розвитку, регенерації та життєздатності тканин, що використовуються при трансплантації.
Без відповідних біофізичних досліджень не можна достовірно виявити всі проблеми пов'язані з функціонуванням органу зору. слуху, смакових відчуттів, не можна встановити всі закономірності роботи серця, впливу випромінювань різної природи.