Биофизика возникла как область знания на стыке физики, биологии, химии и математики, в результате осознания того, что процессы, происходящие в живых организмах, подчиняются универсальным законам физики. Систематическое применение физических подходов к биологическим объектам началось в XIX веке, но истоки биофизических представлений прослеживаются ещё в работах античных мыслителей, таких как Аристотель, Герофил, Гален и др., стремившихся осмыслить природу жизни в терминах движения, баланса и взаимодействия веществ.
Становление биофизики как самостоятельной науки связано с развитием экспериментальных методов, физико-химической теории, а также с развитием вычислительных средств, позволивших количественно описывать сложные биологические системы.
В XVII–XVIII веках исследования в области физиологии начали приобретать количественный характер. Гельмгольц измерил скорость проведения нервного импульса, продемонстрировав применимость физических измерений к биологическим процессам. Работы Луиджи Гальвани по биоэлектричеству стали отправной точкой для понимания электрической природы возбуждения и передачи сигналов в живых тканях.
Развитие термодинамики и представлений о сохранении энергии позволило формулировать принципы энергетического баланса в организме. Работы Майера и Гельмгольца показали, что процессы в живом теле подчиняются тем же законам термодинамики, что и неорганические процессы, а дыхание можно рассматривать как форму окислительного процесса.
XX век ознаменовался бурным развитием структурных методов — рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, ЯМР-спектроскопии, позволивших рассматривать молекулы жизни — белки, ДНК, РНК — как объекты с определённой пространственной организацией. Выдающееся открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком (1953), основанное на рентгеновских данных Розалинд Франклин, стало поворотным пунктом, показав важность физико-химического анализа для понимания механизмов наследственности.
Параллельно развивались методы молекулярной динамики и статистической механики, которые позволили моделировать конформационные изменения биомолекул и исследовать их взаимодействия в терминах потенциалов и энтропийных эффектов.
Среди направлений, развившихся в рамках биофизики, особое место занимает электрофизиология — исследование электрической активности клеток и тканей. Работы Ходжкина и Хаксли по моделированию потенциала действия в аксоне кальмара (1952) продемонстрировали, как можно применять методы теоретической физики для описания и предсказания биологических явлений. Их модель, основанная на системе дифференциальных уравнений, до сих пор остаётся базовой в физиологии нервной системы.
Дальнейшее развитие нейробиофизики сопровождалось появлением метода патч-кламп и открытием ионных каналов, которые стали основой для понимания молекулярных механизмов возбудимости. Применение флуоресцентной микроскопии и оптогенетики позволило визуализировать активность отдельных нейронов и даже манипулировать ими в живом мозге.
Понимание роли света в биологических процессах стало возможным благодаря фотобиофизике. Изучение фотосинтеза, фоторецепции, биолюминесценции потребовало разработки новых оптических методов и моделей переноса энергии в фоточувствительных системах.
Работы в области фотосинтеза, начиная с исследований кислородного выделения у растений, привели к созданию модели фотохимического цикла, включающего фотоиндуцированный перенос электронов, возбужденные состояния хлорофилла и их релаксацию. Были выявлены механизмы квантовой эффективности светосбора и обсуждены проявления квантовой когерентности в процессе переноса энергии.
На этой основе сформировалась область биофотоники — разработка и применение фотонных методов для диагностики и терапии: флуоресцентная томография, двухфотонная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, лазерная абляция тканей.
С началом эры ядерной физики возникла необходимость изучения воздействия ионизирующего излучения на живые организмы. Радиобиофизика исследует физико-химические механизмы повреждения клеток, ДНК и белков под действием альфа-, бета-, гамма- и рентгеновского излучения, нейтронов и протонов.
Формирование представлений о радиочувствительности различных тканей и радиопротекторных механизмах легло в основу лучевой терапии и радиационной безопасности. Математические модели распределения дозы и вероятности индуцированных повреждений используются в онкологии для оптимизации облучения.
Биофизика — одна из немногих областей биологии, где применяются развитые методы теоретической физики. Здесь разрабатываются:
В этой области изучаются механизмы клеточной архитектуры, транспорта веществ через мембраны, внутриклеточного перемещения органелл. Мембраны рассматриваются как двухмерные жидкости с вложенными белковыми комплексами, обладающими подвижностью и функцией рецепции или транспорта.
Активный транспорт и механические свойства цитоскелета анализируются в рамках моделей активной материи, описывающей взаимодействие моторных белков, микротрубочек и актиновых волокон. Важное место занимает понимание осмоса, давления, градиентов концентраций, которые регулируют клеточную физиологию.
Современная биофизика активно взаимодействует с нанотехнологиями, информатикой, инженерией и медициной. Возникают новые дисциплины:
Научные общества, кафедры и институты биофизики начали активно формироваться во второй половине XX века. В СССР ключевыми центрами стали Институт биофизики АН СССР, Институт теоретической и экспериментальной биофизики в Пущино, кафедры биофизики в МГУ, ЛГУ и других университетах.
Международные организации, такие как Biophysical Society (США), European Biophysical Societies’ Association, координируют глобальные исследования и проводят крупнейшие конференции. Научные журналы — Biophysical Journal, European Biophysics Journal, Journal of Molecular Biology — обеспечивают обмен последними достижениями.
История биофизики — это не просто череда открытий, а формирование нового способа мышления: рассмотрение жизни как проявления фундаментальных физических процессов. Эволюция методов, понятий и моделей в биофизике свидетельствует о глубоком единстве природы и о необходимости междисциплинарного подхода к решению задач биологии и медицины.