Одним из наиболее активно развивающихся направлений современной биофизики является молекулярная и клеточная биофизика, сосредоточенная на изучении биологических процессов на уровне макромолекул и субклеточных структур. Используются методы молекулярной спектроскопии (Фурье-ИК, КР, ЭПР, ЯМР), рентгеноструктурного анализа, флуоресцентной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и методов криотемпературной электронной томографии.
Особое значение имеет изучение белков: их третичной и четвертичной структуры, динамики сворачивания, взаимодействий с лигандами, а также механических свойств белковых комплексов. Важным объектом также являются нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), для которых исследуются процессы суперспирализации, репликации, транскрипции и рекомбинации с точки зрения физики полимеров и теории случайных блужданий.
Применение биофизических моделей позволяет количественно описывать биохимические реакции, происходящие в клетке, включая кинетику ферментативных процессов, кооперативные эффекты и аллостерию. Важную роль играет теория стационарных и нестационарных состояний в химической кинетике, включая уравнения Майкла-Ментена и их обобщения.
Клеточные мембраны представляют собой ключевой объект биофизического анализа. Используются модели липидных бислоёв, включая фазовые переходы и флуктуации. Мембраны рассматриваются как двумерные жидкости с определённой вязкостью, поверхностным натяжением и эластичностью.
Особое внимание уделяется белкам-мембранным каналам и транспортёрам. Исследуется их проводимость, селективность и регуляция. Применяются уравнения Нернста-Планка и Гольдмана-Ходжкина-Катца, позволяющие описать электрохимический потенциал ионного транспорта. Используются электрофизиологические методы (в частности, patch-clamp), позволяющие регистрировать токи через отдельные каналы.
Также развиваются модели диффузии, осмоса, пассивного и активного транспорта, включая описания с помощью уравнений Смолуховского и Фоккера-Планка. Сложные биофизические процессы, такие как возбуждение и распространение нервного импульса, описываются с применением модели Ходжкина-Хаксли и её упрощений.
Биофизика зрения, слуха, обоняния, вкуса и тактильных ощущений представляет собой область, объединяющую молекулярные, клеточные и системные уровни. Основное внимание уделяется преобразованию физических стимулов (фотонов, звуковых волн, молекул-одорантов) в электрические сигналы.
В биофизике зрения исследуются фотохимические процессы в фоторецепторах сетчатки, структура и функции родопсина и других опсинов, а также каскады внутриклеточной передачи сигнала. Описываются процессы активации фоторецепторов, амплификации сигнала и адаптации.
Биофизика слуха охватывает механику внутреннего уха, включая микромеханику базилярной мембраны, волосковых клеток и пьезоэлектрические свойства. Используются модели колебательных систем, резонансов и нелинейных откликов. Для описания слуховой трансдукции применяются уравнения акустической волны в вязкой среде и механические модели органа Кортия.
Это направление исследует взаимодействие ионизирующего и неионизирующего излучения с живой материей. Основной задачей является выяснение механизмов радиационного повреждения биомолекул, прежде всего ДНК, и последующих каскадных процессов на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях.
Применяются модели прямого и косвенного действия ионизирующего излучения, теория радиационно-химических процессов, в частности, образование свободных радикалов и перекисей. Используются методы дозиметрии, оценки линейной передачи энергии (LET) и модели вероятности индуцированных мутаций и апоптоза.
Особое значение имеет изучение радиобиологических эффектов низких доз, модели репарации ДНК, пороговые и стохастические эффекты, а также применение биофизики в радиотерапии и радиационной защите. Активно развиваются методы моделирования треков ионизирующих частиц в тканях (Monte Carlo simulations).
Современная биофизика широко использует математическое моделирование и численные методы. Развиваются модели молекулярной динамики, стохастической кинетики, методы Монте-Карло, решаются дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие диффузию, реакцию, теплоперенос и механические деформации.
В рамках теоретической биофизики строятся модели комплексных биологических сетей: метаболических, сигнальных, генетических. Используются методы теории графов, нелинейной динамики, анализа устойчивости и бифуркаций, теории катастроф. Развиваются нейронные сети и модели искусственного интеллекта для анализа биофизических данных.
В области структурной биофизики применяются квантово-механические методы (например, DFT), а также гибридные подходы QM/MM для изучения химических реакций в ферментативных центрах. Развивается моделирование крупномасштабных биомолекулярных комплексов, включая вирусные капсиды, рибосомы, белковые сети и органеллы.
На пересечении биофизики, эмбриологии и теории нелинейных систем формируется направление, изучающее физические аспекты формирования форм в живых организмах. Исследуются процессы диффузии морфогенов, градиенты концентраций, механохимические взаимодействия клеток.
Модели Тьюринга описывают самоорганизацию пространственных структур при участии активаторов и ингибиторов. Применяются методы механики сплошных сред и теории деформируемых тел для анализа морфогенетических движений — гаструляции, нейруляции, формирования конечностей. Используются экспериментальные методы отслеживания клеточной миграции и форсометрии.
Механика клеточных коллективов и тканей требует объединения методов биофизики, механики и статистической физики. Исследуются процессы адгезии, клеточной миграции, реологических свойств тканей, формирования межклеточных связей.
Разрабатываются модели клеточной автоматики, веретённого деления, а также фазовые переходы в клеточных популяциях. Применяются методы теории упругости, гидродинамики активных сред, модели типа Vertex и Cellular Potts. Внимание уделяется коллективному поведению клеток в опухолевом росте, ангиогенезе, заживлении ран.
Исследование биологических ритмов представляет собой важное направление, связанное с регуляцией физиологических процессов во времени. Циркадные часы описываются как нелинейные автоколебательные системы, включающие обратные связи, задержки и шумы.
Используются модели, основанные на системах дифференциальных уравнений, описывающих экспрессию генов и синтез белков с участием петлей отрицательной и положительной обратной связи. Анализируются свойства устойчивых циклов, синхронизации, временных задержек и резонансов.
Исследуются фотосенсорные механизмы ресинхронизации циркадных часов, роль мелатонина, супрахиазматических ядер, а также биофизические механизмы межклеточной синхронизации. Особое внимание уделяется медицинским аспектам, связанным с десинхронозом и хронобиологической терапией.
Современная биофизика активно внедряется в медицинские и технологические приложения. Развиваются направления биофизики нейроинтерфейсов, биосенсоров, нанобиотехнологий, оптогенетики. Исследуются взаимодействия с внешними физическими полями: электрическими, магнитными, акустическими и световыми.
Создаются биоинженерные системы, в которых используются биофизические принципы — от биомиметических материалов до искусственных тканей. Активно развивается направление “лаб-он-чип” и микрофлюидики, а также применения в диагностике и терапии (фотодинамическая терапия, магнитогипертермия и др.).
Одним из перспективных направлений становится биофизика квантовых эффектов в живых системах: перенос возбуждений в фотосинтезирующих комплексах, когерентность в ферментативных реакциях, гипотезы о квантовом восприятии.
Эти направления биофизики охватывают широкий спектр задач — от фундаментального понимания механизмов жизни до практических приложений в медицине и биоинженерии. Развитие теории, моделирования и экспериментальных технологий определяет будущее этой междисциплинарной области.