Биофизика

Биофизика (далее Б) биологическая физика, наука, изучающая физические и физико- процессы, протекающие в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации живой материи — от субмолекулярного и молекулярного до клетки и целого организма. Развитие Б тесно связано с интенсивным взаимопроникновением идей, теоретических подходов и методов современной биологии, физики, химии и математики. Развитие биологии показало, что для понимания и изучения элементарных биологических явлений необходимо применение понятий и методов точных наук. Такой подход оправдан тем, что все биологические объекты представляют в конечном итоге совокупность и молекул и подчиняются физическим и закономерностям. Но так как биологические системы — это самоорганизующиеся системы, сложившиеся в процессе эволюции, им присущи многие свойства, не имеющие места в неживой природе. Сложность биологических систем обеспечивает протекание процессов, маловероятных для условий, обычно рассматриваемых в физике. Б в основном рассматривает целостные системы, не разлагая их, по возможности, на компоненты. В связи с этим возникает необходимость перерабатывать известные физико- методы, создавая высокоспециализированные биофизические методы и приемы.

Современная Б, согласно классификации, принятой Международным союзом теоретической и прикладной биофизики (1961), включает следующие основные разделы: молекулярная Б, в задачу которой входит исследование физических и физико- свойств макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы, а также характера взаимодействия и энергетики протекающих в них процессов; Б клетки, изучающая физико- основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функцией, механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; Б процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием внутренних связей системы управления в организмах, их физической природой, исследованием физических закономерностей живого на уровне целого организма.

Однако исторически сложившийся круг проблем, которыми занимается Б, шире. К Б относится: изучение влияния физических факторов на организм (см. Вибрация. Ускорение, Невесомость); исследование биологического действия ионизирующих излучений, которое в связи с важностью и актуальностью этого вопроса стало предметом радиобиологии, специальной науки, выделившейся из Б Физический анализ деятельности органов чувств, в первую очередь оптики глаза, анализ работы органов движения, дыхания, кровообращения как физических систем, вопросы прочности и эластичности тканей (см. Биомеханика) — существенные, исторически сложившиеся разделы Б Важное значение имеет и разработка физических методов исследования биологических систем — от макромолекул до целого организма, без которых невозможно современное биологическое исследование.

Отдельные исследования биофизического характера можно проследить с 17 в. В этот период были сделаны попытки применить понятия, созданные в физике и химии, для анализа биологических явлений. Французский ученый Р. Декарт рассматривал человеческое тело как сложную машину. Он опубликовал ряд работ по исследованию органов чувств — биоакустике и оптике. Последователь Декарта — итальянский ученый Дж. А. Борелли пытался объяснять движение живых существ чисто физическими закономерностями. Л. Эйлер, профессор Петербургского университета, впервые математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов выдвинул в 1756 одну из первых гипотез цветного зрения. Могучим толчком к физико- исследованиям явлений жизни послужили опыты итальянского ученого Л. Гальвани, который доказал наличие "животного электричества". Во 2-й половине 19 в. немецкие ученые Г. Гельмгольц и В. Вундт сформулировали основные закономерности физиологической акустики и физиологической оптики. Немецкий врач Ю. Р. Майер, наблюдая насыщение гемоглобина в крови человека в тропическом и умеренном климате, сформулировал закон сохранения энергии. Г. Гельмгольц и М. Рубнер продолжили исследования этого закона на живых организмах. Работами немецких ученых Г. Гельмгольца, Э. Дюбуа-Реймона, Д. Бернштейна и ряда др. были заложены основы представлений о механизме возникновения электрических потенциалов в тканях и распространения возбуждения по нерву. Значение ионного состава и реакции среды в жизни клеток и тканей было выяснено в работах американского исследователя Ж. Леба, немецких ученых В. Нернста и Р. Гебера.

В России И. М. Сеченов в конце 19 в. исследовал физические закономерности растворения газов в крови и биомеханику движений. К. А. Тимирязев изучал фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нем и особенностями спектра поглощения (1903). А. Ф. Самойлов описал акустические свойства среднего уха. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916). М. Н. Шатерников использовал термодинамические представления в исследованиях энергетического баланса организмов (1910—20). В 1905—15 были выполнены классические исследования Н. К. Кольцова о роли физико- факторов (поверхностного натяжения, концентрации ионов, катионов) в жизни клетки. Этот этап предыстории Б, охватывающий период до 20 гг. 20 в., характерен появлением отдельных работ с использованием идей и методов физики и физической химии при исследовании движения, слухового и зрительного аппаратов, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей.

После Октябрьской революции сложились благоприятные условия для развития Б в СССР. В 1919 П. П. Лазарев создал в Москве институт биологической физики, где вели работы по ионной теории возбуждения, кинетике реакций, идущих под действием света, исследовали спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного действия на организм различных факторов внешней среды. Позже такие институты были созданы и в других странах. В 20-е гг. Кольцов сформулировал концепцию о молекулярной структуре гена и матричном механизме передачи наследственной информации и синтеза макромолекул. В 20—30-е гг. вышел ряд книг, оказавших глубокое влияние на последующее развитие Б в СССР: "Биосфера" В. И. Вернадского (1926),"Теоретическая биология" Э. С. Бауэра (1935), "Физико- основы биологии" Д. Л. Рубинштейна (1932), "Организация клетки" Н. К. Кольцова (1936), "Реакция живого вещества на внешние воздействия" Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова (1940).

В эти годы шло постепенное формирование базы для биофизических исследований, разрабатывались новые методы, росло техническое оснащение лабораторий. После 2-й мировой войны в СССР и ведущих капиталистических странах в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной промышленности и резкого увеличения финансирования биологических исследований начинается бурное развитие Б

Формирование отдельных областей Б Молекулярная Б исследует механизм биологических явлений с точки зрения взаимодействия и молекул, ионов и радикалов. В задачу этого раздела входит изучение пространств, строения, физико- свойств биологических систем на молекулярном уровне. Эта проблематика тесно связана с биохимией, что особенно ярко видно на примере изучения строения биологически важных макромолекул, выяснение пространственной структуры которых требует биофизического подхода и решается методом рентгеноструктурного анализа. Последний был успешно использован для расшифровки относительно простых биологических молекул (в 20-х гг. в Англии В. Астбери удалось частично расшифровать структуру молекулы целлюлозы). Работы по структуре были начаты в 30-х гг. английским ученым Дж. Берналом. К 1954 английские исследователи Дж. Кендрю и М. Перуц нашли метод расчета пространственного расположения в молекуле Это позволило рассчитать структуру миоглобина и гемоглобина, что позволило вскрыть механизм возникновения серповидноклеточной анемии и глубже понять природу активного центра молекулы. Работы по изучению пространственной структуры ведутся в СССР на физическом факультете МГУ, в институте биофизики АН СССР и других учреждениях. Исследования структуры фибриллярных (коллагена, фиброина шелка) показали наличие регулярной структуры с периодически чередующимися группами аминокислот. Построена статистическая теория редупликации (удвоения) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). К 1968 определена структура около 200 Наряду с изучением строения отдельных молекул большие успехи достигнуты в исследовании молекулярных комплексов — ультраструктур, создающих функциональные единицы клетки.

Исследования по молекулярной Б тесно связаны с биохимией, генетикой и цитологией, молекулярной биологией.

Значительное место в молекулярной Б занимает проблема возбужденных состояний молекул в биологических системах; такие молекулы приобретают высокую активность. Наиболее изучены возбужденные состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологических процессов — фотосинтеза, зрения и биолюминесценции.

Оригинальным направлением в отечественной Б можно считать изучение сверхслабого ультрафиолетового свечения биологических систем (митогенетического излучения, А. Г. Гурвич, 1923—48). В 30-е гг. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов разработали физический метод обнаружения сверхслабых свечений биологических объектов. Успехи в разработке методов регистрации сверхслабых световых потоков с помощью фотоэлектронных умножителей привели в 50-х гг. 20 в. к открытию сверхслабого свечения ряда животных и растительных объектов в видимой области спектра. Была показана связь этого свечения с рекомбинацией свободных радикалов. А. Н. Терениным с сотрудниками были исследованы механизмы элементарных фотофизических процессов с участием пигментов, указана роль состояний молекул, открыт механизм миграции энергии в них при фотохимических реакциях, изучен механизм люминесценции (1950—65). А. А. Красновский открыл и исследовал реакцию обратимого фотохимического восстановления хлорофилла и его аналогов (1949—60). Эти работы способствовали развитию биологической фотохимии.

В одном из важных разделов Б рассматривается превращение энергии в живых организмах, начиная с превращения и миграции энергии на молекулярном уровне и кончая энергетическим балансом целого организма (см. Биоэнергетика). Исследование взаимной трансформации и механической энергии при сокращении мышечного волокна, молекулярные механизмы движения ресничек и жгутиков у простейших, движения протоплазмы и клеточных органелл стали предметом изучения механохимии, находящейся на стыке биохимии и молекулярной Б В 1938 в работе советских ученых В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, изучавших механизм мышечного сокращения, было впервые продемонстрировано наличие прямой связи между механическими и процессами. В дальнейшем эти работы были развиты американским ученым А. Сент-Дьердьи.

Традиционный раздел Б — изучение физико- свойств клетки и проницаемости биологических мембран для различных веществ. Все большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов. Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области Б, биохимией и физиологией, является создание искусственной почки.

Важной проблемой Б является изучение биоэлектрических явлений. В этой области Б тесно связана с физиологией (см. Биоэлектрические потенциалы). Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 в. Ее источник — создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким ученым Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50—60-е гг. работами английских ученых А. Ходжкина, А. Хаксли и Б Каца, изучавших изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении (см. Мембранная теория возбуждения). Значительное место занимают также исследования других физико- свойств клеток — вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологических состояниях и тех или иных воздействиях.

Биофизические закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики (изучение механизма теплоотдачи, теплоизоляции, теплопродукции, скорости охлаждения при различных условиях и т.п.).

Б процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической и биомеханикой. Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования советского ученого Н. А. Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи в биологических системах (1934). Изучение биомеханики движений (ходьба, бег, трудовые движения и др.), дыхания и кровообращения имеет исключительную важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полетами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусственного дыхания и кровообращения.

Биофизические исследования ведутся в СССР во многих научных учреждениях, в частности в институте биофизики АН СССР, институте цитологии АН СССР, институте молекулярной биологии АН СССР, на кафедрах биофизики в МГУ, ЛГУ и в других учреждениях. Одна из первых в мире кафедр Б была основана в МГУ в 1953 БН. Тарусовым. Исследования по Б и подготовка кадров ведутся во многих странах мира. Великобритания — Лондонский университет, Институт молекулярной биологии, Кембридж; Венгрия — университет в г. Печ; ГДР — Институт биологии и медицины, Берлин; Израиль — Институт Вейцмана, г. Реховот; Индия — Институт молекулярной биологии и ядерной физики в Дели и университет в Мадрасе; КНР — Институт биофизики, Пекин; Польша — Варшавский университет и Институт биохимии и биофизики АН ПНР; Румыния — Институт биофизики, Бухарест; США — Йельский университет, Массачусетсский технологический институт, университет, Гарвардский университет, Рокфеллеровский институт и многое др.; — Институт физико- биологии в Париже, Институт макромолекулярных исследований в Страсбуре и др.; ФРГ — Институт биофизики общества М. Планка, Франкфурт-на-Майне, Институт биологической и медицинской физики при Геттингенском университете и др.; Чехословакия — Институт биофизики в Брно, Пражский университет; Швеция — Отделение биофизики при Нобелевском институте в Стокгольме; Япония — университет в Осака, Институт там же, Токийский университет.

На 1-м Международном биофизическом конгрессе, состоявшемся в Стокгольме в 1961, был создан Международный союз теоретической и прикладной биофизики, в центральный совет которого входят представители СССР.

Периодические издания, в которых публикуются работы по Б: "Б" (М., 1956—); "Молекулярная биология" (М., 1967—); "Радиобиология" (М., 1961—); "Advances in Biological and Medical Physics" (. ., 1948—); "Biochimica et Biophysica Acta" (. .— Amst., 1947—); "Biophysical Journal" (. ., ₉₆₀—); "Bulletin of Mathematical Biophysics" (Chi, 1939—); "Journal of Cell Biology" (. ., 1962—; в 1955— 1961 наз.—"Journal of Biophysical and Biochemical Cytology"); "Journal of Molecular Biology" (. .—L., 1959—); "Journal of Ultrastructure Research" (. .—L., 1957—); "Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry" (L., 1950—).

Лит.: Бернштейн Н. А., О построении движений, М., 1947; Лазарев П. П., Сочинения, т. 2, М.— Л., 1950; Бреслер С. Е., Введение в молекулярную биологию, М. —Л., 1966; Молекулярная биология. (Сб. ст.), пер. с англ., М., 1963; Пасынский А. Г., Биофизическая М., 1963; Аккерман Ю., Б, пер. с англ., М., 1964; Вопросы биофизики. Материалы Международного биофизического конгресса. Стокгольм, июль — август 1961, М., 1964; Сетлоу Р., Поллард Э., Молекулярная биофизика, пер. с англ., М., 1964; Волькенштейн М. В., Молекулы и жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Б, М., 1968; Casey Е., Biophysics. Concepts and mechanisms, . .—L., 1962; Physical techniques in biological research, v. 1—5, . ., 1955—64.

Б Н. Вепринцев.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.