Биофизика

Биофизические исследования в физике

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние все шире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширя-ются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х го-дов XX в. появляется электронный микроскоп. Эффективным оруди-ем биологического исследования становятся радиоактивные изото-пы, все более совершенствующаяся спектральная техника, рентгено-структурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используют-ся не только как средства исследования, но и как факторы воздейст-вия на организм. Широко проникает в биологию и, особенно физио-логию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика. Добившись огромных ус-пехов в познании сущности неживой материи, физика начинает пре-тендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой материи. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретические обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных из организ-мов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие по-лучает разработка различных моделей биологических структур и процессов — электрических, электронных, математических и т. п. Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающая ритмические дви-жения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного про-ведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор соляной кислоты. При нанесении на него ца-рапины, разрушающей поверхностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, которая очень похожа на волны, бегу-щие по нервам при возбуждении. Изучению этой модели посвящает-ся много исследований (начиная с 30-х годов), использующих мате-матические методы анализа. В дальнейшем создается более совер-шенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основой ее по-строения явилась некоторая физическая аналогия между распреде-лением потенциалов в электрическом кабеле и нервном

Остальные области молекулярной биофизики пользуются меньшей популярностью. Среди них следует отметить математиче-скую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. Матема-тическая биофизика связана со многими областями биологии. Она не только описывает в математической форме количественные зако-номерности таких явлений, как рост, деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать сложные физиологические процессы высших организмов. В США школой Ра-шевского издается журнал «Математическая биофизика».

Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникновение в конце XIX — начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла к себе внимание биологов тем, что она открывала возможность познания физико-химических процессов в тех «гряз-ных», с точки зрения физика, живых системах, с которыми им труд-но было работать. Ряд направлений, возникших в физической хи-мии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейших событий в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевская премия, 1903) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах (1887), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес фи-зиологов, которым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, проведения нервных импульсов, в кровообращении и т. д. Уже в 1890 г. молодой физиолог В. Ю. Чаговец выступает с ис-следованием «О применении теории диссоциации Аррениуса к элек-тромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался свя-зать возникновение биоэлектрических потенциалов с неравномер-ным распределением ионов. Несколько позже с аналогичными сооб-ражениями выступил американский биолог Ж. Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.

В перенесении физико-химических представлений на биологи-ческие явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов солей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный за-кон возбуждения: порог физиологического возбуждения определяет-ся количеством перенесенных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупро-ницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противо-положных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизиче-ского направления в толковании проницаемости и структуры биоло-гических мембран в широком смысле.

Физиология клетки.

Возникновение новых направлений в физиологии животных и че-ловека, коренное изменение многих сложившихся ранее представлении и концепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м годам нашего столетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитии физиологических наук, явились следствием совре-менной научно-технической революции. Грандиозные достижения фи-зики и техники, в особенности электроники, автоматики и вычисли-тельной техники, давшие в руки физиологов принципиально новые ме-тоды сбора и анализа информации, привели к технической революции в этой области знания. Подтвердилась справедливость высказывания И. П. Павлова, что наука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.

Созданной в наше время новой инструментальной технике физио-логия обязана фундаментальными открытиями, возможностью проник-новения в интимные процессы жизнедеятельности, в их внутреннюю организацию и механизм их регуляции.

Техническое перевооружение физиологии

На протяжении десятка лет неузнаваемо изменился облик физио-логической лаборатории. Старая аппаратура, служившая исследовате-лям более столетия, отжила свой век и перекочевала в музеи истории науки.

Особенно ценными оказались следующие качества новой инстру-ментальной техники: высокая чувствительность и точность измери-тельной аппаратуры, ее быстродействие, возможность преобразования одних процессов в другие (например, механических и тепловых в элек-трические), возможность хранения и воспроизведения информации, осуществимость синхронного исследования нескольких физиологиче-ских процессов, возможность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многих приборов. Стал достижим точный коли-чественный и временной анализ микропроцессов (изменений темпера-туры в 0,000001°, механических перемещений, составляющих микроны, электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих в микрообъектах (одиночных клетках и их структурах) в микроинтерва-лы: времени (в течение долей миллисекунды). Применение современ-ной инструментальной техники и разработка большого числа новых методов исследования оказали влияние решительно на все отделы фи-зиологии.

Развитие общей физиологии тесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур. Еще в начале XX в. К. А. Тимирязев се-товал на то, что физиология клетки «пока и неосуществима, так как пе придумано еще ни весов, ни термометров, ни гальванометров для кле-точки». В настоящее время такие приборы сконструированы, и это явилось одной из важнейших предпосылок создания подлинно экспериментальной физиологии клетки. Другой предпосылкой следует считать успехи морфологического и биохимического исследования клетки, также связанные с применением новой исследовательской техники.

Для понимания происходящих в клетке физиологических процес-сов чрезвычайно велико значение исследований, выполненных при по-мощи электронного микроскопа. Благодаря его применению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70—80. А, оспаривав-шееся некоторыми исследователями, было обнаружено существование сложных систем внутриклеточных мембран и раскрыта их пространст-венная организация. Выяснилось, что мембраны представляют собой обязательный структурный элемент клетки. Особое внимание физиоло-гов привлекли исследования саркоплазматической сети (ретикулума) мышечных волокон. Это образование, впервые обнаруженное при по-мощи светового микроскопа, было вновь открыто Ф. Шёстрандом и Б. Андерсоном в середине 50-х годов благодаря применению электронно-го микроскопа, позволившего изучить детали его строения. Изучена структура миофибрилл — сократительных элементов мышечных воло-кон. Посредством электронной микроскопии сверхтонких срезов мышц в сочетании с исследованием рассеяния рентгеновых лучей под малы-ми углами установлено, что миофибриллы состоят из двух систем ни-тей, которые различаются по толщине и химическому составу. Полага-ют, что более толстые нити образованы миозином, более тонкие — ак-тином. Нити одной системы входят своими концами в промежутки ме-жду нитями другой системы, причем между теми и другими имеются связывающие их поперечные мостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия, 1963), обнаруживший такую структуру миофибрилл (1955—1956), вы-сказал предположение, что во время сокращения происходит скольже-ние одной системы нитей по другой.

Велики и достижения