Что такое биофизика

Человек стремится познать мир. В этих дерзаниях человек опирается на науку и технику. Громадные радиотелескопы услышали "голос" далеких галактик, прочные батискафы помогли открыть на дне океана новый мир с невиданными животными, мощные ракеты вышли из сферы земного притяжения и открыли дорогу в космос...

Есть в окружающей нас природе еще одна "крепость". Это сама жизнь. Да, жизнь, живой организм, живая клетка - невидимый глазом комочек протоплазмы (или цитоплазмы) с ядром, заключенный в оболочку,- одно из самых загадочных явлений в мире. И эта "крепость" должна сдаться, мощное оружие - ум человека срывает покровы с микроскопических миров живых клеток, проникая в самую сущность жизни.
Изучение человеком природы идет сейчас так стремительно и приводит к таким неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки старых наук. Например, физика - одна из наиболее важных наук о природных явлениях - развилась так широко, что возникла потребность выделить новые, самостоятельные области - квантовую физику, ядерную, физику твердого тела, астрономическую, радиофизику и др. Процесс расширения и углубления человеческих знаний о природе привел к появлению и таких разделов наук, которые изучают процессы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знания.
Такой пограничной наукой, возникшей на стыке биологии, физики и химии, является биофизика, играющая особую роль в изучении свойств живой материи.
Биофизика - это наука о физических и физико-химических процессах и их регулировании в живом организме.
От биофизики в свою очередь отпочковываются новые науки, расширяющие горизонты человеческих знаний. Так выделилась радиобиология - наука о действии различных видов радиации на живые организмы; космическая биология - наука, изучающая особенности жизни в космосе; механохимия, исследующая взаимное превращение химической и механической энергии, происходящее в мышечных волокнах; совсем недавно возникла бионика, изучающая живые организмы с целью использовать принципы их работы для создания новых, совершенных по конструкции приборов и аппаратов.
Рассказ об этих научных дисциплинах, входящих в биофизику, занял бы слишком много места, поэтому мы расскажем лишь о трех главных направлениях, развиваемых сегодня в биофизике, о трех ее отделах - молекулярной биофизике, клеточной и биофизике процессов управления.
Каждая наука, и биофизика в том числе, состоит из двух частей - теоретической и экспериментальной, тесно связанных друг с другом, взаимно дополняющих друг друга. Но между ними есть и различия. Теоретическая биофизика изучает первичные явления и процессы, происходящие в биологических молекулах, на модельных, как говорят ученые, веществах, т. е. на выделенных из живого организма или искусственно созданных системах. Вот на таких модельных системах изучают основные процессы фотосинтеза, природу биопотенциалов, биолюминесценцию и другие явления.
Экспериментальная же (прикладная) биофизика изучает работу организма в целом и его отдельных органов, используя методы и подходы теоретической биофизики (биофизика движения, зрения, регулирования физиологических функций).
Один из больших отделов биофизики, как уже было сказано, называется молекулярной биофизикой. Этот отдел изучает свойства биологических молекул, физико-химические процессы, происходящие в чувствительных клетках, их взаимосвязь с клеточными структурами. Особое внимание уделяется при этом изучению свойств ферментов - белков, обладающих свойством ускорять (катализировать) биохимические реакции в живых организмах.
Благодаря успехам молекулярной биофизики люди узнали много нового о том, как хранится и передается информация в живых клетках, как происходит передвижение молекул и ионов, как идет синтез белков, как запасается энергия в живых клетках. Молекулярная биофизика помогает в изучении фотосинтеза.
Все видели зеленые листья растений. Но, наверное, не все знают, какие удивительные процессы происходят в обыкновенном листе березы или черемухи, яблони или пшеницы. Солнце посылает на Землю колоссальное количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавливающие ее, создающие с ее помощью органическое вещество и тем самым дающие жизнь всему живому на Земле.
Этот весьма важный процесс протекает в зеленых частицах, находящихся в клетках листа, - хлоропластах, содержащих растительные пигменты - хлорофилл и каротиноиды.
Порции световой энергии поглощаются пигментами и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а затем и протон используется для восстановления углекислого газа до углеводов. (Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом по частям отнимается у молекулы воды. Вода окисляется и присоединяется к углекислому газу, и получаются углеводы.) Остаток же воды (его называют гидроксилом) разлагается особыми ферментами, образуя кислород, которым дышит все живое.
Мы рассказали очень сжато о фотосинтезе. На самом деле превращение световой энергии, поглощенной хлорофиллом, в химическую энергию веществ, синтезированных в зеленом листе, представляет собой бесконечную цепь молекулярных изменений. Во время этого процесса электроны переходят с одних молекул на другие, образуются и распадаются молекулы соединений, обладающие большой энергией, происходят сотни тысяч реакций.
Над разгадкой этого процесса также много трудились биофизики, и выяснению его деталей мы обязаны молекулярной биофизике.
Можно задать вопрос: а для чего так долго и упорно бьются ученые над тайной зеленого листа? Дело в том, что зеленый лист - это как бы миниатюрный "завод", вырабатывающий вещества, составляющие основу питания человека. Подсчитано, что в качестве сырья зеленые растения потребляют в год громадные количества углекислого газа - 150 000 000 000 г! Если ученые разгадают до конца великую тайну зеленого листа, человечество получит самый быстрый и самый экономичный способ получения питания и других важных продуктов, одним словом, все то, что сегодня дают человеку зеленые растения.
Молекулярная биофизика занимается также и процессами, которые протекают в животных организмах, например в их органах чувств.
Одна из таких удивительных и необычайных страниц молекулярной биофизики - изучение запаха. Химики создали около 1 млн. органических соединений, и почти все они имеют свой характерный запах. Человек может различать несколько тысяч запахов, причем для некоторых веществ достаточно исключительно малых количеств, чтобы их ощутить, - всего миллионные и миллиардные доли миллиграмма на литр воды (например, таких веществ, как скатол, тринитробутилтолуол, [достаточною-7-Ю-9 мг/л).
Животные оказываются чувствительнее человека. Собаки, например, различают около полумиллиона различных запахов! Они способны (особенно собаки-ищейки) чувствовать нужный запах, даже если он ничтожно слаб. Стоит человеку только чуть-чуть прикоснуться к предмету - и собака уже может определить, кто это сделал. Известны случаи, когда натренированные собаки-ищейки помогали геологам находить руду, лежащую под землей на глубине 2-3 м.
Но, пожалуй, всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают пахучее вещество при его неизмеримо малом содержании-10" мг/л. Это все равно, что растворить одну каплю вещества в 100 млрд. м3 воды! Бабочки находят друг друга по запаху на расстоянии нескольких километров. Расчеты показывают, что в таком случае бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 мг воздуха. Как это происходит, остается пока загадкой. Некоторые ученые предполагают, что пахучие вещества распространяют электромагнитные волны, энергия которых воспринимается чувствительными клетками насекомых и помогает им находить друг друга на таких больших расстояниях.
Недавно внимание биофизиков привлекла необычная способность некоторых видов мух. Оказывается, муха, коснувшись лапками какого-либо вещества, мгновенно производит точный химический анализ. Механизм этого явления неизвестен, но установлено, что особые чувствительные клетки на лапках определяют "вкус" вещества электромагнитным путем!
Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различия в чувствительности и строении органов обоняния у различных групп животных, рыб и насекомых, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установлено, что имеется несколько основных (6-7) запахов, сочетаниями которых объясняется все их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятельных клеток, воспринимающих запах. В клетках есть молекулярные по размерам углубления строго определенной формы и размера, соответствующие форме молекул пахучих веществ (молекула камфары имеет подобие шара, молекула мускуса - диска и т. д.). Попадая в "свое" углубление, молекула раздражает нервные окончания и создает ощущение запаха.
Даже из краткого рассказа видно, что существует тесная связь между изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологических молекул, а также те системы, которые образуют молекулы в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, а другая исследует свойства и функционирование клеток - выделительных, сократительных, обонятельных и др.
Развитию биофизики клетки, о которой мы сейчас расскажем, во многом способствовало изобретение электронного микроскопа. Применение электронного микроскопа с увеличением в сотни тысяч, миллионы раз намного расширило наши знания о живых организмах, населяющих планету, о их внутреннем строении. При исследовании клетки электронным микроскопом сразу открылся новый мир ультрамикроскопических (самых мельчайших) клеточных структур. Электронные микроскопы позволили увидеть различной толщины мембраны, мельчайшие трубочки, в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, крохотные пузырьки, полости, канальцы. Исследования показали, что даже самые мелкие клеточные структуры - митохондрии, хлоропласты - тоже имеют довольно сложное строение. Стало ясно, что любая клетка, кажущаяся простым комочком протоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших клеточных частиц (как говорят, структурных элементов), действующих в строгом порядке и связанных между собой сложно, точно и согласованно.
Особенно поразило исследователей многообразие структурных элементов. Например, в нервной клетке находится до 70 тыс. частиц - митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности. Кроме того, в клетке находится до сотни тысяч самых мелких частиц - рибосом, создающих белковые молекулы.
Самое удивительное то, что в любой маленькой клеточке живого организма происходят точные согласованные процессы: идет поглощение необходимых веществ и выделение ненужных, происходит дыхание, деление. Наряду с этим клетки выполняют специальные функции: клетки сетчатки глаза определяют силу и качество света, клетки слизистой оболочки носа определяют запах веществ, клетки различных желез выделяют особые вещества - ферменты, способствующие пищеварению, и гормоны, помогающие росту и развитию организма.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки сообщают нервными электрическими импульсами в головной мозг - главный координирующий центр. Как клетки получают необходимые сведения из окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах-импульсах, как образуются биологические потенциалы в клетках, какова связь с головным мозгом - все эти и многие другие вопросы изучает биофизика клетки.
Недавно в области биофизики клетки сделано важное открытие. Давно известно, что многие живые организмы обладают способностью к свечению - люминесценцией. Сильно свечение многих обитателей морей - рыб, губок, звезд и т. д. Но оказывается, клетки любых организмов обладают люминесценцией - так называемым сверхслабым свечением. Этот свет столь ничтожен, что обнаружить его могут лишь особые приборы - фотоэлектронные умножители, способные в миллионы раз усиливать падающий световой поток. Сверхслабое свечение наблюдается в корешках и листьях растений, в клетках различных органов животных. Сверхслабое свечение присуще всем клеткам живых организмов и происходит в результате биохимических реакций, протекающих в клетках.
Ученые выяснили, что сверхслабое свечение имеет свои особенности у различных групп животных, насекомых и растений. По интенсивности сверхслабого свечения биофизики уже сейчас могут определить засухо- и морозоустойчивость сельскохозяйственных растений (ячмень, пшеница) и тем самым помочь селекционерам и физиологам растений в выведении нужных сортов.
Мы уже рассказывали, что все клетки взаимосвязаны, что идущие в них реакции, несмотря на их сложность, протекают с удивительной правильностью и постоянством, говорили мы и о тесной связи всех клеток с головным мозгом. Эти особенности клеток, органов и целого организма изучает возникший совсем недавно отдел науки - биофизика процессов управления и регуляции.
Расскажем о работе этого отдела на следующем примере. Каждый орган человека состоит из бесчисленного количества клеток, часто выполняющих специфическую работу. Например, большую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа - так называемый обонятельный эпителий. Слизистая оболочка занимает площадь не более 4 с но содержит чуть ли не 500 млн. обонятельных клеток-рецепторов. Сведения о их работе передаются в обонятельный нерв по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., и далее в мозг. Отделы мозга - полушария головного мозга - содержат 2 1010 клеток, а в мозжечке их еще больше-10й. Даже] трудно себе представить, какой поток информации получает мозг каждую секунду от всех органов и тканей.
Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов, должны быть правильно расшифрованы, затем необходимо принять соответствующие "решения" и передать ответные сигналы - указания о том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы в целом в определенных условиях. Ясно, что в центральную нервную систему поступают тысячи разнообразных сигналов из внешней среды в виде звуков, света, запахов и пр. Таким образом, | мы видим, насколько сложны взаимосвязи в любом организме, как сложна работа по управлению клетками, регулированию их состояния, контролю за согласованностью всех жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на законы, открытые другой наукой - кибернетикой. Пользуясь ее методами, биофизики, изучающие процессы управления и регулирования, разработали электронные модели живых организмов, органов, клеток и даже отдельных процессов, происходящих в этих клетках. Такие электронные модели (например, электронная черепаха, электронная нервная клетка, электронная модель процесса фотосинтеза) облегчают изучение всех | сложных явлений регуляции в живом организме.
Биофизики, изучающие регуляцию и управление в живом организме, выяснили, что как клетки, так и органы живых организмов представляют собой систему, обладающую удивительным свойством. Клетки и органы, как говорят биофизики,- это САМО-регулирующиеся, САМОорганизующиеся, САМОнастраивающиеся, САМОобучающиеся системы, т. е. вся их работа, необычные качества и свойства, характеризующие их, постоянство состава среды внутри них и выполняемой ими работы - все обусловлено процессами, протекающими в них самих.
Чтобы немного подробнее представить себе работу биофизиков, расскажем об одном интересном направлении, возникшем на основе биофизики и уже оформившемся в самостоятельную биофизическую науку - бионику.
Это наука, которая изучает живые организмы для создания совершенных искусственных систем, машин и приборов. Результаты исследований биоников показали, что инженерам-конструкторам всех специальностей есть чему поучиться у природы. Вот несколько примеров.
В конструкцию современных электронных вычислительных машин входит большое количество различных деталей (полупроводниковые диоды, триоды, сопротивления, конденсаторы и т. д.). Размеры электронных вычислительных машин зависят от того, сколько таких деталей (элементов) находится в 1 см3 машины. Чем больше рабочих элементов в 1 см3 (так называемая плотность монтажа), тем более емка "память" машины, больше возможностей проводить нужные операции, лучше работа. Оказывается, что если наивысшая плотность монтажа в технических схемах машин достигает 2000 элементов в 1 слг3, то плотность монтажа элементов мозга в 50 тыс. раз больше: 100 ООО ООО элементов в 1 см3.

Отличие живых организмов от самых сложных современных машин и приборов проявляется не только в строении, но и в свойствах. Возьмем, к примеру, органы зрения. Глаза у животных не только разной величины - от микроскопически малых у муравья (0,1 мм) до гигантских (20-30 см) у кальмаров, - но отличаются и другими свойствами.
Оказывается, глаз рыбы-мечехйоста способен усиливать контраст между краем видимого изображения и общим фоном, так что предмет становится резко очерченным - подобно тому как это делают на экране телевизора, усиливая или ослабляя контраст. Интересным свойством обладает также глаз обыкновенной болотной лягушки. Известно, что лягушка питается только движущейся пищей - мухами, мошками, жучками. Но если насекомое не движется, лягушка никогда не найдет свою пищу и останется голодной: ее глаз воспринимает лишь движущиеся предметы, оставляя без внимания фон.
Давно было известно, что ночные лесные птицы (филин, сова) отлично видят в темноте, но совсем недавно выяснилась необычайная способность некоторых животных (лягушки, мыши) видеть даже "невидимые" ионизирующие лучи - рентгеновскую и космическую радиацию.
Природа оказалась исключительным конструктором, достигшим необычайных высот мастерства и в области слуха. Опыты показали, что человеческое ухо по своей чувствительности способно воспринимать звуки, ничтожно малую интенсивность которых даже трудно себе представить. Ее можно сравнить разве что с "шумом", с которым происходит тепловое движение молекул! Не менее поразителен слуховой орган кузнечика, расположенный у него на ножке. Этот орган позволяет кузнечику чувствовать колебания, размах которых (амплитуда) составляет половину диаметра атома водорода! Чувствительность слуха кузнечика настолько высока, что, находясь в Москве, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие в районе Дальнего Востока.
Бионика стремится познать все необычные свойства живых организмов и применить полученные данные для создания машин и приборов. Например, ученые разрабатывают прибор, который даст возможность слепым читать книги, набранные обычным типографским шрифтом. Уже создана модель искусственной руки, управляемой мыслью человека, точнее говоря, биопотенциалами, возникающими в мышцах. На основе изучения глаз пчелы и стрекозы (у них, кстати, очень большой угол зрения - 240-300°) конструкторы создали прибор - небесный компас, используемый при движении судов, самолетов. Изучение медузы помогло сконструировать прибор, предупреждающий о наступлении шторма почти за 15 часов. Список приборов, разработанных биониками, весьма большой, и даже простое их перечисление заняло бы много времени.
Но бионики не только копируют функции и строение отдельных органов животных. Они исследуют и используют особенности передачи информации у насекомых, птиц, рыб. Результаты этих работ очень интересны. Так, недавно стало известно, что комары поддерживают между собой связь с помощью электромагнитных волн миллиметрового диапазона (13-17 мм), причем дальность действия комариной "радиостанции" - 15 м\ Записаны звуки, издаваемые комарами при "испуге", "страшной опасности" (например, при появлении летучей мыши). Ученые работают над созданием ультразвуковых аппаратов, отпугивающих вредных насекомых и привлекающих полезных. (О бионике также см. ст. "Что такое техническая кибернетика и бионика".)

Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше как в области изучения молекул, клеток, так и организма в целом. Наш век - это время великих свершений во всех областях знания, в том числе в познании живой природы.

А.П. Дубов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

БИОФИЗИКА - наука, изучающая физические свойства и явления как в целом организме, так и в отдельных органах, тканях, клетках, а также физ.-хим. основы процессов жизнедеятельности.

На протяжении развития Б. как науки в ней выделилось два раздела, каждый из которых отличается своей методологической направленностью.

Первый раздел (физическое направление, или собственно биологическая физика) изучает физику и физические свойства организма в целом или отдельных составляющих его компонентов. Этот раздел Б. занимается общими проблемами физической термодинамики белка и его превращений, тепломассообменом, физикой мышечного сокращения и физическими свойствами сократительных белков и т. д. Биологические системы при этом изучаются преимущественно как физические, используется физическое и математическое моделирование; сюда же примыкает математическая биофизика.

Второй раздел Б., носящий преимущественно биологическую направленность, изучает физ.-хим. основы процессов жизнедеятельности. В историческом плане он возник на базе физической химии и включает в себя изучение частных вопросов термодинамики, кинетики и катализа биологических процессов; физ.-хим. основы электрических явлений в живой клетке; физикохимию коллоидного состояния протоплазмы и т. д. Данный раздел Б. условно можно отождествить с биофизической химией (см.); он тесно связан с органической химией и биохимией, физиологией, патофизиологией и другими мед.-биол, науками.

На базе достижений Б. и в связи с запросами практической медицины возник ряд новых смежных с Б. дисциплин: медицинская физика (см.) и радиобиология (см.), в основе которых лежит ряд фундаментальных исследований в области взаимодействия атомных, электромагнитных и корпускулярных излучений с живыми объектами.

В Б. выделяют комплекс сведений из различных ее отделов, нашедших применение в медицине под условным названием «медицинская биофизика». Сюда можно отнести изучение последствий радиации на основе анализа физ.-хим. механизмов первичных реакций, возникающих в клетке при действии облучения. К области мед. биофизики относится изучение физ.-хим. свойств отдельных веществ и соединений в клетке и их изменений в норме и патологии, а также изучение влияния на организм таких факторов, как вибрация (см.), ускорение (см.), невесомость (см.) и т. д.

Бурному развитию Б. в середине 20 в. во многом способствовало развитие атомной энергетики, космонавтики и других областей человеческой деятельности, потребовавших разработки способов защиты организма человека от действия ионизирующих излучений, вибрации, ускорений и других физ. факторов.

Оба названных выше направления Б. представлены соответствующими кафедрами на физ. факультетах университетов и в технических вузах, с одной стороны, и на биол, факультетах университетов, медицинских и ветеринарных вузов - с другой, имеющих различные программы и профили подготовляемых специалистов и большие различия по своей научной направленности.

Методы биофизики широко используются в теоретической и практической медицине, они дают возможность получать информацию о физ.-хим. процессах, непосредственно лежащих в основе возникновения патологических процессов. Биофизика наложила большой отпечаток на учение о патологии, на теоретические представления о воспалении, отеке, нефрите, механизмах водного баланса, мембранной проницаемости клеток и их нарушениях при патологии и т. д.

Биофиз. методами изучают терапевтический эффект действия различных физ. факторов, применяемых в физиотерапии. Тесно связаны с Б. электрофизиология и неврология, использующие биофиз. представления о природе возбуждения и проведения в нервах в норме или при интерпретации некоторых патологических проявлений. В офтальмологии широко используют достижения Б. в области фотохимических процессов, происходящих в зрительных органах. Большую роль играет Б. в понимании первичных механизмов лучевого поражения и разработке мер профилактики его лечения.

Б. органически связана с фармакологией и токсикологией, т. к. помогает понять физ.-хим. механизмы действия различных лекарственных веществ (наркотиков, ядов), а также количественные показатели их токсического действия. Б. тесно связана с иммунологией, вирусологией (методы Б., в частности, играют большую роль в выявлении природы вирусов, фагов).

В мед. практике используются также другие биофизические методы (электродиагностика, коллоидно-химические реакции, методы оценки физ.-хим. свойств эритроцитов, спектральные методы, методы электропроводности и т. д.).

«Физическая» Б. в меньшей мере связана с медициной, т. к. долго носила чисто теоретический характер и имела практическое значение лишь в дозиметрии излучений. В наст, время связи этого направления Б. с медициной расширяются, через молекулярную биологию оно вошло в область молекулярной патологии, когда заболевания связываются с нарушениями в строении крупных биополимерных молекул, напр, гемоглобина и др.

История биофизики

Чисто формально попытки применения законов физики к биологии можно отнести к моменту возникновения физики. Однако подобные попытки были наивны с точки зрения их применения и носили явно механистический характер, поскольку основную роль в них играли внешние аналогии - биол, явления, внешне сходные с физ., трактовались как физ. проявления. Так, напр., еще в середине 19 в. в качестве модели объяснения механизма мышечного сокращения предлагался пьезоэлектрический эффект (явление изменения объема кристаллов под влиянием электрического поля), на принципе к-рого была сконструирована модель - каучуковые пленки, переложенные металлическими пластинами, сокращающиеся под влиянием электрического ноля. Вместе с тем попытки применения законов физики и механики имели положительный выход. Так, Дж. Борелли объяснял законами механики все формы движения животных, в т. ч. мышечное сокращение и пищеварение. У. Гарвей на основе количественных измерений и применения законов гидравлики создал учение о кровообращении. Этапом в развитии Б. стали исследования Л. Гальвани (открытие в 1791 г. животного электричества), которые привели в итоге к созданию электрофизиологии (см.), а также вызвали интерес к изучению механизма происхождения биоэлектрических потенциалов и их значения в физиол, процессах (см. Биоэлектрические потенциалы). Первая попытка объяснения механизма возникновения биоэлектрических потенциалов связана с именем Э. Дюбуа-Реймона (середина 19 в.). Он показал связь возбуждения с развитием электрической активности. Непосредственным развитием взглядов Дюбуа-Реймона стало представление о мембранах как о поверхностях раздела, на которых происходит образование электрического заряда, автором к-рого стал Бернштейн (J. Bernstein). Открытие первого закона термодинамики - связи между работой и теплом - послужило мощным толчком для развития биоэнергетики (см.). Большая роль в формировании Б. принадлежит немецкому физиологу и физику Г. Гельмгольцу. Он дал описание глаза как оптической системы, описал работу акустического аппарата с физических позиций, впервые измерил скорость распространения нервного возбуждения. Являясь одним из создателей термодинамики, Гельмгольц первым сделал попытку применить второй закон термодинамики к живым организмам.

Крупным событием для своего времени явилось появление кабельной теории возбуждения и проведения электрического импульса (начало 20 в.), исходившей из факта обнаружения высокого электрического сопротивления нервной оболочки и сравнительно высокой электропроводности сердцевины (см. Возбуждение). Физической моделью этого явления послужил электрический кабель с металлической сердцевиной и внешней оболочкой - изолятором. Эта теория способствовала развитию представлений об электрических свойствах нервной ткани. Большой интерес вызвала модель нервного возбуждения, предложенная Лилли (R. Lillie), который показал, что если в раствор крепкой кислоты поместить металлическую проволоку и механически повредить ее поверхностный (окисный) слой, то в этой системе возникают потенциалы, по своим характеристикам напоминающие электрические явления, которые возникают при распространении возбуждения по нервам. Эта модель подвергалась детальному анализу, широко обсуждалась в литературе и стимулировала дальнейшие исследования электрических свойств нервной ткани.

С появлением в физике квантово-механических представлений о природе излучений (20-е годы) возникла теория [Д. Ли, Альтман (W. I. Altman), H. В. Тимофеев-Ресовский и др.], пытавшаяся с квантовых позиций объяснить закономерности действия излучений на организмы,- так наз. теория мишеней и попаданий. Эта теория объясняла действие различных видов излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, а также ядерного) вероятностью попадания активных частиц в так наз. гипотетический чувствительный объем. Эта теория хотя и не достигла своей основной цели в объяснении механизма лучевого поражения, однако сыграла большую роль в выявлении количественных зависимостей между дозой и энергией, поглощенной объектом, а также и в разработке некоторых теоретических вопросов генетики и, в частности, теории гена.

Появление биофиз. химии (хим. биофизики, или физ.-хим. биологии) тесно связано с физической химией, возникшей из необходимости обобщения связей между физ. свойствами молекул и их хим. активностью. Успехи, достигнутые различными разделами физической химии (электрохимии, коллоидной химии, кинетики хим. реакций, термодинамики и т. д.), показали, что многие механизмы биол, явлений могут быть поняты с физ.-хим. точки зрения.

И. М. Сеченов, используя методы физической химии и математический анализ, изучал динамику дыхательного процесса и установил при этом количественные законы растворимости газов в биол, жидкостях. Он же предложил называть область подобного рода исследований молекулярной физиологией.

Большое влияние на развитие биофиз. исследований оказала теория электролитической диссоциации С. Аррениуса (1887). Он показал, что физ.-хим. активность солей связана с появлением заряженных ионов. Сразу же возникло предположение о том, что биол, роль солей связана с их диссоциацией на ионы, и на основе этой теории киевский физиолог 13. Ю. Чаговец построил оригинальную теорию возбуждения - так наз. конденсаторную теорию возбуждения, к-рая быстро завоевала мировую популярность. Одновременно возникло представление о клеточных мембранах как субстрате, на к-ром ионы образуют электрически заряженные слои, создавая при этом потенциал покоя.

Развивая эту идею с количественных позиций, В. Нернст (1899) создаст количественную теорию возбуждения и выводит закон, позволяющий рассчитывать пороги возбуждения в зависимости от времени воздействия при электрическом раздражении. Этот закон позволяет объяснять изменение порога возбудимости в зависимости от частоты переменного тока и рассчитать заранее возможность использования высокочастотных источников электрического тока для глубокого прогревания тканей организма (диатермия).

Теория ионного возбуждения была развита П. П. Лазаревым, который ввел представление о существовании пороговой критической точки коагуляции клеточных белков, ответственной за возникновение возбуждения. В 20-х годах 20 в. эта теория им была окончательно сформулирована. В наст, время она фигурирует в литературе как теория возбуждения Нернста - Лазарева.

В 1910 г. Р. Гебер показал, что электропроводность эритроцитов зависит от частоты переменного тока. Использовав токи высокой частоты, Р. Гебер установил, что на частотах порядка мегагерца электропроводность эритроцитов в несколько десятков раз выше, нежели электропроводность на звуковых частотах, и соответствует электропроводности 0,1 М раствора хлорида калия. Было установлено, что изменение электропроводности в зависимости от частоты приложенного электрического тока является характерным для живых клеток и по значению отношения низкочастотного сопротивления к высокочастотному можно оценить жизнеспособность клеток. Оказалось возможным по этому критерию четко определять момент гибели клеток при действии низких температур, токсических веществ и т. д. Метод электропроводности стали использовать при оценке жизнеспособности эритроцитов и других клеток тканей, при изучении свойств мембран клеток - с позиции оценки их проницаемости для электролитов. В 1911 г. Д. Доннаном была сформулирована теория электролитного равновесия (см. Мембранное равновесие), с помощью к-рой было дано физ.-хим. объяснение наличию ионных (по калию и хлору) градиентов в живых клетках, клеточных электрических потенциалов и разностей осмотического давления. Эта теория продолжает до наст, времени играть ведущую роль в понимании роли мембран и электролитных градиентов.

Многочисленные исследования показали, что, помимо белка, большую роль в клеточных мембранах играют липидные вещества. Возникла очень популярная в 30-х годах теория Натансона о мозаичном строении клеточных мембран и расположении в них липидов и белков.

К 30-м годам 20 в. были установлены основные закономерности проницаемости клеток в связи с химическими и электрическими свойствами веществ. Было показано, что незаряженные молекулы проникают в клетки соответственно своему молекулярному радиусу, заряженные - в зависимости от своих электрических свойств, а липорастворимые - в зависимости от степени растворимости в липидах мембран. Найденные закономерности легли в основу всех последующих теоретических построений и, в частности, при построении моделей строения мембран; появился глубокий интерес к пониманию физ.-хим. строения того субстрата, из к-рого построено живое вещество и мембраны. Возникла точка зрения, что белки и липиды связаны в живых клетках в единый липопротеиновый комплекс, обладающий высокой лабильностью, что живой белок и извлеченный из клеток - не идентичны. Так, В. В. Лепешкин развил концепцию об основном липопротеиновом комплексе, который в чистом виде выделить не удается и который он назвал витаидом.

В. В. Лепешкин высказал предположение о том, что неустойчивость этого комплекса определяет гибель протоплазмы при различных воздействиях, а также, что при разрушении липопротеинового основного комплекса (при разрыве связей липид - белок) должно возникать излучение - хемилюминесценция (см. Биохемилюминесценция). Несмотря на несовершенство техники того времени, ему удалось зафиксировать на фотографической пластинке излучение животных и растительных тканей в момент их гибели под действием сильных кислот.

Большая роль в развитии Б. принадлежит школе американского исследователя Ж. Леба, который поставил вопрос о смысле и принципах физ.-хим. исследования живой материи. Он отмечал роль физической химии и перспективы её применения при исследовании хим. процессов в живых системах. Его методологические установки были отражены в двух монографиях («Динамика живого вещества» и «Организм как целое с физико-химической точки зрения»), которые были переведены на многие европейские языки, в т. ч. и на русский (1906). Леб проводил мысль о необходимости прижизненного изучения физ.-хим. процессов. Им была дана физ.-хим. интерпретация антагонизма ионов (см. Ионы), искусственного партеногенеза, а также свойствам белков в живых системах.

Одним из первых процессов, ставшим объектом внимания Б. с физ.-хим. позиций, были механизмы, обусловливающие тургор клеток, а первым объектом, на к-ром начали работать в этом направлении,- эритроциты. Так, в результате работ Гамбургера (конец 19 в.) по осмотическим свойствам эритроцитов появилась методика гематокрита, к-рая довольно долго использовалась в клинике. Привлекало к себе внимание и явление гемолиза, исследование которого привело к представлению о гемолитической стойкости эритроцитов как важном показателе патологического состояния. Исследования по набуханию коллоидов под действием различных веществ, особенно кислот и щелочей, привлекли внимание патологов, которые применили коллоидно-химические закономерности к изучению явлений отека. Первая физ.-хим. теория отека была создана в конце прошлого века Фишером (О. Fischer). В своей книге «Отек и нефрит» он рассматривал цитоплазму как гемогенный коллоид и с коллоидно-химических позиций пытался интерпретировать патологические проявления, сопутствующие отеку.

Исследования Шаде (H. Schade), создавшего свою школу в мед. биофизике, привели к созданию теории воспалительного процесса. Воспаление рассматривалось им как активный процесс набухания коллоидов соединительной ткани под действием повышенной кислотности среды (первичные, по его мнению, изменения свойств коллоидов) с последующим изменением их ионного состава и электрического заряда. Результаты своих исследований в этом направлении он обобщил в книге «Физическая химия во внутренней медицине», к-рая вышла в русском переводе в 1911 г. Эта теория была в значительной мере дополнена исследованиями Д. Абрамсона, который объяснял миграцию лейкоцитов из кровеносного русла в воспалительный очаг с позиций активного электротаксиса - под действием электрических потенциалов, возникающих на границе воспалительного очага с нормальной тканью. Принципы этой теории могут быть использованы для развития представлений о сущности воспаления. Существенную роль сыграло открытие осмотического давления белков крови при поддержании осмотического равновесия в кровяном русле. Оно вызвало существенный прогресс в создании искусственных кровезаменителей. Помимо основного положения о необходимости поддержания ионно-антагонистического баланса, возникло требование создания небольшого дополнительного (онкотического) давления при помощи коллоидальных веществ. Это открытие нашло практическое применение при создании кровезаменителей еще в первую мировую войну.

Еще в начале 20 в. один из основателей хим. кинетики С. Аррениус заинтересовался возможностью расшифровки физ.-хим. природы иммунологических реакций путем изучения их кинетики. В сотрудничестве с иммунологами им было установлено, что иммунологические реакции подчиняются законам хим. кинетики - температурному, концентрационному, и что методы физ.-хим. анализа могут быть использованы для изучения реакций, протекающих в живых организмах. Эти достижения позволили добиться существенных успехов в выявлении особенностей протекания хим. процессов при некоторых физиологических и патологических состояниях.

Этапом в развитии Б. было рассмотрение с физ.-хим. точки зрения реакций, возникающих в живых клетках при действии различных фармакол, и токсических веществ, в частности наркотических. В результате многочисленных исследований физ.-хим. свойств клетки (проницаемости, электрических свойств и др.) в норме и их изменений при действии различных наркотических веществ были выявлены закономерности физ.-хим. характера. Так, было установлено, что наркоз снижает проницаемость клеточных мембран. Пытаясь установить корреляцию между физ.-хим. свойствами наркотиков и наркотическим действием, Овертон (Е. Overton, 1899) на модели масло - вода установил, что чем выше наркотическая сила, тем более сдвинуто распределение в сторону масла. Т. о., наркотическое действие вещества тем больше, чем выше его растворимость в липидах. Эта модель привела к построению Овертоном первой биофизической теории наркоза, по которой эффект наркоза обусловлен накоплением наркотических веществ на поверхности клеток в липидной фазе мембран, что приводит к изменению проницаемости и отсюда к снижению обмена веществ. Другая теория (теория Траубе) выдвигала в качестве действующего фактора капиллярноактивные свойства наркотиков. По этой теории должна быть коррелятивная зависимость между поверхностным натяжением и наркотической активностью. Было установлено, что с удлинением углеродной цепи и возрастанием капиллярной активности соответственно возрастает наркотическое действие (так наз. правило Траубе). Работы по изучению физ.-хим. механизма наркотического действия вызвали появление большого количества моделей, которые в сочетании с физиол, экспериментом позволили расширить информацию о строении мембраны, взаимосвязи белков и липидов в ней. Значительное внимание было уделено изучению механизма действия токсического агента на живое вещество. Эти исследования были вызваны необходимостью познания механизмов действия отравляющих веществ, примененных в первой мировой войне, и нахождения способов защиты от них.

В России К. А. Тимирязев изучал фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нем и особенностями спектра поглощения хлорофилла (см. Фотосинтез). А. Ф. Самойлов описал акустические свойства среднего уха. М. Н. Шатерников, использовав термодинамические представления, провел изучение энергетического баланса организма (1910-1920). В СССР (1919) по личному указанию В. И. Ленина был создан Ин-т биофизики Наркомздрава СССР, который возглавил П. П. Лазарев. Здесь ставились широкие исследования по изучению проведения и возбуждения нерва, были разработаны ионная теория возбуждения, теория цветного зрения (А. Н. Цветков), механизмы действия лучистой энергии на организмы и другие научные проблемы. Здесь работали С. И. Вавилов (вопросы предельной чувствительности человеческого глаза), П. А. Ребиндер и В. В. Ефимов (изучение физ.-хим. механизмов проницаемости и связи ее с поверхностным натяжением) и др.

Большое влияние на развитие Б. оказал Н. К. Кольцов, по инициативе к-рого при Московском ун-те была создана кафедра физ.-хим. биологии.

Его ученики широко разрабатывали вопросы влияния физ.-хим. факторов внешней среды на жизнедеятельность клетки и ее отдельных структур. В 1931 г. была открыта лаборатория физ.-хим. биологии в Ин-те биохимии им. А. Н. Баха в Москве, к-рой руководил Д. JI. Рубинштейн. При Всесоюзном ин-те экспериментальной медицины (ВИЭМ) был создан отдел биофизики, в к-ром успешно работали П. П. Лазарев, Г. М. Франк и др. В начале 50-х годов был организован Ин-т биологической физики АН СССР и кафедра биофизики биолого-почвенного ф-та МГУ; позднее кафедры биофизики были организованы при Ленинградском университете и других ун-тах.

Современное состояние биофизики

Успехи физики, хим. физики, появление новых экспериментальных методов исследования, а также идей и методов кибернетики (см.) и группирующихся вокруг нее дисциплин открыли широкие возможности для понимания законов функционирования живых систем и определили рост и направление развития современной биофизики.

Методы Б. (ее физического направления) позволили выявить пространственное расположение атомов в молекулах целлюлозы, гемоглобина и др. С Б. связаны успехи в выявлении пространственных нарушений био-молекул при некоторых так наз. молекулярных патологиях (напр., серповидноклеточная анемия). Физ. методами изучают строение нуклеиновых кислот в связи с их ролью в передаче и хранении генетической информации, а также белков и процессы конформации, которые в них происходят. Одной из важнейших проблемных задач Б. является вопрос о механизмах превращений в клетках организмов физ. энергии в химическую (см. Фотобиология , Фотохимия). Сюда же примыкает проблема превращения энергии при действии на организмы ионизирующих излучений, которые индуцируют хим. превращения, вызывающие лучевое поражение. Первичные процессы взаимодействия излучения с живой материей изучает радиационная биофизика. Этот раздел тесно связан с профилактикой лучевого поражения - противорадиационной хим. защитой. Другой стороной этого вопроса является проблема фотосенсибилизации (см.), классическим примером к-рой является сенсибилизация кожных покровов к видимому свету вследствие накопления там продуктов активного распада гематопорфиринов в результате нарушения обмена веществ при заболевании пеллагрой. Изучение механизмов сенсибилизации приобретает в наше время большую активность в связи с появлением в атмосфере и воде веществ, обладающих фотосенсибилизирующим действием, - отбросов хим. индустрии. Б. выявляет механизмы их действия и разрабатывает тонкие методы их обнаружения.

В последние десятилетия произошли сдвиги в представлениях о физ.-хим, и электрических процессах, протекающих в живых системах. Организмы и клетки стали рассматривать как открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом и энергией, на основе чего возникла концепция о стационарности развития биохим, реакций как необходимом условии нормального существования (И. Пригожин). Сформировано представление о патологии как нарушении стационарности и координации биохим, реакций в клетках, к-рое обусловило разработку новых методов, позволяющих получать информацию о протекании хим. реакций в клетках прижизненно (кинетические методы, основывающиеся на хемолюминесценции, оптической спектроскопии, радиоспектроскопии и т.д.).

С позиции термодинамики открытых систем рассматривается в Б. проблема адаптации клеток и организмов к условиям внешней среды (температура, солевой состав, хим. факторы и т. д.). Пределы адаптации определяются возможностью сохранения стационарности в развитии биохим, реакции (см. Адаптация , биофизические механизмы). Разработаны методы, позволяющие устанавливать в клетках четкие пороги нарушения стационарности и пороги адаптации; их применение создало возможность быстрой оценки адаптационных пределов растительных и животных организмов (напр., оценка оптимальных условий хранения человеческих тканей, предназначенных для трансплантации).

На центральное место выдвинулась проблема строения и функции мембран. Эта проблема уже давно интересовала Б., но ранее она касалась только клеточной мембраны, тогда как в наст, время диапазон расширился и объектом внимания стали мембраны органоидов клеток: лизосом, рибосом, митохондрий, микросом и т. д. В современном биофизическом аспекте мембрана рассматривается как хим. реактор клетки или отдельного ее органоида, который в основном регулирует стационарное развитие биохимических реакций. С точки зрения Б. важнейшей деталью мембранной деятельности является транспорт электронов. В связи с этим большое внимание Б. привлекли липиды и фосфолипиды, являющиеся субстратом переноса электронов. Изучаются вопросы о физ.-хим. структуре этого субстрата и взаимном участии белков и липидов в создании структуры мембран. Основная задача Б.- получение прижизненной информации о свойствах этих образований и их изменениях при различных воздействиях и патологических процессах. Первостепенную роль при этом приобретает разработка методов, которые позволяют анализировать физ.-хим. свойства клеток, не оказывая влияния на них. Интенсивно разрабатываются в этом направлении методы по измерению диэлектрических свойств, электропроводности, электрических потенциалов, спектральных характеристик, хемо люминесценции и т. д.

Значительно расширились возможности получения информации о состоянии мембран с помощью микроэлектродной техники. Открылись возможности измерения внутриклеточных биопотенциалов и выявления механизмов внутриклеточных электрохимических процессов (см. Биоэлектрические потенциалы). Значительно расширилось понимание механизмов активного транспорта и роли электрических градиентов в переносе различных веществ через мембраны клеток. Доминирующую роль играют исследования в направлении выявления природы транспорта ионов натрия, калия, кальция и тех энергетических источников, которые осуществляют его.

В связи с выявлением большой роли липидов в функциях мембран привлекается внимание Б. к липопротеиновым малоустойчивым комплексам, являющимся основным строительным материалом мембран. В последние годы получила распространение точка зрения, что эти липопротеиновые комплексы являются наиболее уязвимыми (ненадежными) деталями клеток. «Ненадежность» мембран объясняют тем, что в их липидной части могут возникать самопроизвольно неферментативные, радикальные, реакции окисления (см. Антиокислители), развивающиеся с самоускорением по цепному механизму. Такие неуправляемые реакции приводят к разрушению липопротеиновых структур и нарушают механизмы транспорта электронов. Это так наз. явление «переокисления мембран» вызвало большой интерес, т. к. с ним связано возникновение многих патологических процессов (при лучевом поражении, при действии токсических веществ и т. д.).

В связи с тем, что имеются большие трудности в использовании метода ЭПР (см. Электронный парамагнитный резонанс) при изучении живых клеток, и тем, что он обнаруживает только долгоживущие малоактивные радикалы, разрабатываются другие методы. Так, наряду с хемолюминесценцией, обнаруживающей короткоживущие радикалы окислительной природы и позволяющей получать непосредственные данные об их присутствии в живых клетках, развиваются методы прижизненного обнаружения радикалов методом сополимеризации (см.). Последняя происходит при введении в клетки мономеров, меченных радиоактивными изотопами, которые способны полимеризоваться по «радикальному» механизму. Полученные данные стимулировали развитие концепции о том, что активные радикалы и «радикальные» реакции являются характерными спутниками патологических процессов (канцерогенез, воспалительные реакции и т. д.).

Все эти исследования поставили новую проблему - проблему изучения механизмов стабилизации внутриклеточных мембран и выявления отдельных факторов, регулирующих окислительные процессы. Внимание было привлечено к антиоксидантам, или антиокислителям, липидов мембран (токоферолу, убихинону и т. д.) и их антагонистов.

Изучение антиокислителей как регуляторов окислительного равновесия в липидных структурах клеток является важнейшей проблемой современной Б.

Активно проводятся исследования в области изучения мышечного сокращения, где широко привлекаются механо-химические представления (см. Механохимические процессы). Значительный интерес представляет изучение состояния воды в клетке, где открылись новые возможности в связи с разработкой метода ядерного резонанса ЯМР (см. Ядерный магнитный резонанс). Значительный прогресс наблюдается в области изучения механизмов действия на организм внешних физ. факторов [напр., действия магнитного поля (см.) на процессы кроветворения; много исследований посвящается действию электрического поля и факторам, связанным с ним].

В СССР во всех университетах (биологические и биолого-почвенные факультеты) и мед. вузах введен курс Б. с практическими занятиями как общеобразовательный предмет.

В 1963 г. во 2-м ММИ создан медикобиологический факультет с отделением биофизики, задача которого - подготовка биофизиков медицинского профиля. Имеется ряд биофиз. научных центров, в которых проводятся научно-исследовательские работы по Б.

В СССР это Ин-т биофизики АН СССР (Пущино-на-Оке), Ин-т биофизики Минздрава СССР, кафедра биофизики биологического ф-та МГУ, кафедра биофизики физического ф-та МГУ, отдел биофизики Ин-та физики Сибирского отделения АН СССР и др.

За рубежом: Великобритания - Лаборатория биофизики Лондонского ун-та, отделы биофизики в Кембриджском и Эдинбургском ун-тах; ГДР - Ин-т биофизики (Берлин); КНР - Ин-т биофизики (Пекин); Польша - Ин-т биохимии и биофизики АН ПНР (Варшава); США - йельский ун-т, Рокфеллеровский ун-т, Гарвардский ун-т, Ун-т им. Вашингтона (Сент-Луи), Массачусетский технологический ин-т; Франция - Ин-т физико-химической биологии (Париж); ФРГ - Ин-т биофизики общества им. Макса Планка (Франкфурт-на-Майне), Ин-т биологической и медицинской физики, Геттингенский ун-т; Чехословакия - Ин-т биофизики (Брно); Япония - университеты в Токио и Осака.

Регулярно собираются (начиная с 1961 г.) международные конгрессы по биофизике, созываемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, в Центральный совет к-рого входят представители СССР. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании. В Москве имеется секция биофизики при Московском обществе испытателей природы.

Моделирование в биофизике

Метод моделирования в Б. применяется для познания физ.-хим. механизмов, лежащих в основе физиологических и патологических процессов. Основная задача такого моделирования - выделение изучаемого явления в «чистом» виде, попытка отфильтровать тот или иной процесс от возмущающих факторов и сопровождающих явлений в сложной системе, показать сущность исследуемого процесса.

В первую очередь для понимания физ.-хим. процессов, протекающих в клетках высших организмов, используются в качестве моделей более простые организмы или клетки, где изучаемые механизмы устроены проще. Так, напр., при изучении роли ионных процессов в проведении возбуждения в нервах высших животных в качестве модели была использована водоросль нителла, а также нервные волокна кальмара. Для понимания процесса мышечного сокращения широко использовались сократительные мионемы простейших и мышечные фибриллы низших организмов. При изучении биол, действия лучистой энергии широко используются культуры клеток, на которых удалось устранить влияние дистанционных факторов, исходящих от систем сложных организмов.

Наряду с перечисленными биологическими моделями применяются и чисто физ.-хим. модели, которые строятся из веществ, близких к тем, из которых строятся биологические субстраты. Такие простые модели могут реально воспроизводить те или иные явления и используются при проверке каких-либо гипотез.

При отсутствии прямой информации о строении биологических мембран искусственные модели сыграли большую роль в развитии представлений о структуре мембран и о роли этой структуры в функции мембран клетки и органоидов. Известно много моделей мембран, построенных из липидов, фосфолипидов, белков в различных структурных комбинациях. В таких мембранах удавалось имитировать, напр., явления избирательной проницаемости. На моделях велось изучение действия наркотиков и удалось вывести законы наркотического эффекта и оценить силу воздействия наркотиков на высшие организмы.

В литературе известно также много моделей клеточного деления, на которых удалось выявить роль в этом процессе веществ, обладающих поверхностной активностью; существуют модели мышечного сокращения, доказавшие роль некоторых физ.-хим. факторов в изменении конфигурации полимеров белка; моделью патологической проницаемости капилляров для лейкоцитов служили искусственно приготовленные гели и т. д.

В Б. используют и чисто физические модели. К таким моделям относятся, напр., комбинации электрических сопротивлений и емкостей, которые при пропускании электрического тока воспроизводят закономерности, характерные для живых систем. Однако в ряде случаев подобные модели не являются моделями в строгом смысле, т. к. ничего не говорят непосредственно о механизме изучаемого биологического явления и воспроизводят только поведение биологической системы. Поэтому они могут быть названы аналогами, в модели же превращаются только при введении ряда дополнительных допущений.

С переходом к рассмотрению организма и его функций как сложной целостной системы началось применение математического моделирования. При этом модели строятся как сумма взаимодействующих процессов, описываемых дифференциальными уравнениями. Такие модели позволяют устанавливать взаимосвязь физ.-хим. процессов. Обсчеты ведутся на ЭВМ; для решения привлекаются и другие математические приемы, в частности теория графов, к-рая позволяет решать подобные задачи, не прибегая к дифференциальным уравнениям. Одновременно используют кибернетические методы, применяемые к анализу сложных биологических систем, напр, связи физ.-хим. строения биологических структур с физиологическими функциями (в частности, липопротеидов в развитии патологических процессов).

Библиография: Аккерман Ю. Биофизика, пер. с англ., М., 1964; Байер В. Биофизика, пер. с нем., М., 1962; Биофизика, под ред. Б. Н. Та-русова и О. Р. Колье, М., 1968; В о л ь-кен штейн М. В. Молекулы и жизнь, М., 1965, библиогр.; П а с ы н с к и й А. Г. Биофизическая химия, М., 1968; G e н т^-ДьердьиА. Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; Сетлоу Р. и Поллард Э. С. Молекулярная биофизика, пер. с англ., М., 1964, библиогр.; Тару-с о в Б. Н. Основы биофизики и биофизической химии, ч. 1, М., 1960; он же, Сверхслабое свечение живых организмов, М., 1972.

Периодические издания - Биофизика, М., с 1956; Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, М., с 1936; Доклады АН СССР, Серия биологическая, М., с 1966; Молекулярная биология, М., с 1967; Научные доклады высшей школы, Биологические науки, М., с 1958; Радиобиология, М., с 1961; Advances in Biological and Medical Physics, N. Y., с 1948; Archives of Biochemistry and Biophysics, N. Y., с 1951 (1942-1950 - Archives of Biochemistry); Biochimica et biophysica acta, Amsterdam, с 1947; Biophysical Journal, N. Y., с 1960; Bulletin of Mathematical Biophysics, Chicago, с 1939; Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, N. Y., с 1933; Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry, Oxford, с 1950.

Моделирование в Б. - Математическое моделирование жизненных процессов, под ред. М. Ф. Веденова и др., М., 1968; Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963; У т е-у ш Э. В. и У т e у ш 3. В. Введение в кибернетическое моделирование, М., 1971.

Б. Н. Тарусов.

БИОФИЗИКА

БИОФИЗИКА – НАУКА НА СТЫКЕ ФИЗИКИ И БИОЛОГИИ

Дозорцева Л.В.

С расширением и углублением человеческих знаний о живых организмах появились такие разделы науки, которые изучают процессы и явления, относящиеся одновременно к различным областям знаний. Среди таких научных дисциплин биологическая физика, или биофизика. Что же она изучает и каковы ее методы исследований?

Известно, что физика изучает основные законы природы: строение атомов и ядер, свойства элементарных частиц, взаимодействие электромагнитных волн и частиц и т. д. Биофизика, возникшая на стыке биологии и физики, – это наука об основных физических и физико-химических процессах в живом организме и их регулировании.

Биофизикам нужно познать закономерности строения и работы живых организмов, не нарушая их свойств, сохраняя организм в живом, деятельном состоянии. Ведь, отмирая, организм теряет присущие ему свойства, все процессы в нем изменяются, и он становится обычной неживой системой. В этом заключается большая трудность. Отсюда возникла необходимость изучать живые организмы на разных «уровнях»: исследовать свойства биологических молекул, характерные особенности и работу клеток, изучать совместную работу органов в целом организме и т. д. Поэтому в биофизике выделились такие крупные разделы, как молекулярная биофизика, биофизика клетки, биофизика процессов управления и регуляции и др. Кратко расскажем о каждом из основных разделов биофизики.

Молекулярная биофизика изучает свойства биологических молекул, физико-химические процессы в рецепторных клетках. Эти клетки называются рецепторными или чувствительными, так как они первыми воспринимают сигналы о свете, вкусе, запахе (по-латински «рецептио» - чувствую).

Молекулярная биофизика исследует, например, процессы, которые протекают в органах чувств животных – в органах зрения, слуха, осязания и обоняния. Мы привыкли, что в нашем организме все совершается просто, само собой, и подчас не задумываемся, насколько сложные биофизические процессы происходят, например, когда мы ощущаем вкус сахара или чувствуем запах цветов. А это одна из проблем, над решением которой много лет работает молекулярная биофизика. Дело в том, что ощущения вкуса или запаха возможны благодаря сложным физико-химическим процессам в рецепторных клетках при взаимодействии с ними молекул различных веществ. Известно, что физика изучает основные законы природы: строение атомов и ядер, свойства элементарных частиц, взаимодействие электромагнитных волн и частиц и т. д.

Молекулярная биофизика помогает выяснить не только различие в чувствительности и строении органов обоняния у различных животных, но и сам процесс определения запаха. Сейчас установлено, что имеется 6-7 основных запахов, разными сочетаниями которых объясняется их многообразие. Этим основным запахам соответствуют определенные типы обонятельных клеток.

Молекулярная биофизика изучает свойства и процессы не только у животных, но и у растений. В частности, она занимается изучением фотосинтеза. В зеленом листе березы, черемухи, яблони или пшеницы происходят удивительные и сложные процессы. Солнце посылает на Землю колоссальное количество энергии, которая пропадала бы без пользы, если бы не зеленые листья, улавливающие ее, и создающие с ее помощью из воды и углекислого газа органическое вещество, тем самым, давая жизнь всем живым организмам.

Фотосинтез протекает в зеленых частицах – хлоропластах, находящихся в клетках листа и содержащих растительный пигмент – хлорофилл. Порции световой энергии (фотоны) поглощаются пигментом и производят фотоокисление воды: она отдает свой электрон молекуле хлорофилла, а протон используется для восстановления углекислого газа до углеводов. Протон и электрон, как известно, составляют атом водорода; этот атом «по частям» отнимается у молекулы воды. В процессе фотосинтеза освобождается кислород, которым дышат все живые организмы.

Существует тесная связь между изучением клеток и молекулярных процессов, происходящих в них, т. е. между молекулярной и клеточной биофизикой. Одна из них изучает молекулярные изменения, свойства биологических молекул и системы, образуемые молекулами в клетках (как говорят, субмолекулярные образования), их свойства и изменения, другая исследует свойства и функционирование различных клеток – выделительных, сократительных, обонятельных, светочувствительных и др.

Развитию биофизики клетки во многом способствовали успехи физики, радиоэлектроники. Именно благодаря этим наукам, биофизика получила электронные микроскопы, позволившие увеличивать микроскопические объекты в сотни тысяч раз. На вооружении биофизиков появился электронный парамагнитный резонанс, с помощью которого можно изучать особые активные части молекул – так называемые свободные радикалы, играющие очень важную роль во всех биологических процессах. С помощью высокочувствительных к свету приборов – фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) стало возможным определять крайне малые потоки света.

При исследовании клетки в электронном микроскопе ученым открылся новый мир ультрамикроскопических, т. е. самых мельчайших, клеточных структур. Были обнаружены внутриклеточные мембраны, канальцы, трубочки, пузырьки. Все эти структуры, в миллионы раз тоньше человеческого волоса, играют определенную роль в жизнедеятельности клетки. Любая клетка, кажущаяся простым комочком цитоплазмы с ядром, представляет собой сложное образование с большим числом мельчайших частиц (структурных элементов), действующих точно и согласованно, в строгом порядке, тесно связанных между собой. Количество этих структурных элементов очень велико, например, в нервной клетке до 70 тыс. частиц – митохондрий, благодаря которым клетка дышит и получает энергию для своей деятельности.

В любой клетке живого организма происходит поглощение необходимых веществ и выделение ненужных, совершается дыхание, деление, наряду с этим, клетки выполняют специальные функции. Так, клетки сетчатки глаза определяют силу и качество света, клетки слизистой носа определяют запах веществ, клетки различных желез выделяют физиологически активные вещества – ферменты и гормоны, регулирующие рост и развитие организма.

Исследование регуляторных процессов в живом организме показало, что они обладают удивительным свойством – саморегуляцией. Клетки, ткани, органы живых организмов представляют собой саморегулирующиеся, самоорганизующиеся, самонастраивающиеся, самообучающиеся системы. Это означает, что работа клеток, органов и организма в целом определяется свойствами и качествами, заложенными в самом организме. Поэтому каждая клеточка или орган самостоятельно, без помощи извне регулирует постоянство состава среды внутри них. Если под воздействием какого-либо фактора их состояние изменяется, это удивительное свойство помогает им вернуться вновь в нормальное состояние.

Познание человеком природы, разнообразных живых организмов идет так стремительно и приводит к таким неожиданным результатам и выводам, что они не укладываются в рамки какой-либо одной науки. Биофизика положила начало новым разделам науки, расширяющим горизонты человеческих знаний. Так выделились в самостоятельные отрасли биологии радиобиология – наука о действии различных видов радиации на живые организмы; космическая биология, изучающая проблемы жизни в космосе; механохимия, исследующая превращение химической энергии, происходящей в мышечных волокнах, в механическую. На основе биофизических исследований возникла новая наука – бионика, изучающая живые организмы с целью использования принципов их работы для создания новых и более совершенных по конструкции приборов и аппаратов.

Мы рассказали лишь о небольшой части исследований, проводимых биофизиками, но примеров можно было бы привести значительно больше, как в области изучения молекул, субклеточных структур, так и организма в целом. Каждый день приносит новые открытия, изобретения, ценные идеи. Наш век – это время больших успехов во всех областях знания, в том числе, и в изучении природы.

БИОН – ЯЧЕЙКА ЖИЗНИ

Павлюченко А.А.

Научный руководитель: Шапошникова Е.В.

ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»

Бионика (от греч. biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах. Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое осуществляется в других науках. Как правило, модели бионики – несравненно более сложные динамические структуры. Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей.

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные-бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Создание модели в бионике – это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа – бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них – изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т.п.

Сегодня бионика имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например, у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике -– это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение основных задач обработки информации, – общая цель всех четырёх названных направлений. Именно проблемы, связанные с созданием разнообразной информационной техники, привлекают главное внимание бионики.

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные – "биосиноптики" от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики – не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010ОC; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10ОС. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана – на инфракрасный и т. д.

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации – дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя – по запаху (химизм прибрежных вод).

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за кадром". Бионика наступает. Быстрее, выше, сильнее!

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер – внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход – крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.

УДК 577:620.3

НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ

Норкин С.А.

Научный руководитель: Дворовенко Н.И.

ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»

Нанотехнологии. В последнее время мы часто читаем и слышим это слово в средствах массовой информации. Также появилось много рекламы, предлагающей купить что-нибудь с приставкой «нано…». А что это такое?

Мы хорошо знаем, что сантиметр – сотая доля метра, миллиметр – тысячная. А нано – просто обозначает миллиардную долю чего-нибудь. Нанометр – миллиардная часть метра (1 нм = 10-9 м). Технология (от греч. Technё – искусство, мастерство, умение и …логия) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Задача технологии как науки – выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

До сих пор не умолкают споры в науке относительно даты основания и имени основателя нанотехнологии. Кто-то считает отцом-основателем греческого философа Демокрита, который примерно в 400 году до н. э. впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Кто-то называет основоположником нанотехнологии Ричарда Фейнмана. Есть сторонники и у Эрика Дрекслера, автора книги «Машины созидания». Сам же термин «нанотехнологии» ввел в научный оборот больше тридцати лет назад японский физик Норио Танигучи, который предложил так называть механизмы размером менее одного микрона. Однако не стоит думать, что эти технологии – что-то новое для человечества. Археологические раскопки, которые проводились учеными разных стран, свидетельствуют о наличии рукотворных нанообъектов еще в античном мире. Например, так называемые «китайские чернила» появились в Древнем Египте более четырех тысяч лет назад, а возраст биологических нанообъектов может исчисляться с момента возникновения жизни на Земле. В разные периоды на протяжении всей истории человечества интерес к ним то возникал, то пропадал. Сегодня человечество накрыла очередная волна интереса к нанотехнологиям. Вопрос – к чему она приведет? К расцвету и процветанию землян или смоет их в каменный век?

Каких чудес и разочарований ждать через 20, 30, 40 лет? Вот прогноз того что, могут дать нанотехнологии через несколько десятилетий при сохранении современных темпов развития. Основная проблема наноиндустрии сегодня – управляемый механосинтез, то есть составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. На сегодня подобные манипуляторы не существуют.

Эксперты прогнозируют появление такой системы к 2010 - 2020 годам. На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, их освоение многозвенными роботами-амебами, производство подводных строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это в 2050-х годах). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. Нанотехнологии существенно изменят конструирование машин и механизмов – одни части упростятся вследствие новых технологий сборки, другие станут ненужными. Это даст возможность конструировать машины и механизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки и конструирования. С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создавать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Появится возможность глобального экологического и погодного контроля благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно. Искусственный фагоцит сможет уничтожать чужеродные бактерии и вирусы. Большее развитие получат биотехнологии и компьютерная техника. С появлением наномедицинских роботов станет возможным отдаление человеческой смерти на неопределенный срок. Не будет проблем и с перестройкой человеческого тела для качественного увеличения естественных способностей. Человеку, чтобы запастись энергией, совсем не обязательно будет что-либо есть. Нанотехнологии обеспечат его запасами энергии без употребления пищи.

Различные нейроинтерфейсы и имплантаты, разработанные в настоящее время, будут значительно улучшены. Их биологическая совместимость с нервными тканями человека станет еще более полной. Тогда наступит время «настоящей» виртуальной реальности и полноценного взаимодействия с компьютерами через нервную систему человека. Сегодня такие нейрочипы и нейроинтерфейсы проходят лабораторные тесты. Благодаря новым возможностям, компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности. Причем каждый человек будет терминалом – через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.

Средства отображения информации на сегодня уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок или квантовых точек. А через несколько лет с их помощью можно будет реализовать сворачиваемые электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.

Существенно изменится область материаловедения: появятся так называемые «умные» материалы, которые способны к мультимедиаобщению с пользователем. Сырьевая проблема, по мнению аналитиков, для нанороботов существовать не будет. Они для постройки большинства объектов станут использовать несколько самых распространенных типов атомов: водород, углерод, кремний, азот, кислород, серу и другие – в значительно меньшем количестве. С освоением человечеством соседних планет проблема сырьевого снабжения будет окончательно решена.

Использование нанотехнологий в биофизике переживает самый начальный этап своего развития. Несмотря на это, уже сегодня понятно, что именно внедрение нанотехнологических и биофизических методов в «классическую» биологию позволит добиться самых невероятных и удивительных результатов. Многие исследователи даже полагают, что биологический вид «Человека разумного» в течение ближайшего столетия будет практически полностью заменен новым биологическим видом. Этот человек будет представлять из себя сложнейший синтез генных модификаций и имплантаций технологических систем. Электронные компоненты, размещаемые непосредственно в человеческом организме, будут обеспечивать непрерывную связь с сетями, подобными Internet. В этом направлении ведутся эксперименты по вживлению многоэлектродных решеток непосредственно в кору головного мозга. Целью этой технологии является выявление поврежденных мозговых центров. Предполагается использовать эту методику в будущем для диагностирования ряда заболеваний высшей нервной деятельности и их лечения.

Сегодня уже применяется множество имплантирующих устройств разнообразного назначения: от простых механических суставов и соединительных деталей до сложных сердечных электростимуляторов. В будущем сложность и разнообразие подобного рода устройств будет возрастать в геометрической прогрессии и, прежде всего, за счет новейших достижений нанотехнологий.

Интересным и перспективным классом имплантатов являются устройства, позволяющие управлять биохимией естественных процессов организма за счет программируемого выделения препаратов. Например, имплантируемое устройство может измерять уровень содержания сахара в крови и при необходимости немедленно вводить в кровь требуемое количество инсулина.

Другое крайне интересное направление развития медицинских имплантатов связано с возможностью создания контактной среды между мозгом и электронными системами, например, c Internet, а также созданием гибридов искусственного и естественного интеллектов. Сейчас пытаются вводить электроды в глаз человека для стимулирующего воздействия на сетчатку. Это позволит врачам возвращать зрение пациентам с некоторыми формами врожденной слепоты.

О заседании Совета по государственной культурной политике при Председателе Совета Федерации на тему "Правовое регулирование библиотечного дела: проблемы и перспективы", состоявшемся 5 февраля 2010 г.

Но достаточна ли современная физика для решения биологических проблем, для обоснования теоретической биологии? Не потребуется ли биофизики новая, еще не существующая физика? В истории науки были ситуации, в которых ранее разработанная теория встречалась с границами своей применимости и оказывалась необходимым строить принципиально новую систему представлений. Именно так и возникли и теория относительности, и квантовая механика.

Обсуждая возможности физического истолкования явлений жизни, т.е. влияние физики на современное и последующее развитие биологии, не следует забывать и об обратном влиянии биологии на физику. Закон сохранения энергии, первое начало термодинамики, был открыт Майером, Джоулем, и Гельмгольцем. Как известно, Майер исходил из наблюдений над живыми организмами, над людьми. Менее известно, что Гельмгольц также основывался на биологических явлениях, руководствуя четкой антивиталистической концепцией. Не только биофизика, но физика в целом развивались на пути преодоления витализма.

Бор рассматривал эту проблему на основе концепции дополнительности, частным случаем является принцип неопределенности квантовой механики. Бор считал дополнительными исследований несовместимы. В то же время «ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии». Таким образом, имеется дополнительность биологии, с одной стороны, и физики и химии -- с другой. Эта концепция не виталистична, она не ставит каких- либо границ применению физики и химии в исследованиях живой природы.

Развитие молекулярной биологии привело к атомистическому истолкованию основных явлений жизни -- таких как наследственность и изменчивость.

В 1945 году Шредингер написал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Первая из них -- термодинамические основы жизни. На первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюции изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Шредингер говорил, что организмы и биосфера в целом не изолированные, но открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Неравновесное состояние открытой системы поддерживаются оттоком энтропии в окружающую среду. Вторая проблема - общие структурные особенности организмов. По словам Шредингера, организм есть апериодический кристалл, т.е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Это утверждение справедливо для строения организмов, клеток и биологических макромолекул. Третья проблема -- соответствие биологических явлений законам квантовой механики. Обсуждая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбрюком, Шредингер отмечает квантовую природу радиационного мутагенеза. В то же время применения квантовой механики в биологии не тривиальны, так как организмы принципиально макроскопичны. Шредингер задает вопрос: « Почему атомы малы?» Очевидно, что этот вопрос лишен смысла, если не указано, по сравнению, с чем малы атомы. Они малы по сравнению с нашими мерами длины - метром, сантиметром. Но эти меры определяются размерами человеческого тела. Следовательно, говорит Шредингер, вопрос следует переформулировать: почему атомы много меньше организмов, иными словами, почему организмы построены из большого числа атомов? Ответ на этот вопрос заключается в том, что необходимая для жизни упорядоченность возможна лишь в макроскопической системе, в противном случае порядок разрушался бы флуктуациями. Наконец, Шредингер задавался вопросом об устойчивости вещества генов, построенных из легких атомов С, Н, К, О, Р, на протяжении множества поколений.

Что изучает биофизика?

Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику.

Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем , изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П.Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И.Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.

Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является– учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен.

Фотобиология , или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М.Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки.

Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика - по изучению молекулы ДНК.

Раздел II. Биофизика клетки . Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран.

Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В.Пфеффер и Х.деФриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле).

Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.

Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется.

Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов.