Биофизика

Биофи́зика

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследования по молекулярной Б. тесно связаны с биохимией, генетикой и цитологией, молекулярной биологией (См. Молекулярная биология).

Значительное место в молекулярной Б. занимает проблема возбуждённых состояний молекул в биологических системах; такие молекулы приобретают высокую химическую активность. Наиболее изучены возбуждённые состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологических процессов — Фотосинтеза, зрения (См. Зрение) и биолюминесценции (См. Биолюминесценция).

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

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

Традиционный раздел Б. — изучение физико-химических свойств клетки и проницаемости биологических мембран (См. Проницаемость биологических мембран) для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов (См. Активный транспорт ионов). Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области Б., биохимией и физиологией, является создание искусственной почки (См. Искусственная почка).

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

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

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

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

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

Периодические издания, в которых публикуются работы по Б.: «Биофизика» (М., 1956—); «Молекулярная биология» (М., 1967—); «Радиобиология» (М., 1961—); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948—); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.— Amst., 1947—); «Biophysical Journal» (N. Y., I960—); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi, 1939—); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962—; в 1955— 1961 наз.—»Journal of Biophysical and Biochemical Cytology»); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.—L., 1959—); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.—L., 1957—); «Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (L., 1950—).

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

Б. Н. Вепринцев.