Биофизика

БИОФИЗИКА (биологическая физика), наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи - молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Становление и развитие биофизики проходило при тесном взаимодействии биологии с физикой, физической химией и математикой. Согласно классификации, принятой Международным союзом чистой и прикладной биофизики (1961) и отражающей основные объекты и области биофизических исследований, биофизика включает в себя следующие разделы: молекулярную биофизику, в задачу которой входит исследование физических и физико-химических свойств макромолекул и молекулярных комплексов; биофизику клетки, изучающую физико-химические основы функции клетки, связь молекулярной структуры мембран и клеточных органелл с их функциями, закономерности координации клеточных процессов, их механические и электрические свойства, энергетику и термодинамику клеточных процессов; биофизику сложных систем, к которым относят отдельные органеллы, целые организмы и популяции; биофизику процессов управления и регуляции, которая занимается исследованием и моделированием принципов управления в биологических системах. В рамках биофизики выделяют также биомеханику, биологическую оптику, биомагнетизм, биологическую термодинамику. К биофизике относят и области науки, изучающие механизмы воздействий на биологические системы различных физических факторов (свет, ионизирующие излучения, электромагнитные поля и др.).

История становления биофизики. Начало изучения физических свойств биологических объектов связывают с работами Г. Галилея и Р. Декарта (17 век), заложившими основы механики, на принципах которой и делались первые попытки объяснить некоторые процессы жизнедеятельности. Р. Декарт, например, считал, что организм человека подобен сложной машине, состоящей из тех же элементов, что и тела неорганического происхождения. Дж. Борелли применил принципы механики в описании механизмов движений животных. В 1628 году У. Гарвей на основе законов гидравлики описал механизм кровообращения. В 18 веке важное значение в познании физико-химических явлений, протекающих в живых организмах, имели открытия в области физики, совершенствование её математического аппарата. Использование физических подходов дало толчок к введению в биологию экспериментальных методов и идей точных наук. Л. Эйлер математически описал движение крови по сосудам. М. В. Ломоносов высказал ряд общих суждений о природе вкусовых и зрительных ощущений, выдвинул одну из первых теорий цветового зрения. А. Лавуазье и П. Лаплас показали единство законов химии неорганических и органических тел, установив, что процесс дыхания аналогичен медленному горению и является источником тепла для живых организмов. Творческая дискуссия между А. Вольтой и Л. Гальваны по поводу открытого последним «живого электричества» легла в основу электрофизиологии.

В 19 веке развитие биологии сопровождалось обогащением знаний о физико-химических свойствах биологических структур и процессов. Огромное значение имело создание электролитической теории растворов С. Аррениусом, ионной теории биоэлектрических явлений В. Нернстом. Были получены основные представления о природе и роли потенциалов действия в механизме возникновения и распространения возбуждения по нерву (Г. Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон и Ю. Бернштейн, Германия); значение осмотических и электрических явлений в жизни клеток и тканей было выяснено благодаря работам Ж. Лё6а (США), В. Нернста и Р. Герера (Германия). Всё это позволило Э. Дюбуа-Реймону сделать вывод о том, что в материальных частицах организмов не обнаруживается никаких новых сил, которые не могли бы действовать вне их. Такая принципиальная позиция положила конец объяснениям процессов жизнедеятельности действием каких-то особых «живых факторов, не поддающихся физическим измерениям».

Значительный вклад в развитие биофизики внесли отечественные учёные. И. М. Сеченов исследовал закономерности растворения газов в крови, биомеханику движений. Конденсаторная теория возбуждения нервных тканей, основанная на неодинаковой подвижности ионов, была предложена В. Ю. Чаговцом. К. А. Тимирязев определил фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра, установив количественную закономерность между скоростью процесса фотосинтеза и поглощением хлорофиллом листьев света разного спектрального состава. Идеи и методы физики и физической химии использовались при исследовании движения, органов слуха и зрения, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей. В 1905-15 годах Н. К. Кольцов изучал роль физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов и других катионов) в жизни клетки. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916), изучении кинетики фотохимических реакций. Он создал первую советскую школу биофизиков, объединил вокруг себя большую группу крупных учёных (в том числе С. И. Вавилов, С. В. Кравков, В. В. Шулейкин, С. В. Дерягин и др.). В 1919 году им был создан в Москве Институт биологической физики Наркомздрава, где велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики реакций, идущих под действием света, исследовались спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного воздействия на организм различных факторов внешней среды. Открытие А. Г. Гурвичем (1923) митогенетических лучей, стимулирующих деление клеток, получило развитие в работах Г. М. Франка. Огромное влияние на развитие биофизики в СССР оказали книги В. И. Вернадского («Биосфера», 1926), Э. С. Бауэра («Теоретическая биология», 1935), Д. Л. Рубинштейна («Физико-химические основы биологии», 1932), Н. К. Кольцова («Организация клетки», 1936), Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова («Реакция живого вещества на внешние воздействия», 1940) и др. Во 2-й половине 20 века успехи в биофизике непосредственно связаны с развитием и совершенствованием физических и химических методов исследований и теоретических подходов, применением электронно-вычислительной техники. Широкое освоение атомной энергии стимулировало интерес к исследованиям в области радиобиологии.

Современные направления биофизики. В современной биофизике можно выделить 2 основных направления: теоретическую биофизику (решает общие проблемы термодинамики биологических систем, динамической организации и регуляции биологических процессов, изучает физическую природу взаимодействий, определяющих структуру, устойчивость и внутримолекулярную динамическую подвижность макромолекул и их комплексов, трансформацию в них энергии) и биофизику конкретных биологических процессов, анализ которых проводится на основе общетеоретических представлений. Основная тенденция связана с проникновением в молекулярные механизмы, лежащие в основе биологических явлений на разных уровнях организации живого. К достижениям биофизики, имеющим общебиологическое значение, можно отнести понимание термодинамических свойств организмов и клеток как открытых систем, формулировку на основе 2-го закона термодинамики критериев эволюции открытой системы к устойчивому состоянию (И. Р. Пригожин); раскрытие механизмов колебательных процессов на уровне популяций, ферментативных реакций. Исходя из теории автоволновых процессов в активных средах, установлены условия самопроизвольного возникновения диссипативных структур в гомогенных открытых системах. На этом основании строятся модели процессов морфогенеза, формирования регулярных структур при росте бактериальных культур, распространения нервного импульса и нервного возбуждения в нейронных сетях.

Развивающаяся область теоретической биофизики - изучение возникновения и природы биологической информации и её связи с энтропией, условий хаотизации и образования фрактальных самоподобных структур в сложных биологических системах. Анализ конкретных биологических процессов в биофизике основан на данных исследований физико-химических свойств биополимеров (белков и нуклеиновых кислот), их строения, механизмов самосборки внутримолекулярной подвижности и т. д. Большое значение имеет использование современных экспериментальных методов, и прежде всего рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии (ЯМР, ЭПР), спектрофотометрии, электронной туннельной микроскопии, атомной силовой микроскопии, лазерной спектроскопии. Они дают возможность получать информацию о механизмах молекулярных превращений, не нарушая целостности биологических объектов. Так, при рентгеноструктурном анализе белка в 1954 году Дж. Кендрю и М. Перуц предложили способ расчёта расположения атомов в молекуле, что позволило им установить пространственную структуру миоглобина и гемоглобина (к началу 21 века установлена структура около 1000 белков). Расшифровка пространственной структуры ферментов и их активного центра позволяет понять природу молекулярных механизмов ферментативного катализа, планировать на этой основе создание новых лекарственных средств. В области теоретической молекулярной биофизики представления об электронно-конформационных взаимодействиях (Л. А. Блюменфельд, М. В. Волькенштейн), стохастических свойствах белка (О. Б. Птицын) составляют основу понимания принципов функционирования биологических макромолекул.

Традиционно биофизика изучает свойства биологических мембран, их молекулярную организацию, конформационную подвижность белковых и липидных компонентов, устойчивость к действию температуры, перекисному окислению липидов, выяснению их проницаемости для неэлектролитов и различных ионов, молекулярное строение и механизмы функционирования ионных каналов, межклеточные взаимодействия. Большое внимание уделяется механизмам преобразования энергии (смотри Биоэнергетика) в структурах, где они сопряжены с переносом электронов и с трансформацией энергии электронного возбуждения. Раскрыта роль свободных радикалов в живых системах и их значение в поражающем действии ионизирующей радиации (Н. М. Эмануэль, Б. Н. Тарусов). Один из разделов биофизики, пограничных с биохимией, - механохимия, изучает механизмы взаимопревращений химической и механической энергий, связанные с сокращением мышц, движением ресничек и жгутиков, перемещением органелл и протоплазмы в клетках. Важное место занимает квантовая биофизика, изучающая первичные процессы взаимодействия биологических структур с квантами света (фотосинтез, зрение, воздействие на кожные покровы и так далее), механизмы биолюминесценции и фототропных реакций, действия ультрафиолетового и видимого света (фотодинамические эффекты) на биологические объекты. Ещё в 1940-х годах А. Н. Теренин раскрыл роль триплетных состояний в фотохимических и ряде фотобиологических процессов. Позднее А. А. Красновский показал способность возбуждённого светом хлорофилла к окислительно-восстановительным превращениям, лежащим в основе первичных процессов фотосинтеза. Современные методы лазерной спектроскопии дают непосредственную информацию о кинетике фотоиндуцированных электронных переходов, колебаниях атомных групп в частотном диапазоне 10^-15-10^-6 с^-1 и более.

Достижения в биофизике в большой степени связаны с развитием медицины и экологии. Медицинская биофизика занимается выявлением в организме (клетке) на молекулярном уровне начальных стадий патологических изменений. Ранняя диагностика заболеваний основана на регистрации спектральных изменений, биолюминесценции, электрической проводимости образцов крови и тканей, сопровождающих заболевание (например, по уровню хемилюминесценции можно судить о характере перекисного окисления липидов). Экологическая биофизика анализирует влияние абиотических факторов (температура, свет, электромагнитные поля, антропогенные загрязнения и др.) на организмы, их жизнеспособность и устойчивость. Важнейшей задачей экологической биофизики является развитие экспресс-методов для оценки состояния экосистем.

Научные учреждения, общества, периодические издания. В России исследования по биофизике проводятся в ряде научно-исследовательских институтов и вузов. Одно из ведущих мест принадлежит научному центру в г. Пущино, где в 1952 году был организован Институт биологической физики Академии Наук СССР, который позднее разделился на Институт биофизики клетки и Институт теоретической и экспериментальной биофизики. Биофизика активно развивается в Институте биофизики Министерства здравоохранения Российской Федерации, Институте молекулярной биологии и Институте белка РАН, Институте биофизики СО РАН, в университетах Москвы, Санкт-Петербурга и Воронежа, в Московском физико-техническом и Московском инженерно-физическом институтах и др. Параллельно с развитием исследований шло формирование базы для подготовки специалистов в области биофизики. Первая в СССР кафедра биофизики была организована в 1953 году на биолого-почвенном (Б. Н. Тарусов), в 1959 - на физическом факультете (Л. А. Блюменфельд) МГУ, а затем в ряде других вузов страны. Курс биофизики читается во всех университетах страны. Биофизические исследования проводятся в институтах и университетах многих стран мира. Международные конгрессы, организуемые Международным союзом теоретической и прикладной биофизики, проводятся регулярно - каждые 3 года. Общества биофизиков существуют в США, Великобритании и ряде других стран. В России Научный совет по биофизике при РАН координирует научную работу, осуществляет международные связи. Секция биофизики имеется при Московском обществе испытателей природы. Среди периодических изданий, в которых публикуются труды по биофизике: «Биофизика» (М., 1956); «Молекулярная биология» (М., 1967); «Радиобиология» (М., 1961); «Биологические мембраны» (М., 1984); «Advances in Biological and Medical Physics» (N. Y., 1948); «Biochimica et Biophysica Acta» (N. Y.; Amst., 1947); «Biophysical Journal» (N.Y., 1960); «Bulletin of Mathematical Biophysics» (Chi., 1939); «Journal of Cell Biology» (N. Y., 1962); «Journal of Molecular Biology» (N. Y.; L., 1959); «Journal of Ultrastructure Research» (N. Y.; L., 1957);«Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry» (N. Y., 1950); «Progress in Biophysics and Molecular Biology» (Oxf., 1963) и др.

Лит.: Байер В. Биофизика. М., 1962; Аккерман Ю. Биофизика. М., 1964; Биофизика. М., 1968; Маркин В. С., Пастушенко В. Ф., Чизмаджев Ю.А. Теория возбудимых сред. М., 1974; Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания. М., 1974; Блюменфельд Л. А. Проблемы биологической физики. 2-е изд. М., 1977; Иваницкий Г. Р., Кринский В. И., Сельков Е. Е. Математическая биофизика клетки. М., 1978; Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., 1979; Хакен Г. Синергетика. М., 1980; Кантор Ч., Шаммел П. Биофизическая химия. 2-е изд. М., 1984; Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М., 1984; Рубин А. Б. Термодинамика биологических процессов. М., 1984; он же. Биофизика. М., 1999-2000. Т. 1-2; Рубин А. Б., Пытьева Н. Ф., Ризниченко Г. Ю. Кинетика биологических процессов. 2-е изд. М., 1987; Волькенштейн М. В. Биофизика. 2-е изд. М., 1988; Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М., 2002; Аксенов С. И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. М., 2004.