Одной из самых древних наук является, безусловно, биология. Интерес людей к процессам, происходящим внутри них самих и окружающих существ, возник за несколько тысяч лет до нашей эры.
Наблюдения за животными, растениями, природными процессами составляло важную часть жизни людей. С течением времени знаний накопилось очень много, усовершенствовались и развились методы изучения живой природы и механизмов, в ней происходящих. Это привело к возникновению множества разделов, составляющих в общей сложности комплексную науку.
Биологические исследования в разных областях жизни позволяют получать новые ценные данные, важные для понимания устройства биомассы планеты. Использовать эти знания для практических целей человека (освоение космоса, медицина, сельское хозяйство, химическая промышленность и так далее).
Многие открытия позволили сделать биологические исследования в сфере внутреннего строения и функционирования всех живых систем. Изучен молекулярный состав организмов, их микростроение, выделены и изучены многие гены из генома человека и животных, растений. Заслуги биотехнологии, клеточной и позволяют получать несколько урожаев растений за сезон, а также выводить породы животных, дающих больше мяса, молока и яиц.
Изучение микроорганизмов позволило получить антибиотики и создать десятки и сотни вакцин, позволяющих побеждать множество болезней, даже те, что раньше целыми эпидемиями уносили тысячи жизней людей и животных.
Поэтому современная наука биология - это безграничные возможности человечества во многих отраслях науки, промышленности и сохранении здоровья.
Классификация биологических наук
Одними из самых первых появились частные разделы науки биологии. Такие, как ботаника, зоология, анатомия и систематика. Позже стали формироваться более зависимые от технического оснащения дисциплины - микробиология, вирусология, физиология и так далее.
Существует ряд молодых и прогрессивных наук, сформировавшихся только в XX-XXI столетии и играющих большую роль в современном развитии биологии.
Существует не одна, а несколько классификаций, по которым можно ранжировать биологические науки. Список их довольно внушительный во всех случаях, рассмотрим одну из них.
| Биология | Частные науки | Ботаника | занимается изучением внешнего и внутреннего строения, физиологических процессов, филогенеза и распространения в природе всех существующих на планете растений (флора) | Включает следующие разделы:
|
| Зоология | занимается изучением внешнего и внутреннего строения, физиологических процессов, филогенеза и распространения в природе всех существующих на планете животных (фауна) | Дисциплины, входящие в состав: Дисциплины:
|
||
| Антропология | ряд дисциплин, в комплексе изучающих развитие и формирование человека в биологической и социальной среде | Разделы: философская, судебная, религиозная, физическая, социальная, культурная, визуальная. | ||
| Микробиология | изучает самые мелкие организмы живой природы, от до бактерий и вирусов | Дисциплины: вирусология, бактериология, медицинская микробиология, микология, промышленная, техническая, сельскохозяйственная, космическая микробиология | ||
Общие науки | Систематика | в задачи входит разработка основ для классификации всего живого на нашей планете с целью строгой упорядоченности и идентификации любого представителя биомассы | ||
| Морфология | описание внешних признаков, внутреннего строения и топографии органов всех живых существ | Разделы: растений, животных, микроорганизмов, грибов | ||
| Физиология | изучает особенности функционирования той или иной системы, органа или части организма, механизмы всех процессов, обеспечивающих его жизнедеятельность | Растений, животных, человека, микроорганизмов | ||
| Экология | наука о взаимоотношениях живых существ друг с другом, средой обитания и человеком | Геоэкология, общая, социальная, промышленная | ||
| Генетика | изучает геном живых существ, механизмы наследственности и изменчивости признаков под влиянием различных условий, а также исторические изменения в генотипе в течение эволюционных преобразований | |||
Биогеография | рассматривает расселение и распространение отдельных видов живых существ по планете | |||
Эволюционное учение | раскрывает механизмы исторического развития человека и других живых систем на планете. Их происхождение и становление | |||
| Комплексные науки, возникшие на стыке друг с другом | Биохимия | изучает процессы, происходящие в клетках живых существ с химической точки зрения | ||
Биотехнология | рассматривает возможности использования организмов, их продуктов и или частей для нужд человека | |||
Молекулярная биология | изучает механизмы передачи, хранения и использования наследственной информации живыми существами, а также функции и тонкое строение белков, ДНК и РНК. | Смежные науки: генная и клеточная инженерия, молекулярная генетика, биоинформатика, протеомика, геномика | ||
Биофизика | это наука, изучающая все возможные физические процессы, происходящие во всех живых организмах, от вирусов до человека | Разделы данной дисциплины будут рассмотрены ниже |
Таким образом, мы постарались охватить основное разнообразие, которое представляют собой биологические науки. Список этот с развитием техники и методов изучения расширяется, пополняется. Поэтому единой классификации биологии не существует на сегодняшний день.
Прогрессивные бионауки и их значение
К самым молодым, современным и прогрессивным наукам биологии относятся такие, как:
- биотехнология;
- молекулярная биология;
- космическая биология;
- биофизика;
- биохимия.
Каждая из этих наук сформировалась не ранее XX века, а потому по праву считается молодой, интенсивно развивающейся и наиболее значимой для практической деятельности человека.
Остановимся на такой из них, как биофизика. Это наука, появившаяся приблизительно в 1945 году и ставшая важной частью всей биологической системы.
Что такое биофизика?
Чтобы ответить на этот вопрос, в первую очередь следует указать на ее тесный контакт с химией и биологией. В некоторых вопросах границы между этими науками настолько тесные, что сложно разобрать, какая из них конкретно задействована и в приоритете. Поэтому рассматривать биофизику стоит как комплексную науку, изучающую глубокие физические и химические процессы, происходящие в живых системах на уровне как молекул, клеток, органов, так и на уровне Биосферы в целом.
Как и любая другая, биофизика - наука, имеющая свой объект изучения, цели и задачи, а также достойные и значимые результаты. Кроме того, эта дисциплина плотно коррелирует с несколькими новыми направлениями.
Объекты исследования
Ими для биофизики являются биосистемы на разных организационных уровнях.
- вирусы, одноклеточные грибы и водоросли).
- Простейшие животные.
- Отдельные клетки и их структурные части (органеллы).
- Растения.
- Животные (в том числе человек).
- Экологические сообщества.
То есть биофизика - это исследование живого с точки зрения физических процессов, в нем происходящих.
Задачи науки
Первоначально задачи биофизиков были в том, чтобы доказать наличие физических процессов и явлений в жизнедеятельности живых существ и изучить их, выяснив природу и значение.
Современные задачи данной науки можно сформулировать так:
- Изучить структуру генов и механизмы, сопровождающие их передачу и хранение, видоизменения (мутации).
- Рассмотреть многие аспекты клеточной биологии (взаимодействие клеток друг с другом, хромосомные и генетические взаимодействия и другие процессы).
- Изучить в комплексе с молекулярной биологией молекулы полимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов).
- Выявить влияние космогеофизических факторов на течение всех физических и химических процессов в живых организмах.
- Более глубоко вскрыть механизмы фотобиологии (фотосинтез, фотопериодизм и так далее).
- Внедрить и разработать методы математического моделирования.
- Применить результаты нанотехнологии для изучения живых систем.
Из этого списка очевидно, что биофизика изучает очень много значимых и серьезных проблем современного общества, и результаты деятельности этой науки имеют важное значение для человека и его жизни.
История формирования
Как наука биофизика зародилась сравнительно недавно - в 1945 году, когда издал свой труд "Что такое жизнь с точки зрения физики". Именно он первым заметил и обозначил, что многие законы физики (термодинамические, законы квантовой механики) имеют место быть именно в жизнедеятельности и работе организмов живых существ.
Благодаря трудам этого человека наука биофизика начала свое интенсивное развитие. Однако еще ранее, в 1922 году, в России создается институт биофизики, которым руководит П. П. Лазарев. Там основную роль отводят изучению природы возбуждения в тканях и органах. Результатом стало выявление значение ионов в этом процессе.
- Гальвани открывает электричество и его значение для живых тканей (биоэлектричество).
- А. Л. Чижевский - отец нескольких дисциплин, изучающих влияние космоса на Биосферу, а также ионизационное излучение и электрогемодинамику.
- Подробная структура белковых молекул была изучена только после открытия метода РСА (рентгено-структурного анализа). Это было сделано учеными Перуц и Кендрю (1962 год).
- В этом же году открыта трехмерная структура ДНК (Морис Уилкинс).
- Неэр и Закман в 1991 году сумели разработать метод локальной фиксации электрического потенциала.
Также ряд других открытий позволил науке биофизике встать на путь интенсивной и прогрессивной модернизации в развитии и становлении.
Разделы биофизики
Существует целый ряд дисциплин, составляющих эту науку. Рассмотрим самые основные из них.
- Биофизика сложных систем - рассматривает все сложные механизмы саморегуляции многоклеточных организмов (системогенез, морфогенез, синергогенез). Также данной дисциплиной изучаются особенности физической составляющей процессов онтогенеза и эволюционного развития, уровней организации организмов.
- Биоакустика и биофизика сенсорных систем - изучает сенсорные системы живых организмов (зрение, слух, рецепция, речь и другие), способы трансляции различных сигналов. Выявляет механизмы преобразования энергии при восприятии организмами внешних воздействий (раздражений).
- Теоретическая биофизика - включает ряд поднаук, занимающихся изучением термодинамики биологических процессов, построением математических моделей структурных частей организмов. Также рассматривает кинетические процессы.
- Молекулярная биофизика - рассматривает глубокие механизмы структурной организации и функционирования таких биополимеров, как ДНК, РНК, белки, полисахариды. Занимается построением моделей и графических изображений этих молекул, прогнозирует поведение и формирование их в живых системах. Также данная дисциплина строит надмолекулярные и субмолекулярные системы с целью определения механизма построения и действия биополимеров в живых системах.
- Биофизика клетки. Изучает самые важные клеточные процессы: дифференцирование, деление, возбуждение и биопотенциалы мембранной структуры. Особое внимание уделяется механизмам мембранного транспорта веществ, разности потенциалов, свойствам и структуре мембраны и окружающих ее частей.
- Биофизика метаболизма. Основные рассматриваемые соляризация и адаптация к ней организмов, гемодинамика, теплорегуляция, метаболизм, влияние ионизационных лучей.
- Прикладная биофизика. Состоит из нескольких дисциплин: биоинформатика, биометрия, биомеханика, исследование эволюционных процессов и онтогенеза, патологическая (медицинская) биофизика. Объекты изучения прикладной биофизики - опорно-двигательный аппарат, способы движения, способы распознавания людей по физическим чертам. Особого внимания заслуживает медицинская биофизика. Она рассматривает патологические процессы в организмах, способы реконструкции поврежденных участков молекул или структур или их компенсацию. Дает материал для биотехнологии. Имеет большое значение в предупреждении развития заболеваний, особенно генетического характера, их устранении и объяснении механизмов воздействия.
- Биофизика среды обитания - изучает физическое воздействие как местных сред обитания существ, так и влияние ближних и дальних субъектов космического пространства. Также рассматривает биоритмы, влияние погодных условий и биополей на существа. Разрабатывает приемы мероприятий по профилактике негативных воздействий
Все эти дисциплины вносят колоссальный вклад в развитие понимания механизмов жизнедеятельности живых систем, влияния на них биосферы и различных условий.
Современные достижения
Можно назвать несколько самых значительных событий, которые относятся к достижениям биофизики:
- вскрыты механизмы клонирования организмов;
- изучены особенности превращений и роли окиси азота в живых системах;
- установлена взаимосвязь малых и матричных РНК, что в будущем позволит найти решение многих медицинских проблем (устранения заболеваний);
- открыта физическая природа автоволн;
- благодаря работам молекулярных биофизиков изучены аспекты синтеза и репликации ДНК, что повлекло за собой возможность создания целого ряда новых лекарств от серьезных и сложных заболеваний;
- созданы компьютерные модели всех реакций, сопровождающих процесс фотосинтеза;
- разработаны методы ультразвукового исследования организма;
- установлена связь между космогеофизическими и биохимическими процессами;
- предсказано изменение климата на планете;
- открытие значения фермента урокеназы в предупреждении заболеваний тромбозов и устранения последствий после инсультов;
- также сделан ряд открытий по структуре белка, кровеносной системе и другим частям организма.
Институт биофизики в России
В нашей стране существует им. М. В. Ломоносова. На базе этого учебного заведения действует факультет биофизики. Именно он осуществляет подготовку квалифицированных специалистов для работы в этой области.
Очень важно дать качественный старт будущим профессионалам. Их ждет сложная работа. Биофизик обязан разбираться во всех тонкостях процессов, происходящих в живых существах. Кроме того, студенты должны разбираться и в физике. Ведь это комплексная наука - биофизика. Лекции строятся таким образом, чтобы объять все дисциплины, связанные и составляющие биофизику, и охватить рассмотрение вопросов как биологического, так и физического характера.
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: 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 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 химики создали 1 млн. органических соединений и почти каждое из них имеет свой характерный запах. Человек может различать несколько тысяч запахов, причем некоторые вещества мы ощущаем при исключительно малой концентрации - всего миллионные и миллиардные доли миллиграмма на литр воды. Например, чтобы ощутить такие вещества, как скатол, тринитробутилтолуол, достаточно их концентрации 10 -9 мг/л. Животные намного чувствительнее человека. Например, геологи используют специально обученных собак для поиска по запаху рудных месторождений, расположенных глубоко под землей. Всем хорошо известна работа собак-ищеек, находящих след по ничтожно слабому запаху. Но, пожалуй, остротой обоняния всех превосходят рыбы и насекомые. Некоторые рыбы ощущают пахучее вещество, даже если оно содержится в воде в исчезающе малых концентрациях - всего 10 -11 мг/л. Бабочки обнаруживают чуть ли не одну молекулу пахучего вещества, приходящуюся на 1 м 3 воздуха.
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 и тем самым дающие 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.
Основа фотосинтеза - самый первый элементарный процесс: взаимодействие порций световой энергии (фотонов) с молекулой хлорофилла. Именно этот процесс изучает молекулярная биофизика в фотосинтезе, с тем чтобы познать, как происходит преобразование световой энергии в энергию химических связей и последующее превращение веществ. Если этот фундаментальный процесс будет познан до конца, его можно будет осуществлять в искусственных условиях. Тогда человечество овладеет самым быстрым и самым экономичным способом получения органических веществ, следовательно, продуктов питания и ценного сырья, которые дают сегодня человеку зеленые растения.
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. Использование этих приборов привело к большому открытию в биофизике клетки.
Давно была известна способность к свечению у живых организмов: светлячков и различных водных организмов, называемая биолюминесценцией. Но с помощью ФЭУ удалось обнаружить, что способностью к свечению обладают органы почти всех животных и растений. Это так называемое сверхслабое свечение - биохемилюминесценция - происходит в результате физико-химических реакций внутри клеток, и связано оно с внутриклеточным окислением веществ липидов, входящих в структурные элементы. Большую роль в этих процессах играют упомянутые нами свободные радикалы. По интенсивности сверхслабого свечения можно следить за уровнем окислительных обменных реакций и выделением энергии в результате многообразных реакций, идущих внутри клеток.
Обнаружение сверхслабого свечения, наличия свободных радикалов, связи их с жизнедеятельностью клетки резко изменило представления о клеточных процессах. Перед биофизикой клетки встала задача не только разобраться в ультрамикроскопическом строении клетки и ее органелл, но и выяснить, как связаны друг с другом эти элементы, как они работают, в чем причина слаженности, согласованности процессов, совершающихся в клетках.
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.
О всей своей большой работе - увиденном, услышанном, опознанном - клетки нервной ткани животных сообщают электрическими импульсами в головной мозг - главный координирующий центр. Биофизика клетки в целом и один из ее важных разделов, называемый электрофизиологией клетки, изучают, как клетки получают необходимые сведения из окружающего пространства, как эти сведения зашифрованы в электрических сигналах - импульсах, как образуются в клетках биологические токи и потенциалы.
Клетки живого организма тесно связаны между собой, с головным мозгом - главным управляющим центром. В самих клетках, в тысячах их структурных элементов, происходят упорядоченные биохимические процессы. Благодаря чему так согласованно и точно совершаются эти сотни тысяч реакций?
Дело в том, что и клетка, и отдельный орган, и целостный организм представляют собой определенную систему, основанную на специфических законах регулирования и взаимосвязи. Вот эти особенности изучает самый молодой раздел - биофизика процессов управления и регуляции.
Расскажем об этом разделе биофизики, воспользовавшись следующим примером. Каждый орган человека состоит из большого числа клеток, выполняющих специфическую работу. Например, особую роль в обонянии играет слизистая оболочка носа - так называемый слизистый эпителий. Площадь его не более 4 см 2 , но содержит он чуть ли не 500 млн. обонятельных клеток - рецепторов. Сведения об их работе передаются по нервным волокнам, число которых достигает 50 млн., в обонятельный нерв и затем в головной мозг. Сигналы, идущие от клеток в виде первичных электрических импульсов, должны быть правильно расшифрованы. Для этого они направляются в различные отделы головного мозга, состоящие из громадного числа клеток. Например, только большие полушария головного мозга содержат 2*10 10 клеток, мозжечок -10 11 клеток. Мозг принимает необходимые "решения" и передает ответные сигналы - указания о том, как должны работать те или иные клетки, ткани или органы. В центральную нервную систему поступают сотни тысяч разнообразных сигналов из внешней среды о звуках, свете, запахах и сигналы о состоянии клеток самого организма. Из сказанного видно, насколько сложны взаимосвязи в любой живой системе - в отдельной клетке или целом организме, как сложна работа по управлению клетками, регулированию их состояния и контролю за согласованностью всех жизненных процессов.
Этот важный отдел биофизики опирается на закономерности, открытые другой наукой - кибернетикой. Биофизики, изучающие процессы управления и регуляции, пользуясь ее методами, разработали ряд электронных моделей, например черепахи, нервной клетки и процесса фотосинтеза, которые облегчают изучение сложных явлений регуляции в организме.
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 cостояние.
Хлоропласты в клетках листа изменяют свое расположение в зависимости от силы освещения: при сильном освещении они располагаются вдоль стенок клеток (слева); при слабом - по всей клетке. Это пример клеточной саморегуляции.
Вот только один простой пример такой саморегуляции. Мы уже рассказывали о важной роли хлоропластов, находящихся в клетках зеленого листа. Хлоропласты способны к самостоятельному передвижению в клетках под влиянием света, поскольку они очень чувствительны к нему. В солнечный яркий день при большой интенсивности света Хлоропласты располагаются вдоль клеточной стенки, как бы стараясь избежать действия сильного света. В пасмурные облачные дни хлоропласты располагаются по всей поверхности клетки, чтобы поглощать больше лучей. Переход хлоропластов из одного положения в другое под влиянием света (фототаксис) совершается благодаря клеточной саморегуляции.
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 выделилась в самостоятельную отрасль биологии радиобиология - наука о действии различных видов радиации на живые организмы, космическая биология, изучающая проблемы жизни в космосе, механохимия, исследующая превращение химической энергии в механическую, происходящее в мышечных волокнах. 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.
История научных институтов биологического профиля в России идет с конца ХIХ века и начинается с укусов бешеных собак. Под впечатлением от успеха прививок от бешенства, разработанных Пастером, в конце ХIХ века в Санкт-Петербурге был создан Институт экспериментальной медицины. Организацию института инициировал и финансировал принц А.П.Ольденбургский. Перед этим принцу пришлось посылать на прививку в Париж одного из своих офицеров. В 1917 году на средства купца Х.С.Леденцова в Москве был создан Институт физики и биофизики. Этот институт возглавил П.П.Лазарев, который вскоре оказался близок "к телу Ленину": после покушения на вождя мирового пролетариата ему понадобилось рентгенологическое исследование.
Биофизика в Советской России стала на какое-то время "баловнем судьбы". Большевики были одержимы обновлениям в обществе и демонстрировали готовность поддерживать новые направления в науке. Позже именно из этого Института вырос Институт физики Российской Академии наук. Заметим, что многие фундаментальные физические открытия произошли благодаря интересу ученых к биологическим системам. Так, знаменитый итальянец Луиджи Гальвани сделал открытия в области электричества, изучая животное электричество на лягушках, а Алессандро Вольта догадался, что речь идет о более общем физическом феномене.
В Советском Союзе власти были заинтересованы в проведении научных исследований "широким фронтом". Нельзя было пропустить ни одного из перспективных направлений, которые могли бы сулить в будущем военные или экономические преимущества. До начала 90-х годов государственная поддержка обеспечивала приоритетное развитие молекулярной биологии и биофизики. В 1992 году новые власти послали ученым недвусмысленный сигнал: зарплата научного сотрудника стала меньше прожиточного минимума, и ученые были вынуждены выбирать между эмиграцией и сменой сферы деятельности. Многим биофизикам, не помышляющим прежде об эмиграции, пришлось уехать на Запад. Сообщество биофизиков в России относительно невелико, и если из нескольких тысяч исследователей уезжают сотни, не заметить этого невозможно.
В первое время российская биофизика от "экономической" эмиграции пострадала незначительно. Развитие таких средств коммуникации, как электронная почта и интернет, позволило сохранить связи ученых с коллегами. Многие стали оказывать помощь своим институтам реактивами и научной литературой, продолжили исследования по "своим" темам. Известные ученые после приезда на новое место создали "площадки" для стажировки и пригласили коллег. Уехали самые энергичные ученые, по большей части молодые. Это привело к "старению" научных кадров, чему способствовало также падение престижа специальности. Из-за невозможности прожить на академическую зарплату уменьшился приток студентов в науку. Возник разрыв поколений, который теперь, после 15 лет перемен, начинает сказываться все сильнее: средний возраст сотрудников в некоторых лабораториях Академии наук уже превышает 60 лет.
Российская биофизика не утратила ведущих позиций в ряде направлений, которые возглавляют ученые, получившие образование в 60-80-е годы ХХ века. Значительные открытия в науке сделаны именно этими учеными. Так, в качестве примера можно привести создание в последние годы новой науки - биоинформатики, основные достижения которой связаны с компьютерным анализом геномов. Основания этой науки были заложены еще в 60-е годы молодым биофизиком Владимиром Туманяном, который первым разработал компьютерный алгоритм анализа последовательностей нуклеиновых кислот. Из этого примера становится понятно, насколько важно сейчас привлечь в науку одаренную молодежь, которая смогла бы заложить основания новых научных направлений.
Биофизик Анатолий Ванин еще в 60-е годы открыл роль оксида азота в регуляции клеточных процессов. Позже оказалось, что оксид азота имеет важное медицинское значение. Оксид азота является основной сигнальной молекулой сердечно-сосудистой системы. За исследование роли оксида азота в этой системе была присуждена Нобелевская премия в 1998 году. На основе оксида азота был создан самый популярный в мире лекарственный препарат для повышения потенции "Виагра". Между тем статья Анатолия Ванина "Свободные радикалы нового типа" была опубликована в 1965 году в журнале "Биофизика". Американские ученые демонстрируют ее теперь как первую работу по окиси азота в живом организме. Похожая история произошла и с клонированием - первая работа тоже была опубликована в отечественной "Биофизике"?
Многие достижения в области биофизики связаны с открытой еще советскими учеными автоколебательной реакцией Белоусова-Жаботинского. Эта реакция дает пример самоорганизации в неживой природе, она послужила основанием для многих моделей модной ныне синергетики. Олег Морнев из Пущино недавно показал, что автоволны распространяются по законам оптических волн. Это открытие проливает свет на физическую природу автоволн, что также может считаться вкладом биофизиков в физику.
Одно из самых интересных направлений современной биофизики - анализ связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей белки. Это связывание лежит в основании явления "РНК-интерференции". Открытие этого явления было отмечено в 2006 году Нобелевской премией. Мировое научное сообщество возлагает огромные надежды на то, что это явление позволит бороться со многими заболеваниями. Анализ механизмов связывания молекул РНК успешно проводится в последние годы интернациональной группой исследователей, которыми руководит Ольга Матвеева, работающая ныне в США.
Важнейшим направлением молекулярной биофизики является изучение механических свойств одиночной молекулы ДНК. Развитие тонких методик биофизического и биохимического анализа позволяет следить за такими свойствами молекулы ДНК, как жесткость, способность к растяжению, изгибу и прочность на разрыв. Такие свойства выявляются в экспериментальных и теоретических работах, проводимых в последние годы в России под руководством Сергея Гроховского и в США под руководством Карлоса Бустаментэ . Эти работы смыкаются с исследованиями механических напряжений в живой клетке. Дональд Ингбер был первым, кто указал на сходство механических конструкций живой клетки с "самонапряженными конструкциями". Такие конструкции были изобретены в начале 20-х годов ХХ века российским инженером Карлом Иогансоном и "переоткрыты" позже американским инженером Бакминстером Фуллером.
Традиционно сильны позиции российских биофизиков в области теории. Физический факультет МГУ, где в ХХ веке работали и преподавали сильнейшие в стране теоретики, много дал выпускникам кафедры биофизики. Выпускники этой кафедры выдвинули целый ряд оригинальных теоретических концепций и создали немало уникальных разработок, которые нашли свое применение в медицине. Например, Георгий Гурский и Александр Заседателев разработали теорию связывания биологически активных соединений с ДНК. Они предположили, что в основании такого связывания лежит феномен "матричной адсорбции". Исходя из этой концепции, они предложили оригинальный проект синтеза низкомолекулярных соединений. Такие соединения могут "узнавать" определенные места на молекуле ДНК и регулировать активность генов. В последние годы этот проект успешно развивается, синтезируются лекарства от ряда тяжелых заболеваний. Александр Заседателев успешно применяет свои разработки для создания отечественных биочипов , которые позволяют диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. Под руководством Владимира Поройкова был создан комплекс компьютерных программ, позволяющих предсказывать биологическую активность химических соединений по их формулам. Это направление позволяет существенно облегчить поиск новых лекарственных соединений.
Галина Ризниченко с коллегами разработала компьютерные модели реакций, проходящих при фотосинтезе. Она возглавляет ассоциацию "Женщины в науке, культуре и образовании", которая совместно с кафедрой биофизики биологического факультета МГУ проводит ряд важнейших для сообщества российских биофизиков конференций. В советское время подобных конференций было много: несколько раз в году биофизики собирались на совещания, симпозиумы и семинары в Армении, Грузии, Украине и Прибалтике. С распадом СССР эти встречи прекратились, что негативно сказалось на уровне проводимых в ряде стран СНГ исследований. Научный совет по биофизике при Академии наук за последние 15 лет провел два Всероссийских биофизических съезда, которые стимулировали научные контакты и обмен информацией между отечественными учеными. Важную роль в последние годы начали играть конференции, посвященные памяти Льва Блюменфельда и Эмилии Фрисман. Эти конференции проходят регулярно на физических факультетах МГУ и СПбГУ.
Если судить по финансовым показателям, то "пальму первенства" за наибольшие достижения следует отдать биофизику Армену Сарвазяну, который создал ряд уникальных разработок в области исследования организма человека с помощью ультразвука. Эти исследования щедро финансируются военным ведомством США: так, Сарвазяну принадлежат открытия связи между гидратацией тканей (степенью обезвоживания) и состоянием организма. Работы лаборатории Сарвазяна востребованы в связи с проводимыми США военными операциями в странах Ближнего Востока.
Мировоззренческие потрясения сулят открытия Симона Шноля: он обнаружил влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций. Речь идет о том, что известный закон Гаусса, или нормального распределения ошибок измерений, оказывается результатом грубого усреднения, которое не всегда бывают правомочным. В реальности все происходящие процессы обладают определенными "спектральными" характеристиками, обусловленными анизотропией пространства. "Космический" ветер, о котором писали фантасты ХХ века, находит свое подтверждение в тонких экспериментах и оригинальных концепциях ХХI века.
Наиболее значимыми для всех людей, живущих на нашей планете, могут оказаться исследования биофизика Алексея Карнаухова. Его климатические модели предсказывают, что нас ожидает глобальное похолодание, которому будет предшествовать потепление. Неудивительно, что к этой теме привлечен огромный общественный интерес. Удивительно, что фильм "Послезавтра" ("Day after tomorrow") основывается не только на этой идее, но и даже на конкретной модели похолодания, предложенной Карнауховым. Течение Гольфстрим, которое согревает Северную Европу, перестанет приносить тепло из Атлантики из-за того, что встречное ему лабрадорское течение из-за таяния ледников и увеличения стока северных рек будет опресняться, благодаря этому станет легче и перестанет "подныривать" под Гольфстрим. Наблюдаемое в последние годы увеличение стока северных рек и таяние ледников придает прогнозам Карнаухова все большие основания. Риски климатических катастроф резко увеличиваются, и общественность ряда европейских стран уже бьет тревогу.
Исследования Роберта Бибилашвили из Кардиологического центра привели к значительным результатам в вопросах излечения ряда заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми. Оказалось, что своевременное вмешательство (впрыскивание в участки мозга больных, пораженных инсультом, фермента урокиназы) способно полностью снять последствия даже очень тяжелых приступов! Урокиназа - это фермент, который образуется клетками крови и сосудов и является одним из компонентов системы, препятствующей развитию тромбозов.
Российская биофизика до последнего времени сохраняла приоритет в большом числе научных направлений: Всеволод Твердислов занят оригинальными исследованиями в области происхождения жизни, Фазоил Атауллаханов получил ряд принципиальных результатов в понимании функционирования кровяной системы, под руководством Михаила Ковальчука развивается ряд направлений в новой науке - нанобиологии, интереснейшие концепции разрабатывают сейчас Генрих Иваницкий, Владимир Смолянинов и Дмитрий Чернавский...
Мировое биофизическое сообщество с восторгом встретило книгу "Физика белка", написанную Алексеем Финкельштейном и Олегом Птицыным. Вместе с книгой "Век ДНК" (в первом русском издании - "Самая главная молекула") Максима Франк-Каменецкого эта книга стала настольным пособием для студентов и ученых из многих стран. В целом за последние 15 лет отечественная биофизика, несмотря на существенное снижение финансирования, не утратила способности генерировать новые идеи и получать оригинальные результаты. Однако ухудшение научной инфраструктуры и приборной базы, отток молодежи в более прибыльные секторы экономики привели к тому, что ресурсы для дальнейшего развития науки оказались исчерпаны. Отечественная наука немного потеряла в скорости и интенсивности своего развития. Поддержали науку самоотверженность ученых, помощь западных коллег и фондов, а также значительность инерции, определяемая трудоемкостью образования. "Спасительную" роль здесь сыграла и консервативность пристрастий ученых. Наука на протяжении столетий поддерживалась благодаря интересу к ней выходцев из высших слоев общества, финансирующих исследования из своего кармана (вспомним принца Ольденбургского). Известный аристократизм академический науки спас ее носителей от рыночных искушений "переходного периода".
Сейчас эти "благородные доны" в биофизике уже не могут найти и воспитать себе подобных: молодежь идет в офисы не потому, что она не любит науку, а потому, что не может найти полноценного вознаграждения своим трудам. Недо-образованность стала бичом нашего времени: для того чтобы "сделать" настоящего ученого, требуется не менее 8-10 лет: 5-6 лет обучения в вузе или Университете и три года в аспирантуре. Все это время молодого человека должны содержать родители, если же он начинает "подрабатывать", то, как правило, это завершается уходом "в офис". Однако найти родителей, которые на протяжении десятка лет готовы пестовать свое дитя и ублажать его интерес к науке, довольно трудно. Такие родители могли бы найтись в научной среде, если бы сами ученые имели достаточное финансирование. Благодаря длительному образованию получается "долгоиграющий" специалист, однако обрыв образования на полпути приводит к "недоучкам". Именно невосполнимая потеря молодых специалистов (а не достижений) в науке - главный итог перемен в отечественной биофизике. Утрата достижений и потеря мирового уровня исследований - процесс, который нас еще ожидает, если молодежь не вернется в науку.
Из последних достижений зарубежных ученых можно отметить два: во-первых, группа американских исследователей из Университета Мичиган под руководством С.Дж. Вайса открыла один из генов, ответственных за "трехмерность" развития биологической ткани, во-вторых, ученые из Японии показали, что механические напряжения помогают создать искусственные сосуды. Японские ученые поместили стволовые клетки внутрь полиуретановой трубки и пропускали через трубку жидкость под переменным давлением. Параметры пульсирования и структуры механических напряжений были примерно теми же, что и в реальных человеческих артериях. Результат обнадеживает - стволовые клетки "превратились" в клетки выстилки кровеносных сосудов. Эта работа позволяет глубже понять роль механических напряжений в развитии органов. На повестке дня создание искусственных "запчастей для ремонта" кровеносной системы. Новости науки можно посмотреть на сайте scientific.ru .
Суммируя, можно сказать, что российская биофизика немало потеряла в настоящем, но ей угрожает более серьезная опасность - потерять будущее.
Познание функций человека - одна из труднейших задач. Развитие науки на первых этапах происходит - дифференциация дисциплин, направленных на глубокое изучение тех или иных проблем. На первом этапе мы пытаемся познать определенную часть и когда это удается сделать возникает другая задача - как составить общее представления. Возникают научные дисциплины на стыке первоначальных специальностей. Это относится и к биофизике, которая появилась на стыке физиологии, физики, физической химии и открыла новые возможности в понимании биологических процессов
Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические процессы на разных уровнях живой материи (молекулярном, клеточном, органном, целого организма), а также закономерности и механизмы воздействия физических факторов внешней среды на живую материю.
Выделяют-
- молекулярная биофизика - кинетики и термодинамика процессов
- биофизика клеток - изучение структуры клеток и физико-химические проявления - проницаемость, образование биопотенциалов
- биофизика органов чувств - физико-химические механизмы рецепции, трансформацию энергии, кодирование информации ив рецепторах.
- Биофизика сложных системы - процессы регулирования и саморегулирования и термодинамические особенности этих процессов
- Биофизика воздействия внешних факторов - исследует влияние на организм ионизирующей радиации, ультразвука, вибрации, воздействия света
Задачи биофизика
- Установление закономерностей дивой природы путем изучения физических и химических явлений в организме
- Изучение механизмов воздействия физических факторов на организм
Эйлер(1707-1783) - законы теории гидродинамики, для объяснения движения крови по сосудам
Лавуазье (1780) - изучал обмен энергии в организме
Гальвани(1786) - основоположник учения о биопотенциалах, о животном электричестве
Гельмгольц(1821)
Рентген - пытался объяснить механизмы мышечного сокращения с позиции пьезо - эффектов
Аррениус - законы классической кинетики для объяснения биологических процессов
Ломоносов - закон сохранения и превращения энергии
Сеченов - изучал транспорт газа в крови
Лазарев - основоположник отечественной биофизической школы
Полинг - открытие пространственной структуры белка
Уотсон и Крик - открытие двойной структуры ДНК
Ходжкин, Хаксли, Катц - открытие ионной природы биоэлектрических явлений
Пригожин -теория термодинамики необратимых процессов
Эйген - теория гиперциклов, как основа эволюции
Сакман, Неер - установили молекулярную структуру ионных каналов
Биофизика становилась в связи с развитием медицины, т.к. там использовались методы физического воздействия на организма.
Развивалась биология и было необходимо проникнуть в тайны биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне
Потребность промышленности, развитие которой привело к действию ан организм различных физически факторов - радиоактивное излучение, вибрации, невесомость, перегрузки
Методы биофизических исследований
- Рентгеноструктурный анализ - исследование атомной структуры вещества, с помощью дифракции рентгеновских лучей. По дифракционной картине устанавливают распределение электронной плотности вещества, а уже по ней можно определить, какие атомы содержатся в веществе и как они расположены. Исследование кристаллических структур, жидкостей и белковых молекул.
- Колоночная хроматография - различное распределение и анализ смесей между 2 фазами - подвижной и неподвижной. Она может быть связана с различной степенью вещества абсорбции или к различной степени ионного обмена. Может быть газовой, либо жидкостной. Распределение веществ используют в капиллярах - капилярная, либо в трубках, заполненных сорбентом - колончатая. Можно проводить на бумаге, пластинках
- Спектральный анализ - качественное и количественное определение вещества по оптическим спектрам. Вещество определяют либо по спектру испускания - эмиссионный спектральный анализ или по спектру поглощения - абсорбционный. Содержание вещества определяется по относительной или абсолютной толщине линий в спектре. Также относят радиоспектроскопию - электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитный резонанс.
- Изотопная индикация
- Электронная микроскопия
- Ультрафиолетовая микроскопия - исследование в УФ лучах биологических объектов повышает контрастность изображения, особенно внутриклеточных структур и она позволяет исследовать иные клетки без предварительной окраски и фиксации препарата
Одним из важнейших условий существования является адекватное приспособлений функций, органов и тканей, систем к среде обитания. Происходит постоянное уравновешивание организма и среды. В этих процессах основной процесс - регуляция и управление физиологическими функциями.
Общие законы реализации, управления и переработки информации в разных системах изучаются наукой кибернетикой(кибернетика - искусство управления) Законы управления являются общими как у человека, так и у технических устройств. Возникновение кибернетики было подготовлено разработкой теорией автоматического регулирования, развитием радиоэлектроники, созданием теории информации.
Эта работа была изложена Шенноном(1948) в «Математическая теория связи»
Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования. Кибернетика изучает те сигналы и факторы, которые приводят к определенным процессам управления.
Имеет большое значения для медицины. Анализ биологических процессов позволяет качественно и количественно изучить механизмы регулирования. Информационные процессы управления и регулирования являются определяющими в организме, т.е. являются первичными, на основе которых происходят все процессы.
Системы - организованный комплекс элементов, связанных друг с другом и выполняющих определенные функции в соответствии с программой всей системы. Элементами мозга будут являться нейроны. Элементы коллектива - люди, входящие в него. Только толпа не является кибернетической системой.
Программа - последовательность изменений системы в пространстве и времени, которые могут быть заложены в структуре смой системы или поступить в нее извне.
Связь - процесс взаимодействия элементов друг с другом, при котором происходит обмен веществом, энергией, информацией.
Сообщения бывают непрерывными и дискретными.
Непрерывное имеют характер непрерывно меняющейся величины(артериальное давление, температура, напряжение мышц, музыкальные мелодии).
Дискретное - состоят из отдельных, отличающихся друг от друга ступеней или градаций(порции медиаторов, азотистое основание ДНК, точки и тире азбуки Морзе)
Важен также процесс кодирования информации. Кодируется нервными импульсами, для восприятия информации нервными центрами. Элементы кода - символы и позиции. Символы являются безразмерными величинами, которые отличают что либо(буквы алфавита, математические знаки, нервный импульс, молекулы пахучих веществ, а позиции определяет пространственное и временное расположение символов).
Код информации содержит такую же информацию, как и исходное сообщение. Это явление изоморфности. Кодовый сигнал обладает очень малой энергетической величиной. Поступление информации оценивается по наличию или отсутствию сигнала.
Сообщение и информация - это не одно и тоже, ибо по теории информации
Информация - мера того количества неопределенности, которая устраняется после получения сообщения.
Возможность наступления события - априорная информация .
Та вероятность события после получения информации - апостериорная информация.
Информативность сообщения будет больше, если полученные сведенья повышают апостериорную вероятность.
Свойства информации.
- Информация имеет смысл только при наличии ее приемников(потребителя) - «если в комнате стоит телевизор, и в ней никого нет»
- Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что предается информации, т.к. есть сообщения, которые не несут ничего нового, для потребителя.
- Информация может предаваться как на сознательном, так и на подсознательном уровнях.
- Если событие достоверно(т.е. его вероятность Р=1), сообщение о том, что оно произошло не несет никакой информации для потребителя
- Сообщение о событии, вероятность которого Р < 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которого произошло.
Дезинформация - отрицательное значение информации.
Мера неопределенности событий - энтропия (H)
Если log2 N=1, тогда N=2
Единица информации - бит (двойничная единица информации)
H=lg N (хартли)
1 хартли - количество информации, необходимое для выбора одной из десяти равновероятных возможностей. 1 хартли = 3,3 бит
Регулятор может работать по возмещению, когда воздействие на организм является компенсирующим действием регулятора, что приводит к нормализации функции
Управление направлено на запуск физиологических функций, на их коррекцию и на согласование процессов.
Наиболее древний - гуморальный механизм регуляции.
Нервный механизм.
Нервно-гуморальный механизм.
Развитие механизмов регуляции приводит к тому, что животные способны к движению и могут уходить из неблагоприятной среды в отличие от растений.
Форпостный механизм (у человека) - в форме условных рефлексов. На сигнальные раздражители мы можем осуществлять меры воздействия на окружающую среду.
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.
