И стория биофизики

Доклад члена-корреспондента РАН Г.Р.Иваницкого

Иоган Вольфганг Гете (1749-1832) - ученый, поэт, художник и мыслитель (его, кстати можно назвать биофизиком, заложившим основы восприятия цвета и обнаружившим явление цветовой адаптации) писал: "История науки - это большая фуга, в которую мало-помалу вступают голоса народов". Мне хотелось построить этот доклад как фугу - в жесткий хронологический ряд развития биофизики ввести шесть тем с многоголосьем размышлений о судьбах науки, свои личные наблюдения и высказывания патриархов биофизики.

Подготовка к этому выступлению напомнила мне высказывание Альберта Сент-Дьери, которое я слышал при посещении его лаборатории в Вудс-Холе во время 3-го Международного биофизического конгресса, который проходил в Кембридже в 1969 году. "Хочешь сэкономить на собственных похоронах, бери свечку в руки и ступай на кладбище. Такое чувство охватывает меня, - говорил он, - когда вы просите рассказать о моей научной биографии. Это все равно, что написать некролог самому себе".

Аналогичные чувства возникали у меня. Я занимаюсь биофизикой почти 40 лет, а это близко к половине официального срока существования биофизики в России. Она приобрела организационную форму в виде создания исследовательского института в 1919 году. Первый научно-исследовательский биофизический институт в Советской России был создан в системе Наркомата здравоохранения академиком Петром Петровичем Лазаревым. Я застал еще тех, кто хорошо помнил и работал с Первыми и мог рассказать мне как все происходило на самом деле. Это любопытная и неопубликованная история, но об этом позднее. Говоря об истории, чтобы не впасть в ностальгию по прошлому, лучше смотреть вперед, а не назад.

Главные темы истории биофизики:

1. Рождение

Дату рождения биофизики, как и любой науки, даже приблизительно установить не удается. Она как кокетливая дама скрывает свой возраст.

Если за биофизику условно принять науку, решающую биологические задачи с позиций математики и физики, то она, по-видимому, родилась в XII-XIII веке и ей 800 лет. В 1202 году Леонардо из Пизы, больше известный по прозвищу Фибоначчи (что означает сын Боначчи), опубликовал книгу "Трактат о счете". В ней, наряду со всеми арифметическими и алгебраическими сведениями того времени, содержалась первая биологическая задача, решенная с помощью математики: сколько кроликов рождается в один год от одной пары?

"Природа кроликов такова, - пишет Фибоначчи. - что через месяц пара кроликов производит на свет другую пару, а производят потомство кролики со второго месяца после своего рождения". Таким образом он получил ряд {(1, 1,) 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377}. Два первых числа соответствуют началу размножения, 12 последующих - помесячному приросту поголовья кроликов. Каждый последующий член этого ряда равен сумме двух предыдущих. Этот ряд и вошел в историю как ряд Фибоначчи. Последовательность этих чисел обладает многими интересными свойствами, но рассказ о них требует специального доклада. Важно другое - это была первая дошедшая до нас нетривиальная математическая модель биологического процесса.

В 1628 г. на основе количественных измерений и аналогий из гидравлики Уильям Гарвей (1578-1657) объяснил механизм кровообращения. Рене Декарт (1596-1650) в это же время ввел представление об организме, наделенном сознанием, как физическом механизме с рефлекторной дугой. Это было первое упоминание об обратной связи, столь существенное для развития всех разделов биологии. Еще одна существенная работа из этого ряда принадлежала итальянцу Джованни Борелли (1608-1679) - ученику Галилея, одному из крупных ученых XVII века. Его книга "О движении животных" в двух томах была обнародована уже после смерти. В первом томе описывалось строение и форма различных мышц человека и животных. Во втором - на основе механических аналогий и геометрических построений рассматривались сокращение мышц, движение сердца, циркуляция крови, пищеварение. Это был первый капитальный труд по биомеханике...

Исторический список ученых Западной Европы, выступавших в роли "акушеров" при родах новой науки, - длинный - и его можно продолжать, но это не продуктивно. Сразу перенесемся в Россию начала XVIII века. Здесь следует назвать немца Готфрида Лейбница (1646-1716) и швейцарцев Даниила Бернулли (1700-1782) и Леонардо Эйлера (1707-1783). Первого, потому что он набросал для Петра I эскиз организации Академии в России и указал на необходимость приглашения ученых из Европы. Как известно, с 1725 по 1733 гг. состав нашей Академии был исключительно иностранным. Лишь с 1742 г. среди 49 членов появились трое русских, в том числе и М.В. Ломоносов (1711-1765), которого также можно зачислить в биофизики. Им в общей форме был сформулирован закон сохранения массы и движения и выдвинута в 1756 году одна из первых гипотез цветного зрения. С этого обычно начинаются все введения в учебниках биофизики. Но нам важнее сейчас отметить менее известную роль Даниила Бернулли, который писал Эйлеру: "Я желал бы, чтобы в Петербурге были медики, знающие начала математики, в особенности же - механику и гидравлику". Короче: Бернулли еще в начале XVIII века были необходимы биофизики. Любопытно, что Д. Бернулли и Л. Эйлера считают математиками, иногда физиками, но никак не биофизиками. Тем не менее необходимо напомнить, что и Л. Эйлер и Д. Бернулли сначала были назначены профессорами физиологии в Петербурге, а уже потом перешли на кафедры физики, и математики. Они, как и величайший биофизик XIX столетия Герман Гельмгольц, проделали похожую эволюцию, но значительно раньше: от наук о живом до физики и математики.

Эйлеру, занимая пост физиолога, и в тоже время будучи физиком и математиком, ничего не оставалось, как внести существенный вклад в биофизику, а именно в теорию кровообращения. Первая задача о движении жидкости в растяжимых и упругих трубках была решена именно Эйлером. Резаль, Марей и Н.Е. Жуковский были значительно после и опирались на труды Эйлера. Кроме того в "Письмах к немецкой принцессе" он также изложил в популярной форме устройство и функцию глаза (неважно, что он ошибался, считая глаз ахроматическим аппаратом). Ему же принадлежит труд (1739) по теории слуха и теории музыки, где впервые был указан логарифмический закон восприятия, который много позднее стал известен как закон Вебера - Фехнера. Эйлер и здесь был первым.

Что касается Д. Бернулли - то я его ценю не за уравнение, связывающее скорость и давление в потоке идеальной несжимаемой жидкости при установившемся течении (1738) (которое вошло во все энциклопедии и учебники). В биологии таких течений нет, потоки пульсируют, а жидкости всегда неидеальны и сжимаемы (будь то кровь, лимфа или клеточная протоплазма - это сильно неоднородные "бульоны"). Главный его биофизический и долгое время забытый труд, важность которого была осознана лишь в 80-ых годах нашего столетия - это так называемый, "Санкт-Петербургский парадокс" или "Очерки о разорении игрока в азартных играх". Это есть фундаментальная математическая модель, в том числе и биологической эволюции и образования кластерных и древовидных структур в морфогенезе. Огюстон Коши (1789-1857) (кстати почетный академик Петербургской академии наук с 1831 г.), Поль Леви (1886-1971) и другие были много позднее, в конце XIX и даже уже в XX веке. Термин "фракталы" появился в книге американца Б. Мандельброта "Фрактальная геометрия в природе" в конце нашего века (1982 г.). Д.Бернулли был первым.

В чем смысл парадокса Бернулли? Об этом знают далеко не все. Напомню, что парадокс связан с возникновением временных шкал внутри случайного дискретного процесса, когда в нем начинает проявляться влияние предыстории. Он изучался им в связи с азартными играми, но является наглядным примером многих важных аспектов появления временных шкал и проявления фрактальности в биосистемах. Казалось бы, что когда в очередной раз кладутся фишки на рулетный стол или бросается монета, или раздаются карты - все предыдущие результаты игр забыты, игра начинается сначала. Вероятности каждой новой игры не зависят от результата предыдущей. Это означает, что не существует стратегии, которая может гарантировать выигрыш одному из игроков и разорение другого. При продолжительной вероятностной азартной игре каждый игрок в среднем должен остаться при своих деньгах. Однако практика показывает, что как правило, имеются выигравшие и проигравшие (также как в биосистемах "хищник-жертва" всегда есть погибшие, но остаются и выжившие). Почему?

Дополнительная информация относительно предыстории о предыдущем раунде в игре несущественна для предсказания результатов последующего раунда, т.к. время корреляции или память, определяется временем продолжительности самого раунда, например, временем вращения рулетки. В этом интервале игрок не имеет возможности влиять на процесс игры. Однако, если допустить, что все вероятностные игры имеют "память", то должна существовать стратегия, приводящая к выигрышу путем увеличения зависимости одного раунда от другого. Ответ в азартных играх оказывается банальным, но трудно реализуемым. Стратегия на абсолютно достоверный выигрыш требует бесконечного времени на игру и, что особенно важно, притока капитала (энергии) во время игры, и состоит в тупом удваивании ставок на том же поле после каждого проигрыша. Теория вероятности в этом случае работает на вас. С каждым проигрышем вероятность выигрыша в следующем раунде растет. Образуется цикл с меняющимися коэффициентами обратной связи. "Упрямый" игрок (например, какой-нибудь фермент-частица или живой организм) в процессе игры многократно меняется местами с рулеткой (средой). Так как вероятность проигрыша игрока уменьшается, то преимущество на бесконечном интервале всегда на стороне игрока, если он обладает большим капиталом и может дождаться своего выигрыша (в природе все системы открыты для притока энергии, и необходимо только уметь этим пользоваться, и долго жить в популяционном смысле). Это простейший пример образования цикла с переменным коэффициентом обратной связи - с каждым проигрышем вероятность выигрыша в следующем раунде растет. Для организмов на определенном уровне организации в этом состоит смысл обучения, в том числе и через генетическую память. Как известно, аналогичное описание широко используется для моделирования движения броуновских частиц с предысторией. Ситуация качественно достаточно очевидная, если распределение неудач и удач асимметрично в сторону удач, то в конечном итоге для успеха решающим фактором является время. Однако здесь важна не качественная, а количественная сторона - сколько нужно ждать и какой капитал или его приток иметь, чтобы стать еще богаче. Эти зависимости и дал Бернулли. Сто лет спустя после Д. Бернулли описанием этого парадокса занялся О. Коши и нашел модификацию выражения для вероятности с N-шаговым добавлением к случайному распределению, когда оно трансформируется из реального пространства х в Фурье-пространство, а Леви в 30-х годах нашего столетия показал, что распределение числа раундов по играм, приводящих к выигрышу, имеет фрактальную размерность. Однако, не дослушав окончания, не бросайтесь сразу в казино, чтобы обогатиться, - второй момент в распределении Леви в пределе может быть равен бесконечности, так что с ограниченным капиталом и малой продолжительностью жизни можно не дождаться своего звездного часа, а наоборот полностью разориться. Это у биологической эволюции в запасе была вечность и Солнце как источник капитала.

Теперь пропустим 200-250 лет из истории отечественной биофизики, о них можно прочитать во введениях многочисленных отечественных (М.В. Волькенштейна, А.Б. Рубина, Ю.В. Владимирова с соавторами и др.) и переводных учебников по биофизике. Отметим лишь наиболее крупные имена ученых и научных организаторов, оказавших заметное влияние на развитие отечественной и мировой биофизики: И.М. Сеченов, А.Ф. Вериго, А.Ф. Самойлов, Н.Е. Введенский, К.А. Тимирязев, А.А. Ухтомский, И.П. Павлов, Ю.В. Чаговец, В.Н. Вернадский, Н.К. Кольцов, С.Ю. Штейн, П.П. Лазарев, Н.А. Бернштейн, А.Н. Теренин, Э.С. Бауэр, Н.А. Белозерский, Б.Н. Тарусов, Н.В. Тимофеев-Ресовский, Б.П. Белоусов, Г.М. Франк, В.А. Энгельгардт, И.А. Терсков, А.А. Красновский, А.Л. Чижевский, Б.Н. Вепринцев, Н.М. Эмануель, А.А. Баев, Ю.А. Овчинников, М.В. Волькенштейн, А.М. Кузин и многие другие. Всех перечислить невозможно. Не все они себя считали биофизиками, но по сути все они занимались биофизическими проблемами. Ныне здравствующих я умышленно не называю. Из иностранных обязательно нужно упомянуть Г. Гельмгольца, Ж. Леба, Ю.Р. Майера и М. Рубнера.

2. Именины

Когда, появился термин "биофизика"? Здесь нет полной хронологической однозначности. Когда мы пытаемся проникнуть вглубь истории любой науки, то не видим ничего, кроме случайностей. Они могут выглядеть, как истоки явления, но оказаться лишь эпизодами в процессе непрерывного развития науки.

Достоверно известно, что до XIX века термина "биофизика" не существовало. Родившийся ребенок по крайней мере 600 лет жил без имени, точнее под псевдонимом "этиология" (от греческого aitia - причина, учение о причинах), идущим еще от древних греков. Мне кажется, что псевдоним у "биофизики" был не так уж плох и прекрасно отражал ее место в системе биологических наук. Но как бы там ни было, у нашей науки появилось новое название. В связи с рождением термина "биофизика", думаю, следует упомянуть два имени: Карл Пирсон (1857-1936) и Жак Арсен Д'арсонваль (1851-1940). Первый был английским математиком и биологом. С 1884 г. он - профессор математики и механики Лондонского университета, а затем с 1911 г. - глава лаборатории евгеники. Нам он хорошо известен как создатель биометрии, основы которой заложил Ф. Гальтон. "Кривые Пирсона" вошли во все справочники по математике и энциклопедии. Но не меньшую известность ему принесла опубликованная им в 1892 г. философская книга "Грамматика науки", которая была переведена на многие языки, в том числе ив 1911 г. на русский.

В ней он писал: "Мы не можем с полной определенностью утверждать, что жизнь есть механизм до тех пор, пока мы не в состоянии указать более точно, что именно понимаем мы под термином "механизм" в применении к органическим тельцам. Уже теперь представляется почти несомненным, что некоторые обобщения физики - в особенности великий принцип сохранения энергии - описывают, по крайней мере, часть нашего чувственного опыта относительно жизненных форм. Нужна, следовательно, отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, или физики к развитию органических форм. Такая наука, пытающаяся показать, что факты биологии - морфологии, эмбриологии и физиологии - образуют частные случаи приложения общих физических законов, получила название этиологии. Быть может, лучше было бы назвать ее биофизикой. В настоящее время биофизика еще не сделала особенно крупных успехов, но нет ничего невероятного в том, что ей принадлежит крупное будущее".