151836 (Історія розвитку біофізики як науки. Класифікація і характеристика основних напрямків біофізики), страница 2

Живий організм являє собою відкриту, саморегульовану і гетерогенну систему, що самовідтворюється, найважливішими функціональними речовинами якої служать біополімери - білки і нуклеїнові кислоти. Така система підлягає комплексному фізичному і хімічному дослідженню. Її пізнання повинне спиратися на розкриття фізичних особливостей життя — на фізичний розгляд розвитку організму, його нерівновагі, упорядкованості, системності.

Біофізика є фізика живих організмів. Термодинамічний і теоретико-інформаційний аналіз явищ життя зняв удавані протиріччя між фізикою і біологією. Не можна не погодитися з Ейгеном, коли він затверджує, що сучасна фізика в принципі достатня для пояснення явищ життя для обґрунтування біології. Таке обґрунтування вимагає введення нових понять (наприклад, поняття селективної цінності інформації), але не побудови принципово нової фізики. Нова фізика, скажемо, квантова механіка чи теорія відносності, виникала в результаті встановлення границь застосовності раніше прийнятих представлень. У біології ми поки не зустрічаємося з такими границями для фізики.

Біофізичне дослідження починається з постановки фізичної проблеми, формулюємої на основі загальних законів фізики й атомно-молекулярних (тобто квантовомеханічних) представлень. Шлях біофізики йде через феноменологію (насамперед через термодинаміку і теорію інформації), до атомно-молекулярного дослідження живого тіла. Живе тіло принципове макроскопично, складається з дуже великого числа атомів, молекул, ланок полімерних ланцюгів, що володіють тією чи іншою мірою незалежними ступенями волі. Упорядкованість біологічної системи і її здатність до розвитку не могли б існувати, якби система була мікроскопічної і, виходить, підданою дуже великим флуктуаціям.

Біологічна проблема може зважуватися засобами фізики (скажемо, за допомогою електронного мікроскопа), але від цього дослідження ще не стає біофізичним. І, навпроти, фізична задача може зважуватися біологічними засобами. Так, постановка проблеми генетичного коду — відповідності між послідовністю амінокислотних залишків у білковому ланцюзі і послідовністю нуклеотидів у ДНК — є постановка фізичної задачі, заснована на фізико-хімічній гіпотезі про існування коду. Рішення цієї фізичної задачі було, однак, отримано за допомогою чисто біологічних і хімічних методів.

Постановці фізичної проблеми завжди передує велика робота в області біології, фізіології, біохімії, цитології і т.д. Біофізика — велике поприще нових великих відкриттів, рішень справжніх загадок природи. Може показатися, що до якої би біологічної проблеми ні звернувся фізик, він порівняно швидко прийде до такого відкриття, тому що міць його ідей і методів дуже велика. Однак щира ситуація виявляється іншою. Складність біологічних об'єктів і явищ утрудняє формулювання фізичної задачі. Постановка такої задачі можлива лише після глибокого біологічного дослідження.

Отже, робота в області біофізики жадає від дослідника дуже серйозних зусиль. На перехресті наук це неминуче. Біофізик — це фізик, що володіє широкою біологічною ерудицією і разом з тим здатний поставити і вирішити фізичну задачу. Біологічна ерудиція має на увазі не тільки знання спеціальних областей біології, що безпосередньо відносяться до теми роботи, скажемо, молекулярній біології чи фізіології. Не знає біології той, хто далекий живій природі, не знаком із зоологією і ботанікою. Саме знання цих основ біології (а фізики іноді відносяться до них зі зневагою) формує біологічний світогляд, без якого побудова справжньої біофізики неможлива.

Кінцеві цілі біології і біофізики єдині — вони складаються в пізнанні сутності життєвих явищ. Єдині і прикладні задачі в медицині і фармакології, у сільському господарстві і техніці. Але, будучи частиною фізики, біофізика не повинна розглядатися як допоміжна біологічна дисципліна. Підкреслимо ще раз, що застосування методів фізики і математики до рішення біологічних проблем ще не означає біофізичного дослідження. Без математичного апарата взагалі неможливо ніяке точне знання. Сучасний зоолог прибігає до витончених математичних прийомів при вивченні динаміки популяцій, але від цього він не стає ні математиком, ні, тим більше, біофізиком.

Істотні не методи, але фізичні, фізико-математичні ідеї, постановка і рішення фізичних задач,

Сучасну біофізику розділяють на три області - молекулярну біофізику, біофізику клітки, біофізику складних систем. Хоча цей розподіл умовно, сьогодні воно доцільно.

Молекулярна біофізика - область перекривання молекулярної фізики і молекулярної біології. Це — молекулярна фізика біологічних процесів, біологічно функціональних молекул.

Молекулярна фізика і молекулярна біофізика вирішують три групи задач. Вони досліджують будівлю молекул, їхні рівноважні взаємини і властивості і кінетику їхніх взаємодій і перетворень. Дослідження будівлі виробляється за допомогою ряду фізичних методів.

Теорія будівлі електронної оболонки молекули і явищ їм обумовлених, квантова механіка, квантова хімія. Уся хімія — явище хімічного зв'язку, перетворення зв'язків у реакціях підкоряється квантовомеханічним закономірностям. У біофізиці квантова механіка грає ту ж роль, що в хімії і фізиці молекул — вона є основою розуміння структури молекул, природи їхніх взаємодій, їх електронних (наприклад, спектральних) властивостей. Однак у багатьох випадках проблеми, зв'язані з електронними властивостями молекул, можуть зважуватися і за допомогою напівемпіричної класичної теорії, що зокрема застосовує так називану валентно-оптичну схему.

Істотна особливість основних біологічно-функціональних речовин — їх макромолекулярність. Білки і нуклеїнові кислоти — великі молекули, біополімери. Тому молекулярна біофізика є переважно макромолекулярна біофізика чи фізика біополімерів. У ній широко застосовуються методи теоретичної й експериментальної фізики, раніше розроблені для вивчення макромолекул небіологічного походження.

Неможливо провести границю між молекулярною біофізикою і біофізичною хімією, так само як не можна провести границю між молекулярною фізикою і фізичною хімією. Класифікація областей знання має завжди історичний і не строго визначений характер. Молекулярна фізика і відповідні розділи фізичної хімії розрізняються не стільки об'єктами і змістом досліджень, скільки ідейними підходами, обумовленими до деякої міри відповідними традиціями.

У тих випадках, коли біофізика вивчає біомолекули in vitro, застосовні представлення рівноважної термодинаміки, і в цьому змісті дослідження денатурації білка не відрізняється від дослідження будь-якого фізико-хімічного процесу в живій системі. Експериментальне вивчення і теоретичні розрахунки рівноваги мають дуже важливе значення і для відкритої живої системи, даючи опорну інформацію, без якої не можна обійтися. Так, вивчення редуплікації ДНК in vitro, реалізованої в досвідах Корнберга, необхідно для розуміння подвоєння ДНК у клітках, що поділяються, що є відкритими системами. Кількісні характеристики рівноваги, знайдені in vitro, істотні і для пояснення властивостей відповідних систем in vivo.

Ті ж розуміння справедливі для кінетичних досліджень. Уся кінетика ферментативних процесів, вивчена In vitro, і в цьому відношенні не відрізняється від кінетики будь-яких інших хімічних реакцій, є основою для дослідження цих процесів в організмі.

Фізика ферментів стає однією з центральних областей молекулярної біофізики. Її задачі - розробка експериментальних і теоретичних методів дослідження ферментів і ферментативних процесів, розкриття фізичних і фізико-хімічних механізмів ферментативного каталізу. Проблеми молекулярної кінетики в біофізиці широкі і різноманітні - це й активний транспорт, і іонний обмін, і механо-хімічні процеси.

Виникнення молекулярної біофізики зв'язане з розвитком молекулярної біології. Це — нова область біофізики, про існування якої ще не можна було говорити кілька десятиліть тому назад.

Біофізика клітки - умовне найменування самої старої, традиційної області біофізики. Це — фізика вичленованих процесів у живому організмі, що контактує з фізіологією. Вичленовування означає уявний (і експериментальний) розривши зв'язків цих процесів з єдиною живою системою — прийом, зовсім необхідний на визначеному рівні дослідження. Можна вказати три найбільш розвиті області біофізики клітки — біофізика скорочувальних систем (насамперед біофізика м'язової діяльності), біофізика нервової провідності і біофізика органів почуттів. Уже Гельмгольц піддав ряд стосовних сюди проблем строгому фізико-хімічному аналізу. Сєченов говорив, що фізіологія є фізико-хімія живого організму.

Фізіологія здавна застосовує фізичні методи. На цій підставі ряд фізіологічних досліджень найчастіше ототожнюється з біофізичними. У силу сказаного вище таке ототожнення незаконне, поки розв'язувана задача формулюється як фізіологічна, а не фізична. Так, вивчення польоту комах, кількісна реєстрація нервових імпульсів, змах крил і т.д. залишається чисто фізіологічним, поки не поставлена задача з'ясування механізму відповідного автоколивного процесу.

Вичленовування об'єкта дослідження з організму — чи м'яза нервового аксона — дозволяє установити основні закономірності, що зберігають своє значення й у цілісній системі. Кальмар Loligo, з якого витягнутий аксон, мертвий, але, вивчаючи цей аксон, можна зрозуміти процеси, що протікають у живому кальмарі і, у кінцевому рахунку, в організмі будь-якої тварини.

Сьогодні біофізика клітки стуляється з молекулярною біофізикою. Знання надмолекулярної і молекулярної структур м'яза, нерва і т.д. є необхідним для молекулярного тлумачення відповідних процесів. Проблеми біофізики клітки значно складніше проблем молекулярної біофізики, тому що вони відносяться до вивчення гетерогенних надмолекулярних систем, а не окремих молекул і їхніх взаємодій.

Сучасна біофізика складних систем присвячена дослідженню фізичних основ поводження організму чи деякої його функціональної підсистеми як цілого. Тут на перший план виступають ті особливості, від яких практично цілком відволікається молекулярна біофізика і майже цілком — біофізика клітки. Це — властивості організму як відкритої системи, саморегуляція і самовідтворення. Складною системою в цьому змісті є не тільки організм, але і популяція, і біогеоценоз, і біосфера в цілому. Біофізика складних систем поєднується з теоретичною біологією.

Центральна проблема теоретичної біології і біофізики складних систем - проблема розвитку (філогенезу й онтогенезу). Диференціація кліток, виникнення складного організму з зиготи ставлять перед наукою безліч невирішених питань. Їхнє рішення буде мати величезне теоретичне і практичне значення (проблема раку!).

Методи дослідження в біофізиці складних систем специфічні. Сьогодні вони складаються в експериментальному і теоретичному моделюванні, у розробці адекватного математичного апарата, що дозволяє інтерпретувати складні явища регуляції, і т.д. Складна біологічна система вивчається в її динаміці, у взаєминах з навколишнім середовищем. Така система існує, зберігаючи, нерівновагий стаціонарний стан чи необоротне змінюючись. Треба думати, що дослідження періодичних процесів, вивчення "біологічних годин" може дуже допомогти розумінню внутрішніх зв'язків у складній системі. Вважаючи деякий радіоелектронний пристрій чорною шухлядою, ми випробуємо його в різних коливальних режимах і в результаті розкриваємо його внутрішню структуру.

Таким чином, сьогодні біофізика складних систем - феноменологічна область фізики, що широко застосовує представлення кібернетики, математичне моделювання.

Співвідношення між біофізикою складних систем і інших розділів біофізики, охарактеризованими вище, подібно співвідношенню між феноменологічною термодинамікою і молекулярною фізикою. В основі поводження складної біологічної системи лежать властивості біологічних молекул і утворених ними структур. Подальший розвиток біофізики повинен привести до її інтеграції — до загального молекулярного тлумачення властивостей таких систем. Уже сьогодні ми говоримо про молекулярні основи еволюції. Однак ряд біологічних явищ виникає тільки на рівні складної системи. Так, вища нервова діяльність, в основі якої лежать молекулярні процеси, реалізується лише в складній системі.

Про можливість молекулярного тлумачення поводження подібних систем уже свідчать деякі результати дослідження молекулярних регуляторних систем, наприклад, оперона в молекулярній генетиці чи біохімічних реакцій, каталізуємих алостеричними ферментами. Очевидно, що необхідно саме загальне молекулярне тлумачення складної системи і її поводження. Опис і пояснення її конкретного функціонування, природно, повинне вироблятися на основі фізико-математичного моделювання, кібернетики, теорії регулювання. Так, знаючи електронні основи роботи транзистора, ми не прибігаємо до квантової теорії твердого тіла при розрахунку радіоелектронних схем.

Ми бачимо, що біофізика сама є складною системою знань. Як і фізика неживої природи, вона містить феноменологічні й атомно-молекулярні розділи.

У літературі приходиться зустрічатися з однобічним визначенням змісту біофізики. Біофізика ототожнюється з фізичною хімією, з фізіологією, з теорією складних систем. Сьогодні гостро відчувається необхідність побудови біофізики як невід'ємної частини фізики.

Треба сказати кілька слів про радіобіологію. Вплив короткохвильової радіації на організм, клітки, надмолекулярні біологічні структури і біологічні молекули підлягають фізичному тлумаченню. Однак радіобіологія вивчає життя в аномальних умовах (якщо відвернутися від тла космічної радіації). Це — спеціальна область, що надзвичайно розвилася за останні десятиліття унаслідок величезного її практичного значення, зокрема медичного. У кінцевому рахунку, обґрунтування біофізики варто шукати в атомно-молекулярній структурі і функціональності. Побудова і стрімкий розвиток молекулярної біології, що відбувалося в тісному зв'язку з фізикою, привели до того, що молекулярна біофізика стала сьогодні добре розробленою областю науки. На основі молекулярної біофізики повинна будуватися фізика надмолекулярних систем, фізика процесів розвитку, фізика життя в цілому.