4

Лекция 1. Введение в биофизику

❶. Предмет биофизики

Как самостоятельная наука биофизика возникла в 1966 году, когда был

организован международный научный союз биофизиков, и появилось

следующее определение этой науки: «Биофизика представляет собой особую ориентацию мысли».

Биофизика возникла на стыке биологии и физики. До сих пор существуют два направления в развитии биофизики. С одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения, и все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, предполагается, что наряду с физическими закономерностями живым системам присущи особые свойства, в принципе необъяснимые с точки зрения физики. По этим причинам определения биофизики несут нередко диаметрально противоположный характер. Например:

«Биофизика – это физическая химия и химическая физика биологических

процессов» (П.О.Макаров, 1968).

«Биофизика – физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях» (Волькенштейн, 1981).

И в то же время:

«Биофизика – часть биологии, имеющая дело с физическими принципами построения и функционирования некоторых сравнительно простых биологических систем» (Л.А.Блюменфельд, 1977).

Приведенные формулировки определяют по сути два подхода к биофизике,

основанных на противоположных методологиях этих подходов.

Аргументы «физиков» чаще всего сводятся к тому, что многие сложные биологические процессы хорошо укладываются в рамки сравнительно простых математических моделей (ферментативный катализ, фотоинактивация ферментов, популяционная модель «хищник-жертва»).

Сторонники «биологического» подхода утверждают, что в живых системах

можно найти множество явлений, не присущих неживой природе. Основным

предметом этой дискуссии является вопрос «Сводятся ли все проявления жизни к физико-химическим закономерностям?» Методологической основой решения данного вопроса стал принцип качественной несводимости. Он предполагает, что по мере накопления научных знаний будут предлагаться физико-химические объяснения биологических проблем и, в то же время, обнаруживаться новые знания о живой природе, не объяснимые на данном этапе с точки зрения физики. Главное практическое следствие из принципа качественной несводимости – лишь «качественный сплав» методов физики и биологии может обеспечить биофизике продвижение вперед. Отсюда наиболее рациональным является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):

«Биофизика – естественнонаучное направление, целью которого является

рациональное объяснение связи физического и биологического аспектов живой

материи».

❷. История развития биофизики

Можно утверждать, что свою историю биофизика начинает вести с фундаментального трактата Цицерона (II-III век н.э.) «Физиология». Это

название происходит от слова физика – так тогда называли науку о природе.

Науку же о живой природе Цицерон назвал физиологией. Такое название уже

свидетельствует о большой роли физики в формировании науки о жизни.

Изучение физических свойств биологических объектов началось в XVII веке, когда были заложены основы первого раздела физики – механики. В биологии в то время наиболее интенсивное развитие получила анатомия. В этот период опубликованы работы У. Гарвея (1628) «Кровообращение»; Р. Декарта (1637) «Диоптика»; Дж. Борелли (1680) «О движении животных», в которых были представлены основы биомеханики. В1660 году А. Левенгук изобрел микроскоп, который сразу же нашел широчайшее применение в биологических исследованиях, став, по сути, первым истинно биофизическим методом изучения живой природы.

В XVIII веке в физике происходит развитие разделов гидродинамики, теории газовых состояний, термодинамики, закладываются основы учения об электричестве. В математике формируются методы дифференциального и интегрального исчисления. Ф.Лейбниц предложил понятие «живой силы»- mV2 в противовес количеству движения mV. В это время описаны основные

принципы гемодинамики, которые позже относут к биофизике (Л.Эйлер).

Классические эксперименты А. Лавуазье и П. Лапласа, позволившие

установить аналогичную природу процессов дыхания и горения, указать на

кислород как источник теплоты, опубликованы в трактате «О теплоте» (1783).

А. Лавуазье и Ж. Сегэн в «Мемуарах о дыхании животных» описали связь

потребления кислорода с совершаемой механической работой. Следующий серьезный шаг в развитии биофизики связан с открытием Л. Гальвани биологического электричества (1791). Он обнаружил феномен подергивания лягушачьих лапок в ответ на электрический разряд и предположил главную роль электричества в нервно-мышечной передаче. Л. Гальвани установил количественную зависимость раздражения и возбуждения, ввел понятие «порога». В 1837 году Маттеучи, используя гальванометр, впервые зарегистрировал электрический потенциал живых клеток.

В XIX веке классическая физика сформировалась уже в том виде, как мы

знаем ее сегодня. На границе XIX – XX веков шло формирование и биофизики как комплексной и целостной системы знаний о живой природе. Сегодня биофизика включает целый ряд разделов, каждый из которых сформировался в самостоятельное научное направление.

❸. Область изучения биофизики