Буклетик о биофизике от РГМУ

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский Государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»

Научно-образовательное пособие

Серия «Медико-биологический факультет РГМУ»

БИОФИЗИКА КАК НАУКА: СОВРЕМЕННЫЕ СФЕРЫ ИНТЕРЕСОВ, НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ.

ПРОФИЛЬНЫЕ КАФЕДРЫ МБФ РГМУ

Руководитель научно-образовательного коллектива, д.м.н., профессор Богданов Андрей Евгеньевич

Москва

2010 год

СОДЕРЖАНИЕ

2

БИОФИЗИКА КАК ЧАСТЬ МЕДИЦИНЫ

Тайны человеческого тела издавна манили учѐных разных профессий, и

физики были в числе первых. Первый закон термодинамики был сформулирован благодаря работам немецкого врача Юлиуса Роберта фон Майера, а другой не менее известный врач и физик Герман Гельмгольц писал: «Заниматься физикой я мог, только взяв медицину в придачу».

В начале ХХ века были разработаны физические основы спектрального анализа – группы методов изучения свойств вещества, использующих квантово-механические законы взаимодействия квантов электромагнитного излучения с ядрами и электронами. И почти немедленно были сделаны первые попытки использовать свет для изучения живых организмов и воздействия на них. Оказалось, что и сами живые организмы часто являются источником излучения. Например, было открыто так называемое

«биогенетическое излучение», свечение, которое испускают все живые клетки. Сейчас это явление принято называть «сверхслабым свечением», и

измерение его интенсивности достаточно активно применяется в медицине как метод диагностики различных болезней. Ну, а спектральный анализ настолько прочно вошел в медицину и биологию, что, кажется, непонятно,

как вообще без него можно было обходиться. Даже количество гемоглобина в крови без него нельзя определить!

Разработанные советскими физиками, лауреатами Нобелевской премии Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, принципы легли в основу создания лазеров, благодаря которым хирурги вооружились новым инструментом ─

«лазерным скальпелем» и совершенно новыми методами фототерапии.

Советским физиком Е.К. Завойским в 1944 г. было открыто явление электронного парамагнитного резонанса, приведшее в дальнейшем к открытию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), на основе которого были созданы ЯМР-томографы.

3

Биофизика, согласно наиболее распространенному из еѐ определений,

является одним из разделов физики, науки о материальном мире. Она изучает живые системы с помощью физических методов и исследует физические закономерности и принципы, определяющие суть живого. Нужно заметить,

что эти физические закономерности чрезвычайно сложны и многогранны,

поскольку функционирование живых систем само по себе представляет собой совокупность большого числа протекающих одновременно и часто противоречащих друг с другу (с точки зрения «классической» физики)

процессов. Ведь для описания падения яблока с ветки на землю достаточно одной строчки уравнения всемирного тяготения, а для описания того, как яблоко «поднялось» на ветку, благодаря солнечной энергии, необходимо знание законов фотосинтеза, работы клеток, физиологии и биохимии растения. Или другой пример – если принять, что генетический код,

универсальная основа всего живого, образовался случайно, то вероятность этого события по законам термодинамики намного меньшей вероятности того, что обезьяна, случайным образом стуча по клавишам печатной машинки, напечатает полное собрание сочинений Льва Николаевича Толстого со всеми письмами и приложениями. А генетический код все-таки существует…

Познание физических закономерностей функционирования живых систем необходимо не только для того, чтобы понять, как они работают. Как и все сложные механизмы, биологические системы могут «сломаться».

Чтобы выяснить, почему и как это происходит, была создана специальная ветвь биофизики - медицинская биофизика. Ее особенностью является то, что она исследует не столько здоровые, нормально функционирующие клетки,

сколько клетки в период «поломки». Понятно, что, не разобравшись в том,

что же именно сломалось в машине, нельзя ее починить. Вот этим и занимается медицинская биофизика.

Знание причин и следствий нарушения работы разных клеточных систем не только позволяет понять пути поддержания их нормальной работы, но и открывает новые перспективы искусственного моделирования отдельных

4

подобных систем. Этим занимается новый раздел современной биотехнологии - нанотехнологическая инженерия. Например, белки-

аквапорины, переносящие молекулы воды через мембраны, используются в установках для опреснения морской воды; зрительные белки - родопсины,

превращающие световую энергию в электрическую, также нашли своѐ применение в инженерных конструкциях. Медики активно разрабатывают капсулы из мембран (липосомы), в которые можно поместить гены или белки, а присоединив соответствующие рецепторы направить к нужному органу для коррекции его работы.

Медицина в последние десятилетия ХХ века совершила качественный скачок. Многие болезни, которые ранее не поддавались лечению, сейчас успешно и эффективно устраняются. Это, в значительной степени, связано с появлением новой информации о причинах и механизмах возникновения болезней, т.е. с успехами, частности, той же медицинской биофизики. Стало,

например, ясно, что каждое заболевание на уровне организма обычно является следствием нарушений в работе не только отдельных клеток, но и отдельных молекул внутри этих клеток. А каждое изменение свойств молекул приводит к тому, что такая молекула начинает по своим физическим характеристикам отличаться от нормальных молекул того же вида.

Следовательно, зарегистрировав изменения этих физических характеристик,

можно поставить диагноз еще до того, как аномальные молекулы вызовут болезнь на уровне организма. Такой подход стал причиной появления целого ряда принципиально новых диагностических методов. Хотя и до этого момента большинство так называемых инструментальных диагностических методов в сущности своей были биофизическими, появление такого,

молекулярного, подхода в диагностике дало просто ошеломительный результат. Если врач прошлых веков мог осмотреть кожу заглянуть в горло,

пощупать, послушать, то сейчас уже возможно увидеть живую картину работы органов, причем в динамике.

Эру интроскопии (лат.intro — внутри, древнегреч. σκοπέω — смотрю;

дословный перевод «внутривидение») открыли лучи Рентгена, позволяющие

5

отчѐтливо увидеть костную ткань. Бурное развитие физики ХХ века вооружило медицину совершенно новыми методами интроскопии,

позволяющими проводить неразрушающее (неинвазивное) исследование внутренней структуры организма и протекающих в нѐм процессов.

Интроскопия предоставила незаменимые возможности для медицинской диагностики и планирования лечения. В числе широко используемых методов - рентгенография, компьютерная рентгеновская томография,

ультразвуковая диагностика, позитронная эмиссионная томография,

однофотонная эмиссионная томография, а также получение изображений с помощью магнитного резонанса. Все известные методы далеки от совершенства, а потому в настоящее время проводятся многочисленные научные исследования по этим темам. Ввиду того, что упомянутые методы разрабатываются на стыке различных областей знаний, то работы хватает и биологам, и медикам, и физикам, и химикам, и математикам, как, впрочем, и

специалистам многим других специальностей.

Благодаря физике медицина заговорила на языке физической точности и субъективные описания врачей стали заменяться трѐхмерными компьютерными картинами, полученными методами интроскопии. В связи с этим современный врач должен владеть не только традиционными медицинскими навыками и знаниями, но и понимать физические основы тех процессов, на которых базируется диагностика. Обучение на отделении медицинской биофизики ─ это, по сути, изучение двух «языков» современной медицины: физико-математических категорий, в которых современная наука описывает явления природы и языка клинической медицины, на котором говорит большинство врачей. Такое свободное владение двумя языками позволяет использовать огромный потенциал современной физики для диагностики и лечения болезней, создавая

Новые физические подходы стимулировали развитие не только диагностики, но и методов лечения. Ещѐ император Наполеон был несказанно изумлѐн, когда физик Вольта показал, что под воздействием животворных флюидов электричества «оживают» и начинают сокращаться

6

отрезанные и неподвижные до этого лапки лягушек. Пораженный открывшейся перспективой «оживления» организмов под действием электричества Наполеон щедро наградил Вольта после демонстрации опытов: в честь ученого была выбита медаль и учреждена премия в 80 000

экю. Успех Вольта стимулировал развитие различных методов электролечения в ХIX-XX веках, и электротерапия становится самым популярным разделом физиотерапии. Мощные разряды электрического тока используются также в реанимации для того, чтобы при остановке сердца,

заставить волокна сердечной мускулатуры работать синхронно.

Одно из современных достижений применения электрических полей -

метод электропорации, позволяющий на время открывать биомембраны клеток путѐм формирования в них временных окон. Как известно, на мембране живых клеток существует электрический потенциал, величиной примерно 60 милливольт. Толщина мембраны составляет около 6 нанометров и если пересчитать напряжѐнность электрического поля на толщину 1 мм то она составит 10 киловольт. Вот такие огромные напряжения существуют на мембранах клеток! Если напряжение поднять выше, то наступает электрический пробой, знакомый нам по молниям при грозе или искрам между шарами электрофорной машины. Во время электрического пробоя в липидном слое мембран появляются временные отверстия, через которые разряжается потенциал. Биофизики научились использовать это явление для слияния клеток. Всем известная клонированная овечка Долли была получена путѐм слияния в электрическом поле соматической клетки из молочной железы с яйцеклеткой, из которой перед этим удалили ядро.

На основе электропорации созданы устройства для подкожного введения лекарств, которые позволяют заменить болезненные уколы шприцом, безболезненными «щелчками» электрических полей по коже.

Не менее эффективным оказалось и применение в медицине различных видов электромагнитного излучения. Уже давно вошла в медицинскую практику лучевая терапия (локальное облучение злокачественных

7

новообразований рентгеновским или -излучением). Выше уже упоминалось широкое распространение в медицине лазерных приборов. Менее известны,

хотя тоже достаточно широко распространены такие терапевтические приемы, как фотодинамическая терапия опухолей, фототерапия целого ряда кожных заболеваний, лечение болезней с помощью облученной ультрафиолетовым излучением крови.

Биофизика изучает физические свойства не только органов и клеток, но и молекул, пользуясь арсеналом разнообразных методов, регистрирующих оптическое излучение, поведение в электрических и магнитных полях. Если биохимия изучает в основном устойчивые долгоживущие молекулы, то биофизикам удалось физическими методами открыть целый класс короткоживущих молекул с неспаренным электроном ─ свободных радикалов, которые мгновенно реагируют с окружающими их молекулами.

Магнитные свойства таких молекул отчѐтливо видны методом электронного парамагнитного резонанса. А когда свободные радикалы взаимодействуют друг с другом, то возникает свечение, получившее название сверхслабого, но вполне регистрируемое физическими приборами. Регистрация свободных радикалов показала, что многие болезни человека, да и сам процесс старения,

связаны с избыточной продукцией свободных радикалов. Средства,

нормализирующие образование свободных радикалов, широко и успешно применяются в терапии, а многие специалисты по старению надеются на значительное продление жизни с помощью этих средств.

ЧТО ТАКОЕ БИОФИЗИКА?

Как уже указывалось выше, наиболее распространенное и наиболее точное определение биофизики – это определение ее как науки, изучающей физические и физико-химические свойства и явления, происходящие в биологических объектах. Однако в современной практике научного исследования не всегда можно однозначно сказать, где заканчивается биофизика и начинается, скажем, биохимия или физиология. Действительно,

8

анализ взаимодействий между молекулами в клетке, например, анализ взаимодействия аминокислотных остатков в молекуле белка между собой может быть корректно описан с помощью физических уравнений. Хотя, по традиции, изучение структуры белка относят к биохимии. Другой пример:

генерация и проведение импульса по нервному волокну основаны на изменении потоков ионов калия и натрия через мембрану нейрона. Эти явления, физический механизм которых не вызывает ни малейшего сомнения, часто относят к физиологии. Однако, вне зависимости от сложившихся традиций, эти взаимодействия или процессы без сомнения и есть биофизика.

То, какие физические законы действуют в биологических системах и какие процессы развиваются в живой клетке, изучают студенты отделения медицинской биофизики на Медико-биологическом факультете Российского государственного медицинского университета. Кстати, в 2010 году Российский государственный медицинский университет был признан ведущим медицинским ВУЗом России и ему был присвоен статус Национального исследовательского университета. Этот статус подтверждает тот факт, что Российский государственный медицинский университет занимает лидирующие позиции, как в образовательной, так и в научно-

исследовательской деятельности. И, хотелось бы отметить, что значительный вклад в этот факт внесли преподаватели и студенты Медико-биологического факультета РГМУ.

Очевидно, что знания по биофизике, получаемые на Медико-

биологическом факультете, не ограничиваются закономерностями строения белка или механизмом проведения нервного импульса. Курс биофизики или точнее медицинской биофизики состоит из, примерно, 6 разделов.

Первый раздел - это «Фотобиофизика». Этот раздел биофизики изучает взаимодействие излучения с биологическими объектами – молекулами,

мембранами, субклеточными органеллами, целыми клетками и даже органами и организмом в целом. Изучив этот раздел, можно узнать, почему происходит свечение светлячков или медуз, почему наша кровь имеет

9

красный цвет, почему этот цвет изменяется, когда кровь течет по венам или артериям, что происходит в коже при загаре, что такое солнечный ожог. Эти и многие другие вопросы изучает фотобиофизика.

Следующим крупным разделом биофизики является «Молекулярная биофизика». Молекулярная биофизика изучает вопрос на основе, каких физических принципов строится клетка. Как из маленьких «кирпичиков» -

аминокислот можно построить молекулу белка или как из других

«кирпичиков» - нуклеотидов можно построить молекулу ДНК, которая содержит всю наследственную информацию не только клетки, но и всего организма. Какие силы скрепляют аминокислоты, чтобы из них получились,

скажем, белки-ферменты, работающие как молекулярные машины или структурные белки, составляющие основу клеточного скелета. Конечно,

разобраться в таких вопросах можно только, если хорошо знать физические методы исследования белков или нуклеиновых кислот.

После молекулярной биофизики приходит черед «Биофизики клетки».

Именно в курсе клеточной биофизики студенты узнают, как построены клеточные мембраны, какие задачи они выполняют, и почему, в одних случаях переход ионов через мембрану вызывает появление нервного импульса (как в нейроне), а в других случаях происходит сокращение клетки

(как в мышечных клетках), как можно управлять запасанием энергии в митохондриях и почему одни клетки могут поедать другие.

После молекулярной биофизики приходит черед «Биофизики клетки».

Именно в курсе клеточной биофизики студенты узнают, как построены клеточные мембраны, какие задачи они выполняют, и почему, в одних случаях переход ионов через мембрану вызывает появление нервного импульса (как в нейроне), а в других случаях происходит сокращение клетки

(как в мышечных клетках), как можно управлять запасанием энергии в митохондриях и почему одни клетки могут поедать другие. Биофизика клетки – один из наиболее интересных и насыщенных физикой и математикой разделов биофизики.

10