Биофизика

Биофизические исследования в физике

Интерес физиков к биологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновре­менно и в биологических дисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние все шире проникали в самые различ­ные области биологии. С помощью физики расширяются информационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляется элект­ронный микроскоп. Эффективным орудием биологического исследования становятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спек­тральная техника, рентгено-структурный анализ. Расширяется сфера при­менения рентгеновых и ультрафиолетовых лучей; электромагнитные ко­лебания используются не только как средства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широко проникает в биологию и, осо­бенно физиологию, электронная техника.

Наряду с внедрением новых физических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика. Добившись огромных успехов в по­знании сущности неживой материи, физика начинает претендовать, поль­зуясь традиционными методами, на расшифровку природы живой мате­рии. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теорети­ческие обобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции, биофизик стремится в эксперименте уйти от очень слож­ного («грязного») биологического объекта и предпочитает изучать пове­дение выделенных из организмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получает разработка различных моделей биологических структур и процессов — электрических, электронных, математических и т. п. Создаются и изучаются модели клеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающая ритмические движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения. Большое внима­ние привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданная Ф. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор со­ляной кислоты. При нанесении на него царапины, разрушающей поверх­ностный слой окисла, возникает волна электрического потенциала, кото­рая очень похожа на волны, бегущие по нервам при возбуждении. Изу­чению этой модели посвящается много исследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методы анализа. В дальней­шем создается более совершенная модель, базирующаяся на кабельной теории. Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогия между распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном

Остальные области молекулярной биофизики пользуются меньшей по­пулярностью. Среди них следует отметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. Математическая биофизика свя­зана со многими областями биологии. Она не только описывает в мате­матической форме количественные закономерности таких явлений, как рост, деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать слож­ные физиологические процессы высших организмов. В США школой Ра-шевского издается журнал «Математическая биофизика».

Биофизические исследования в биологии

Сильным толчком для формирования биофизики послужило возникнове­ние в конце XIX — начале XX в. физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих в основе химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла к себе вни­мание биологов тем, что она открывала возможность познания физико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живых системах, с которыми им трудно было работать. Ряд направлений, возник­ших в физической химии, породил такие же направления в биофизике.

Одним из крупнейших событий в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевская премия, 1903) теории электроли­тической диссоциации солей в водных растворах (1887), вскрывшая при­чины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов, ко­торым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, проведения нервных импульсов, в кровообращении и т. д. Уже в 1890 г. молодой физиолог В. Ю. Чаговец выступает с исследованием «О приме­нении теории диссоциации Аррениуса к электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связать возникновение биоэлектри­ческих потенциалов с неравномерным распределением ионов. Несколько позже с аналогичными соображениями выступил американский биолог Ж. Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.

В перенесении физико-химических представлений на биологические явления принимает участие целый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионов солей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный закон возбуждения: по­рог физиологического возбуждения определяется количеством перенесен­ных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникно­вения биоэлектрических потенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клетки полупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположных зарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толковании проницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.

Физиология клетки.

Возникновение новых направлений в физиологии животных и человека, коренное изменение многих сложившихся ранее представлении и кон­цепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном, субкле­точном и молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м го­дам нашего столетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитии физиологических наук, явились следствием современной науч­но-технической революции. Грандиозные достижения физики и техники, в особенности электроники, автоматики и вычислительной техники, дав­шие в руки физиологов принципиально новые методы сбора и анализа информации, привели к технической революции в этой области знания. Подтвердилась справедливость высказывания И. П. Павлова, что наука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.

Созданной в наше время новой инструментальной технике физиоло­гия обязана фундаментальными открытиями, возможностью проникнове­ния в интимные процессы жизнедеятельности, в их внутреннюю орга­низацию и механизм их регуляции.

Техническое перевооружение физиологии

На протяжении десятка лет неузнаваемо изменился облик физиологиче­ской лаборатории. Старая аппаратура, служившая исследователям более столетия, отжила свой век и перекочевала в музеи истории науки.

Особенно ценными оказались следующие качества новой инструмен­тальной техники: высокая чувствительность и точность измерительной аппаратуры, ее быстродействие, возможность преобразования одних про­цессов в другие (например, механических и тепловых в электрические), возможность хранения и воспроизведения информации, осуществимость синхронного исследования нескольких физиологических процессов, воз­можность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многих приборов. Стал достижим точный количественный и временной анализ микропроцессов (изменений температуры в 0,000001°, механиче­ских перемещений, составляющих микроны, электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих в микрообъектах (одиночных клет­ках и их структурах) в микроинтервалы: времени (в течение долей мил­лисекунды). Применение современной инструментальной техники и раз­работка большого числа новых методов исследования оказали влияние решительно на все отделы физиологии.

Развитие общей физиологии тесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур. Еще в начале XX в. К. А. Тимирязев сетовал на то, что физиология клетки «пока и неосуществима, так как пе придумано еще ни весов, ни термометров, ни гальванометров для клеточки». В настоящее время такие приборы сконструированы, и это явилось одной из важнейших предпосылок создания подлинно экспери­ментальной физиологии клетки. Другой предпосылкой следует считать успехи морфологического и биохимического исследования клетки, также связанные с применением новой исследовательской техники.

Для понимания происходящих в клетке физиологических процессов чрезвычайно велико значение исследований, выполненных при помощи электронного микроскопа. Благодаря его применению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70—80. А, оспаривавшееся некоторы­ми исследователями, было обнаружено существование сложных систем внутриклеточных мембран и раскрыта их пространственная организация. Выяснилось, что мембраны представляют собой обязательный структурный элемент клетки. Особое внимание физиологов привлекли исследования саркоплазматической сети (ретикулума) мышечных волокон. Это образо­вание, впервые обнаруженное при помощи светового микроскопа, было вновь открыто Ф. Шёстрандом и Б. Андерсоном в середине 50-х годов благо­даря применению электронного микроскопа, позволившего изучить детали его строения. Изучена структура миофибрилл — сократительных элемен­тов мышечных волокон. Посредством электронной микроскопии сверхтон­ких срезов мышц в сочетании с исследованием рассеяния рентгеновых лучей под малыми углами установлено, что миофибриллы состоят из двух систем нитей, которые различаются по толщине и химическому составу. Полагают, что более толстые нити образованы миозином, более тонкие — актином. Нити одной системы входят своими концами в промежутки между нитями другой системы, причем между теми и другими имеются связывающие их поперечные мостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия, 1963), обнаруживший такую структуру миофибрилл (1955—1956), выска­зал предположение, что во время сокращения происходит скольжение одной системы нитей по другой.

Велики и достижения современной биохимии, получившей возможность изучать роль различных внутриклеточных образований в процессах об­мена веществ. Этими возможностями биохимия обязана методикам уль­трацентрифугирования, ультразвуковой дезинтеграции, электрофореза, хроматографии, пламенной фотометрии, масс-спектрометрии, изотопной ин­дикации, адсорбционной спектроскопии, ауторадиографии, люминесцент­ного анализа, определения двойного лучепреломления в потоке и мно­гим другим, основанным на новейших достижениях физики и техники.

Термодинамика систем вблизи равновесия (линейная термодинамика). Первый и второй законы термодинамики

Предметом термодинамики является рассмотрение общих закономерно­стей превращения энергии при ее переносе в форме теплоты и работы между телами.

В зависимости от характера обмена энергии и массы с окружающей средой через границы системы различают три группы систем. Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни массой, они полностью изолированы от влияния окружающей среды. Системы, которые через свои границы обмениваются энергией с окружающей средой, но не могут обмениваться массой (веществом), относятся к закрытым системам. Открытые системы обмениваются с окружающей средой и энергией, и массой.

Всякая система характеризуется определенными свойствами, или термоди­намическими параметрами. Их совокупность определяет термодинамическое состояние системы, поэтому изменение хотя бы одного из параметров приводит к изменению термодинамического состояния системы в целом.

Процессы, протекающие в системе и изменяющие ее состояние, могут быть равновесными или неравновесными. Равновесные, или обратимые, процессы протекают в системе таким образом, что вызванные ими изменения в состоянии системы могут произойти в обратной последовательности без дополнительных изменений в окружающей среде. Наоборот, неравновесные, или необратимые, процессы, к которым относятся реальные превращения в природе, не обладают этими свойствами, и их протекание в обратном направлении сопровождается остаточными изменениями в окружающей среде. В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, при ко­торых ее параметры сохраняют свое значение во всех точках системы и не изменяются самопроизвольно во времени.

Первый закон термодинамики. Этот закон — обобщение многовекового опыта человечества, он является законом сохранения энергии в применении к процессам преобразования теплоты.

Обычная запись первого закона термодинамики имеет вид

dQ=dU+dA

и означает, что теплота dQ, поглощенная системой из внешней среды, идет на увеличение внутренней энергии dU системы и совершение работы dA против внешних сил.

В общем случае dA включает работу против сил внешнего давления pdv и максимальную полезную работу, сопровождающую химические превращения:

dA=dA'_max+pdv

Список используемой литературы.

1. Г. Мякишев, В. Григорьев. Силы в природе. – М.: «Наука», 1987.

2. История биологии: с нач. 20 в. до наших дней. – М.: «Просвещение», 1983.

3. Рубин А.Б. Биофизика. – М.: «Наука», 1988.