ВВЕДЕНИЕ. Предсказуемое будущее развития естественных наук свиде­тельствует об ожидаемом расцвете в следующем столетии наук о жизни

Предсказуемое будущее развития естественных наук свиде­тельствует об ожидаемом расцвете в следующем столетии наук о жизни. Важное место среди них занимает биологическая фи­зика. Являясь преимущественно биологической наукой, по­скольку основной объект исследования представляет собой живой организм, биофизика в полной мере использует универ­сальный характер основных физических законов и строгость математических подходов при изучении процессов жизнедея­тельности. С учетом этого биофизика может быть определена как наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодей­ствиях, лежащих в основе биологических явлений.

Специфика живого впервые проявляется на молекулярном уровне строения органического мира. В свое время основатель квантовой механики Э. Шредингер в своей знаменитой книге "Что такое жизнь с точки зрения физики" впервые сформули­ровал и дал ответ на ряд вопросов биофизики. Было подчерк­нуто, что с точки зрения физики живой организм относится к открытым термодинамическим системам с непрерывным об­меном веществом и энергией с окружающей средой. Порази­тельную устойчивость живого организма в условиях принци­пиальной неравновесности протекающих в нем процессов Шредингер объяснил непрерывным оттоком энтропии из орга­низма в окружающую среду. Второй вопрос, важный с точки зрения физики, - почему любой живой организм состоит из огромного количества атомов? Ответом является указание на то, что система, состоящая из небольшого количества атомов, не может быть упорядоченной. Любая флуктуация в результа­те теплового движения частиц должна была бы разрушать сис­тему, что не совместимо с жизнью.

Современный этап развития биофизики начался, по существу, с выдающихся открытий Л. Полингом пространственной струк­туры белка и Д. Уотсоном и Ф. Криком знаменитой спирали жизни - двойной спирали ДНК. Последовательное применение физических методов и представлений при изучении надмолеку­лярных мембранных структур привело к открытию ионной при­роды биоэлектрических явлений (А. Ходжкин, А. Хаксли, Б. Катц, Дж. Икклс, Р. Кейнс). Как оказалось, ключевую роль играют мембраны в сопряжении окисления с фосфорилированием (П. Митчел), основной энергосопрягающей функции митохон­дрий, бактерий и других биологических частиц. В фотосинтезирующих мембранах был раскрыт механизм молекулярных ге­нераторов тока (Р. Хубер, И. Дайзенхоффер, X. Михель). Расшифрована молекулярная структура одиночных ионных ка­налов (Б. Сакман, Э. Неер). В биофизике сложных систем пло­дотворными оказались физические идеи термодинамики необра­тимых процессов (И. Пригожий) и представления о гиперцик­лах как основе эволюции (М. Эйген). Этот далеко не полный перечень достижений, удостоенных в разные годы Нобелевских премий, позволил определить три основных направления иссле­дований в области современной биофизики - молекулярная био­физика, биофизика клетки и биофизика сложных систем.

Основными объектами исследования молекулярной биофи­зики являются функционально активные вещества и среди них белки и нуклеиновые кислоты. Биофизика клетки имеет дело с надмолекулярными структурами живой клетки, среди которых особое место занимают мембранные структуры кле­ток и субклеточных частиц. Биофизика сложных систем рас­сматривает живые организмы различного уровня организации с позиций физико-математического моделирования. Объекта­ми исследования в этом случае являются сообщества клеток, живые ткани, физиологические системы, популяция организ­мов.

Построение моделей является одним из главных этапов био­физического исследования. Живой организм представляет со­бой чрезвычайно сложную систему, не всегда доступную для точного физического эксперимента. В этом случае плодотвор­ным становится использование физических, аналоговых и ма­тематических моделей. Естественная трудность такого метода познания живого мира состоит в определении адекватности модели и в оценке степени ее приближенности к оригиналу. К счастью, в физике разработаны способы преодоления этих труд­ностей. Можно утверждать, что любое крупное открытие в био­физике получено путем применения моделей. Представление биомакромолекул в виде кристаллов позволило установить мо­лекулярную структуру гемоглобина (Перутц), миоглобина (Кендрью). Важную роль сыграла аналоговая электрическая модель возбудимой мембраны в исследованиях Ходжкина и Хаксли. В биофизике мембран широкое применение получили физические модели мембран в виде моно- и бимолекулярных липидных пленок. С развитием и совершенствованием вычис­лительной техники моделирование получает новое развитие.

Пограничное положение биофизики между биологией и фи­зикой стало, к сожалению, причиной появления лжебиофизи­ки (по терминологии М.В. Волькенштейна). Причина этого за­ключается в неравномерном развитии физики, химии, с одной стороны, и биологии, медицины и сельскохозяйственных наук - с другой. Объективно существующие "белые пятна" биофи­зики пытаются заполнить псевдонаучными спекуляциями. Среди них представление об "антиэнтропийности" живых сис­тем, представление об особых полупроводниковых свойствах и даже свойстве проводимости биополимеров ("биоплазма"), представление об особых "биополях", неизвестных науке, пред­ставления о биологической значимости слабых электромагнит­ных излучений ("некробиотические лучи") и т.д. Раскрытие на­учной несостоятельности представлений лжебиофизики имеет большое значение, особенно в случае медицины и сельского хозяйства, поскольку многие положения лжебиофизики ста­новятся базой "сверхмодных" методов лечения в медицине и получения "сверхурожаев" в сельском хозяйстве. Частичному исправлению этого положения призвано способствовать данное учебное пособие.

В заключение следует подчеркнуть еще одну важную роль со­временной биофизики. Дело в том, что традиционно описатель­ные биология, медицина и сельскохозяйственные науки все более становятся точными науками. Трудно переоценить в этом случае роль биофизики, призванной исследовать явления жиз­ни с использованием физических представлений и методов.

РАЗДЕЛ I.

Дата добавления: 2014-12-29