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, рентгеноструктурный 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 волокне, поскольку и в том и в другом имеется хорошо проводящая сердцевина и плохо проводящая оболочка. Благодаря этой модели получила распространение точка зрения, согласно которой ведущую роль в проведении импульсов по нерву играет электрический потенциал, вызывающий перемещение ионов. Однако физико‑химическая интерпретация положений кабельной теории встретила значительные затруднения.

Возникновение в физике квантовых представлений открыло новую страницу и в молекулярной биофизике. Для объяснения биологического действия ультрафиолетового и ионизирующих излучений в 20‑х годах XX в. создается математическая теория мишени (К. Блау, Е. Альтенбургер, С. Дессауэр). Согласно этой теории, поражающий эффект осуществляется только теми квантами этих излучений, которые попадают в гипотетический чувствительный объем (мишень). Проводится много исследований по теоретическому осмысливанию этой мишени, с объемом и формой которой связывают, например, радиочувствительность. Для получения совпадения теоретических кривых с реальными биологическими закономерностями, связывающими дозу и смертность, непрерывно усложняют математический аппарат. Несмотря на усиленные поиски реальных биологических образований в клетках, которые по своей геометрии отвечали бы этой теории, найти их, тем не менее, не удалось.

Венцом теории мишени стали работы Д. Ф. Ли (1946), который, отказавшись от попытки широкого применения этой теории к фотобиологии, доказывал ее применимость при объяснении мутагенного действия излучений и инактивации вирусов. Неувязки в расчетах привели к разработке ее «исправленного» варианта – «теории попаданий» (Н.В. Тимофеев‑Ресовский, К.Д. Циммер). Согласно последней, поражение вызывает не только квант энергии, попадающей в мишень, но и те кванты, которые попадают в некоторую зону, прилежащую к мишени. Из этой зоны кванты мигрируют к мишени. Основанием подобной концепции явилось открытие явления миграции квантов в кристаллах.

Теория мишеней и попаданий пользовалась довольно большим успехом в радиобиологии и сыграла известную роль в прогрессе этой науки. С ростом интереса к изучению реальных химических процессов, совершающихся в живых системах под воздействием радиации, она стала сходить со сцены. Однако для дальнейшего развития молекулярной биофизики она сослужила добрую службу, явившись одной из отправных точек для возникновения генетических представлений: мишенью радиации стали гены, расположенные на хромосомах.

По мере развития и конкретизации представлений о природе и механизмах генетической информации центром внимания молекулярной биофизики становится физика нуклеиновых кислот. Это направление все больше сближается с возникшей в последние десятилетия молекулярной биологией, исследующей биохимические основы наследственной информации, строение и синтез белков, роль ферментативных факторов. Для этих исследований молекулярная биология нуждается в физических методах – структурном анализе, электронной микроскопии, в концепциях математической физики. Путь физики в биологию был предначертан в широко известной книге немецкого физика Э. Шредингера[95] «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1945), показавшей, что вопросы теоретической генетики весьма близки физикам.

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 Рашевского издается журнал «Математическая биофизика».