Лекции по биофизике

УДК: 577.3(042)(075)

ББК: E901я7 Л: 436

И.В. Ковалев, И.В. Петрова, Л.В. Капилевич, А.В. Носарев, Е.Ю. Дьякова. Лекции по биофизике: Учебно-методическое пособие / Под редакцией проф. Баскакова М.Б.– Томск, 2007. – 175 с.

Пособие предназначено для студентов 3-5 курсов медико-биологического факультета и студентов 1 и 2 курса фармацевтического факультета Сибирского государственного медицинского университета. Им могут также пользоваться студенты медицинских вузов и биологических специальностей университетов, самостоятельно изучающие основы биофизики.

В пособии систематически изложен теоретический и фактический материал курса общей биофизики, биофизики клетки и биофизики органов и систем.

Печатается по постановлению методической комиссии фармацевтического факультета (протокол №1 от 12.11.2006 г.) Сибирского государственного медицинского университета.

Рецензенты:

© Сибирский государственный медицинский университет, 2007

2

4

5

ВВЕДЕНИЕ В БИОФИЗИКУ

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». Тем не менее, дискуссия о сути биофизики, как науки, продолжается и до сегодняшнего дня.

Биофизика возникла на стыке биологии и физики и, в силу этого, состав биофизиков всегда был неоднороден. До сих пор просматриваются два направления в развитии биофизики, и их ассимиляция происходит не всегда гладко. Так, с одной стороны, физические явления жизнедеятельности принимаются за самостоятельный предмет изучения в отрыве от их биологического значения, и нередко все проявления жизни сводятся к физическим закономерностям. С другой стороны, наоборот, 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 затянувшейся 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

6

вперед. Отсюда наиболее рациональным, на наш взгляд, является определение биофизики, предложенное Н.И. Рыбиным (1990):

«Биофизика – естественнонаучное направление, целью которого является рациональное объяснение связи физического и биологического аспектов живой материи».

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 – с тех пор, 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. В 1660 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 относят 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

7

самостоятельное научное направление. И если в 1930 – 40-е годы еще можно было считать себя специалистом в биофизике «вообще», то сегодня одному человеку явно не под силу охватить все ее направления.

Что изучает биофизика?

Раздел 1. Общая биофизика. Включает в себя термодинамику биологических систем, кинетику биологических процессов, фотобиологию и молекулярную биофизику.

Биологическая термодинамика, или термодинамика биологических систем, изучает процессы превращения вещества и энергии в живых организмах. Этот раздел биофизики до сих пор создает почву для дискуссий о том, выполняются ли законы термодинамики в живых организмах. Основу этому разделу положили уже упомянутые выше работы А. Лавуазье и П. Лапласа, доказавшие применимость первого закона термодинамики к живым системам. Дальнейшее развитие этого направления привело к описанию Гельмгольцем тепловых эквивалентов пищи. Наибольший вклад в этот процесс внес австрийский биофизик И. Пригожин, доказавший применимость второго закона термодинамики к биологическим системам и положивший начало учению о термодинамике открытых неравновесных систем.

Кинетика биологических процессов – пожалуй, наиболее близкая к физике и химии область биофизики. Скорость и закономерности протекания реакций в живых системах мало отличаются от остальных. Эксклюзивным предметом является – учение о ферментах, о кинетике ферментативных реакций и способах регуляции ферментативной активности, описанная Михаэлисом и Ментен.

Фотобиология, или квантовая биофизика – изучает взаимодействие излучений с живыми организмами. Видимый свет играет исключительно важную роль в биологии как источник энергии (фотосинтез) и информации (зрение). Здесь нужно отметить большой вклад русского ученого М. Ломоносова, предложившего трехкомпонентную теорию цветного зрения, нашедшую затем свое развитие в работах Юнга и Гельмгольца («Физиологическая оптика», 1867). Они описали оптическую систему глаза, явление аккомодации и изобрели «глазное зеркало» – офтальмоскоп, до сегодняшнего дня используемый при исследовании сетчатки.

Молекулярная биофизика – раздел, тесно прилегающий к физической химии и изучающий закономерности образования и функционирования биомакромолекул. Этот раздел начал бурно развиваться лишь во второй половине XX века, так как требует сложного оборудования для проведения исследований. Здесь следует отметить работы Поллинга и Кори по изучению структуры молекул белка, Уотсона и Крика – по изучению молекулы ДНК.

Раздел II. Биофизика клетки. Предметом данного раздела являются принципы организации и функционирования живой клетки и ее фрагментов, биологических мембран.

8

Этот раздел биофизики стал развиваться после появления клеточной теории Шванна. Были описаны структура и функция клеточных мембран (Робертсон, Синджер и Николсон), сформулированы представления об избирательной проницаемости мембран (В. Пфеффер и Х. де Фриз, Овертон), учение об ионных каналах (Эйзенман, Муллинз, Хилле).

Эксперименты Э. Дюбуа-Реймона и теория В. Оствальда о трансмембранной разности потенциалов положили начало учению о биологическом электричестве, о возбудимых тканях и привели к пониманию закономерностей функционирования нервных и мышечных клеток.

Механизмы передачи информации в клетках, учение о первичных и вторичных посредниках и внутриклеточных сигнальных системах – одно из активно развивающихся направлений современной биофизики. Ионы кальция, циклические нуклеотиды, продукты гидролиза мембранных фосфоинозитидов, простагландины, оксид азота – перечень молекул, передающих информацию от мембраны внутрь клетки и между клетками, постоянно пополняется.

Раздел III. Биофизика сложных систем. Естественным этапом в развитии биофизики явился переход к описанию сложных биологических систем. Начав с исследования отдельных тканей и органов, сегодня биофизика анализирует процессы, протекающие на уровне целого организма, надорганизменных систем (популяций и экологических сообществ), биосферы в целом. Делаются попытки использовать биофизические подходы к анализу социальных процессов.

Биофизика все глубже внедряется в медицину. Новые биофизические подходы находят применение в диагностике и лечении различных заболеваний. В качестве примеров можно назвать магниторезонансную томографию, воздействие электромагнитными волнами высокочастотного диапазона, методы клеточной терапии и т.д.

Особенности биофизических методов

Как упоминалось выше, принцип качественной несводимости в биофизике обуславливает необходимость «качественного сплава» методов физики и биологии. Биофизические методы исследования характеризуются рядом общих свойств.

Во-первых, биофизика оперирует количественными методами, позволяющими измерить и объективно оценить исследуемое явление. Этот методологический принцип привнесен из физики.

Во-вторых, биофизика рассматривает изучаемый объект в целом, не расчленяя его. Естественно, что любое измерение неизбежно вносит в изучаемую систему некоторые возмущения, но биофизические методы стремятся свести это возмущение к минимуму. По этой причине в настоящее время широкое распространение в биофизике получают такие методы, как инфракрасная спектроскопия, исследование отраженного света, флуоресцентные методы исследований.

9

В-третьих, важным методологическим принципом биофизики является «стратегия системного подхода». Биофизические методы основываются на неразрывности структуры и функции, рассматривая структурно-функциональные взаимосвязи в живых системах как основной принцип их организации.

Названные особенности определяют биофизику как самостоятельное научное направление, имеющее собственный предмет исследований и методологические подходы. В следующих лекциях будут рассмотрены отдельные разделы биофизики, описаны достижения этой важной науки на современном этапе. Особое внимание будет уделено применению биофизических методов в биологии и медицине.

10