История биофизики

Биофизика рассматривает механизмы физических и физико-химических явлений в биологических системах на уровнях:

• субмолекулярном;
• молекулярном;
• надмолекуляром;
• клеточном;
• тканевом;
• органном;
• организменном.

Предмет биофизики и ее название

Предметом биофизики считают физические и физико-химические процессы, которые лежат в основе жизни. Существуют и другие определения предмета этой науки. Так, например, лауреат Нобелевской премии А. Сент – Дьердьи говорил, что биофизика – это все то, что интересно.

Термин «биофизика» стал повсеместно использоваться в научной литературе с 1892 года, когда К. Пирсон, написавший книгу «Грамматика науки», сказал, что наука, которая пытается показать, что факты биологии – морфологии, эмбриологии и физиологии образуют частные случаи приложения общих физических законов, названа этиологией. И может быть ее стоит назвать биофизикой. Примерно в это же время немецкие ученые во главе с А. Фиком называли данную область знаний медицинской физикой. Французские же исследователи во главе с физиологом Ж.А. Д’Арсонвалем предпочитали термин «биологическая физика» еще до Пирсона.

М.В. Волькенштейн определяет физику как физику явлений жизни.

Биофизика – это новая или старая наука?

Часто о биофизике говорят как о новой науке. Так в 1934 году П.Л. Капица писал, что биофизика - это новая область исследований, приходящая совместно с биохимией на место классической физиологии. Действительно, отдельной научной дисциплиной биофизика стала не так давно, однако ее элементы появились вместе с первыми работами по экспериментальной физике. Такие исследования Г. Галилея как измерение температуры тела, вычисление работы, которую совершает человек, можно считать биофизическими.

Многие ученые XVII – XVIII веков, И. Ньютон, М.В. Ломоносов, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье и другие, стремились объяснить процессы жизни человека и животных, применяя законы физики.

В XIX веке массово стали применять аналитические методы исследования явлений в биологии. Максимальное развитие данные приемы получили в физиологии, внутри которой и возникла биофизика. Делались попытки большинство физиологических процессов, вплоть до высшей нервной деятельности, рассмотреть на основе законов физики. Эти объяснения сопровождались экспериментальными доказательствами. Известный физик Г. Гельмгольц получил скорость распространения нервного импульса. Э. Дюбуа – Реймон исследовал биоэлектрогенез практически всех органов и тканей организма. Э. Вебер описал часть свойств гемодинамики, как физических процессов. В это время физиками исследователями были сделаны ряд открытий в области чувств, например, закон Вебера – Фехнера.

XIX век определил тренд в развитии биофизики. Так, И.М. Сеченов, выдающийся русский физиолог, последовательно применял физику и химию, развивая исследования в медицине и физиологии. Он использовал математические методы и физическую химию при рассмотрении процесса дыхания. Это позволило ему установить количественные законы, описывающие процессы растворения газов в биологических жидкостях. В трудах И.М. Сеченова намечен путь развития физиологии и биофизики, который связан с физикой и химией. В своей диссертации И.М. Сеченов писал о том, что физиолог – это физико-химик, который рассматривает процессы в живом организме.

XX век сделал биофизику самостоятельной наукой. Она стала изучать фундаментальные проблемы биологии такие как:

• наследственность,
• изменчивость,
• онтогенез,
• филогенез,
• метаболизм,
• биоэнергетики.

Метод внешних аналогий в биофизике

Первым основным методом, который применялся в биофизике, стал метод внешних аналогий. Его применяли большинство биофизиков XVII – XIX веков. Эти ученые рассматривали живой организм как физическую систему.

Отметим, что значение таких моделей имеет существенные ограничения. Появление новых аппаратов для проведения исследований заставляет создавать новые модели одного и того же биологического процесса. Так, рефлекторную деятельность во времена Декарта рассматривали в аналогии с работой паровой машины, позднее в аналогии с телефонной станцией, сейчас аналогию проводят с компьютером. Нельзя не отметить, что подобные феноменологические модели необходимы, они дают возможность уточнять детали исследованных ранее явлений, создавать бионические системы, использующие законы биологических организаций для создания сложных технических аппаратов. Но данное направление моделирования не стало основным в решении задач, стоящих пред биофизикой, поскольку основной целью биофизики является раскрытие внутренних механизмов биологических процессов, а не построение внешних аналогий.

В настоящее время принято считать, что живые организмы являются сложными физико-химическими системами. Следовательно, именно физико-химическое моделирование является наиболее эффективным. Именно такой вид моделей вскрыл природу биоэлектрогенеза, позволил объяснить природу мембран, дал почву для создания ионной теории возбуждения и др.

Современная биофизика

Современную биофизику можно рассматривать как физическую химию и химическую физику биологических систем.

В исследованиях этой науки используют основной принцип эмпирического рассмотрения природных явлений – количественный анализ реакций организма на применяемые стимулы, при этом строятся функциональные зависимости между ними.

В настоящее время функциями организма считают его форму деятельности с определенным результатом в конце. Проявлением этого результата служат физиологические свойства. Во внутренние механизмы этих функций нельзя проникнуть, если применять классические подходы физиологии, так как они обладают физической и химической природой. Здесь на выручку и приходит биофизика и биохимия.

Допустим необходимо рассмотреть биопотенциалы. При этом биофизик будет интересоваться, механизмом появления электромагнитных процессов в живых тканях, физическим основанием процесса возникновения потенциала, искать каков источник энергии для него. Для физиолога биопотенциал будет, показателем жизнедеятельности организма, количественной характеристикой физиологических свойств. Рассматривая электрокардиограмму, физиолог будет делать вывод о свойствах сердечной мышцы. Биофизик будет исследовать физическую природу электрогенеза в миокарде и электрические процессы, происходящие в сердце.