Історія розвитку біофізики як науки

Вступ

 

 

«Біофізика характерна лише їй притаманним фізичним підходом до вивчення широкого кола життєвих явищ...» 

Г. М. Франк 

Біологічна фізика  –  це  наука, що вивчає фізичні і  фізико-хімічні закономірності в  життєдіяльності рослинних і  тваринних організмів,системну організацію  процесів життедіяльності на усіх рівнях організації живого (клітина, тканина, органи, організми, біосфера), а також механізм дії фізичних факторів на організми. Теоретична будова і моделі  біофізики засновані на фізичних поняттях енергії, сили, типів взаємодії, на загальних поняттях фізичної кінетики, термодинаміки. Ці поняття відображають природу основних взаємодій і законів руху  тіл, що, як відомо, складає предмет фундаментальної природничої науки – фізики. В центрі уваги біофізики лежать  біологічні процеси і явища. Біофізика вивчає фізичну основу процесів, які відбуваються у біологічних системах.

Біологічною системою  є  сукупність живих організмів, окремий  живий організм і будь-яка його частина, наприклад, орган, тканина, сукупність клітин, окрема клітина, частина клітини, метаболіти, ферменти, рецептори, які  взаємодіють і взаємоперетворюються у складі живого організму. Частина біологічної системи може мати самостійну назву,  залежно від того, предметом якої науки є ця частина.  Існують фізіологічні системи, біохімічні системи та інші, за назвою відповідних Основи біофізики і біомеханіки 11 розділів біології (Life science).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Історія розвитку біофізики.

 

А) Перші згадки про науку.

 

 Народження біофізики,  як і будь-якої науки, навіть  приблизно встановити не вдається. Вона як кокетлива дама приховує  свій вік.

Якщо за біофізику умовно прийняти науку, вирішальну біологічні задачі з позицій математики і  фізики, то вона, мабуть, народилася в XII-XIII столітті і їй 800 років. У 1202 році Леонардо з Пізи, більше відомий на прізвисько Фібоначчі (що означає син Боначчі), опублікував книгу "Трактат про рахунок". У ній, поряд з усіма арифметичними і алгебраїчними відомостями того часу, містилася перша біологічна задача, вирішена за допомогою математики: скільки кроликів народжується в один рік від однієї пари?

"Природа кроликів така, - пише Фібоначчі. - Що через місяць пара кроликів проводить на світ іншу пару, а роблять потомство кролики з другого місяця після свого народження". Таким чином він отримав ряд (1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377). Два перших числа відповідають початку розмноження, 12 наступних - помісячного приросту поголів'я кроликів. Кожен наступний член цього ряду дорівнює сумі двох попередніх. Цей ряд і увійшов в історію як ряд Фібоначчі. Послідовність цих чисел володіє багатьма цікавими властивостями, але розповідь про них вимагає спеціальної доповіді. Важливо інше - це була перша дійшла до нас нетривіальна математична модель біологічного процесу.

У 1628 р. на основі кількісних вимірів і аналогій з гідравліки інший вчений, Вільям Гарвей (1578-1657) пояснив механізм кровообігу. В цей же час, Рене Декарт (1596-1650) ввів уявлення про організм, наділеному свідомістю, як фізичному механізмі з рефлекторною дугою. Це було перше згадування про зворотний зв'язок, настільки істотне для розвитку всіх розділів біології. Ще одна суттєва робота з цього ряду належала італійцеві Джованні Бореллі (1608-1679) - учневі Галілея, одному з великих учених XVII століття. Його книга "Про рух тварин" в двох томах була оприлюднена вже після смерті. У першому томі описувалося будова і форма різних м'язів людини і тварин. У другому - на основі механічних аналогій і геометричних побудов розглядалися скорочення м'язів, рух серця, циркуляція крові, травлення. Це був перший капітальний працю з біомеханіки.

Історичний список учених Західної Європи, які виступали в  ролі "акушерів" при зароджені  нової науки, - довгий - і його можна  продовжувати.

 У Росії на початку  XVIII століття, також відбувалися  різні дослідження. Потрібно  назвати німця Готфріда Лейбніца (1646-1716) і швейцарців Данила Бернуллі (1700-1782) і Леонардо Ейлера (1707-1783). Першого, тому що він накидав для Петра I ескіз організації Академії в Росії і вказав на необхідність запрошення вчених з Європи. Як відомо, з 1725 по 1733 рр.. склад Академії був виключно іноземним. Лише з 1742 р. серед 49 членів з'явилися троє росіян, у тому числі і М.В. Ломоносов (1711-1765), якого також можна зарахувати в біофізики. Їм в загальній формі був сформульований закон збереження маси і руху і висунута в 1756 році одна з перших гіпотез кольорового зору. З цього зазвичай починаються всі введення в підручниках біофізики.

Потрібно також відзначити менш відому роль Данила Бернуллі, який писав Ейлера: "Я бажав би, щоб в Петербурзі були медики, які знають початок математики, особливо ж - механіку і гідравліку". Якщо бути коротким, то Бернуллі ще на початку XVIII століття були необхідні біофізики. Цікаво, що Д. Бернуллі і Л. Ейлера вважають математиками, іноді фізиками, але ніяк не біофізики. Тим не менш необхідно нагадати, що і Л. Ейлер і Д. Бернуллі спочатку були призначені професорами фізіології в Петербурзі, а вже потім перейшли на кафедри фізики, і математики. Вони, як і найвеличніший біофізик XIX сторіччя Герман Гельмгольц, проробили схожу еволюцію, але значно раніше: від наук про живе до фізики та математики.

Владимирова з співавторами та ін) і перекладних підручників з біофізики. Можна відзначити лише найбільш великі імена вчених і наукових організаторів, що зробили помітний вплив на розвиток російської та світової біофізики: І.М. Сєченов, А.Ф. Веріго, А.Ф. Самойлов, Н.Є. Введенський, К.А. Тімірязєв, А.А. Ухтомський, І.П. Павлов, Ю.В. Чаговець, В.Н. Вернадський, Н.К. Кольцов, С.Ю. Штейн, П.П. Лазарєв, Н.А. Бернштейн, А.Н. Теренін, Е.С. Бауер, Н.А. Білозерський, Б.Н. Тарусі, Н.В. Тимофєєв-Ресовський, Б.П. Бєлоусов, Г.М. Франк, В.А. Енгельгардт, І.А. Терсков, А.А. Красновський, А.Л. Чижевський, Б.Н. Вепрінцев, Н.М. Емануель, А.А. Баєв, Ю.А. Овчинников, М.В. Волькенштейн, А.М. Кузін і багато інших. Всіх перелічити неможливо. Не всі вони себе вважали біофізики, але по суті всі вони займалися біофізичними проблемами. Нині живих я навмисне не називаю. З іноземних обов'язково потрібно згадати Г. Гельмгольца, Ж. Леба, Ю.Р. Майєра і М. Рубнера.

 

Б) Винекнення терміну біофізика.

 

Даних про виникнення терміну  «біофізика», немає повної. Коли ми намагаємося проникнути вглиб історії  будь-якої науки, то не бачимо нічого, крім випадковостей. Вони можуть виглядати, як витоки явища, але виявитися лише епізодами в процесі безперервного  розвитку науки.

Достовірно відомо, що до XIX століття терміна "біофізика" не існувало.  Існування біофізики  без імені, тривало понад 600 років, проте існувала під псевдонімом "етіологія" (від грецького  aitia - причина, вчення про причини), що йде ще від древніх греків. У зв'язку з народженням терміну "біофізика", слід згадати два імені: Карл Пірсон (1857-1936) і Жак Арсен д'Арсонваля (1851-1940). Перший був англійським математиком і біологом. З 1884 р. він - професор математики і механіки Лондонського університету, а потім з 1911 р. - глава лабораторії євгеніки. Він добре відомий як творець біометрії, основи якої заклав Ф. Гальтон. "Криві Пірсона" увійшли в усі довідники з математики та енциклопедії. Але не меншу популярність йому принесла опублікована ним у 1892 р. філософська книга "Граматика науки", яка була перекладена на багато мов, у тому числі верб 1911 р. на російську.

В ній він писав: "Ми не можемо з повною впевненістю стверджувати, що життя є механізм до тих пір, поки ми не в змозі вказати більш  точно, що саме розуміємо ми під терміном" механізм "у застосуванні до органічних тельцям. Вже тепер представляється майже безсумнівним, що деякі узагальнення фізики - особливо великий принцип збереження енергії - описують, принаймні, частина нашого чуттєвого досвіду щодо життєвих форм. Потрібна, отже, галузь науки, що має своїм завданням додаток законів неорганічних явищ, або фізики до розвитку органічних форм. Така наука, що намагається показати, що факти біології - морфології, ембріології і фізіології - утворюють окремі випадки додатка загальних фізичних законів, отримала назву етіології. Бути може, краще було б назвати її біофізикою. В даний час біофізика ще не зробила особливо великих успіхів, але немає нічого неймовірного в тому, що їй належить велике майбутнє ".

Це був заклик до всіх фізикам і математикам, які цікавляться  біологічними проблемами, і до біологам, не чужим математики і фізики, об'єднатися під прапором цього терміна.

Другим був французький фізіолог і фізик. Головний його науковий інтерес знаходився в області вивчення впливу змінних струмів на біологічні об'єкти. У медицині добре відомий термін "дарсонвалізація" - лікування імпульсним струмом високої частоти (110-400 кГц і вище), високої напруги (десятки тисяч Вольт) і малої сили струму (100-200 мА). Дарсонваля запропонував і обгрунтував цей метод в 1891 р. У 1882 р. (ще за 10 років до виходу у світ книги Пірсона) в Колеж де Франс він організував кафедру, яку назвав "кафедрою біофізики". Головною її темою і було дослідження впливу змінних струмів на біооб'єкти.

Таким чином, вже більше 100 років ця область науки носить назву "біофізика". Однак з визначенням (що таке біофізика?) були проблеми. Але спочатку - про рубрикації наук.

 

В) Розвиток біофізики,як науки.

 

На одному полі біології з різних сторін одночасно формувалися  дві науки - біохімія і біофізика. Це потім вже відбулося брунькування кожної з них на численних "родичів". Г.М. Франк, з ім'ям якого пов'язаний розвиток біофізики в 60-70-их роках  нашого століття, даючи визначення біофізики напередодні 4-го Міжнародного біофізичного з'їзду в Москві в 1972 р., писав:

"Біофізика не має  властивого тільки їй об'єкта  або предмета дослідження, як  наприклад, мікробіологія (наука,  що вивчає мікроорганізми) або  ентомологія (розділ зоології, що  вивчає комах). Ця наука, скоріше,  характерна тільки їй властивим  фізичним підходом до вивчення  широкого кола життєвих явищ. .. особливо тісний зв'язок, скоріше навіть "взаємопророщування", біофізики та біохімії. І якщо зображати графічно взаємини біохімії і біофізики, не можна ні в якому разі малювати межу розділу між ними. Це будуть, швидше, широкі криві "розподілу компетентності" з максимумами, зрушеними по відношенню один до одного "

Важливо підкреслити і  роль особистості наукового організатора. Якщо він ближче до фізики, то неминуче розмитий кордон дає крен у бік  біофізики. Так в РРФСР було на початку XX століття, коли посилився  вплив на біологію шкіл П.П. Лазарева і А.Ф. Іоффе або в Німеччині  в другій половині XIX століття, коли був сильний у біології авторитет  Г. Гельмгольца та його школи. Якщо ж лідер ближче до хімії, то межа зміщується в бік біохімії. Так було, наприклад, в СРСР в 70-80 роках, коли був великий адміністративний авторитет Ю.А. Овчинникова.

Крім того, в процесах дроблення, що йдуть в самій науці, аналіз превалює над синтезом. Коли область науки формується, - її створюють  широко освічені дилетанти з інших  областей, а коли вона дробиться, то її дроблять і знищують професіонали, які знають все про небагато. Цей  процес характерний для всіх наук, особливо в XX столітті.

У певний час Французька Академія визначила свою діяльність, сформулювавши її через обмеження. Вона буде розглядати будь-які факти, крім "каменів, що падають з неба, і вічного двигуна". У першому  вона помилилася, метеорити виявилися  не міфом, а реальністю. Визначення довелося переглянути.

У 1961 році був створений  Міжнародний союз чистої та прикладної біофізики (IUPAB), і почалася ера періодичних  Міжнародних біофізичних конгресів. На перших порах на засіданні виконкому IUPAB були безплідні дискусії на тему: "Що таке біофізика?" Кожен з  дослідників, що входить до Виконкому, хотів, щоб та область знання, якою він займається, знайшла відображення у загальному визначенні, а Виконком і Президент змінювалися раз  на 3 роки, тому це було досить безглузде  заняття. Одноголосно було прийнято лише одне рішення:

виконані радянський біофізик вносять вклад у підвищення економічного потенціалу країни по реалізації рішень XXVI з'їзду КПРС і травневого (1982р.) Пленуму ЦК КПРС.

У той час, біофізику курирував Я.І. Ажіпа - інструктор ЦК КПРС, який до гумору ставився вороже, своїм місцем дорожив і "фривольності" не дозволяв.  Можна дати визначення біофізики, коротке і образне: "Усяке пізнання починається з інтуїції і почуттів, а політ фантазії обмежується експериментом" (це не моя думка, а Леонардо да Вінчі). Тепер - моя: Складіть кілька сотень таких дослідників, знайомих з біологією, фізикою, математикою і технікою, і ви отримаєте образ науки, яка займається "заплутаними і погано поки сформульованими проблемами біології. Це і є біофізика.

 

2. Найвідоміші вчені біофізики.

 

 Найвідомішими російськими  вченими біофізики є: Петро  Петрович  Лазарєв (1878-1942) і Гліб  Михайлович Франко (1904-1976).

Восени 1977 розсерджений академік В.В. Шулейкин прийшов до А.А. Баєв, тоді академіку-секретарю нашого Відділення, з претензіями, що наближається 100-річний ювілей П.П. Лазарєва, а Відділення, яке має у назві та слово "біофізика", не виявляє до нього нікого інтересу. Чому В.В. Шулейкйн проявив активність у зв'язку з ювілеєм П.П. Лазарєва? В.В. Шулейкйн був співробітником першого біофізичного інституту, створеного П.П. Лазарєвим. За ініціативою В.В. Шулейкина і за підтримки П.П. Лазарєва при цьому Інституті була заснована в Кацівеллі (на Південному березі тепер уже не російського Криму) морська станція, якою керував В.В. Шулейкйн, де він зробив ряд робіт з фізики і біофізики моря. Були отримані відповіді на багато питань, які мали в тому числі й істотне значення для створення нових зразків військово-морської техніки, наприклад, надшвидкісних сторожових катерів на підводних крилах. Перелік цих питань був великий: чому деякі риби, наприклад, дельфіни, можуть розвивати велику швидкість при низьких енергетичних витратах; як здійснюється рух летючих риб; чому рух зграй птахів або косяків риб вигідніше, ніж рух одиночної особини; як і чому морські тварини відчувають задовго до початку шторму його наближення і йдуть на глибину, щоб не розбитися об прибережні камені і т.п.? У збірнику, присвяченому 135-річчю Московського товариства випробувачів природи під назвою "Збірник статей з історії біофізики СРСР. М. ТПРМ, 1940.", П.П. Лазарєв всіляко рекламував роботи тоді ще порівняно молодого Шулейкина (1895-1979), і присвятив їм декілька сторінок. Природно В.В. Шулейкин як вдячний учень узяв на себе клопоти з організацією ювілею П.П. Лазарєва. А.А. Баєв від біофізиків нашого Відділення доручив мені підготовку цього ювілею і доповіді на тему "Роль П.П. Лазарева в становленні у вітчизняній біофізики". Що мені вдалося з'ясувати в процесі підготовки цієї доповіді, читання праць П.П. Лазарєва, спілкування з В.В. Шулейкина і особливо з професором Я.Л. Шехтману, який довгі роки працював з П.П. Лазарєвим, а потім працював у нашому інституті в Пущино.