Контрольная работа: Історія розвитку біофізики як науки. Класифікація і характеристика основних напрямків біофізики

Біофізика — стара наука. Уже давно ставилися і зважувалися фізичні проблеми, зв'язані з життєдіяльністю організмів, такі, наприклад, як визначення швидкості поширення нервового порушення (Гельмгольц) чи перебування спектральних основ кольорового зору (Максвелл). Фізичні методи застосовувалися в біології здавна — досить згадати про мікроскопи. Однак лише в другій половині XX століття фізика об'єдналася з біологією у вивченні основних явищ життя, і почалося формування теоретичної й експериментальної біофізики як великої і різноманітної області фізики, а не підсобного розділу фізіології. Розвиток біофізики безпосередньо зв'язано з вирішальними досягненнями біології, насамперед молекулярної, з виникненням кібернетики, з успіхами фізики конденсованих систем (зокрема, фізики полімерів).

Сучасний стан природознавства не тільки допускає, але і вимагає викладу основ біофізики, що повинне виходити з представлення про біофізику як області фізики. Відповідно до цього представлення дослідження відноситься до біофізики, якщо задача його поставлена як фізична задача. Іншими словами, методи рішення цих задач можуть бути і нефізичними.

Побудова біофізики в цілому вимагає молекулярного обґрунтування. Молекулярна біофізика — фізика білків і нуклеїнових кислот найбільш розвита в даний час. У молекулярній біофізиці ми зустрічаємося зі специфічними властивостями і будівлею дуже складних молекул, що визначають явища життя, але найважливіші проблеми біології, насамперед проблема розвитку, залишаються поки за її межами. Однак, як показують дослідження останніх років, до вивчення цих проблем можна і треба підійти, спираючись на добре розроблені молекулярні представлення. Тим самим, молекулярна біофізика повинна бути основою для розгляду процесів життєдіяльності кліток і організмів на всіх рівнях структури і функціональності. Від молекул ми переходимо до надмолекулярних систем, до кліток і організмів. Фізичне тлумачення явищ регуляції і розвитку вимагає як молекулярно-фізичних, так і загальних феноменологічних представлень.

Молекулярна біофізика може бути визначена як область перекривання молекулярної фізики (зокрема, фізики макромолекул) і молекулярної біології. Отже, вона є частиною обох цих областей природознавства. Вона розвивалася одночасно з молекулярною біологією і невіддільна від її.

Молекули, якими займається біофізика, характеризуються багатьма особливостями, що відрізняють їх від молекул неживої природи. Білки — самі складні з відомих нам молекул. Будучи макромолекулами, білки і нуклеїнові кислоти не є статистичними системами, на відміну від макромолекул синтетичних полімерів. Це — динамічні системи, свого роду машини, поводження яких визначається положенням і функціональністю кожного елемента, що утворить молекулу. Основна задача молекулярної біофізики складається в дослідженні специфічних особливостей, що визначають будівлю і властивості біологічних молекул. Фізична теорія, з якою приходиться мати справу в молекулярній біофізиці, є теорія будівлі і фізичних властивостей цих молекул і одночасно теорія методів дослідження, застосовуваних в експерименті.

Біофізика, так само як і біологія, зараз стрімко розвивається. Наші знання безупинно збагачуються, багато представлень швидко застарівають. Спроба викласти сучасну біофізику повинна складатися у фіксації принципових і надійно встановлених положень і у вказівці подальших шляхів розвитку.

Тіла неживої і живої природи однаково побудовані з атомів і молекул. Тим самим вони підкоряються єдиним законам, що виражають будівлю і властивості речовини і полючи. Сучасна фізика звертається до вивчення життя. Проблема співвідношення фізики і біології стала зараз особливо актуальної.

Тісний зв'язок біології і фізики представлявся очевидної на ранніх етапах розвитку природознавства. Надалі, у міру поглиблення біологічних знань, що розкривали складність і своєрідність явищ життя, шляху біології і фізики усе більш розходилися. Основні біологічні закономірності - насамперед дарвінівський закон природного добору — розглядалися як зовсім несумісні з фізикою.

У XIX столітті були створені дві великі еволюційні теорії. Другий початок термодинаміки (Клаузиус, Гиббс, Больцман) дає закон еволюції речовини в ізольованій системі до його найбільш ймовірного стану, таким, що характеризується максимальною невпорядкованістю, максимальною ентропією. Навпроти, теорія біологічної еволюції (Дарвін) виражає зростання упорядкованості і складності живих систем, починаючи з примітивних мікроорганізмів і кінчаючи Homo sapiens з його мислячим мозком. Між цими двома теоріями дійсно мається невідповідність — біологічна еволюція, філогенез, а також онтогенез ніяк не погодяться з рівноважною термодинамікою ізольованих систем.

У той же час у XIX столітті біологія зробила могутній вплив на розвиток фізики. Закон збереження енергії, перший початок термодинаміки, був відкритий Майером, Джоулем і Гельмгольцем. Як відомо, Майер виходив у своїй роботі зі спостережень над живим організмом, над людьми. Менш відомо, що Гельмгольц також виходив з біологічних явищ.

Основне питання, з відповіді на який повинно починатися побудова і вивчення біофізики, тобто фізики живої природи,— це питання про співвідношення біологічних і фізико-хімічних явищ. Або в біології міститься щось принципово далеке фізиці і хімії, або життя є особливий прояв фізичних і хімічних процесів, що протікають у складних відкритих системах.

У той же час питання про достатність сучасної фізики для пізнання життєвих явищ має реальний сенс. У зв'язку з цим варто зупинитися на концепціях, запропонованих деякими біологами і фізиками.

Берталанфи (1968) протягом ряду років розвивав ідеї, що відносяться до так називаної загальної теорії систем. Берталанфи вважав біологічні явища пізнаваними засобами точної науки. Мниме протиріччя з термодинамікою знімається, якщо врахувати, що організми — відкриті системи, що обмінюються з навколишнім середовищем і речовиною й енергією. Тим часом канонічна термодинаміка відноситься до ізольованих систем. Тому для фізичного тлумачення біологічних явищ необхідна термодинаміка відкритих систем, нерівноважна термодинаміка. Берталанфи вбачає основу теоретичної біології в теорії систем. Система-сукупність об'єктів, взаємодіючих один з одним. Властивості системи не можна представити сумою властивостей утворюючих систему елементів. Розгляд системності дозволяє досліджувати проблеми цілісності, динамічної взаємодії й організації. Для біології ці проблеми — основні.

Ще до побудови термодинаміки відкритих систем Бауэр (1935) писав про нерівновагі властивості організмів. Основний закон біології по Бауэру говорять: "...живі системи ніколи не бувають у рівновазі і виконують за рахунок своєї вільної енергії постійну роботу проти рівноваги, необхідного законами фізики і хімії при існуючих зовнішніх умовах". Ідеї Бауэра залишилися незрозумілими його сучасниками, як, утім, і деякими новітніми коментаторами. Бауэр наближався до сучасної біофізики, але сьогодні його роботи зберегли головним чином історичний інтерес. Істотно те, що Бауэр доводив можливість атомно-молекулярного тлумачення життя: "...нерівновагий стан живої матерії і, отже, її постійно зберігаюча працездатність обумовлюються... молекулярною структурою живої матерії, а джерелом роботи, виробленої живими системами, служить, у кінцевому рахунку, вільна енергія, властива цій молекулярній структурі, цьому стану молекул".

Н.Бор (1961,1962) розглядав проблему співвідношення фізики і біології на основі принципу додатковості. Він вважав, що власне біологічні закони додаткові до законів, яким підкоряються неживі тіла. Не можна одночасно визначити фізико-хімічні властивості організму і явища життя — пізнання одного виключає пізнання іншого. Життя варто розглядати "...як основний постулат біології, що не піддається подальшому аналізу, подібно тому, як існування кванта дії... утворює елементарну основу атомної фізики". Таким чином, Бор вважав біологічні і фізико-хімічні дослідження додатковими, тобто несумісними, хоча і не суперечними один одному. Ця концепція не має нічого загального з віталізмом, тому що вона заперечує існування якої-небудь границі застосування фізики і хімії до рішення біологічних проблем. "...Жоден результат біологічного дослідження не може бути однозначно описаний інакше, як на основі понять фізики і хімії, зовсім так само, як всякий опис досвіду навіть в атомній фізиці повинен, у кінцевому рахунку, спиратися на поняття, необхідні для свідомої реєстрації почуттєвих сприйнять".

Виходячи з того ж принципу додатковості, говорили про несумісність пізнання морфологічної будівлі і функціональності, гомології й аналогії, середовища і внутрішнього стану, спадковості й адаптуємості. Вивчаючи одну сторону біологічного явища, ми так сильно впливаємо на іншу, що вона стає принципово непізнаваною. Тому що в житті одночасно виявляються всі некомутуючі фактори, вона непізнавана. Можна вивчити атомно-молекулярну структуру організму, але для цього він повинний бути убитий.

Погляди Бора змінювалися в міру розвитку сучасної біології. Пізніше він говорив про додатковість між практично застосовуваними в біології розуміннями фізико-хімічного характеру і поняттями, прямо зв'язаними з цілісністю організму і вихідними за рамки фізики і хімії. Застосування принципу додатковості в біології Бор аргументував уже не постулативним характером поняття життя, але надзвичайною складністю організму як цілісної системи. У своєму останньому виступі на цю тему Бор говорив тільки про практичний, але не про принципову додатковість, зв'язану з невичерпною складністю життя.

У 1945 р. Э. Шредингер написав книгу ("Що таке життя з погляду фізики", МУЛ, 1947), присвячену зв'язку біології з фізикою. У цій книзі глибоко і змістовно розглянуті три проблеми, що мають фундаментальне значення для біофізики.

Перша проблема — термодинамічні основи життя. Відмінність живого організму від тіл неживої природи складається у винятково високій упорядкованості організму, подібного в цьому змісті "аперіодичному кристалу", до здатності цієї упорядкованості підтримувати себе і робити упорядковані явища. Мова йде про саморегуляцію і самовідтворення організмів і кліток. Шредингер пояснив цю особливість тим, що організм — відкрита система, що існує в нерівновагому стані завдяки потоку ентропії в зовнішнє середовище. Організми безупинно створюють "порядок з порядку", "витягають упорядкованість з навколишнього середовища" у виді "добре упорядкованого стану матерії в харчових продуктах". Шредингер відповідає на запитання про причину макроскопичності, многоатомності організму. У системі, що складається з малого числа атомів, флуктуації повинні знищувати упорядкованість. Саме завдяки многоатомності організм існує відповідно до законів термодинаміки.

Друга проблема — молекулярні основи життя. Шредингер аргументує матеріалістичне представлення про молекулярну природу генів і ставить питання про структуру речовини спадковості і причинах його стійкого відтворення в ряді поколінь. Відповіді на ці питання дала молекулярна біологія, виникнення якої було у великому ступені стимульовано книгою Шредингера.

Третя проблема — квантовомеханічні закономірності, чітко виражені в радіобиологічних явищах. Обговорюючи праці Тимофеева-Ресовского, Дельбрюка й ін., Шредингер відзначає відповідність біологічних процесів законам квантової фізики.

Книга Шредингера дуже важлива, тому що в ній не тільки показана відсутність протиріч між фізикою і біологією, але і написані шляхи розвитку біофізики, реалізовані надалі.

Ельзасер (1958) протиставляв фізику біології. Запас інформації, що міститься у вихідній зародковій клітці, зиготі, значно менше, ніж у дорослому багатоклітинному організмі. Зростання обсягу інформації, з погляду Ельзасера, фізично нез'ясовно — це специфічна для живих систем "біотонна" закономірність.

Вигнер (1971) вважав, що саморепродукція біологічних молекул і організмів суперечить квантовій механіці. Імовірність існування станів, що саморепродукуються, практично дорівнює нулю.

У важливій роботі Ейгена (1973), присвяченій самоорганізації й еволюції біологічних макромолекул, переконливо аргументується теза про достатність сучасної фізики для пояснення біологічних явищ.

Живий організм являє собою відкриту, саморегульовану і гетерогенну систему, що самовідтворюється, найважливішими функціональними речовинами якої служать біополімери - білки і нуклеїнові кислоти. Така система підлягає комплексному фізичному і хімічному дослідженню. Її пізнання повинне спиратися на розкриття фізичних особливостей життя — на фізичний розгляд розвитку організму, його нерівновагі, упорядкованості, системності.

Біофізика є фізика живих організмів. Термодинамічний і теоретико-інформаційний аналіз явищ життя зняв удавані протиріччя між фізикою і біологією. Не можна не погодитися з Ейгеном, коли він затверджує, що сучасна фізика в принципі достатня для пояснення явищ життя для обґрунтування біології. Таке обґрунтування вимагає введення нових понять (наприклад, поняття селективної цінності інформації), але не побудови принципово нової фізики. Нова фізика, скажемо, квантова механіка чи теорія відносності, виникала в результаті встановлення границь застосовності раніше прийнятих представлень. У біології ми поки не зустрічаємося з такими границями для фізики.

Біофізичне дослідження починається з постановки фізичної проблеми, формулюємої на основі загальних законів фізики й атомно-молекулярних (тобто квантовомеханічних) представлень. Шлях біофізики йде через феноменологію (насамперед через термодинаміку і теорію інформації), до атомно-молекулярного дослідження живого тіла. Живе тіло принципове макроскопично, складається з дуже великого числа атомів, молекул, ланок полімерних ланцюгів, що володіють тією чи іншою мірою незалежними ступенями волі. Упорядкованість біологічної системи і її здатність до розвитку не могли б існувати, якби система була мікроскопічної і, виходить, підданою дуже великим флуктуаціям.

Біологічна проблема може зважуватися засобами фізики (скажемо, за допомогою електронного мікроскопа), але від цього дослідження ще не стає біофізичним. І, навпроти, фізична задача може зважуватися біологічними засобами. Так, постановка проблеми генетичного коду — відповідності між послідовністю амінокислотних залишків у білковому ланцюзі і послідовністю нуклеотидів у ДНК — є постановка фізичної задачі, заснована на фізико-хімічній гіпотезі про існування коду. Рішення цієї фізичної задачі було, однак, отримано за допомогою чисто біологічних і хімічних методів.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--