Биофизическиеисследования в физике
Интерес физиков кбиологии в XIX в. непрерывно возрастал. Одновременно и в биологическихдисциплинах усиливалась тяга к физическим методам исследования. Последние всешире проникали в самые различные области биологии. С помощью физики расширяютсяинформационные возможности микроскопа. В начале 30-х годов XX в. появляетсяэлектронный микроскоп. Эффективным орудием биологического исследованиястановятся радиоактивные изотопы, все более совершенствующаяся спектральнаятехника, рентгено-структурный анализ. Расширяется сфера применения рентгеновыхи ультрафиолетовых лучей; электромагнитные колебания используются не только каксредства исследования, но и как факторы воздействия на организм. Широкопроникает в биологию и, особенно физиологию, электронная техника.
Наряду с внедрением новыхфизических методов развивается и так называемая молекулярная биофизика.Добившись огромных успехов в познании сущности неживой материи, физика начинаетпретендовать, пользуясь традиционными методами, на расшифровку природы живойматерии. В молекулярной биофизике создаются весьма широкие теоретическиеобобщения с привлечением сложного математического аппарата. Следуя традиции,биофизик стремится в эксперименте уйти от очень сложного («грязного»)биологического объекта и предпочитает изучать поведение выделенных изорганизмов веществ в возможно более чистом виде. Большое развитие получаетразработка различных моделей биологических структур и процессов —электрических, электронных, математических и т. п. Создаются и изучаются моделиклеточного движения (например, ртутная капля в растворе кислоты, совершающаяритмические движения, подобно амебе), проницаемости, нервного проведения.Большое внимание привлекает, в частности, модель нервного проведения, созданнаяФ. Лилли. Это железное проволочное кольцо, помещенное в раствор солянойкислоты. 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 многоисследований (начиная с 30-х годов), использующих математические методыанализа. В дальнейшем создается более совершенная модель, базирующаяся накабельной теории. Основой ее построения явилась некоторая физическая аналогиямежду распределением потенциалов в электрическом кабеле и нервном
Остальные областимолекулярной биофизики пользуются меньшей популярностью. Среди них следуетотметить математическую биофизику, лидером которой является Н. Рашевский. Математическаябиофизика связана со многими областями биологии. Она не только описывает вматематической форме количественные закономерности таких явлений, как рост,деление клеток, возбуждение, но и пытается анализировать сложныефизиологические процессы высших организмов. В США школой Ра-шевского издаетсяжурнал «Математическая биофизика».Биофизическиеисследования в биологии
Сильным толчком дляформирования биофизики послужило возникновение в конце XIX — начале XX в.физической химии, продиктованное необходимостью выявления механизмов, лежащих воснове химического взаимодействия. Эта новая дисциплина сразу же привлекла ксебе внимание биологов тем, что она открывала возможность познанияфизико-химических процессов в тех «грязных», с точки зрения физика, живыхсистемах, с которыми им трудно было работать. Ряд направлений, возникших вфизической химии, породил такие же направления в биофизике.
Одним из крупнейшихсобытий в истории физической химии была разработка С. Аррениусом (Нобелевскаяпремия, 1903) теории электролитической диссоциации солей в водных растворах(1887), вскрывшая причины их активности. Эта теория вызвала интерес физиологов,которым была хорошо известна роль солей в явлениях возбуждения, проведениянервных импульсов, в кровообращении и т. д. Уже в 1890 г. молодой физиолог В.Ю. Чаговец выступает с исследованием «О применении теории диссоциации Аррениусак электромоторным явлениям в живых тканях», в котором попытался связатьвозникновение биоэлектрических потенциалов с неравномерным распределением ионов.Несколько позже с аналогичными соображениями выступил американский биолог Ж.Лёб, признавший позже приоритет Чаговца.
В перенесениифизико-химических представлений на биологические явления принимает участиецелый ряд основоположников физической химии. Исходя из явления движения ионовсолей, В. Нернст (1908) сформулировал свой известный количественный законвозбуждения: порог физиологического возбуждения определяется количествомперенесенных ионов. Физик и химик В. Оствальд разработал теорию возникновения биоэлектрическихпотенциалов, основанную на допущении наличия на поверхности клеткиполупроницаемой для ионов мембраны, способной разделять ионы противоположныхзарядов. Тем самым были заложены основы биофизического направления в толкованиипроницаемости и структуры биологических мембран в широком смысле.Физиология клетки
Возникновение новых направлений вфизиологии животных и человека, коренное изменение многих сложившихся ранеепредставлении и концепций, связанные с переходом к исследованиям на клеточном,субклеточном и молекулярном уровнях организации жизни, относятся к 40-м годамнашего столетия. Эти события, знаменующие настоящий перелом в развитиифизиологических наук, явились следствием современной научно-техническойреволюции. Грандиозные достижения физики и техники, в особенности электроники,автоматики и вычислительной техники, давшие в руки физиологов принципиальноновые методы сбора и анализа информации, привели к технической революции в этойобласти знания. Подтвердилась справедливость высказывания И. П. Павлова, чтонаука движется толчками в зависимости от успехов, делаемых методикой.
Созданной в наше времяновой инструментальной технике физиология обязана фундаментальными открытиями,возможностью проникновения в интимные процессы жизнедеятельности, в ихвнутреннюю организацию и механизм их регуляции.
физикабиология химия термодинамикаТехническоеперевооружение физиологии
На протяжении десятка летнеузнаваемо изменился облик физиологической лаборатории. Старая аппаратура,служившая исследователям более столетия, отжила свой век и перекочевала в музеиистории науки.
Особенно ценнымиоказались следующие качества новой инструментальной техники: высокаячувствительность и точность измерительной аппаратуры, ее быстродействие,возможность преобразования одних процессов в другие (например, механических итепловых в электрические), возможность хранения и воспроизведения информации,осуществимость синхронного исследования нескольких физиологических процессов,возможность проведения наблюдений на расстоянии, малые габариты и вес многихприборов. Стал достижим точный количественный и временной анализ микропроцессов(изменений температуры в 0,000001°, механических перемещений, составляющихмикроны, электрического напряжения, равного микровольтам), происходящих вмикрообъектах (одиночных клетках и их структурах) в микроинтервалы: времени (втечение долей миллисекунды). Применение современной инструментальной техники иразработка большого числа новых методов исследования оказали влияние решительнона все отделы физиологии.
Развитие общей физиологиитесно связано с успехами в изучении функций клеток и их структур. Еще в началеXX в. К. А. Тимирязев сетовал на то, что физиология клетки «пока инеосуществима, так как пе придумано еще ни весов, ни термометров, ни гальванометровдля клеточки». В настоящее время такие приборы сконструированы, и это явилосьодной из важнейших предпосылок создания подлинно экспериментальной физиологииклетки. Другой предпосылкой следует считать успехи морфологического и биохимическогоисследования клетки, также связанные с применением новой исследовательскойтехники.
Для пониманияпроисходящих в клетке физиологических процессов чрезвычайно велико значениеисследований, выполненных при помощи электронного микроскопа. Благодаря егоприменению доказано наличие поверхностной мембраны, толщиной 70—80. А,оспаривавшееся некоторыми исследователями, было обнаружено существованиесложных систем внутриклеточных мембран и раскрыта их пространственнаяорганизация. Выяснилось, что мембраны представляют собой обязательныйструктурный элемент клетки. Особое внимание физиологов привлекли исследованиясаркоплазматической сети (ретикулума) мышечных волокон. Это образование,впервые обнаруженное при помощи светового микроскопа, было вновь открыто Ф.Шёстрандом и Б. Андерсоном в середине 50-х годов благодаря применениюэлектронного микроскопа, позволившего изучить детали его строения. Изученаструктура миофибрилл — сократительных элементов мышечных волокон. Посредствомэлектронной микроскопии сверхтонких срезов мышц в сочетании с исследованиемрассеяния рентгеновых лучей под малыми углами установлено, что миофибриллысостоят из двух систем нитей, которые различаются по толщине и химическомусоставу. Полагают, что более толстые нити образованы миозином, более тонкие —актином. Нити одной системы входят своими концами в промежутки между нитямидругой системы, причем между теми и другими имеются связывающие их поперечныемостики. Э. Хаксли (Нобелевская премия, 1963), обнаруживший такую структурумиофибрилл (1955—1956), высказал предположение, что во время сокращенияпроисходит скольжение одной системы нитей по другой.
Велики и достижениясовременной биохимии, получившей возможность изучать роль различныхвнутриклеточных образований в процессах обмена веществ. Этими возможностямибиохимия обязана методикам ультрацентрифугирования, ультразвуковойдезинтеграции, электрофореза, хроматографии, пламенной фотометрии,масс-спектрометрии, изотопной индикации, адсорбционной спектроскопии,ауторадиографии, люминесцентного анализа, определения двойного лучепреломленияв потоке и многим другим, основанным на новейших достижениях физики и техники.
Термодинамикасистем вблизи равновесия (линейная термодинамика). Первый и второй законытермодинамики
Предметом термодинамикиявляется рассмотрение общих закономерностей превращения энергии при ее переносев форме теплоты и работы между телами.
В зависимости отхарактера обмена энергии и массы с окружающей средой через границы системыразличают три группы систем. Изолированные системы не обмениваются с внешнейсредой ни энергией, ни массой, они полностью изолированы от влияния окружающейсреды. Системы, которые через свои границы обмениваются энергией с окружающейсредой, но не могут обмениваться массой (веществом), относятся к закрытым системам.Открытые системы обмениваются с окружающей средой и энергией, и массой.
Всякая системахарактеризуется определенными свойствами, или термодинамическими параметрами.Их совокупность определяет термодинамическое состояние системы, поэтомуизменение хотя бы одного из параметров приводит к изменению термодинамическогосостояния системы в целом.
Процессы, протекающие всистеме и изменяющие ее состояние, могут быть равновесными или неравновесными.Равновесные, или обратимые, процессы протекают в системе таким образом, чтовызванные ими изменения в состоянии системы могут произойти в обратнойпоследовательности без дополнительных изменений в окружающей среде. Наоборот,неравновесные, или необратимые, процессы, к которым относятся реальныепревращения в природе, не обладают этими свойствами, и их протекание в обратномнаправлении сопровождается остаточными изменениями в окружающей среде. Вклассической термодинамике рассматриваются главным образом равновесныесостояния системы, при которых ее параметры сохраняют свое значение во всехточках системы и не изменяются самопроизвольно во времени.
Первый законтермодинамики. Этот закон — обобщение многовекового опыта человечества, онявляется законом сохранения энергии в применении к процессам преобразованиятеплоты.
Обычная запись первогозакона термодинамики имеет вид
dQ=dU+dA
и означает, что теплота dQ, поглощенная системой из внешнейсреды, идет на увеличение внутренней энергии dU системы и совершение работы dA против внешних сил. В общем случае dA включает работу против сил внешнегодавления pdv и максимальную полезную работу,сопровождающую химические превращения:
dA=dA'max+pdv
Списокиспользуемой литературы
1. Г. Мякишев, В.Григорьев. Силы в природе. – М.: «Наука», 1987.
2. История биологии:с нач. 20 в. до наших дней. – М.: «Просвещение», 1983.
3. Рубин А.Б.Биофизика. – М.: «Наука», 1988.