Физические методы исследования в биофизике
МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Департамент философии
РЕФЕРАТ ПО ИСТОРИИ НАУКИ
ИСТОРИЯ БИОФИЗИКИ
Аспирант ‒ Алтухов Дмитрий Алексеевич
(номер специальности ‒ 03.01.02.)
Научные руководители аспиранта ‒ ____________ Бочаров Э.В.
____________ Ракитина Т.В.
Преподаватель департамента философии ‒ Лупандин И.В.
Москва 2020
Оглавление
Введение. 3
Истоки биофизики. 5
Кровообращение. 6
Цветное зрение. 8
Фотосинтез. 10
"Живое" электричество. 12
Мембранный потенциал. 17
Отечественная биофизика. 20
Физические методы исследования в биофизике. 23
Заключение. 26
Список литературы.. 27
Введение
У понятия "биофизика" существуют различные определения. В классическом учебнике М. В. Волькенштейна дается следующее определение: "Биофизика – физика явлений жизни, изучаемых на всех уровнях, начиная с молекул и клеток и кончая биосферой в целом" [1]. В большой российской энциклопедии дается такое определение: "Наука о физических и физико-химических механизмах взаимодействий, лежащих в основе биологических процессов, протекающих на разных уровнях организации живой материи ‒ молекулярном, клеточном, организменном и популяционном"[2]. Более общее определение можно найти в учебнике Э. М. Трухана: "Биофизика ‒ это физика живой природы"[3]. Разумеется, точных границ данной дисциплины ‒ например, где заканчивается биофизика и начинается биохимия, установить невозможно, да и не нужно. Общие фактические границы этой науки устанавливаются объектами, процессами и методами исследований, которые научное сообщество к ней относит.
|
|
|
Задачей биофизики является изучение физических процессов, происходящих в объектах живой природы, а также способов влияния на эти процессы. При этом витализм полностью отбрасывается. Биофизика совмещает описательный характер биологии и строгий количественный подход физики. Ученый, работающий на стыке биологии и физики, должен обладать знаниями каждой из этих дисциплин. Современную биофизику можно условно разделить на три области: молекулярная биофизика, биофизика клетка и биофизика сложных систем [1].
Существует очевидное влияние физики на биологию, так как в живых объектах происходят те же основные физические процессы, что и в неживых, а новые физические методы позволяют изучать их более подробно. Есть также и обратное влияние биологии на физику. Роберт Майер смог впервые сформулировать закон сохранения энергии, изучая физиологические процессы у людей. Контактная разность потенциалов была открыта Луиджи Гальвани и Алессандро Вольтой при исследовании "живого" электричества в тканях лягушек. Сложность биологических объектов стимулировала развитие новых физических методов для их исследования.
|
|
|
Цель данной работы ‒ проследить исторический путь развития науки, который привел к становлению такого самостоятельного ее раздела, как биофизика, через знаковые гипотезы, эксперименты и теории.
Истоки биофизики
Размышления о том, как устроены и как функционируют живые организмы, велись еще с глубокой древности. До Научной революции 17 века эти представления были пропитаны витализмом и основывались на идее некой нематериальной "жизненной силы", управляющей живыми организмами и свойственной только им. Развитие науки во многом шло по пути преодоления виталистических взглядов и преодоления подобных идей.
Количественное изучение физических свойств биологических объектов стало возможно после того, как Галилео Галилей и Исаак Ньютон заложили в 17 веке основы классической механики. До этого биологическая "наука" имела скорее описательный характер и сводилась к размышлениям и наблюдениям.
|
|
|
Еще Леонардо да Винчи (1452-1519) придавал особое значение механики для изучения работы человеческого организма: "Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что, как оказывается, все живые существа, имеющие способность к движению, действуют по ее законам".
Рене Декарт (1596-1650), французский философ, математик, физик и физиолог, был одним из первых, кто применил механистическую философию к изучению живого. По его представлениям, человеческое тело ‒ это сложный механизм, состоящий из большого числа "пружин", приводящих в движение другие его части. Причем если до Декарта подобные механистические представления касались только внутреннего устройства живых организмов, то он перенес этот принцип на взаимодействие животных и человека с внешним миром: внешние факторы тянут за концы нитей, регулирующих клапаны отверстий, которые идут от мозга в нервы; по этим каналам к мышцам распространяются "живые духи" и надувают их.
Декарт не отрицал существование души как некоторой субстанции, отличной от тела, но не считал душу первопричиной жизнедеятельности и движений в организме: "Из того, что все движения тела прекращаются после его смерти и что душа оставляет его, нельзя еще сделать вывода, что эти движения произведены душою. На основании этого можно заключить только, что какая-то одна причина сделала тело неспособным к движению и что по той же причине душа его покинула".[4]
|
|
|
Основоположник биомеханики, итальянский ученый Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679) рассматривал мышцы и опорно-двигательную систему человека и животных с точки зрения механики, развивая идеи Леонардо да Винчи. Согласно учению Борелли, мышцы сокращаются из-за набухания при попадании в них крови и духов, которые двигаются по нервам. Сердце он рассматривал как насос с клапанами, процесс ходьбы ‒ как перенос центра тяжести с периодическим выходом из положения равновесия и его восстановлением. Итог своего накопившегося опыта он изложил в двухтомной книге "О движении животных", которая вышла в 1680 году, уже после смерти ученого.
Кровообращение
С античных времен, согласно Аристотелю (древняя Греция, IV век до н.э.) и Галену (древний Рим, II век до н.э.) считали, что венозные и артериальные кровеносные сосуды представляют собой две независимые системы. Полагалось, что кровь движется только по венам, а артерии заполнены воздухом. Обосновывали это тем, что при вскрытии трупов вены были наполнены кровью, а в артериях она отсутствовала. Также считалось, что кровь через отверстие в сердечной перегородке перетекает из "правого сердца" в "левое сердце". Такие представления существовали более 1500 лет ввиду непререкаемости авторитета Галена [5].
В 13 веке арабский ученый и врач Ибн ан-Нафис впервые открыл и описал легочный круг кровообращения, причем пришел к данному открытию не эмпирически, а с помощью теоретических размышлений. Во многом поэтому его теория осталась без внимания арабских медиков средневековья.
В середине 16 века испанский ученый Сервет, который не знал об открытии Ибн ан-Нафиса, установил, что из правого желудочка кровь течет через легкие в левое предсердие, открыв таким образом малый круг кровообращения, при этом никакого отверстия в перегородке сердца нет. Таким образом, Сервету удалось опровергнуть представления Аристотеля и Галена, однако за свои религиозные взгляды и запрещенные церковью эксперименты он поплатился жизнью, будучи сожженным на костре вместе со своими книгами. Тем не менее, у Сервета и его идей было немало приверженцев, которые воздвигли памятник ученому на месте его мученической смерти.
К концу 16 столетия, благодаря исследованиям и размышлениям Чезальпино, Сарпи и других был обнаружен большой круг кровообращения.
Английский естествоиспытатель и врач Вильям Гарвей в своих исследованиях использовал достижения механики и гидродинамики, которые к тому времени уже значительно развились. Он применял различные методы работы с кровеносной системой ‒ пережатие сосудов, изучение работы открытого сердца, сопоставление пульсации сердца и аорты. Он смог точно проследить направление движения крови по сосудам и вычислив, что общий объем крови, прокачиваемый сердцем за день, значительно превышает массу тела, сделал вывод, что некоторое постоянное ее количество циркулирует в теле человека по замкнутым кругам [5].
Труд Гарвея "Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных", опубликованный во Франкфурте в 1628 году, впервые экспериментально демонстрирует кровообращение по замкнутому контуру. За эту работу Гарвея считают первооткрывателем кровообращения. Его открытие было встречено резкой критикой со стороны ученых, придерживавшихся взглядов Аристотеля и Галена, но некоторые (в том числе Декарт) признали теорию Гарвей еще при его жизни.
В 1775 году Леонард Эйлер ‒ швейцарский, немецкий и российский математик и механик, представил Петербурской академии наук мемуар "Основы определения движения крови через артерии", в ней он предложил гидродинамическую модель системы кровообращения. Кровь рассматривалась как несжимаемая жидкость, а кровеносная система ‒ как резервуар с упругими стенками и насосом, которым служило сердце, при этом учитывалось периферическое сопротивление сосудов. Эйлер составил математические уравнения движения крови и смог получить их решения для случая жестких трубок. Данную работу считают первой работой по математическому моделированию биологических процессов [6].
Цветное зрение
История развития представлений о цветном зрении берет начало в работах Исаака Ньютона. Он установил, что белый цвет образуется при смешении лучей всех цветов. Ньютон считал, что существует семь первоначальных, основных цветов, а остальные "промежуточные" получаются при смешении первоначальных. Ньютон первым четко разделил физическую природу цвета и физиологическое его восприятие человеком: "В самих лучах нет ничего иного, кроме предрасположения распространять то или иное движение в чувствилище; в последнем же проявляются ощущения этих движений в форме цветов" [7].
Трехосновная теория цветного зрения впервые была выдвинута Михаилом Ломоносовым в 1756 году. Он считал, что в основе цвета лежит действие трех родов эфира, каждый из которых состоит из шарообразных частиц большого, среднего или малого диаметров, и три типа цветоощущающей материи, входящей в состав глазного дна. Основными, физически простыми цветами, по мнению Ломоносова, являются красный, желтый и голубой, а остальные цвета рождаются от смешения основных.
Томас Юнг, физик и врач, придерживался волновой теории света, предложенной Христианом Гюйгенсом еще в 1678 году. Юнг провел свой знаменитый эксперимент с двумя щелями, подтвердивший эту теорию. Юнгом была разработана теория цветного зрения, схожая по идее с теорией Ломоносова. Он полагал, что в сетчатой оболочке глаза существует три типа чувствительных волокон, каждый из которых реагирует на один из трех основных цветов.
Джеймс Клерк Максвелл продолжил развивать идеи Томаса Юнга. Он проводил эксперименты по смешиванию цветов, в которых использовал такие приборы, как "цветовой волчок" ‒ быстро вращающийся диск с раскрашенными в разные цвета секторами, и "цветовой ящик" ‒ сложное устройство, состоящее из линз, призм, щелей, экранов и цветных листков. Максвелл с помощью данных устройств смог получить довольно точные количественные результаты. Оказалось, что синий, зеленый и красный цвета при смешении в определенной пропорции могут давать любой из цветов спектра, а также и белый. Помимо этого он обнаружил, что можно математически рассчитать, каким будет результат смешения, а также предсказать реакцию глаза человека на определенный цвет.
Максвелл в работе "Опыты по восприятию цветов глазом и замечания о цветовой слепоте" (1854-1855) приходит к следующим выводам:
"а) глаз способен оценивать подобие цветов с точностью, в ряде случаев очень высокой;
б) заключения (о цвете) определяются не реальной идентичностью цветов, а причиной, присущей глазу наблюдателя, и,
в) несмотря на расхождения в точности, не остаётся сомнений в том, что закон цветового зрения одинаков для всех нормальных глаз." [7]
Основываясь на работах Юнга и Максвелла, немецкий физик, врач, физиолог Герман фон Гельмгольц создает теорию, известную теперь как теория цветоощущения Юнга-Гельмгольца (1859-1866). Согласно этой теории, в сетчатке глаза находятся особые элементы, воспринимающие красный, зеленый и синий цвета. Все другие цвета получаются при взаимодействии этих элементов и их одновременном реагировании на свет, поступающий в глаз.
Данная теория была экспериментально подтверждена в 1959 году: оказалось, что в сетчатке человеческого глаза присутствуют ровно три типа колбочек ‒ светочувствительных сенсорных нейронов, максимумы восприятия которых соответствуют длинам волн 430 нм, 530 нм и 560 нм, то есть фиолетовому, зеленому и желто-зеленому цвету.
Фотосинтез
Ломоносов еще в 1761 году первым высказал идею о том, что растения получают питание из воздуха, однако никаких исследований на эту тему он не проводил. Первые экспериментальные изыскания в данной области были проведены британским естествоиспытателем, философом и священником Джозефом Пристли. Свои опыты он проводил с мышами. Накрытая стеклянным колоколом, мышь через некоторое время погибала. Если под колокол помещалась также ветка мяты, то мышь оставалась живой. Так Пристли сделал вывод, что растения могут "исправлять" воздух, "испорченный" дыханием, то есть делать его вновь пригодным для дыхания. Также было показано, что "исправленный" растением воздух не гасит свечу, то есть поддерживает горение.
В первых опытах Пристли не обратил внимания на тот факт, что этот процесс происходит лишь на свету. Позднее, в 1779 году совместно с Яном Ингенхаузом, установил необходимость света для фотосинтеза, а также что данный процесс происходит только в зеленых частях растений. Также был открыт обратный процесс ‒ в темноте растения "портят" воздух подобно животным, делая его непригодным для дыхания и горения.
Пристли также известен как первооткрыватель кислорода (1774 год). Однако ему не удалось правильно истолковать свои открытия ‒ в частности роль кислорода для фотосинтеза и для горения, ученый до конца жизни оставался последователем теории Шталя о флогистоне, согласно которой любое тело, способное гореть, содержит в себе некоторое особое вещество (флогистон), которое в момент горения освобождается и покидает горящее тело.
Антуан Лоран Лавуазье, один из основателей современной химии, совершил множество научных открытий в разных областях. Ему удалось опровергнуть теорию флогистона. С помощью очень точных экспериментальных методик и качественно поставленных опытов Лавуазье смог установить, что в процессе горения предмет наоборот становился тяжелее, то есть нечто к нему прибавлялось, а не улетучивалось. Как оказалось, этим присоединяемым веществом являлся кислород.
Вслед за этим Лавуазье сделал очень важное открытие в области физиологии ‒ при дыхании человека и животных из воздуха потребляется кислород. Позднее он установил, что дыхание по сути ‒ это медленное горение, в результате которого в организмах животных вырабатывается тепло. Тем самым было установлено единство законов химии для неорганических и органических тел.
Несмотря на множественные научные заслуги, Лавуазье был казнен якобинцами в 1794 году за свои политические взгляды.
Большую ясность в понимание процесса фотосинтеза в начале 20 века внес русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев, о нем будет подробно рассказано ниже.
"Живое" электричество
Луиджи Гальвани ‒ итальянский врач, физиолог, анатом и физик, живший в 18 веке. И хотя сейчас мы его знаем как основателя электрофизиологии, при жизни физиком современники его не называли. Как признается сам Гальвани в "Трактате о силах электричества при мышечном движении" (1791 г.), свое открытие он совершил случайно: "Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедренных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей начали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой же из них, который помогал нам в опытах по электричеству, заметил, как ему казалось, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра". Этот случай побудил ученого на многолетнюю серию опытов, направленных на выяснение того, что же лежит в основе наблюдаемого явления [8].
Гальвани предположил, что атмосферное электричество должно действовать аналогично, и действительно обнаружил сокращение мышц лягушки во время грозы. Но затем он проделал опыт в ясную погоду, вывесив лягушачьи лапки на медных крючках. Во время прижимания крючков к железной решетке балкона мышечные сокращения опять наблюдались ‒ так была обнаружена контактная разность потенциалов. Далее Гальвани перенес свои эксперименты обратно в лабораторию и установил, что при разной комбинации металлов мышцы сокращаются более или менее интенсивно, хотя до этого особых различий в электрических свойствах разных металлов физики не отмечали.
По представлениям того времени, никакой металл сам по себе не может являться источником электричества, а лишь проводит его при соприкосновении с наэлектризованным предметом. И Гальвани высказал очень смелое предположение о существовании "живого" электричества: тело животного вместе с нервами и мышцами представляет собой своеобразную лейденскую банку (первый электрический конденсатор), которая способна на непрерывное повторное действие.
Стоит отметить, что к тому моменту, когда Гальвани издал свой знаменитый трактат, уже достоверно было известно о существовании электричества, порождаемого живыми организмами ‒ в 1773 году Уолш и Кавендиш доказали, что природа разрядов некоторых рыб электрическая. Однако именно эксперименты Гальвани показали, что электричество свойственно всем живым существам, а не только тем, у которых имеются особые электрические органы. Далее имела развитие гипотеза о том, что электрическая жидкость, невидимая ни в какие микроскопы, подобно крови по венам течет по нервам и питает все органы. А раз так, то старое, тухлое электричество, видимо, можно заменять на свежее. Эти идеи были восприняты настолько всерьез, что люди платили немалые деньги за разряды электрических угрей и других электрических рыб [8].
Дальше за дело пришло время взяться физику-профессионалу. Алессандро Вольта, итальянский физик, химик и физиолог, сперва крайне скептически реагирует на трактат Гальвани, но затем очень проникается им: "Я приступил к первым опытам с недоверием и без больших надежд на успех: настолько поразительными казались мне описанные явления, которые если и не противоречили, то слишком превосходили все то, что до сих пор было известно об электричестве, такими чудесными они мне казались... Однако после того, как я сам стал очевидцем и творцом всех этих чудес, я наконец обратился и перешел от недоверия, может быть, к фанатизму" [8].
Однако впоследствии он теряет это чувство восторженности. Вольта подробно перепроверяет и развивает эксперименты своего предшественника, проводя их с высокой точностью, и в итоге находит два существенных недостатка или даже ошибки в его выводах. Во-первых, электрический ток вызывает только возбуждение нерва, который затем каким-то образом действует на мышцу, а не сокращение самой мышцы напрямую. Во-вторых, Вольта убеждается, что два различных металла, соединенные между собой, являются не обычными проводниками, а "настоящими возбудителями и двигателями электрического флюида", лягушка при этом оказывается всего лишь очень чувствительным электрометром. В итоге Ученый делает вывод, что никакого живого электричества, за исключением рождаемого в специальных органах электрических рыб, не существует: органы животных и их части являются лишь пассивными проводниками.
Результатом экспериментов по проверке гипотез Гальвани явилась теория Вольты о "контактном электричестве", согласно которой при контакте различных металлов их "естественное" электричество разлагается, и на каждом металле собираются "электричества" противоположных знаков. Силу, благодаря которой происходит данный процесс, автор теории назвал электродвижущей. И хотя сегодня мы знаем, что такая идея является ошибочной ‒ то есть невозможно получать электрическую энергию без затраты какой-то другой, в то время эта теория закрепилась на некоторый период. После многочисленных экспериментов Вольта пришел к выводу, что для непрерывности электрического "флюида" необходима замкнутая цепь, включающая два разных металла и некоторую жидкость. В итоге в 1779 году Вольта построил свое главное изобретение ‒ источник непрерывного электричества, который называли "вольтов столб", представлявший собой сложенные в стопку пары цинковых и медных кругов, которые были проложены смоченными водой или кислотой суконными прокладками. И пусть ученый не понимал истинных основ работы своего творения, а именно что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостью, переоценить значимость его весьма сложно. Такого же мнения были и современники: выдающийся французский ученый академик Доменик Франсуа Араго считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины» [9].
Описанная история ‒ хороший пример того, как исследования и открытия в области биологии и физиологии дают толчок к развитию физики в новом направлении.
В 1830-1840 годах Карло Матеуччи, итальянский физик и государственный деятель, повторил опыты Гальвани и подтвердил их результаты. Однако он обнаружил новый замечательный факт: если поместить нерв одного нервно-мышечного препарата на мышцу другого и раздражать электричеством нерв второго препарата, то будет наблюдаться сокращение мышц обоих препаратов ‒ явление вторичного или индуцированного сокращения. Из своих опытов Матеуччи сделал предположение об изменении зарядов нервной ткани, то есть протекании электрических токов при ее возбуждении.
Дальнейший прогресс в области изучения живого электричества обусловлен изобретением в 1820 году электромагнитного мультипликатора. Автор нового устройства ‒ немецкий физик Иоганн Швейггер. Прибор представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутрь прямоугольной рамки, на которую было намотано несколько витков проводника. Данное устройство можно считать первым гальванометром, хотя этот термин появился только в 1836 году.
В 1840-1860 годах немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон изучал действие электрического тока на нервы и мышцы животных. В 1843 году ученый опубликовал работу под названием "Предварительный очерк исследования о так называемом лягушачьем токе и об электромоторных рыбах". Данный труд по сути положил начало электрофизиологии, а Дюбуа-Реймон по праву считается основоположником данного направления ‒ в отличие от работы Гальвани, здесь уже была настоящая наука с серьезными количественными измерениями и теорией. Свой наиболее известный труд в двух томах "Исследования по живому электричеству" ученый публикует в 1848-1849 годах.
В своих работах Дюбуа-Реймон тщательно разрабатывал методики проведения экспериментов и подбирал условия, а также использовал усовершенствованный мультипликатор, неполяризующиеся электроды и другие последние на тот момент технические разработки. Благодаря этому ученый смог получить ряд замечательных результатов. Он обнаружил "ток покоя", идущий от продольной поверхности мышцы к поперечному разрезу мышцы или нерва через гальванометр. Ток покоя уменьшался при возбуждении мышцы или нерва ‒ это явление было названо "отрицательным колебанием тока покоя". Дюбуа-Реймон впервые сформулировал "закон возбуждения", который гласил, что определяющим фактором в действии электрического тока на ткань является скорость изменения тока во времени, а не абсолютная его величина. Однако впоследствии установили, что сила и направление тока также определяют его действие на нерв и мышцу.
Дюбуа-Реймон был ярким представителем механистического материализма. Он был уверен, что все явления, происходящие в живых организмах, в том числе в мозге, определяются исключительно физико-химическими процессами. Если же не удается описать эти явления с помощью известных физико-химических законов, то, по мнению ученого, следует принять существование новых материальных сил, равноценных тем, которые известны в физике и химии. В своей лекции "О границах естествознания" в 1872 году Дюбуа-Реймон произнес ставшее крылатым выражение "Ignoramus et ignorabimus", что можно перевести как "не знаем и не узнаем" ‒ оно означает, что существует некая граница познания человеком природы, которую нам не дано перейти. В 1880 году на заседании Берлинской Академии Наук ученый выступил с речью, в которой сформулировал "семь мировых загадок", являющихся трансцендентными по своей сути и не подлежащих объяснению с точки зрения науки и философии.
Существенный вклад в изучение биоэлектрических явлений внес упомянутый выше Герман фон Гельмгольц. Он первым измерил скорость распространения сигнала по нервному волокну, которая до того считалась огромной ‒ близкой к скорости света ‒ и не поддающейся измерению. Эксперимент его, проведенный в 1850 году, был довольно прост: электрическим током возбуждался нерв, ведущий к мышце лягушки, на разном расстоянии от нее. В ответ на такое раздражение мышца сокращалась. Поделив расстояние между точками, к которым подводился ток, на разность временных промежутков между моментом подачи тока и моментом мышечного сокращения в двух опытах, ученый получил скорость распространения электрического импульса по нервам. Результат оказался около 27 метров в секунду, что значительно меньше скорости света. В конце 60-х годов 19 века Гельмгольц совместно с русским ученым Николаем Бакстом измерил скорость передачи возбуждения в человеческих нервах. Также Гельмгольц впервые обнаружил теплообразование в мышцах и измерил его с помощью термоэлектрического метода.
Мембранный потенциал
Последующее развитие в изучении биологических объектов связано с накоплением знаний о физико-химических процессах, протекающих в растворах и, соответственно, в этих объектах.
Шведский физико-химик Сванте Аррениус в 1887 году окончательно сформулировал теорию электролитической диссоциации. На заре своей научной карьеры его серьезно увлекла мысль о том, что происходит с молекулой электролита в водном растворе. В то время было известно о диссоциации электролитов на ионы при пропускании тока через раствор, но считалось, что без электролиза такого распада молекул не происходит. Важную роль в утверждении теории Аррениуса сыграла работа нидерландского химика, первого нобелевского лауреата по химии Якоба Вант-Гоффа "Химическое равновесие в системах газов и растворов" (1885), из которой следовало, что поведение реальных растворов солей, кислот и оснований отклоняется от теоретического закона Рауля, который выполняется только в области очень малых концентраций. Эти несоответствия оказались связаны с тем, что электролит в водном растворе распадается на положительные и отрицательные ионы, взаимодействие которых отличается от взаимодействия однородных частиц. После создания основных положений теории Аррениус объяснил ее применимость в различных областях естествознания. В 1903 году ученый получил Нобелевскую премию по химии «как факт признания особого значения его теории электролитической диссоциации для развития химии» ‒ и не только для химии, как оказалось в последствии.
Известна история о том, что великий русский ученый, создатель физико-химической теории растворов, Дмитрий Иванович Менделеев активно указывал на недостатки теории Аррениуса ‒ в частности, за то, что в ней не учитывается взаимодействие растворенного вещества и растворителя. В отместку Аррениус очень способствовал тому, чтобы Менделеева, неоднократно выдвигавшегося на Нобелевскую премию, не удостоили этой награды.
Основываясь на теории Аррениуса, немецкий химик и физик, лауреат Нобелевской премии по химии за третье начало термодинамики, Вальтер Герман Нернст в 1889 году в своей диссертации высказал и обосновал идею диффузного потенциала, возникающего на границе двух соприкасающихся растворов электролитов. Этот потенциал обусловлен различной скоростью диффузии анионов и катионов.
Вильгельм Фридрих Оствальд исследовал полупроницаемые пленки, которые, как было известно, обуславливают явление осмоса. Ученый установил, что если по разные стороны пористой пленки находится электролит разной концентрации, причем некоторые ионы из-за своего размера не могут проникать через поры, то возникнет разность электрических потенциалов. Для количественного описания этого явления Оствальд успешно применил теорию Нернста. Дальше он предположил, что потенциалы, возникающие в нервах, мышцах, а также у электрических рыб возникают как раз благодаря подобным биологическим мембранам, присутствующим в живых объектах.
Данную идею смог оценить и развить немецкий физиолог Юлиус Бернштейн, ученик Дюбуа-Реймона. В 1902-1912 годах он разработал мембранную теорию биопотенциалов. Бернштейн предположил, что мембрана живой клетки в состоянии покоя является полупроницаемой: она пропускает через себя ионы К+ и не пропускает другие ионы. Внутри клетки концентрация калия в десятки раз больше, чем в межклеточном пространстве, поэтому ионы К+ устремляются из клетки наружу по градиенту концентрации за счет диффузии, и скапливаются на внешней стороне мембраны. Неспособные диффундировать сквозь мембрану анионы собираются на внутренней стороне мембраны и заряжают ее отрицательно. Таким образом на мембране клетки возникает электрический потенциал, названный "потенциалом покоя". Используя уравнение Нернста, Бернштейн получил теоретическое значение потенциала покоя. Оно оказалось близким к истинному значению, но все же отличалось от него. Позднее обнаружили, что мембранная разность потенциалов обусловлена не только калиевым, но также натриевым и хлорным диффузными потенциалами, и описывается не уравнением Нернста, а уравнением Гольдмана-Ходжкина-Каца.
В середине 20го века был подробно исследован механизм передачи электрических импульсов по нервам. Благодаря работам британских ученых А. Л. Ходжкина, Ф. Хаксли и австралийского ученого Дж. К. Эксла, было установлено, что при возбуждении происходит перезарядка мембраны ‒ внутренняя ее поверхность становится положительно заряженной, а наружная ‒ отрицательно. В момент возбуждения на короткое время оказывается проницаемой для ионов Na+, которые, устремляясь внутрь, перезаряжают мембрану. Волну возбуждения, бегущую по мембране клетки в виде кратковременного локального изменения мембранного потенциала, назвали "потенциалом действия". Ходжкин и Хаксли теоретически предсказали строение ионных каналов, которые в зависимости от мембранного потенциала открываются и пропускают ионы натрия. Позже предсказанные свойства каналов подтвердились экспериментально. В 1963 году ученые получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Отечественная биофизика
Впервые с учением о биоэлектрических процессах российских ученых познакомил Иван Михайлович Сеченов. Он проводил курсы, которые служили введением к изучению новых разделов науки, разработанных Гельмгольцем и Дюбуа-Реймоном, а также опубликовал две книги по данной области ‒ "О живом электричестве" (1862) и "Физиология нервной системы" (1866). Сеченов был первым, кто занимался популяризацией биофизики зрения, и издал превосходный трактат по этой теме. [10]
Украинский физиолог Василий Юрьевич Чаговец большую часть своих работ посвятил изучению электрических потенциалов в живых тканях и их физико-химическим основам. Опираясь на труды Аррениуса, он первым предложил ионную теорию биоэлектрических явлений. В 1906 году Чаговец предложил конденсаторную теорию раздражения тканей и доказал, что возбуждение в нервных тканях под действием электрического тока происходит за счет накопления ионов на полупроницаемых мембранах клеток живых тканей. Также ему удалось определить величины электроемкостей некоторых тканей.
Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) ‒ русский естествоиспытатель, специалист по физиологии растений, внес существенный вклад в понимание процесса фотосинтеза. До его работ считалось, что наиболее быстро фотосинтез протекает при освещении растений желтой, то есть самой яркой частью спектра. Тимирязев доказал неверность данного утверждения. В своих экспериментах он пропускал солнечный свет через призму с узкой щелью на выходе, получая таким образом монохроматический свет, и освещал им лист гортензии. Ученый выяснил, что наибольшее количество крахмала образовывается на участке листа, освещаемого красным светом. Также много крахмала вырабатывалось при освещении сине-фиолетовой частью спектра.
Ученый создал метод газометрического учета, основанный на использовании инфракрасных опто-акустических газоанализаторов ‒ более точный количественный метод исследования скорости фотосинтеза по поглощенному СО2. Оказалось, что интенсивность фотосинтеза соответствует спектру поглощения света хлорофиллом ‒ зеленым пигментом растений, ответственным за этот процесс. Кроме того, Тимирязев установил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и сам участвует в реакции, в ходе которой образуются органические вещества. Ученый показал, что не вся падающая на лист энергия участвует в фотосинтезе, а только 1‒5%, объяснив тем самым сохранение энергии в данном процессе. Исследования Тимирязева позволили распространить закон сохранения энергии и на живую природу. Тимирязев был активным борцом с витализмом во всех его проявлениях, во многих своих книгах он давал прекрасные примеры чисто материалистического подхода к решению биологических проблем [10].
Николай Константинович Кольцов (1872-1940) ‒ русский биолог, основоположник отечественной экспериментальной биологии, занимался цитологией и генетикой. Ученый привнес в биологию широкий круг физико-химических методов, применяя их для изучения скелетных клеточных структур и изменения этой структуры и формы клеток. В итоге многие из этих методов стали основными для биологических исследований и легли в основу новой науки ‒ физико-химической биологии.
Петр Петрович Лазарев, ученик П.Н.Лебедева, развил и обобщил исследования предшественников в области электрофизиологии, в результате создал ионную теорию возбуждения ‒ этот термин ввел сам ученый. Данная теория основывается на представлении о том, что для возбуждения в ткани необходимо изменение концентрации ионов [10].
В 1910 году Лазарев впервые установил закон возбуждения любой ткани, получив его математический вывод из самых общих представлений. Данный закон является обобщением эмпирического закона, установленного Жаком Лебом. Затем ученый применил полученный теоретический закон для зрения, слуха, вкуса и получил прекрасные совпадения с экспериментом [11].
Вклад Лазарева в отечественную науку не ограничивается сделанными им замечательными научными открытиями. В 1919 году Лазаревым был создан Государственный биофизический институт ‒ первое в России научно-исследовательское учреждение по физике и биофизике. В институте велись работы по ионной теории возбуждения, изучению кинетики фотохимических реакций, исследованию спектров поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также изучались воздействия факторов внешней среды на организмы. Создав первую советскую школу биофизики Наркомздрава, Лазарев объединил вокруг себя большую группу ученых ‒ Вавилов, С. В. Кравков, В. В. Шулейкин, С. В. Дерягин и другие.
В 1918 году ученый основал научный журнал "Успехи физических наук" и стал его первым главным редактором. Этот журнал издается по сей день.
В 1926 году Владимир Иванович Вернадский опубликовал книгу "Биосфера" ‒ крупнейшее в 20 веке обобщение в области естествознания и первое целостное учение о биосфере. В книге Вернадский впервые отвел живым организмам роль самой главной преобразующей силы на нашей планете, меняющей ее облик.
Физические методы исследования в биофизике
Развитие биофизики во второй половине 20го века во многом определяется с совершенствованием физико-химических методов и электронно-вычислительной техники, а также открытиями и изобретениями в этой области.
Рентгеноструктурный анализ
Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах была открыта Максом фон Лауэ, теоретическое обоснование дали Брэгг и Вульф, за что были даны Нобелевские премии в 1914 и 1915 годах. Как метод изучения внутреннего строения атомов и молекул рентгеноструктурный анализ разработал и стал использовать с 1915 года Петер Дебай (премия 1936 г.). В 1953 году Макс Перутц (премия 1962 г.) впервые смог применить РСА для исследования структуры крупных биомолекул, таких как гемоглобин. С тех пор данный метод широко используют в биофизике для получения информации о форме, размере молекул. Сегодня определены структуры около 15 тысяч белков и их различных комплексов. Один из недостатков данного метода состоит в том, что исследуемое вещество должно быть кристаллизовано, в то время как многие белки имеют нативную конформацию только в растворе.
ЯМР-спектроскопия
Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) было открыто в 1946 году американскими физиками Феликсом Блохом и Эдуардом Миллсом Парселлом. За это открытие и основанного на нем метода ученые в 1952 году получили Нобелевскую премию. Швейцарских химик Курт Вютрих в 1985 году разработал метод (премия 2002 г.), позволяющий сегодня с помощью ЯМР-спектроскопии исследовать структуру белков с массой вплоть до 100 кДа. В настоящее время около 15-20% известных белковых структур получены именно таким образом. Для ЯМР-исследований больших белковых молекул используются стабильные изотопы углерода и азота, имеющие спин 1/2 (13C и 15N). Преимущество метода ЯМР перед РСА состоит в том, что, во-первых, в растворе многие белки имеют более естественную структуру, и во-вторых, ЯМР позволяет получить информацию о динамике молекулы и отдельных ее частей.
В современных ЯМР-спектрометрах для достижения высокого разрешения спектральных линий используется высокое магнитное поле порядка 10-20 Тл, для достижения которого используют сверхпроводящий магнит.
Электрофорез
Этот метод, позволяющий разделить смесь макромолекул на фракции, основан на зависимости скорости движения молекул в среде в постоянном электрическом поле от их заряда, массы и конфигурации. Первые эксперименты по электрофорезу проводились в 30е годы 20го века. Арне Тиселиус получил Нобелевскую премию по химии в 1948 году в том числе за разработку данного метода. Для разделения белков электрофорез в крахмальном геле начал применять Оливер Смитил. В дальнейшем метод получил значительное развитие ‒ стал применяться полиакриламидный гель, денатурирующие агенты, существует двумерный электрофорез. Сегодня этот метод очень активно применяется при исследовании белков и ДНК.
Масс-спектрометрия
Метод позволяет определить состав смеси компонентов на основе присущего им отношения заряда к массе. Первый масс-спектрометр был создан Джозефом Томсоном в 1912 году, на нем ученый получил масс-спектры молекул кислорода, азота, угарного газа и фосгена. В 1982 году с помощью бомбардировки быстрыми атомами был получен первый масс-спектр целого белка ‒ инсулина.
Молекулярная динамика
Суть этого метода заключается в том, что создается компьютерная модель системы взаимодействующих атомов, и ее эволюция во времени определяется интегрированием уравнений движения из классической механики. Межатомные силы задаются классическими потенциалами взаимодействия ‒ например, потенциал Леннарда-Джонса. Для решения биофизических задач с помощью метода молекулярной динамики как правило требуются большие вычислительные мощности, поэтому для вычислений часто требуются суперкомпьютеры.
В биофизике молекулярная динамика применяется как дополнительный инструмент в определении структуры и динамики белков, а также топологии их взаимодействия.
Заключение
Зародившись в 17 веке при попытках объяснить процессы, происходящие в живых организмах, с точки зрения механики, биофизика прошла четырехсотлетний путь развития к своему нынешнему состоянию. Эта наука формировалась под воздействием смежных естественно-научных дисциплин ‒ физики, химии, физиологии. С развитием техники и обогащением знаний о физико-химических процессах в живых объектах биофизика выделилась в самостоятельное направление научных исследований. На сегодняшний день биофизика является активно развивающейся наукой со своими задачами, методологией и перспективами.
Список литературы
[1] М.В.Волькенштейн, "Биофизика", 1988
[2] Большая российская энциклопедия
[3] Э.М.Трухан, "Введение в биофизику", 2008
[4] Р.Декарт, "Описание человеческого тела. Об образовании живого."
[5] Н.И.Аринчин, "Периферические «сердца» человека", 1988
[6] С.В.Фомин и М.Б.Беркинблит в книге "Математические проблемы в биологии", 1973
[7] "Дж.К.Максвелл. Статьи и речи", изд. "Наука", Москва, 1968
[8] В.Ольшанский, "Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор", Наука и жизнь, 2004.
[9] "История электротехники", Издательство МЭИ, 1999
[10] Большая медицинская энциклопедия под ред. Н.А.Семашко, 1970
[11] П.П.Лазарев, "Сочинения", том II, 1950
Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 135; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!