на crazy-fizik.narod.ru

К 250-летию Московского университета

К 100-летию биофизики в Московском университете

 

Становление биофизики.

Физики, биологи, химики, математики, медики

В.А.Твердислов

Московский государственный университет им М.В.Ломоносова, физический факультет,

кафедра биофизики

tverdislov@mail.ru

 

"Правильно в философии рассматривать сходство

даже в вещах, далеко отстоящих друг от друга"

Аристотель

 

“Физиолог должен давать из физики

 причины движения живого тела”

М.В.Ломоносов

 

"Рост научного знания в 20-м веке быстро стирает грани между отдельными науками. Мы все больше специализируемся не по наукам, а по проблемам"

В.И.Вернадский

 

Биофизика - раздел естествознания, имеющий дело с физическими и физико-химическими принципами организации и функционирования биологических систем всех уровней (от субмолекулярного до биосферного), включая их математическое описание. Биофизика принципиально имеет дело с механизмами и свойствами живых систем. Живое - открытая система, способная к самоподдержанию и самовоспроизведению.

Как многодисциплинарная наука биофизика сформировалась в 20-м веке, однако ее предыстория насчитывает не одно столетие. Как и науки, обусловившие ее появление (физика, биология, медицина, химия, математика), биофизика претерпела ряд революционных преобразований к середине прошлого столетия. В статье рассмотрена роль выдающихся ученых-естественников в становлении классической и новой биофизики, причем особое внимание уделено вкладу наших соотечественников в этот процесс.

 

Известно, что физика, биология, химия и медицина - науки тесно связанные, однако мы привыкли к тому, что их изучают порознь и независимо. По существу, независимое раздельное изучение этих наук неверно. Ученый - естественник может задать неживой природе только два вопроса: «Что?» и «Как?». "Что" - это предмет исследований, "как" - каким образом этот предмет устроен. Биологическая эволюция привела живую природу к уникальной целесообразности. Поэтому биолог, медик, гуманитарий могут задать еще и третий вопрос: «Зачем?» или «Для чего?». Спросить «Зачем Луна?» может поэт, но не ученый.

Люди, о которых пойдет речь в статье, умели правильно задавать Природе правильные вопросы. Это выдающиеся ученые, внесшие неоценимый вклад в становление физики, биологии, химии и медицины – наук, вместе с математикой сформировавших биофизику.

Со времен Аристотеля (384 - 322 до н.э.) физика включала в себя всю совокупность сведений о неживой и живой природе ("Physis" - "Природа", греч.). Ступени природы в его представлении: неорганический мир, растения, животные, человек. Первичные качества материи - две пары противоположностей "теплое - холодное", "сухое - влажное". Основополагающие элементы - стихии - земля, воздух, вода, огонь. Высший, наиболее совершенный элемент - эфир. Сами же стихии являются различными комбинациями первичных качеств: соединению холодного с сухим соответствует земля, холодного с влажным - вода, теплого с влажным - воздух, теплого с сухим - огонь. Понятие эфира служило впоследствии основой многих физических и биологических теорий. Говоря современным языком, в основе представлений Аристотеля лежат неаддитивность сложения природных факторов (синергизм) и иерархичность природных систем.

Как точное естествознание, как наука в современном понятии, физика берет начало с Галилео Галилея (1564 - 1642), первоначально изучавшего медицину в Пизанском университете и только потом увлекшегося геометрией, механикой и астрономией, сочинениями Архимеда (ок. 287 - 212 до н.э.) и Эвклида (3 в. до н.э.). Кстати, и предшественник Галилея Николай Коперник (1473- - 1543) по образованию был медиком. Оставляя в стороне работы Галилея об изохронизме колебаний маятника, о принципах инерции и относительности, о его достижениях в астрономии, обратим внимание на одну тему, которую он затрагивает в "Диалоге о двух главнейших системах мира" (1632): изменение размеров системы изменяет ее свойства. Рассуждая о прочности строительных балок и костей, Галилей вводит науку в проблему, весьма актуальную для современной биомеханики и биофизики. Рассуждения касаются гипотетической "собаки". Если галилеева собака станет в 2 раза выше, то она станет в 8 раз больше. Прочность костей должна возрасти в 8 раз, но их сечение увеличится только в 4 раза. Поэтому нужны новые пропорции! Отмеченная в этом рассуждении несимметрия изменения масштабов не менее важна, нежели созданная Галилеем динамика. Особенно для биологии. Примечательно, что дискуссия о физико-химической заданности  размеров биомолекул, клеток, органов и целых организмов не стихает в научном сообществе и поныне. В ней затрагиваются проблемы морфогенеза и пропорций, проблемы диффузионных ограничений размеров клеток и органелл в соотношении со скоростями ферментативных актов и процессов биосинтеза, эффективностью внутриклеточного, внутримембранного и межклеточного массопереноса, электрической регуляции и т.д. И все это в дополнение к  традиционной задаче теплообмена у организмов при разных соотношениях объем/поверхность.

Университеты предоставляют уникальную возможность ощутить временную связь наук, в частности, физики, медицины и биологии. Так в 16-18 веках направление медицины, которое называлось ятрофизикой” или ятромеханикой ("iatros" - "врач", греч.). Медики пытались объяснить все явления в здоровом и больном организме человека и животных на основании законов физики или химии. И тогда, и в последующие времена, связь физики и медицины, физиков и биологов была теснейшей, вслед за ятрофизикой появилась и ятрохимия. разделение науки живом и неживом" произошло относительно недавно. термин "биология" был предложен всего 200 лет назад в 1802 году (т.е. биология была выделена из общей науки о природе – физики) независимо и практически одновременно Жаном Батистом Ламарком (1744-1829), французским естествоиспытателем, эволюционистом, великим предшественником великого Чарльза Дарвина (1809-1882), и немцем Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом (1776-1837). Заметим, что оба они получили образование в области биологии и медицины, один закончил, соответственно, Парижский, другой - Бременский университеты.

Участие физики с ее мощными и глубоко разработанными теоретическими, экспериментальными и методологическими подходами в решении фундаментальных проблем биологии и медицины неоспоримо, однако следует признать, что в историческом аспекте физики в большом долгу перед медиками, являвшимися образованнейшими людьми своего времени, и чей вклад в создание фундаментальных основ классической физики неоценим. Конечно же речь идет о классической физике.

Окружающая нас природа на протяжении веков давала науке примеры сложного динамического поведения связанных в биосфере подсистем. Математическое моделирование в биологии исторически связано с описанием динамики популяций, эволюционного процесса, распространения эпидемий, биологических часов и т.д. Первым, кто применил метод количественного моделирования в биологии, был математик Леонардо Пизанский (Фибоначчи, 1180 - 1240), изложивший в "Книге абака" достижения арабской математики, и предложивший для описания размножения семьи кроликов числовую последовательность, где каждый член является суммой двух предыдущих ( числа Фибоначчи 1, 1, 2, 3,5, 8…).

Леонардо да Винчи (1452 - 1519) - величайший энциклопедист, художник и естествоиспытатель, автор первой модели летательного аппарата, создатель продуктивного научного подхода для анатомов и физиологов о связи формы, структуры и функции органов. Без сомнения, Леонардо да Винчи - основатель биомеханики, создавший классификацию мышц, учение о биомеханике скелета, кинематике скелетно-мышечных систем, биодинамике сердца, общей механики движения человека и лошади, полета птиц и т.д.

Санторио Санторио (Санториус, Санкториус, 1562 - 1636), итальянский врач, профессор теории медицины университета в Падуе, развивавший представления ятрофизики, был современником  Галилея, разделял его взгляды на необходимость количественного подхода в естественных науках, пытался использовать некоторые его изобретения в медицине. Санторио впервые ввел в медицинскую практику точные количественные измерения. Санториус применил термоскоп Герона для измерения температуры больных, т.е. первый клинический термометр (1630).

Работы Да Винчи по исследованию мышечных движений на основе принципов механики и математики, статики и динамики продолжил итальянский физиолог, физик, астроном и математик Джиованни Альфонсо Борелли (Джиованни Франческо Антонио Алонсо, 1608 - 1650). Его книга (1680-1681 годы) "О движении животных" стала основой школы ятрофизиков. Он считал, что процесс сокращения мышц зависит от деятельности нервов, впервые рассмотрел движения сердца как мышечное сокращение, роль межреберных мышц как основы дыхания при механически пассивном поведении легких. Удивительно, что он же, современник Галилея, много и успешно занимался астрономией, отметил влияние спутников Юпитера на его движение и высказал идею о параболических траекториях движения комет.

Рене Декарт (1596 - 1650) французский философ, математик, физик и физиолог, предложил ряд механистических объяснений боли, голода, жажды, зрения, памяти, ввел в научную практику представление о (безусловном) рефлексе. Декарт написал учебник по физиологии ("De homine"), занимался физиологией кровообращения, придерживаясь во многом взглядов своего современника английского врача Уильяма Гарвея (1578 - 1657), автора "Анатомического исследования о движении сердца и крови у животных" (1628). Гарвей писал, что кровь в организме перекачивается вследствие сокращения сердечной мышцы, а Декарт считал, что кровь нагревается в сердце, вследствие чего расширяется и распространяется по сосудам. Замечательное, знаменательное заблуждение! Еще не сформулированы законы термодинамики и нет представлений о тепловых и нетепловых машинах. А Уильям Гарвей в своей книге дал на основании введенной им вивисекции анатомо-физиологическое описание организма, а также предложил тепловую теорию движения крови.

Среди старейших предметов биофизических исследований, как ни покажется на первый взгляд странным, должна быть упомянута биолюминесценция, так как излучение света живыми организмами издавна вызывало интерес у натурфилософов. Впервые обратил внимание на этот эффект Аристотель со своим воспитанником Александром Македонским, которому он показывал свечение литорали и видел причину этого в люминисценции морских организмов. Первое научное исследование "животного" свечения сделал Атанасис Кирхер (1601 - 1680), немецкий  священник, энциклопедист, известный как географ, астроном, математик, языковед, музыкант и медик, создатель первых естественнонаучных коллекций и музеев, две главы своей книги "Искусство Великих Света и Тени" ("Ars Magna Lucis et Umbrae") он посвятил биолюминесценции.

Голландский физик Кристиан Гюйгенс (1629 - 1695), последователь Галилея, известный работами в области геометрической оптики и механики колебаний, в своей книге "Космотеорос", изданной в России по указу Петра Великого, утверждал, что "жизнь есть космическое явление". Путешествуя на корабле, Гюйгенс заметил, что многочисленные маятниковые часы из его любимой коллекции синхронизуют со временем свою работу за счет слабых механических связей через деревянную стену, что привело его к созданию представлений о связанных осцилляторов. Это сугубо механическое наблюдение сейчас представляется весьма существенным при рассмотрении взаимодействия биологических автоколебательных и автоволновых систем.

Микроскопия как метод применения физического прибора для изучения биологических объектов сформировалась в XVII веке. Простой однолинзовый микроскоп был известен уже в XV веке. Голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук (1632 - 1723) довел его увеличение до 300 крат и впервые описал мир микроорганизмов, в т.ч. бактерий. Он же впервые зарисовал и описал простейших, плесневые грибы, части тел насекомых. Позже изучал гистологическую структуру капиллярных сосудов животных, строение нервных тканей и эритроцитов. В 1695 году опубликовал первую книгу по микробиологии "Тайны природы".

Сложный микроскоп, состоящий из двух собирающих линз, появился на рубеже XVI и XVII веков и примерно в 1610 году был видоизменен Галилеем, сконструировавшим микроскоп из собирательного объектива и рассеивающего окуляра. Англичанин Роберт Гук (1635 - 1703) известен как физик, астроном и великий биолог, впервые обнаруживший клеточное строение организмов. Все началось с изучения под микроскопом тонкого среза пробки, которая, как оказалось, пронизана тонкими порами, названными им клетками (1665, "Микрография"). Гук впервые описал клетки бузины, укропа, моркови и ряда других растений. По существу, Роберт Гук и Левенгук занимались наукой, по типу которой впоследствии сформировалась экспериментальная биофизика.

По роду своих научных интересов к биофизикам можно отнести величайшего физика Исаака Ньютона (1643 - 1727), интересовавшегося проблемами связи физических и физиологических процессов в организмах и, в частности, занимавшегося вопросами цветного зрения. Завершая свои "Principia", в 1687 году Ньютон писал: "Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновении сцепляются, наэлектризованные тела действуют на большие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам". Также Ньютон является одним из создателей классической британской, затем и европейской, монетарной системы.

Систематические естественнонаучные исследования начались в России со времени основания Петром I (1672 - 1725) в 1725 г. Академии наук в Петербурге, структура и пути развития которой были продуманы великим немецким математиком и философом-идеалистом Готфридом Вильгельмом фон Лейбницем (1646 - 1716), привлеченным Петром I к созданию национальной Академии наук. В своей книге «Монадология», он изложил свои представления о том, что все живое состоит из бесчисленных деятельных субстанций монад, находящихся между собой в гармонии (вспомним о нынешних представлениях относительно биомакромолекул и метаболических сетей!). Декарт, Ньютон и Лейбниц утверждали, что механические законы идентичны для живой и неживой природы.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765) будучи приверженцем представлений Ньютона о роли эфира в физических и физиологических процессах, попытался детализировать описание нервного импульса, рецепции и зрения на основе механической модели эфира. В "Слове о происхождении света" он описывает механическую модель эфира, состоящую из малых сфер, имеющих на своей поверхности зубцы, плотно сцепляющие соседние сферы при поворотах и вращении. При этом на движение этих эфирных частиц могут оказывать влияние молекулы различных веществ. "Вообразив сие основание, - пишет Ломоносов далее - ясно себе представить можете всех чувств действия и других чудных явлений и перемен в натуре бывающих. Жизненные соки в нервах таковым движением возвещают в голову бывающие на концах их перемены, сцепляясь с прикасающимися им внешних тел частицами. Сие происходит нечувствительным временем, для беспрерывного совмещения частиц по всему нерву от конца до самого мозгу. Ибо по механическим законам известно, что многие тысячи таких шаровых колес, когда они стоят в совместном сцеплении, беспрерывно должны с одним повернутым внешнею силою вертеться, с остановленным остановиться и с ним купно умножить или умалять скорость движения. Таким образом, кислая материя, в нервах языка содержащаяся, с положенными на язык кислыми частицами сцепляется, перемену движения производит и в мозге оную представляет. Таким способом рождается обоняние. Так происходят химические растворы, спуски, кипение". Конечно, с позиций современной науки приведенное высказывание выглядит приминивным, однако даже при неимении "достаточного запаса опытов" в нем угадываются глубоко осмысленные, хотя и интуитивные,  представления о фундаментальных свойствах биологических систем - циклических процессах, активных средах, автоволновых процессах, связанных с ними электрических взаимодействиях и т.д.

Физик, математик и астроном Леонард Эйлер (1707 - 1783) с 1727 года живший в России, член Петербургской академии наук, будучи физиологом, много лет занимался проблемами движения крови, впервые рассмотрев артерии и вены как упругие и растяжимые системы, отличные от искусственных, что было значительным шагом в развитии гемодинамики. Эйлер неоднократно обращался также к геометрической оптике глаза и цветному зрению, занимался теорией музыки. Математические и естественнонаучные интересы Эйлера в значительной степени соприкасались с научными интересами династии Бернулли.

В свою очередь известная семья швейцарский физиков и математиков Бернулли была связана с разработкой не только общих законов гидродинамики, но и теоретическим описанием движения кровотока в организме. Даниил Бернулли (1700-1782) из известной семьи известных швейцарски ученых (Якоб Бернулли - вычисление беконечно малых Лейбница), почетный член Петербургской Академии, как и его отец Иоганн Бернулли, занимался проблемами механики жидкостей и газов, физиологии кровотока, анатомией и ботаникой. Уравнение Бернулли для гидродинамики жидкостей не подходили для описания кровотока - движения неньютоновской жидкости, однако много сделали для общего понимания движения крови в организме.

Один из основателей современной химии француз Антуан Лоран Лавуазье (1743 - 1794) вместе со своим соотечественником астрономом, математиком и физиком Пьером Симоном Лапласом (1749 - 1827) занимались калориметрией, разделом биофизики, который сейчас назвали бы биофизической термодинамикой. Лавуазье применил количественные методы, занимаясь термохимией, процессами окисления. Лавуазье с Лапласом обосновали свои представления о том, что не существует двух химий – «живой» и «неживой», для неорганических и органических тел.

В 1773 году был опубликован мемуар Джона Уолша (???? - 1795), в котором доказывалась, что удар рыбы, с тех пор называемый электрическим скатом, имеет электрическую природу, т.к. это явление можно было имитировать с помощью искусственного электричества. Последовало много публикаций, где одни физики считали, что "животное электричество" присущим лишь "электрическим рыбам", другие - вообще всем животным. Физиологи же того времени выдвигали умозрительные гипотезы относительно протекающей по организмам "животной эссенции".

К числу великих наших предшественников, заложивших основы биофизики, следует отнести итальянских анатома Луиджи Гальвани (1737 - 1798) и физика Алессандро Вольта (1745 - 1827), создателей учения об электричестве. Гальвани производил эксперименты с электрической машиной и один из его друзей случайно коснулся ножом ляжки лягушки, которую собирались использовать в суп. Когда мускулы ноги лягушки внезапно сократились, жена Гальвани заметила, что электрическая машина произвела вспышку  и поинтересовалась “была ли какая-нибудь связь между этими событиями”. Хотя мнение самого Гальвани об этом феномене отличалась в деталях от нижеследующей, точно известно, что эксперимент был повторен и проверен.. Он  подготовил почву для длинного противостояния между сторонниками идеи Гальвани, что ток, генерируемый животным может быть причиной сокращения и мнение Вольта, который заявил, что нога служила лишь детектором различий в электрическом потенциале, внешнем для него. Сторонники Гальвани провели эксперимент, в котором никакие внешние электрические силы не участвовали, таким образом доказав, что ток, генерируемый животным может являться причиной сокращения мышц. Но было также возможно, что сокращение было вызвано контактом с металлами; Вольта произвел соответствующие исследования, и они привели к его открытию электрической батареи, которое было так важно, что исследования Гальвани отошли в сторону. В результате изучение электрического потенциала в животных исчезло из научного внимания до 1827. Так как много лет подряд нога лягушки была самым чувствительным детектором различий в потенциале, финальное понимание, что токи могут быть генерированы живыми тканями не пришло пока не были сконструированы гальванометры достаточно чувствительные, чтобы измерить токи генерированные в мускулах и малые различия в потенциале по нервной мембране.

В связи с работами Гальвани по "животному электричеству" нельзя не вспомнить имя австрийского врача - физиолога Фридриха Антона Месмера (1733-1815.), развивавшего представления о целительном “животном магнетизме”, посредством которого, по его предположению, можно было изменять состояние организма, лечить болезни. Следует отметить, что и сейчас эффекты воздействия электрических магнитных и электромагнитных полей на живые системы во многом остаются тайной для фундаментальной науки. Проблемы остались и, действительно, не угасает интерес современных интересов физиков к изучению воздействия внешних физических факторов на биологические системы. 

Томас Юнг (1773 - 1829), физик, египтолог, изучавший медицину в ведущих университетах Европы, заинтересовавшись механическими свойствами костей, разработал основы теории упругости, и, увлекшись физикой, выполнил выдающиеся исследования в оптике и акустике. Он же постулировал, что цветное зрение человека основывается на трех типах рецепторов, чувствительных к разным областям спектра.

В 1828 году шотландский ботаник Роберт Броун (1773 - 1858), почетный член Петербургской АН (1827), описавший ядро растительной клетки и строение семяпочки, заметил, что даже в самый простой микроскоп видно непрерывное, спонтанное, хаотическое движение взвешенных в протоплазме растительных клеток крупных частиц (1827). И, как исследовал он же, - в водных взвесях цветочной пыльцы наблюдается то же явление. До Броуна "броунирование" частиц наблюдал итальянский биолог Ладзаро Спалланцани (1729 - 1799), изучавший деление бактерий, оплодотворение, регенерацию, пищеварение, однако связал это явление сугубо с жизненными процессами. Надо отметить, что теоретическое рассмотрение броуновского движения во многом способствовало развитию представлений о вероятностной основе второго начала термодинамики. Вместе с тем, само это явление имеет существенное значение при рассмотрении процессов переноса, подвижности и устойчивости клеточных структур.

Их современник Иоганн Вольфганг Гете (1749 - 1832), великий поэт и мыслитель, почетный член Петербургской Академии наук, также увлекался также физиологией и медициной, исследовал механизмы цветного зрения, хотя специального образования не имел. Впоследствии и физик Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879), известный своими выдающимися работами в области термодинамики и теории электромагнитных волн, также глубоко интересовался вопросами цветного зрения.

Фундаментальный закон физики - закон сохранения энергии был открыт судовым врачом Юлиусом Робертом Майером (1814 - 1878) по результатам исследования цвета венозной крови моряков в разных широтах, заключил, что значительная часть энергии на холоде уходит на поддержание стабильной температуры. На основе собственных экспериментов он дал оценку механического эквивалента теплоты. Сейчас эти работы отнесли бы к области биоэнергетики. Независимо и почти одновременно то же сделал английский физик из семьи пивоваров (естественно считать, - биофизиков) Джеймс Прескотт Джоуль (1818 - 1889).

Первые гальванометры были построены великим немецким электрофизиологом, профессором физиологии в Берлине Эмилем Дюбуа-Реймоном (1818 - 1896). Его исследования мышечных токов и электрического потенциала нервов зависели от гальванометра собственного произведения, который требовал 3.17 миль провода, накрученного в 24.000 оборотов. В своей книге о животном электричестве он сформулировал постулат, который стал одним из ударов, благодаря которым разрушилось единство физики, биологии и медицины: «Нет никаких сил, которые заслуживали бы название жизненных сил». Математическое описание возникновения и распространения раздражения в нервных волокнах предложил известный немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824 - 1887), много лет являвшийся сотрудником Г.Гельмгольца.

Однако не успели биология и физика размежеваться, как вышла в свет известная книга “Грамматика науки”, написанная английским математиком Карлом Пирсоном (1857 - 1935) в которой он дал одно из первых определений биофизики (в 1892 году): “Мы не можем с полной уверенностью утверждать, что жизнь есть механизм, до тех пор, пока мы не в состоянии указать более точно, что именно понимаем мы под термином «механизм» в применении к органическим тельцам. Уже теперь представляется несомненым, что некоторые обобщения физики…описывают…часть нашего чувственного опыта относительно жизненных форм. Нужна ... отрасль науки, имеющая своей задачей приложение законов неорганических явлений, физики к развитию органических форм. ...Факты биологии - морфологии, эмбриологии и физиологии - образуют частные случаи приложения общих физических законов. ...Лучше было бы назвать ее биофизикой”.

Основателем современной биофизики следует считать Германа Л.Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), ставшего выдающимся физиком, одним из авторов I закона термодинамики. Будучи еще молодым военным хирургом, он показал, что метаболические превращения в мышцах строгим образом связаны с механической работой, ими совершаемой, и тепловыделением. В зрелые годы много занимался проблемами электродинамики. В 1858 году заложил основы теории вихревого движения жидкости. Он же выполнил блистательные эксперименты в области биофизики нервного импульса, биофизики зрения, биоакустики, развил идею Юнга о трех типах зрительных рецепторов. колебательный характер имеют электрические разряды возникающие в электрическом контуре. Интерес к колебательным процессам в акустике, жидкостях, электромагнитных системах привел ученого к изучению волнового процесса распространения нервного импульса. Именно Гельмгольц первым начал изучение проблем активных сред, измерив с высокой точностью скорость распространения нервного импульса в аксонах, которые с современной точки зрения являются активной одномерной средой. В 1868 году Гельмгольц был избран почетным членом Петербургской академии наук.

Удивительным образом связаны судьбы русского ученого, физиолога и биофизика, Ивана Михайловича Сеченова (1829 – 1905) и Гельмгольца. После окончания Московского университета в 1856 году вплоть до 1860 года он учился и работал у Гельмгольца. С 1871 по 1876 год Сеченов работал в Новороссийском университете в Одессе, потом в Петербургском и Московском университетах, изучая электрические явления в нервных тканях, механизмы переноса газов в крови.

Луи Пастер (1822 – 1895) – величайший французский микробиолог и биохимик, ученый, заложивший фундамент биотехнологии, также явился основоположником стереохимии. Сейчас, спустя столетие после кончины Пастера, стало понятно, что развитые им представления о симметрии и несимметрии на молекулярном уровне связаны с фундаментальными проблемами происхождения жизни, структуры и функционирования биомолекул – важнейшими проблемами современной биофизики. В 1893 году Пастер также был избран почетным членом Петербургской академии наук.

Илья Ильич Мечников (1845 – 1916), русский биолог и анатом, заведовал кафедрой зоологии и сравнительной анатомии в Новороссийском университете в Одессе в те же годы, когда там находился Сеченов. Обнаружил специализированные клетки, которые назвал “фагоцитами” (лейкоциты). Работая в 1886-87 годах в Бактериологическом институте в Одессе и с 1888 по 1916 год в Париже в Пастеровском институте, установил, что фагоцитоз является универсальной защитной реакцией всех организмов.  За выдающиеся работы в области развития представлений о фундаментальной роли фагоцитоза в иммунологии в 1908 году был награжден Нобелевской премией по физиологии и медицине. Он стал вторым после И.П.Павлова (1904) русским ученым - Нобелевским лауреатом. В настоящее время изучение механизмов фагоцитоза является одним из важных направлений биофизики.

Существует принципиальный психологический аспект, характеризующий взаимоучастие в науках ученых двух специальностей. "Чистые" физики воспитаны на необходимости  рассматривать максимально "простую" систему, чтобы выявить фундаментальны законы природы. Иное дело медики и биологи - "упростить" живую систему, это они знают точно, принципиально невозможно. Поэтому ретроспективно можно понять и осознать продуктивность прихода в физику высокообразованнейших и высококультурнейших людей своего времени, ученых медиков, о которых мы говорили выше, в физику. С этой точки зрения куда более сложным представляется приход физиков в науки о живом.

Однако, несмотря на последнее утверждение, период классической физики 17-19 веков завершился в начале 20 века величайшей революцией в физике - созданием квантовой теории. Это и ряд других новейших направлений физики выделили ее из круга естественных наук. На этом этапе взаимодействие физики и медицины существенно изменило свой характер: практически все современные методы медицинской диагностики, терапии, фармакологии и пр. стали основываться на физических подходах и методах. Этим нисколько не умаляется выдающаяся роль (био)химии в развитии медицины. Поэтому следует рассказать о тех выдающихся ученых, с чьими именами связано объединение наук и становление биофизики. Речь идет о физиках, которые вошли в историю биологии и медицины, о медиках, которые внесли существенный вклад в физику, хотя казалось бы физикам трудно войти в специфические проблемы медицины, глубоко пронизанной идеями, знаниями и подходами химии, биохимии, молекулярной биологии и т.д. Вместе с тем, и медики встречают принципиальные затруднения в попытках сформулировать свои потребности и задачи, которые могли бы быть разрешены соответствующими физическими и физико-химическими методами. Существует всего один эффективный выход из ситуации, и он был найден. Это - универсальное университетское образование, когда студенты, будущие ученые, могут и должны получить два, три  и даже четыре фундаментальных образования - по физике, химии, медицине, математики и биологии.

Гении физики Альберт Эйнштейн (1879-1955), прославившийся работами в области теории относительности, фотоэффекта (за который он получил Нобелевскую премию в 1921), молекулярно-статистической теории броуновского движения, космологии, квантовой теории света, и датский ученый Нильс Хендрик Д. Бор (1885-1962), член-корреспондент АН СССР, (Нобелевский лауреат 1922), ведший работы в области теории металлов, атомного ядра и автор труда по философии естествоззнания, также серьезнейшим образом интересовались проблемой живого, соотношением законов живой и неживой природы. Эйнштейн в конце жизни говорил, что хотел бы заниматься биологией, ибо в ней можно задать вопрос "Зачем?", тогда как в классической физике, которая занимается неживой природой, нельзя. Биологические системы имеют существенную и принципиальную предысторию, сформировавшую "цель" для индивидуума, вида, биоценоза. И если мы лукаво спросим себя "зачем?" автомобилю колесо, мы точно знаем что для того, что бы ездить, и колесо это возникло как результат инженерной мысли человечества. Нильс Бор также утверждал, что «ни одни результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе, чем на основе понятий физики и химии». Это означало, что биология, медицина, математика, химия и физика вновь после почти полуторавекового размежевания стали сближаться, в результате чего появились такие новые интегральные науки как биохимия, физико-химия, биофизика.

Британский физиолог и биофизик Арчибальд Вивьен Хилл (р. 1886), Нобелевский лауреат по физиологии (1922), он является создателем фундаментальных основ, на которых и сегодня развивается теория мышечных сокращений, но уже молекулярном уровне. Хилл так описал биофизику: «Есть люди, которые могут сформулировать задачу в физических терминах,… которые могут выразить результат  с точки зрения физики. Эти интеллектуальные качества, более чем любые особенные условия, физическая аппаратура и методы необходимы, чтобы стать биофизиком… Однако…физик, который не может развить биологический подход, который не интересуется живыми процессами и функциями… кто считает биологию лишь разделом физики, не имеет будущего в биофизике».

Не только в средние века, но и в недавние времена медики биологи и физики на равных правах участвовали в развитии комплекса этих наук. Александр Леонидович Чижевский (1897-1964), получивший среди прочих медицинское образование в Московском университете, много лет занимался исследованиями по гелиохронобиологии, влиянию аэроионов на живые организмы и биофизикой эритроцитов. Его книга «Физические факторы исторического процесса» так и не вышла в печать несмотря на старания П.П.Лазарева, Н.К.Кольцова, наркома просвещения Луначарского и других. Фактически Чижевский стал основателем трех мощных научных направлений, сегодня исследования влияния слабых электромагнитных полей на живые организмы, космофизических воздействий, эритроцитов и аэроинов ведутся химиками, физиками, медиками и биологами кропотливо с применением самых современных методов, в то время как в 20-50-е эти разработки считались ненаучными. В связи с именем Чижевского любопытно заметить, что и выдающийся русский поэт Валерий Брюсов (1873-1924), автор вышедшей в 1918 году книги "Время - мера мира", также сильно интересовался формированием исторических периодичностей.

Также необходимо отметить выдающегося ученого Глеба Михайловича Франка (1904-1976), создавшего Институт биофизики АН СССР (1957), получившего Нобелевскую премию вместе с И.Е.Таммом и П.А.Черенковым за создание теории «черенковского излучения». Франк, сын М.Л.Франка – выдающегося математика и племянник С.Л.Франка – философа, был аспирантом А.Г.Гурвича, работал у Иоффе в физико-техническом институте. Под руководством Франка в институте занимались проблемами математического описания численности биологических популяций продолжая традиции Фибоначчи, Лотки и Вольтера, физико-химическими основами работы мозга и структурой мышечных белков. Также велика заслуга Франка в создании Пущинского научного центра.

Колебательное поведение биологических систем всех уровней, известное с незапамятных времен, занимало умы не только биологов, но также физико-химиков и физиков. Обнаружение в XIX веке колебаний в ходе химических реакций впоследствии привело к появлению первых аналоговых моделей, таких как "железный нерв", "ртутное сердце". Один из основателей физической химии, лауреат Нобелевской премии 1909 года, член-корреспондент Петербургской АН, немецкий ученый Вильгельм Фридрих Оствальд (1853 - 1932) отметил необычайное внешнее сходство реакции растворения железной поволоки в азотной кислоте и динамики распространения нервного возбуждения. Модель "ртутного сердца" была описана в 1903 году Георгом Бредигом (1868 - 1944), также членом-корреспондентом Петербургской АН.

Подобные модели имели сугубо феноменологический характер, причем было неясно, могут ли пороговые и колебательные явления быть описаны моделью, основанной на законе действующих масс. В серии работ 1910 - 1920 годов А.Лотка развил математическую модель, основанную на законе действующих масс, способную описать автоколебательную химическую реакцию. Затем он описал модифицированную модель с двумя автокаталитическими стадиями и использовал ее уже не только для описания химических, но и популяционных колебаний в системе "жертва - хищник". В 1931 году итальянский математик Вито Вольтерра (1860 - 1940) независимо предложил подобную модель, и сегодня являющуюся базовой при описании популяционных взаимодействий. Микробиолог академик Георгий Францевич Гаузе (1910) в 1936 году опубликовал работу по исследованию колебаний численности популяций у простейших.

В 1955 году бельгийский физико-химик Илья Пригожин (1917-2003) показал, что в открытой системе колебания возможны около стационарного состояния, достаточно удаленного от термодинамического равновесия: колеблется только величина скорости производства энтропии, а ее знак всегда остается положительным. Крайне важный критерий сопряжения энергетических потоков и массопереноса в системах с разной степенью симметрии был сформулирован в принципе Кюри-Пригожина в конце сороковых годов, а несколько позже Пригожиным было показано, что стационарные состояния систем при определенных ограничениях характеризуются минимальным производством энтропии. В 1977 году он был удостоен Нобелевской Премии.

Значительная удаленность систем от состояния термодинамического равновесия приводит к возникновению совершенно нового динамического поведения систем: могут возникать зависящие от рассеяния энергии диссипативные пространственные структуры, активные сосредоточенные системы могут обретать колебательные режимы, распределенные - автоволновые. Активному развитию этого раздела биофизики в значительной мере способствовало открытие в 1951 году химической периодической реакции Борисом Павловичем Белоусовым (1893 - 1970). Взяв лимонную кислоту, соль брома и, в качестве катализатора, соль церия, он получил раствор меняющий окраску с желтой на бесцветную с некоторой периодичностью. Работы в этой области были навеяны многочисленными наблюдениями, например, М.Розеншельда, который в 1834 году наблюдал в ходе химической реакции периодичную флюоресценцию, Лизеганга, открывшего явление «колец Лизеганга» и др. Однако, несмотря на то, что периодические реакции уже были описаны до Белоусова, научное сообщество резко раскритиковало его работу объявив, что подобная реакция невозможна в принципе. Так бы эта работа и была забыта, впрочем, как и остальные открытия Белоусова, сделанные им в военных лабораториях, если бы не профессор кафедры биофизики физфака Симон Эльевич Шноль. По инициативе и при участии С.Э.Шноля впервые химическая цветная колебательная реакция была осуществлена в МГУ на кафедре биофизики физического факультета, а затем исследована выпускниками кафедры Анатолием Марковичем Жаботинским, Василием Александровичем Вавилиным, Альбертом Николаевичем Заикиным. Изучение этой реакции стимулировало исследования автоколебательных и автоволновых режимов биологических (биохимических) систем, явления самоорганизации.

Термодинамическая линия развития биофизики естественным образом была связана с эволюцией самой термодинамики. Более того, интуитивно принимаемая естественниками неравновесность открытых биологических систем способствовала формированию термодинамики неравновесных систем. Термодинамика равновесных систем, первоначально связанная преимущественно с калориметрией, в дальнейшем внесла существенный вклад в описание структурных изменений в клетках, метаболизма и ферментативного катализа.

Последовательным сторонником термодинамической специфики живых организмов был советский биолог Эрвин Симонович Бауэр (1890-1942). Главный его труд "Теоретическая биология", вышедший в Москве в 1935 году, основан на представлении об особом состоянии молекул "живого белка". И сама жизнь является следствием этого "устойчиво неравновесного" состояния молекул. Сейчас очевидно заблуждение Бауэра относительно того, что "только живые системы" неравновесны, термодинамически неравновесными могут быть и физические и химические системы. Однако в целом, применительно к биологии, принцип устойчивого неравновесия позволил Бауэру создать стройную теоретическую систему, которая следствием основного постулата имела обмен веществ и ассимиляцию, раздражимость, деление клеток, их рост и старение. Замечательно, что Бауэр сформулировал свой принцип ранее 1935 года, тогда как энергетическое сопряжение как основа биотермодинамики  было осознано лишь после работ 1939-1941 годов.

Также стоит упомянуть американских биохимиков Германа Калькара (1908) и Фрица Альберта Липмана (1988), разработавших основы процесса окислительного фосфорилирования, представления о макроэргических связях, запасания и использования энергии в биохимических системах, а также Владимира Александровича Энгельгардта (1894 - 1984), установившего, что сократительный белок миозин обладает свойствами аденозинтрифосфатазы.

В действительности же значительное число ферментативных реакций включает сопряжение двух или более процессов, энергодонорных и энергоакцепторных, связывающих разные химические превращения или химические превращения с процессами переноса. Когда энергетически невыгодно независимое спонтанное протекание всех этих процессов, для описания систем, незначительно удаленных от термодинамического равновесия, используются линейные феноменологические соотношения, предложенные в 1931 году американским физико-химиком Ларсом Онзагером (1903 - 1976), Нобелевским лауреатом 1968 г. Это направление термодинамики необратимых процессов применительно к биоэнергетическим и транспортным процессам в мембранах было развито в 50-х годах нашего столетия Александром Качальским, первым председателем Международного союза теоретической и прикладной биофизики (с 1961 г.).

Заметим, что кинетическое описание как отдельных ферментативных реакций, так и сложных динамических систем зачастую бывает более продуктивно для выявления конкретных механизмов процесса.

Список выдающихся медиков-физиков можно было бы существенно расширить, но цель наша иная, цель – выявить глубокие связи между биологией, химией, медициной и физикой, невозможность дифференцированного существования этих наук. Большая часть биофизических исследований была проведена физиками, заинтересованными биологией; поэтому должен быть способ, позволяющий ученным, обучавшимся физике и физхимии, найти свой путь в биологии и познакомиться с задачами, открытыми для физической интерпретации. Хотя классически ориентированные отделения биологии часто предлагают посты биофизикам они не являются заменой для центров, где биофизическим исследованиям уделяется основное значение.

Биофизики обладают способностью разделять биологические проблемы на сегменты, которые поддаются прямой физической интерпретации, а также формулировать гипотезы, которые можно проверить экспериментально. Главный инструмент биофизика - это отношение. К этому можно добавить способность использовать комплексную физическую теорию, чтобы изучать живые объекты, например: потребовались технологии рентгеновской дифракции, чтобы установить структуру больших молекул, таких, как белки. Биофизики обычно признают использование новых физических инструментов --например: атомный магнитный резонанс и электронно спиновой резонанс - в изучении определенных проблем в биологии.

Разработка инструментов для биологических целей это важный аспект новой области -- прикладной биофизики. Биомедицинские инструменты вероятно шире всего используется в медицинских учреждениях. Прикладная биофизика важна в области терапевтической радиологии, в которой измерение дозы очень важно для лечения, и диагностическая радиология, особенно с технологиями, которые связаны с локализацией изотопов и сканировании всего тела, чтобы помочь с диагностикой опухолей. Возрастает важность компьютеров при определении диагноза и лечения пациента. Автоматизация химических анализов, рутинно проводимых в госпиталях, скоро станет реальностью. Возможности применения прикладной биофизики кажутся бесконечными, так как длинная задержка между развитием исследовательского инструментария и его применением означает, что многие научные инструменты, основанные на физических принципах, уже известных, скоро станут иметь важное значение для медицины.

Российская биофизика как направление науки в значительной степени формировалась в среде выдающихся русских ученых конца прошлого, начала нынешнего века - физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университетом. Среди них были Н.К.Кольцов, В.И.Вернадский, П.Н.Лебедев, П.П.Лазарев, позднее - С.И.Вавилов, А.Л.Чижевский и многие другие.

Великий биолог, эколог Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) является основателем геохимии (теории содержания и миграции химических элементов в земной коре), биогеохимии (кстати, он первый предложил метод разведки полезных ископаемых по исследованию типичных и аномальных флоры и ореолов рассеяния элементов в ландшафтах), радиогеологии, организатором и директором Радиевого института (1922-1939), биогеохимической лаборатории (ныне Институт геохимии и аналитической химии РАН им. Вернадского), автором трудов по философии естествоззнания и науковедению. Вернадский первым предложил комплексный подход к изучению окружающей среды основывающийся на взаимодействии биологии, геологии, химии. Вернадский фактически заложил научные основы существования экологии как отдельной науки, т.к. до него экология была представлена только природопользованием и ресурсоохранным направлением.

Николай Константинович Кольцов (1872-1940) был выдающимя русским ученым. Под руководством М.А.Мензбира он делает глубокие исследования по сравнительной анатомии хордовых одновременно размышляя о роли ионов в клетке и механизмах определяющих форму клетки. В 1917 году для Кольцова был создан институт экспериментальной биологии на того же средства леденцовского научного сообщества. И наконец в 1927 году он опубликовал свое видение более 30 лет уже мучившей научное сообщество – проблемы передачи генетических признаков, он утверждал, что признаки передаваемые по наследству определяются линейным расположение мономеров в полимерных молекулах размножающихся по приципу матриц. Эта идея такк бы и была забыта, если бы не ученик Кольцова Николай Владимирович Тимофеев – Ресовский (1900-1981) ставший великим биологом, который вместе с физиком – теоретиком Максом Дельбрюком в Германии (где он жил с 1925 по 1945 годы) начал экспериментальные исследования идеи Кольцова – определения частоты мутаций у дрозофилл в зависимости от радиактивного излучения. Под влиянием Тимофеева – Ресовского Дельбрюк заинтересовался генетикой фагов, а после его эмиграции в США в аспирантуру к нему поступил орнитолог Джеймс Д. Уотсон (1928), который вместе с английским биофизиком и генетиком Френсисом Х.К. Криком (1916) и биофизиком Морисом Уилкинсом (1916) (впервые получившим высококачественные рентгенограммы ДНК вместе с Розалинд Франклин) в 1953 году создали пространственную модель ДНК, что позволило объяснить ее биологические функции и физико-химические свойства. В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили за эту работу Нобелевскую премию.

Также всвязи с вышеизложенным важно вспомнить великого физика-теоретика австриеца Эрвин Шредингера (1887-1961), чье имя неразрывно связано с созданием волновой механики, разработчика волновой механики, сформулировавшего ее основное уравнение, ставшим почетным сленом АН СССР (1934). Шредингер читал лекции по теоретической биологии в университете Дублина, основывал свои взгляды на представлениях о б одномерных кристаллах, термодинамике и матричной концепции полагая, что последняя является общепризнанной, эти свои мысли он изложил в книге "Что такое жизнь? С точки зрения физика" во многом определившей основные идеи теоретической биологии и биофизики. На эту книгу биолог Дж.Холден написал в «Nature» статью, в которой написал, что концепция не признана и принадлежит великому рускому биологу Н.К.Кольцову.

Первый в России лекционный курс под названием “Биофизика” был прочитан для врачей при клинике Московского университета в 1922 году Петром Петровичем Лазаревым (1878 - 1942), в 1917 году избранным по представлению Ивана Петровича Павлова (1849 - 1936) академиком. П.П.Лазарев окончил медицинский факультет Московского университета в 1901 году. Далее он сдал полный курс физики и математики и работал в физической лаборатории, руководимой Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912), одним из основателей экспериметальной физики в России, создателем первой русской научной физической школы, в 1985 году получившим и исследовавшим миллиметровые электро-магнитные волны, открывшим и измерившщим световое давление на твердые тела и газы (1999-1907), что подтвердило электро-магнитную теорию света. В 1912 году Лазарев возглавил лабораторию своего учителя. Первый биофизик – академик Лазарев возглавил созданный еще при жизни Лебедева уникальный Институт Физики и биофизики созданный в 1916 году на средства того же леденцовского научного сообщества, которое построило Институт экспериментальной биологии для Н.К.Кольцова. С 1920 по 1931 год П.П.Лазарев возглавлял этот созданный по его инициативе Государственный институт биофизики, Лазарев является основоположником медицинской ренгенологии, в его институте имелась первая и единственная рентгеновская установка на которой делали снимок Ленину после покушения в 1918 году, после чего Лазарев стал инициатором и первым директором Института медицинской рентгенологии. Также Лазарев организовал работы по магнитному картографированию Курской магнитной аномалии благодаря которым сложился коллектив Института физики Земли. Однако институт биофизики и физики был разгромлен после ареста Лазарева в  1931 году а в 1934 году в этом здании был основан ФИАН имени Лебедева.

С 40-х годов в биофизике начались разительные перемены. И то было велением времени - совершившая к середине нашего века феноменальный скачок физика активно входила в биологию. Однако, к концу 50-х годов эйфория от ожидания быстрого решения сложных проблем живого быстро проходила: физикам без фундаментального биологического и химического образования сложно было выделять доступные физике, но "биологически существенные" аспекты функционирования живых систем, а настоящие биологи и (био)химики о существовании специфических физических проблем и подходов, как правило, и не подозревали. Насущной необходимостью для науки тех и последующих дней стала подготовка специалистов с тремя фундаментальными образованиями: физическим, биологическим и химическим.

В нашей стране была еще одна важная причина возникновения в 40-е годы тесного союза между биологией и физикой. После непрофессионального, разрушительного вмешательства политиков того времени в фундаментальные направления генетики, молекулярной биологии, теории и практики природопользования некоторая часть ученых-биологов смогла продолжить свои исследования лишь в научных учреждениях физического профиля.

На помощь биологам пришли физики и математики. И.Е.Тамм, П.Л.Капица, И.В.Курчатов, Н.Н.Семенов, А.А.Ляпунов и, особенно, ректор Московского Университета И.Г.Петровский неоднократно обращались в самые высокие инстанции, указывая на недопустимость сложившейся ситуации. На протяжении многих лет не только в МГУ, но и во всех других ВУЗах страны студенты не получали знаний по кардинальным разделам биологии. Не менее тяжелой была картина в средних школах страны. Сторонники Т.Д.Лысенко на биологических факультетах блокировали попытки исправления положения. Знаменательно, в связи со сказанным, что первый доклад о строении ДНК и работе Уотсона и Крика был сделан в 1956 году физиком И.Е.Таммом ("О биологическом коде"). Чрезвычайно большое значение для процесса восстановления истинной науки имели прочитанные на физическом факультете лекции Н.В.Тимофеева-Ресовского.

Также необходимо вспомнить Сергей Иванович Вавилов (1891-1951), брат Николая Ивановича Вавилова (1887-1943), великого биолога, генетика, физиолога растений и географа, поступил на физико-математический факультет Московского университета под впечатлением от доклада П.Н.Лебедева «О световом давлении на газы», сделанного им на 12 Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей, после которого Вавилов становиться слушателем научных семинаров Лебедева которые по причине болезни последнего вел Лазарев, который впоследствии стал научным руководителем Вавилова. В Институте физики и биофизики он исследует квантовую природу света при отсутствии приборов для регистрации сверхнизкой интенсивности света. Тогда Лазарев, занимавшийся биофизикой рецепторов, проводивший спектральные исследования чувствительности глаза предлагает использовать зрение – лучший физический прибор, в 1932 году вместе со своим аспирантом Павлом Александровичем Черенковым (1904) открыл излучение, возникающее при движении в веществе заряженных частиц со скоростями превышающими фазовую скорость света в данном веществе (Нобелевская премия за это открытие в 1958 году получена И.Е.Таммом, И.М.Франком и П.А.Черенковым).С.Е.Вавилов также был президентом АН СССР, в трудные года пытался спасти остатки некогда могущественной (до репрессий) российской, советской науки.

Как и всякая пограничная область знаний, опирающаяся на фундаментальные науки физику, биологию, химию, математику, на достижения медицины, геофизики и геохимии, астрономии и космофизики и т.д., биофизика изначально требует интегрированного, энциклопедичного к себе подхода от ее носителей, поскольку направлена на выяснение механизмов функционирования живых систем на всех уровнях организации живой материи. Более того, этим же определяется нередкое недопонимание по отношению к биофизике и биофизикам со стороны коллег, представителей смежных дисциплин. Трудно, иногда практически невозможно разграничить биофизику и физиологию, биофизику и биологию клетки, биофизику и биохимию, биофизику и экологию, биофизику и хронобиологию, биофизику и математическое моделирование биологических процессов и т.д. Таким образом, биофизика устремлена на выяснение механизмов функционирования биологических систем на всех уровнях и на базе всех естественнонаучных подходов.

Связь физики, химии, медицины и биологии традиционна для Московского университета. В труде С.П.Шевырева «История императорского Московского университета, написанная к столетнему его юбилею. 1755 – 1855», изданном в 1855 году и переизданном в 1998, в разделе о преподавании в 1814 – 1826 годах говорится: “В отделении Физико-математическом Антонский по прежнему читал зоологию, ботанику, минералогию применяя все эти науки к главным понятиям о сельском домоводстве и закончил преподавательскую деятельность в 1918 году получив звание заслуженного профессора. Гофманн преподавал ботанику и фармакологию на латинском языке, Фишер также, иногда на французском или немецком, зоологию и минералогию со своими таблицами и руководствами, с показанием употребления естественных в медицине, технологии и экономике, преимущественно сосредотачивая внимание в зоогнозии и ориктогнозии и присоединяя иногда специальные курсы об отдельных классах животных. Рейс всеобщую химию применял к практической пользе врачей, иногда толкуя сочинения Цельса о медицине. Двигубский в течении всего времени читал физику по книге им же изданной. Перелогов от английского языка перешел к преподаванию чистой математики, также читал алгебру, тригонометрию. Приложения алгебры к арифметике, геометрии и тригонометрии, дифференциальные и интегральные исчисления по Безу, а потом сей последний предмет по Бушарла, и в 1825 году был уволен на пенсию. Мягков продолжал чтение всех военных наук по Бусмару, Сенполю, Шелю, Беллавеню, Дювенуа, по артиллерии изданной артиллерийским комитетом в С Петербурге и по своей книге. Чумаков читал механику позднее уже по своему руководству. Оптику – частями по Лакалю, а потом и по своей книге, астрономию с приложением к Геодезии, навигации и гномонике по руководству Боде и Гамалея”.

Известно, что биофизикой занимаются и биологи, и химики, и медики, и инженеры, и военные, однако система подготовки биофизиков оказалась оптимальной на базе общефизического университетского образования. При этом биофизика трактовалась и трактуется как теоретическая биология, т.е. наука о фундаментальных - физических и физико-химических - основах строения и функционирования живых систем на всех уровнях организации - от субмолекулярного уровня до уровня биосферы. Предмет биофизики - живые системы, метод – физика, физико-химия, биохимия и математика.

В 50-х годах 20-го столетия студенты физического факультета вслед за своими учителями также проявляли интерес к проблемам медицины и биологии. Более того, представлялось возможным дать строгий физический анализ наиболее замечательному явлению во Вселенной - явлению Жизни. Переведенная в 1947 году книга Э.Шредингера " Что есть жизнь? С точки зрения физика. Цитологический аспект живого", лекции И.Е.Тамма, Н.В.Тимофеева-Ресовского, новейшие открытия в биохимии и биофизике побудили группу студентов обратиться к ректору МГУ И.Г.Петровскому с просьбой ввести преподавание биофизики на физическом факультете. Ректор с большим вниманием отнесся к инициативе студентов. Были организованы лекции и семинары, которые с энтузиазмом посещали не только инициаторы, но и присоединившиеся к ним однокурсники, составившие потом первую группу специализации "Биофизика" физического факультета МГУ и ныне являющиеся гордостью отечественной биофизики.

Кафедра биофизики биофака была основана в 1953 году. Первым ее заведующим был Борис Николаевич Тарусов. В настоящее время возглавляет кафедру биофизики биофака Андрей Борисович Рубин. А осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики, которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков (до того биофизиков готовили из биологов или медиков). Идейными основателями образовательного физического направления биологической физики, инициаторами создания кафедры биофизики на физическом факультете МГУ были академики И.Г.Петровский, И.Е.Тамм, Н.Н.Семенов (математик - ректор университета и два Нобелевских лауреата - физик-теоретик и физико-химик). Со стороны администрации создание специализации "биофизика" на физфаке воплотили декан профессор В.С.Фурсов, все годы поддерживавший ее развитие, и его заместитель В.Г.Зубов. Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд, почти 30 лет возглавлявший кафедру и ныне ее профессор, биохимик С.Э.Шноль, профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко.

Осенью 1959 года на физическом факультете Московского университета была создана первая в мире кафедра биофизики, которая начала готовить специалистов-биофизиков из физиков. По традиции специализированное образование строится поэтапно: общая биология – на 3-ем курсе, физическая и квантовая химия и биохимия – на 4-ом, специальные курсы, касающиеся физических основ строения и свойств биомолекул, физики воды и растворов, биоэнергетики, фотосинтеза, экспериментальных методов в биофизике, математических методов моделирования в биологии и др. – на 4-ом и 5-ом (всего спецкурсов более 20). После 3-го курса проводится учебная биологическая практика на Беломорской биостанции МГУ. За время существования кафедры подготовлено около 700 биофизиков.

Первыми сотрудниками кафедры стали физико-химик Л.А.Блюменфельд (1921 – 2002), 30 лет возглавлявший кафедру, биохимик С.Э.Шноль, профессор кафедры, и физиолог И.А.Корниенко. Ими были сформулированы принципы построения системы биофизического образования для физиков, заложены основные направления научных исследований на кафедре.

Л.А.Блюменфельд ушел на фронт в 1941 году с 3-го курса химического факультета Московского университета. Прошел всю войну. Победу разведчик, лейтенант Блюменфельд встретил в госпитале после второго тяжелого ранения. После окончания МГУ учился в аспирантуре Физико-химического Института им. Карпова. Его исследования были связаны с методами радиоспектроскопии и посвящены проблемам термодинамики и теории информации, механизмам ферментативного катализа, окислительного фосфорилирования и фотосинтеза. В 2001 году Л.А.Блюменфельд был удостоен Ломоносовской премии за научные исследования в области биологических молекулярных машин (совместно с В.А.Твердисловым и А.Н.Тихоновым). На кафедре биофизики Л.А.Блюменфельд многие годы читал курсы лекций «Физическая химия», «Квантовая химия и строение молекул», «Избранные главы биофизики». Автор более, чем 200 работ, 6 монографий.

Все годы существования кафедры курсы лекций по биохимии и истории биологии читает доктор биологических наук профессор С.Э.Шноль, окончивший в 1951 году Московский университет по кафедре биохимии животных. Совместно с коллегами он в течение десятилетий изучает изотопные эффекты в биологических системах, колебательные процессы и космофизические эффекты в биологических и физико-химических системах, разрабатывает новые подходы в теории биологической эволюции. Автор более чем 200 работ, в том числе 4 книг, его именем названа малая планета Солнечной системы.

В 1989 году заведующим кафедрой стал Заслуженный профессор МГУ В.А.Твердислов – выпускник кафедры 1964 года. Много лет он читал курс «Физическая химия» студентам кафедры биофизики, ведет курс «Введение в биофизику» для студентов 2-го курса. Им опубликовано более 160 научных работ, в том числе 2 монографии. Его научные интересы связаны с биофизикой мембран, с изучением роли неорганических ионов в биологических системах, механизмов переноса ионов через клеточные и модельные мембраны с помощью ионных насосов. Им была предложена и экспериментально разработана модель параметрического разделения жидких смесей в периодических полях в гетерогенных системах. В.А.Твердислов высказал гипотезу, согласно которой возникновение дискретных предшественников живых клеток связано с поверхностной пленкой мирового океана, где возникли ионная и хиральная асимметрии, свойственные живым клеткам. Затем эта гипотеза была развита и экспериментально обоснована совместно со ст. научным сотрудником Л.В.Яковенко. С ним же выполнено и большинство исследований В.А.Твердислова. Л.В.Яковенко ведет курс «Физическая химия».

По масштабам физического факультета кафедра биофизики небольшая, но исторически сложилось так, что исследованиями ее сотрудников перекрывается значительная область фундаментальной и прикладной биофизики. Значительные достижения имеются в области изучения физических механизмов преобразования энергии в биологических системах, радиоспектроскопии биологических объектов, физики ферментативного катализа, биофизики мембран, исследования водных растворов биомакромолекул, изучения процессов самоорганизации в биологических и модельных системах, регуляции основных биологических процессов, в области медицинской биофизики, нано- и биоэлектроники и т.д. Многие годы кафедра биофизики сотрудничает с университетами и ведущими научными лабораториями Германии, Франции, Англии, США, Польши, Чехии и Словакии, Швеции, Дании, Китая, Египта.

Профессор А.К.Кукушкин читает курс лекций «Квантовая химия и строение молекул», «Оптические свойства сложных молекул», «Методы расчета электронных свойств сложных молекул», «Биофизика фотосинтеза и экология» и другие. Область научных интересов – биофизика фотосинтеза, физика первичных процессов образования заряженных состояний в фотосинтезе, регуляторные процессы в растительной клетке. Им разработана теоретическая модель световых и темновых процессов фотосинтеза, учитывающая взаимосвязь фотофизических процессов и биохимических процессов синтеза сахарозы. Модель описывает известные экспериментальные результаты и предсказывает ряд новых режимов и явлений в фотосистемах. Автор 3 учебников и монографий.

Профессор А.Н.Тихонов читает спецкурс «Биоэнергетика», работает в области биофизики фотосинтеза, биоэнергетики, электронного парамагнитного резонанса и его применений в исследованиях физических, химических и биологических объектов. Им разработана обобщенная математическая модель электронного и протонного транспорта с учетом пространственной неоднородности хлоропластов. Экспериментально установлена взаимосвязь между физическим состоянием тилакоидной мембраны и функциональными характеристиками хлоропластов. Автор 3 монографий.

Профессор Э.К.Рууге ведет курсы «Магнитные свойства молекул. Магнитная радиоспектроскопия в биофизических и медико-биологических исследованиях», «Медицинская биофизика». Научные интересы: биоэнергетика, биофизика мембран, физические аспекты патогенеза заболеваний сердечно-сосудистой системы. Основные работы посвящены изучению свободнорадикальных центров и активных форм кислорода в клетках миокарда, выяснению молекулярных механизмов действия биохимических и физико-химических факторов на образование активных форм кислорода в ткани миокарда, поиску путей предотвращения повышенной генерации свободных радикалов в условиях окислительного стресса, исследованию взаимосвязи между образованием в клетках сердечной мышцы оксида азота, пероксинитрита и свободных радикалов кислорода в условиях окислительного стресса.

Профессор В.И.Лобышев читает спецкурсы «Статистические методы в биофизике» и «Физика конденсированного состояния». Научные интересы - физика и биофизика водных систем, изотопные эффекты D2O, термодинамика белков. Им исследована роль воды в термостабильности белков. Показано, что люминесценция разбавленных водных растворов характеризует их коллективные свойства. Построены гипотетические неэвклидовы структуры воды, отличающиеся от кристаллографических. Показано изменение физических свойств воды при слабых воздействиях электромагнитных полей и сверхмалых концентрациях примесей. Автор 1 монографии.

Профессор Ф.И.Атауллаханов читает спецкурсы «Динамика нелинейных систем», «Биофизика клетки», «Основы иммунологии». Исследовательская деятельность посвящена изучению периодических режимов в ферментативной кинетике, метаболических процессов в ходе иммунного ответа, регуляции процессов свертывания крови.

Работы доктора биологических наук Г.Н.Зацепиной посвящены изучению структуры воды и водных растворов, разработке методов электромагнитной терапии и регенерации костной ткани (совместно с доцентом С.В.Тульским). Г.Н.Зацепина - автор 2 монографий.

Заслуженный преподаватель МГУ доцент С.В.Тульский более 40 лет ведет спецкурс «Радиоэлектроника в биофизике». Научные интересы связаны с электрическими и механическими свойствами живых тканей, взаимодействием электромагнитных полей с биологическими системами.

Заслуженный научный сотрудник Московского университета М.К.Солнцев кандидат физ..-мат. наук, ст. н. с., доцент более 13 лет вел семинары по физической химии, более 30 лет ведет задачу спецпрактикума «Флуоресценция зеленого листа», автор одной монографии. Его научная работа связана с изучением первичных процессов фотосинтеза и развитию физических методов экологического мониторинга (совместно с профессором В.А.Караваевым). Автор 1 монографии.

Доцент Г.Б.Хомутов ведет спецкурс «Физическая химия поверхности молекулярных структур». Область научных интересов включает физику и химию малоразмерных структур, слои Лэнгмюра‑Блоджетт. В руководимой им группе впервые в мире создан прототип одноэлектронного транзистора, научные работы группы фактически заложили основы нового научного направления –химии двумерных систем.

Доцент А.А.Бутылин ведет спецкурс «Медицинская биофизика». Область научных интересов – биофизика мембран, биофизика клетки, биофизика свертывания крови, биочипы.

Ведущий научный сотрудник Н.Г.Есипова более 40 лет ведет спецкурс «Физика биополимеров». Область научных интересов включает проблемы самосборки белков, нуклеиновых кислот и липидов, исследование структуры и физических свойств биополимеров как иерархических дифференцированных систем.

Ст. научный сотрудник П.С.Иванов ведет курс «Формальная и ферментативная кинетика». Научные интересы связаны с разработкой методов обратной задачи нелинейной динамики в анализе сердечной активности в норме и патологии, исследованием регуляции экспрессии генов бактерий Rhodobacter sphaeroides и кардиомиоцитов, с применением кинетических моделей и непараметрического статистического оценивания.

Научные интересы кандидата физ.-мат. наук, научного сотрудника С.А.Яковенко связаны с изучением пленок Ленгмюра-Блоджетт, биосенсорами, электропорацией биомембран, клонированием и свойствами стволовых клеток, созданием биосенсорных пленок для идентификации фрагментов ДНК. Им создан электропоратор для мембран клеток с перестраиваемой длительностью и формой импульсов для генноинженерных приложений.

Кандидат физ.-мат. наук Т.В.Юрова исследует взаимодействие ионов, биологически активных молекул, ДНК с ленгмюровскими монослоями. Работы кандидата физ.-мат. наук Е.Ю.Симоненко связаны с изучением взаимодействия вирусов гриппа, фоточувствительных молекул с модельными биомембранами.

Кандидат биол. наук Л.Л.Меньшенина, выпускница кафедры зоологии беспозвоночных животных, руководит блоком общебиологических дисциплин, беломорской биологической практикой. Научные интересы - изучение шестилучевых губок, морского зоопланктона. Курс «Физиология человека и животных» ведут профессор С.А.Чепурнов и кандидат биол. наук Н.Е.Чепурнова (биофак). Спецкурс «Биофизическая химия» ведет Ю.В.Скорняков (химфак), спецеурс «Основы молекулярной биологии» - В.В.Асеев (биофак).

 

 

На кафедре Общей физики и волновых процессов уже более 30 лет работают две лаборатории биофизического профиля:

1. Лаборатория  «Спектроскопии биомолекул с временным  разрешением»

(Создана проф. Н.И. Коротеевым и сейчас возглавляется доктором физ-мат наук А.Ю. Чикишевым)

1. Лаборатория лазерной и математической биофизики

(руководители проф. Ю.М. Романовский и доц. А.В. Приезжев)   

Обе лаборатории работают в тесном контакте, имеют совместные гранты и публикации)

1. Начало исследований  по математической биофизике на кафедре общей физики для мехмата, возглавляемой проф. С.П. Стрелковым, было положено в 1965 г. работами Н.В. Степановой  и Ю.М. Романовского.          Н.В. Степанова (1930-1993),  создала одну из первых математических  моделей  иммунного  ответа  организма  на  внешние воздействия, впервые создала модели взаимодействия иммунной  системы с раковыми образованиями,  создала модели аутоиммунных  процессов,  модели "биологической инерционности" при развитии микроорганизмов в проточных культиваторах. Профессор, доктор физ.-мат. наук Ю.М. Романовский  создал  теорию синхронизации  распределенных  автоколебательных  систем с диффузионными связями в приложении к проблемам автоволновых процессов в периодических химических и биохимических  реакциях  и  коллективах  живых  клеток.

             С 1976 г. он совместно с с.н.с.  А.В. Приезжевым возглавил работы по  изучению  внутриклеточной  подвижности в живых клетках.  С этой целью разработан комплекс лазерных доплеровских  спектрометров, лазерных доплеровских микроскопов и других устройств. С их помощью изучены нестационарные колебательные и  автоволновые   процессы в живых клетках харовой водоросли Nitella и в плазмодии миксомицета Physarum polycephalum. Были изучены экспериментально и созданы математические модели реакции этих клеток на тепловые и световые воздействия в том числе и при их фотосенсибилизации. В частности создана теория автоволновой подвижности плазмодия миксомицета, в которой «положительная обратная связь» осуществляется за счет воздействия на регуляторную роль ионов кальция актомиозиновой сократительной системой.

        В 1987 г. А.В. Приезжев создал научную группу по изучению оптики и реологии биологических жидкостей  и разработке новых методов лазерной биомедицинской диагностики. Эти методы используются для изучения структурно-динамических  свойств сложных  биологических  жидкостей (протоплазмы,  крови) и их компонентов, а также томографической визуализации оптических неоднородностей тканей.  Также исследуются физические механизмы взаимодействия лазерного излучения с биологическими структурами.

           Последние десять лет проф. Романовский с сотрудниками  занимается молекулярной динамикой ферментов и в частности стохастической динамикой молекулярных машин на примерах химотрипсина, ацетилхолинэстеразы а АТФазы.Созданы серии математических моделей , объединяющие подходы нелинейного броунового движения при рассмотрении диффузии молекул субстратов и продуктов, квантовой механики  при рассмотрении процессов внутри активных центров ферментов. Показана роль высокой добротности колебаний кластеров, составляющих макромолекулы и отдельных атомных групп в водном окружении для эффективности ферментативного акта.

 В этом же коллективе создана созданы математические модели электропроводящих путей высших растений С применением метода клеточных автоматов. Теория основана на экспериментальных данных , полученных при изучении спектра действия на генерацию распространяющихся электрических импульсов при низкоинтенсивном световом и КВЧ локальном облучении листьев растений в диапазоне от ультрафиолетовой области спектра до миллиметровых волн.

В лаборатории спектроскопии биомолекул с временным разрешением проводились исследования, основной целью которых являлось определение связи между функциональной активностью белковых молекул и внутримолекулярными структурными изменениями.

Для решения экспериментальных задач в лаборатории был создан лазерный микроспектрометр с диапазоном длин волн возбуждения от ближнего ИК (1,06 мкм) до ближнего УФ (0,266 нм), который позволяет проводить комплексные исследования биомолекул и биообъектов методами КР спектроскопии и флуоресцентной спектроскопии. Возможно проведение измерений с временным разрешением, использованием двухфотонного возбуждения и применением техники "накачка–зондирование". Спектрометр дает возможность измерять спектры комбинационного рассеяния света, (время-разрешенные) спектры флуоресценции, времена жизни флуоресценции, времена вращательной корреляции, времена ориентационной релаксации, пространственное распределение сигнала КР, распределение фотонов флуоресценции в пространстве и времени, сечения двухфотонного поглощения.

Разработан новый методов диагностики структуры белковых молекул на основе спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Использование поляризационно чувствительной КАРС спектроскопии позволяет выявить спектральные компоненты широких (~ 40-50 см-1) полос в колебательном спектре белка, определяемых нормальными колебаниями амидной группы, и таким образом реализовать новый метод диагностики вторичной структуры белковых молекул не требующий априорных предположений о структуре полос. Получена прямая спектроскопическая информация о комбинационных резонансах, образующих контур полосы амид I и продемонстрирована корреляция параметров этих резонансов с содержанием элементов вторичной структуры.

Сочетание методов линейной (спонтанное КР) и нелинейной (поляризационно-чувствительное КАРС) колебательной спектроскопии позволило экспериментально определить и количественно охарактеризовать функционально значимые конформационные изменения, которые претерпевает молекула белка в целом как единая механическая система. Эти изменения проявляются в трансформации состояния микроокружения ароматических аминокислотных остатков, вторичной структуры и пространственной конфигурации дисульфидных связей, стабилизирующих третичную структуру молекулы.

Проведено комплексное исследование биолюминесцентной системы лициферин–люцифераза. Обнаружено явление фотоиндуцированного разгорания собственной триптофановой флуоресценции люциферазы, механизм которого связан с конформационными изменениями молекулы белка, вызванными диссоциацией субстрата (скорость распространения этих изменений v ³ 20 м/с). Показано, что причинами уменьшения квантового выхода триптофановой флуоресценции белка при взаимодействии с люциферином в условиях отсутствия наблюдаемых изменений времени жизни флуоресценции являются эффективный перенос энергии с триптофана на люциферин и конформационные изменения структуры белковой глобулы при образовании комплекса. Переход молекулы люциферина в возбужденное электронное состояние сопровождается как изменением ее электрических свойств (дипольного момента), так и пространственной конфигурации. Оба этих фактора могут быть причиной диссоциации комплекса люциферина с белковой макромолекулой. Методом флуоресцентной спектрохронографии зарегистрирована наносекундная релаксационная динамика структуры молекулярной машины (люциферазы).

  Все работы по биофизике проводятся в тесном содружестве с кафедрами биофизики физического и биологического факультетов, Лаборатории подвижности клеток ИТЭБ РАН ( г. Пущино), сектором теоретической биофизики ФИАН и в рамках международного сотрудничества с Институтом физики Гумбольдтского университета в Берлине.


Список некоторых книг сотрудников кафедры биофизики приведен ниже.

·         Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. М-.,Наука, 1977, 336 с.

·         Блюменфельд Л.А., Кукушкин А.К. Курс квантовой химии и строения молекул. М-., МГУ, 1980, 137 с.

·         Blumenfeld L.A., Tikhonov A.N. Biophysical thermodynamics of intracellular processes. New York,Springer-Verlag, 1994, 177 pp.

·         Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики. М-., УРСС, 2002, 158 с.

·         Зацепина Г.Н., Безматерных П.М., Коломиец А.А., Тульский С.В., Цаплев Ю.Б. Электрическая система регуляции процессов жизнедеятельности. М-., МГУ, 1992, 160 с.

·         Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М-., МГУ, 1998, 184 с.

·         Кукушкин А.К. Задачи по квантовой химии и строению молекул. М-., МГУ. 1987, 157 с.

·         Кукушкин А.К., Тихонов А.Н. Лекции по биофизике фотосинтеза растений. М-., МГУ. 1988, 320 с.

·         Лобышев В.И., Калиниченко Л.П.. Изотопные эффекты D2О в биологических системах. М.-,“Наука”. 1978, 215 с.

·         Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко Л.В. Физические механизмы функционирования биологических мембран. М-., МГУ, 1987, 190 с.

·         Рогинский С.З., Шноль С.Э. Изотопы в биохимии. М-., АН СССР, 1963, с.380

·         Шноль С.Э. Герои, злодеи, конформисты российской науки. М-.,Крон-пресс, 2001, 875 с.

·         Шнолъ С.Э. Физико-химические факторы биологической эволюции. М., "Наука", 1979, 262 с.

·         Pliquett, F., Solncev, M.K. Thermolumineszenz biologischer Objekte.//Fortschritte der experimentellen und theoretischen Biophysik, 92 Seite, Band 22, VEB Georg Thieme, Leipzig. 1978.

 

 

Hosted by uCoz