Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

тов в камере Горяева, определение рН среды колориметрическим

методом,

методику работы на фотоколориметре, микрокалоримет-

ре,

спектрофотометре, ионометре и других приборах.

Метод

(греч. methodos -

путь

исследования, теория, учение) -

планомерный

путь

научного познания и установления истины, спо-

соб

исследования явлений природы, подход к изучаемым явлениям,

трактовке, объяснению, толкованию полученных результатов. В ос-

нове метода обязательно лежит научная теория. Иногда сама тео-

рия является методом.

Так, метод электронного парамагнитного резонанса и ядерного

магнитного резонанса основывается на теорий резонансного погло-

щения энергии переменного электромагнитного поля неспаренны-

ми электронами или ядрами атомов вещества. В основе метода по-

лярографии лежит теория отклонения от закона Ома при прохожде-

нии электрического тока через проводники второго рода за счет

электрохимических процессов на катоде и аноде; в основе хрома-

тографических методов - учение о взаимодействии атомов и моле-

кул подвижной фазы с молекуламии неподвижной фазы и т. д. Еще

раз подчеркнем, что без теории не существует метода.

Термин «методология» имеет тройное толкование.

Поэтому

не-

обходимо

уяснить, о какой именно методологии пойдет

речь

в даль-

нейшем.

Методология (греч. methodos -

путь

исследования, теория, уче-

ние и

греч.

logos - слово, предложение, понятие, суждение) - учение

структуре, логической организации, методах и средствах деятель-

ности.

Методология

- учение о методе, об объекте исследования, его

свойствах,

характеристиках, особенностях, о

способах

и приемах

деятельности при исследовании объекта, о путях трактовки и ана-

лиза полученных результатов, о методах обработки полученных

данных и о выводах, сделанных на основании исследований.

Методология науки - учение о принципах построения, формах

способах

научного познания.

Методология - совокупность методов конкретной науки, в час-

тности и биофизики.

Речь пойдет о методологии как учении о биофизическом методе и

методологии как совокупности методов биофизики.

Следует

вспомнить, что методология подразделяется на фило-

софскую,

общенаучную и методологию конкретных наук.

От

философской методологии биофизики берут только матери-

альность окружающего

мира

и диалектику, т.е. учение о диалекти-

ческом материализме. Все биологические объекты, системы, струк-

туры

рассматриваются как материальные, находящиеся в развитии.

А живые организмы имеют вполне определенный и предопределен-

ный

генетическими структурами и механизмами срок существова-

ния,

после

чего

они самопроизвольно распадаются на молекулы,

атомы, ионы: энтропия такой системы

достигает

максимума.

От общенаучной методологии биофизика

берет

целый ряд поло-

жений.

Так, если рассматривать организацию и

структуру

биологи-

ческого объекта или системы на уровне атомов, молекул, мембран,

надмолекулярных комплексов, то для исследования и анализа про-

цессов,

явлений не надо привлекать к существующим и познанным

физическим

и химическим законам еще дополнительные: процессы

явления на этих уровнях можно и должно объяснять с позиций со-

временной

физики,

химии. Только на уровне организма (однокле-

точного и многоклеточного) появляются интегративные специфиче-

ские

процессы и явления как

результат

совокупности многих био-

химических реакций, протекающих одномоментно, что мы и назы-

ваем физиологической реакцией (сокращение мышцы, проведение

возбуждения по нервному волокну, синапсу и т.д.) или биологиче-

ским

процессом (деление клетки, образование антител, биосинтез

органических веществ и др.). На организменном, популяционном,

биоценотическом уровнях организации биологические объекты рас-

сматриваются как продукт предшествующих химической, предбио-

логической и биологической эволюции. Организация и функциони-

рование их подчиняется не только законам физики и химии, кото-

рых недостаточно, но и биологическим законам.

Общенаучная методология предусматривает трактовку

результа-

тов, выводов, полученных на основании конкретных результатов,

не

как абсолютных, а как относительных, справедливых только для

данного момента в

свете

существующих

представлений и законов.

Полученная

истина не абсолютна, а относительна.

Иногда

вызывает недоумение в общем вполне объяснимое

утвер-

ждение, что при рассмотрении биологического объекта на атомном,

молекулярном, надмолекулярном уровнях организации и функцио-

нирования

приходится применять более сложные методики и

обору-

дование, чем при исследовании целых организмов и популяций.

Так,

в биофизических исследованиях биополимеров (белков, нук-

леиновых кислот), мембран, рибосом, хлоропластов широко ис-

пользуют

такие методы, как электронный парамагнитный резонанс

(ЭПР),

ядерный магнитный резонанс

(ЯМР),

рентгеноструктурный

анализ,

специальные методы спектрофотометрии,

метод

радиоак-

тивных изотопов и др. Вместе с тем для наблюдения за поведением

одноклеточного и многоклеточного организмов можно использовать

световой микроскоп, а иногда достаточно и визуального наблюде-

ния.

Но одновременно данные, полученные на атомном, молеку-

лярном,

надмолекулярном уровнях при помощи сложной и дорого-

стоящей аппаратуры, значительно проще интерпретировать с пози-

ций

физики и химии, а результаты, добытые при помощи более

простых методов на уровне физиологических систем, органов, цело-

го организма,

могут

быть объяснены с разных точек зрения. Послед-

нее возможно постольку, поскольку организм дуалистичен: с одной

стороны,

он представляет собой продукт химической, предбиологи-

ческой и биологической эволюции, детерминированный в силу ге-

нетических закономерностей по ряду показателей (весу, росту, сро-

ку жизни,

структуре

и функиции органов и т.д.), а с

другой

сторо-

ны,

поведение каждого конкретного биологического объекта явля-

ется в данный момент вероятностным и зависит во многом от инди-

видуальности данного организма и реальных условий, в которых он

находится.

Так

как в науке не

существует

универсального метода исследова-

ния,

то каждое явление, каждый процесс, каждый объект

требует

для своего изучения различных методических подходов, с тем что-

бы полученные результаты дополняли, уточняли

друг

друга,

чтобы

была возможность для устранения случайных колебаний парамет-

ров,

артефактов, ошибок.

Каждая самостоятельная наука должна отвечать трем обязатель-

ным

требованиям: иметь собственные цели и задачи, собственный

объект (объекты) исследования, собственные методы исследования.

Биофизика

имеет следующие собственные цели:

- основываясь на законах и представлениях физики и химии,

изучать фундаментальные элементарные процессы, протекающие в

биополимерах и надмолекулярных комплексах, лежащие в основе

жизнедеятельности клеток и организмов;

- исследовать действие ряда физических и химических факторов

на

биообъекты.

Объектами исследования в биофизике чаще всего

служат

биопо-

лимеры и

другие

биологически важные молекулы, субклеточные

комплексы,

ткани, органы. Однако ученые проводят исследования

на

организмах и биосферные исследования, начала оформляться

экологическая

биофизика.

На

ранних этапах становления биофизики для изучения фунда-

ментальных процессов использовали не только идеи

физики,

физи-

ческие подходы, но и физические методы, которые приспосаблива-

ли, модернизировали для изучения биологических процессов и яв-

лений. Так было с методами определения вязкости биологических

жидкостей,

поверхностного натяжения клеток, измерения электри-

ческих

потенциалов в растительных и животных организмах для

исследования

биологических явлений и процессов.

Позднее

были

использованы

различные

оптические и спектрометрические мето-

ды, начиная от фотоколориметрии и кончая методами

ЭПР,

ЯМР,

гамма-резонансной спектрометрии и др. В биофизических

исследо-

ваниях стали использовать приборы и оборудование с такими ха-

рактеристиками и параметрами, которые были продиктованы тре-

бованиями биологических исследований. Так, чтобы определить

разность электрических потенциалов головного мозга, потребова-

лось сконструировать усилители для регистрации изменений в не-

сколько

микровольт;

чтобы зарегистрировать потенциал покоя

клетки - усилители с

внутренним

входным сопротивлением 10

Ом; возникла необходимость в лазерных спектрофотометрах

для регистрации фотофизических процессов длительностью не-

сколько пикосекунд (10

с).

Можно

вспомнить, что метод электронной микроскопии биологи-

ческих

объектов потребовал соединения методики приготовления

срезов

клеток и тканей толщиной 10-15 нм и методики напыления

металлов для биополимеров. Зачастую подготовка биологических

объектов

(проб,

образцов, препаратов и др.) занимает больше вре-

мени, чем само определение, измерение характеристик, параметров

объекта

(при применении методов микроскопии,

ЭПР,

ЯМР, поля-

рографии, амперометрического титрования и др.).

Метод

исследования базируется на теории, чем он

принципиаль-

но

отличается от методики, которая зачастую представляет

собой

совокупность

правил

практических рациональных приемов для до-

стижения

конкретного результата; методики широко применяют в

исследовательской

деятельности.

отличие от классических биологических наук (ботаники, зоо-

логии, физиологии, микробиологии и др.), биофизические

исследо-

вания стоят ближе к физическим, но имеют ряд

особенностей.

Они

требуют:

построения рабочей гипотезы при проведении исследования;

выбора из нескольких методов и методик оптимальных и адек-

ватных;

учета взаимодействия орудия исследования с объектом

исследо-

вания;

учета конечного срока функционирования биологического объ-

екта

(органа, клеток, митохондрий, мембран, молекул ДНК, белка

в растворе и др.);

стремления проводить количественные измерения характери-

стик,

состояния исследуемого объекта;

максимального использования графической регистрации с по-

следующей

математической обработкой результатов, применением

ЭВМ;

стремления автоматизировать исследования и

включить

ЭВМ

управление ходом эксперимента;

широкого использования метода моделирования как реального

(вещественного),

так и идеального (математического).

Современный биофизический метод характеризуется: теоретиче-

ским обоснованием

принципа,

информативностью, воспроизводи-

мостью результатов от идентичного объекта при соблюдении тех же

условий, достоверностью изучаемых результатов, достаточной точ-

ностью,

быстродействием.

Перед

исследователем всегда возникает трудная задача:

выбрать

из

ряда методов адекватный, в наибольшей степени соответствую-

щий решению поставленных задач, наиболее

рациональным

путем

ведущий к достижению цели, максимально облегчающий однознач-

ную трактовку полученных результатов, основанную на законах

физики,

химии, биологии.

Необходимо

подчеркнуть, что получаемые при помощи любых

биофизических

методов данные не могут считаться абсолютно до-

стоверными, истинными. Их следует признать справедливыми для

конкретных объектов и конкретных условий существования биоло-

гического объекта и проведения эксперимента.

Признание

относительной истинности полученных результатов

заставляет

биофизиков перепроверять полученные данные, исполь-

зовать

различные

методы для более полной оценки исследуемого

объекта.

Биофизик должен быть постоянно готов к восприятию но-

вых положений и идей в свете получаемых новых результатов. Ги-

потеза

становится рабочей только тогда, когда она может быть про-

верена экспериментально. Если гипотеза, как бы она ни была при-

влекательна, не может быть проверена в эксперименте в настоящее

время или в ближайшем будущем и если ее обсуждение не приводит

выработке рабочей гипотезы, то она получает название спекуля-

тивной.

Особенности

биологического объекта:

высокая химическая структурная и функциональная гетероген-

ность;

высокая интеграция

сотен

биохимических реакций;

опосредованность физиологических реакций, биологических

процессов,

жизненных функций,

влияния

физических и химиче-

ских

воздействий через биохимические превращения;

необходимость поддержания постоянства ряда физико-химиче-

ских

показателей внутренней среды на определенном уровне (рН,

температуры, солевого состава,

ИОННОЙ СИЛЫ,

газового состава и

др.).

Следует

помнить, что одноклеточные и многоклеточные организ-

мы и их отдельные

структуры

являются продуктом, результатом

химической, предбиологической и биологической эволюции.

Химическая эволюция продолжалась несколько десятков

милли-

ардов лет и закончилась образованием из легких элементов

тяже-

лых,

включая

и трансурановые, под

влиянием

реакции синтеза и

высокой температуры.

Предбиологическая

эволюция продолжалась

миллиарды

лет в ус-

ловиях мощного ультрафиолетового солнечного излучения, элект-

рических разрядов, что явилось

причиной

абиогенного происхожде-

ния ряда аминокислот, нуклеотидов, углеводов, альдегидов, спир-

тов,

а затем белков и нуклеиновых кислот. Предбиологическая эво-

люция закончилась образованием ферментов, биологических мемб-

ран, генетического кода, фотосинтетического аппарата клеток.

Определяющим фактором химической и предбиологической эво-

люции служило изменение энергии, приводящее многократно к об-

разованию нового,

более

устойчивого соединения, что было связано

уменьшением общей энергии системы. Энергия двух простых ис-

ходных

молекул или частиц всегда была больше, чем энергия обра-

зованной молекулы или димера. Природа взимала энергетическую

плату за усложнение молекул или образование полимеров.

Появление

биологических катализаторов (белков-ферментов)

значительно ускорило процесс синтеза за счет снижения энергети-

ческого барьера (понижения энергии активации), появились аль-

тернативные пути превращения исходного вещества. Скорость пре-

вращения по

альтернативным

путям в соответствии с

принципом

Хиншельвуда

определяется соотношением констант, ведущих (ли-

митирующих) реакций для данных условий. Шло максимальное об-

разование того продукта, который в данных условиях имел макси-

мальную

скорость химического превращения.

Биологическая эволюция определялась естественным отбором

наиболее

приспособленных к

реальным

условиям индивидуумов в

борьбе

за обладание свободной энергией в различных экологиче-

ских

нишах.

Методология

и борьба идей в биофизике

Подробное

рассмотрение борьбы идей в биофизике дано в

книге

Г.Р.Иваницкого

(1985),

с которой можно ознакомиться. Мы затро-

нем

лишь

узловые моменты данной темы. Борьба идей в биофизике

тесно

связана с борьбой идей в физике и биологии.

средние века в науке господствовала идея витализма. Учение

об

особой

жизненной силе, которая присуща только живым орга-

низмам, не позволяло стремиться к исследованию жизненных про-

цессов

с количественных физических и химических позиций, счи-

тая

эти процессы сопутствующими, а не определяющими.

Однако

по мере накопления фактического количественного мате-

риала многие явления в биологических системах стали изучаться

как результат физических процессов, которые проявляются в осо-

бых

условиях функционирования организма (электрические потен-

циалы, электропроводность, вязкость, поверхностное натяжение

клеток и др.).

Успехи

физики и химии, применение ряда физических методов

для изучения физиологических и биологических процессов

привели

к уверенности, что эти процессы базируются на биохимических ре-

акциях, их можно познать, основываясь только на законах физики

химии. Этому способствовали успехи молекулярной биологии,

молекулярной генетики, биотехнологии, радиационной биофизики,

фотобиологии.

Вульгарный

материализм рассматривал организм

как обычную физическую систему, подчиняющуюся законам меха-

ники,

электродинамики, химическим законам, что на определен-

ном этапе стало тормозить развитие биофизики.

Широкое

распространение в биофизике

получил

метод редукци-

онизма - метод упрощения биологических явлений и процессов. Его

сущность сводилась к

вычленению

основного, ведущего механизма

изучаемого явления. В условиях

принципиальной

невозможности

получения полной информации о биологическом объекте в каждый

текущий момент метод редукционизма позволял получать

досто-

верную информацию об основных процессах в биообъектах без уче-

та

разнообразных дополнительных действующих в них факторов.

Но

метод редукционизма превращался в тормоз, если в сложной си-

стеме,

какой является биологическая, происходило переключение

определяющих процессов при изменении внешних или внутренних

условий.

Значительным шагом вперед было введение в биофизику систем-

ного подхода и метода, которые позволяли рассматривать биологи-

ческий

объект как продукт химической, предбиологической и био-

логической эволюции, имеющий иерархию структурных и функци-

ональных уровней: каждый последующий уровень приобретает свои

собственные закономерности функционирования; закономерности и

особенности более низкого уровня являются вспомогательными,

подчиненными

закономерностям более высокого порядка.

Закономерности

функционирования многоклеточного организма

будут

интегрировать и подчинять закономерности, характерные для

органного,

тканевого, клеточного, субклеточного и молекулярного

уровней. Вот почему при системном

подходе

изучение молекуляр-

ных изменений на уровне популяций теряет смысл. Такие понятия,

как

«страх»,

«любовь»,

«ненависть» и др.,невозможно уяснить, ос-

таваясь на уровне межклеточных и межорганных взаимодействий.

При

системном анализе не надо привлекать трудно трактуемый в

биологии закон перехода количества в качество; не понятно, как

экстенсивные

(количественные) показатели переходят в интенсив-

ные

(качественные).

При

системном анализе допускается, что в определенных услови-

ях появляются качественно новые структуры, возникает новый

иерархический уровень организации, образуется новая система бо-

лее высокого порядка, которая

будет

подчиняться новым законо-

мерностям,

характерным для более высокого уровня организации

биологических структур.

Таким

образом, методология биофизики включает учение об объ-

ектах исследования, их существенных характеристиках, особенно-

стях. Конкретная методология биофизики рассматривает учение о

биофизических

методах,

начиная с принципов, лежащих в их осно-

ве,

и кончая методами трактовки полученных результатов.

Аналитический

подход

в биофизике сменился синтетическим

(системным),

позволяющим понять поведение системы в сложных

условиях, при

учете

многих действующих факторов.

$ 4. Единство принципов структуры и функционирования

живых организмов

Сущность революции, произошедшей в биологии к настоящему

времени,

заключается в переходе от наблюдения живого организма,

его органов и клеток к проникновению в интимные механизмы ряда

биологических процессов на субклеточном и молекулярном уров-

нях,

связанному здесь с рядом

крупных

успехов: расшифровкой би-

осинтеза

белка, выяснением молекулярных механизмов

мышечного

сокращения, расшифровкой путей аэробного окисления и

гликоли-

за

и т.д.

Самым

удивительным

результатом развития современной биоло-

гии явилось доказательство общности основных, фундаментальных

процессов,

протекающих на молекулярном, субклеточном и кле-

точном уровнях, для всего живого на Земле, независимо от места,

занимаемого каждым организмом в эволюционном ряду.

Определение

понятия «жизнь»

Что

есть жизнь? Существует ли носитель жизни? Что такое жи-

вой организм?

Можно

ли назвать молекулы живыми?.. Эти и другие

подобные вопросы неизбежно возникают при попытке определить

понятие «жизнь».

Всем

известно определение жизни, данное Ф.Энгельсом в «Диа-

лектике природы»: «Жизнь есть

способ

существования белковых

тел,

существенным моментом которого является постоянный обмен

веществ с окружающей их внешней природой,

причем

с прекраще-

нием этого обмена веществ прекращается и жизнь...». Такое опре-

деление

базировалось на данных науки прошлого столетия.

Всякое

определение отражает состояние науки на конкретном

этапе

ее развития и неминуемо должно измениться с получением

новых данных, т.е. оно справедливо только для данного уровня раз-

вития науки.

Среди

многочисленных определений жизни, принадлежащих

разным

ученым,

преобладали функциональные определения. Так,

еще

Лавуазье писал, что «жизнь - это химическая функция».

А.Г.Пасынский утверждает: «Жизнь - это способная к самовосп-

роизведению (белковая) открытая система», - но он ничего не гово-

рит об организации, свойствах этой системы.

Вот

еще одно широко известное определение жизни, данное

К.Перре

: «Жизнь есть способная к самовоспроизведению открытая

система

сопряженных органических реакций, катализируемых сту-

пенчатым

и изотермическим образом сложными специфическими

органическими катализаторами, которые сами продуцируются сис-

темой».

Данное определение страдает односторонностью. Оно до-

статочно

полно характеризует жизнь с биохимической точки зре-

ния, но не затрагивает структуры, признаков живого, его свойств.

Один

из ведущих отечественных генетиков, академик

Н.П.Дуби-

нин,пишет:

«Исходя из фактов, можно сказать, что жизнь на Земле

- это интегральное существование ДНК, РНК и белков в форме ин-

дивидуализированных личных и видовых, целостных, структурно-

биохимических, саморегулирующихся открытых систем со свойст-

вами воспроизведения исторически развивающихся форм генетиче-

ской

информации».

В определении жизни, данном Н.П.Дубининым, мы встречаемся

уже с новыми понятиями, такими как ДНК, РНК, открытая систе-

ма, генетическая информация. В этом определении учитываются

достижения науки последних десятилетий, но снова ничего не гово-

рится

о структурной организации открытой системы, ее основных

свойствах (указывается только на свойство воспроизведения).

Прежде чем перейти к характеристике и анализу свойств жизни,

мы хотели бы обратить внимание на следующее определение

Дж.Бернала: «Жизнь есть частичная, непрерывная, прогрессирую-

щая,

многообразная и взаимодействующая со средой самореализа-

ция

потенциальных возможностей электронных состояний атомов».

Хотя на первый взгляд это определение учитывает характеристики

состояний

электронных оболочек атомов, но оно практически мало

что

дает,

так как указанные превращения осуществляются такими

сложными путями и в такой сложной среде, что проследить за реа-

лизацией

потенциальных возможностей электронных состояний

атомов не представляется возможным.

Из

чего состоит живая система? Какие вещества в ней преоблада-

ют количественно, а какие являются определяющими, от присутст-

вия

которых зависят основные свойства живого организма? Наше

определение жизни относится ко всему земному существованию и

не

затрагивает сущности внеземной жизни.

Прежде всего, живой системой может быть только такая, которая

состоит из белков, нуклеиновых кислот (НК), включающих в себя

дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кис-

лоту

(РНК),

липиды, углеводы, их комплексы (белково-липидные,

белково-нуклеиновые и др.), соли,

воду.

Хотя во

всех

без исключе-

ния

организмах количественно преобладает вода, но определяющи-

ми

являются белок, НК, их комплексы. (Вода может составлять 96-

98% массы тела, как, например, у медузы.) Упоминать в определе-

нии

жизни наличие только белка было бы в настоящее время недо-

статочным и неточным. Без НК прекратился бы синтез белка, стала

невозможной

передача по наследству основных свойств. В скором

времени такая система перестала бы существовать. Если мы хотим

трактовать жизнь как способ существования определенных ве-