Глава 1 Краткая история биологической физики

Полная история биофизики до сих пор не была написана, вероят­но, из-за отсутствия общепринятого определения. Я попытаюсь здесь описать некоторые события, определяющие, с моей точки зрения, по­степенное или быстрое подключение физических подходов к решению проблем биологии.

Вероятно, первым, кто сказал, что живые объекты подчиняются тем же законам и содержат те же частицы материи, что и неживые, был греческий философ Эпикур (примерно 300 лет до нашей эры). Существенный вклад в физиологическую оптику сделали грек Гален и его комментатор египтянин Алхазени. Они правильно описали воз­никновение изображения на сетчатке. Их работы были продолжены и развиты великим Леонардо да Винчи (1452-1519). Существенный вклад в будущую биофизическую науку внес один из учеников Га­лилея — Джованни Борели. Он детально описал структуру и работу мышцы животных.

Новую главу в историю биофизики (а также и физики) вписали Гальвани и Вольта. Эта история заслуживает более детального описания.

Гальвани (1737-1798), профессор университета в Болонье, обна­ружил в 1980 году странное явление. Он изучал препарат мышцы лягушки, когда один из его помощников случайно коснулся нер­ва лягушки скальпелем. Это привело к сильному сокращению всей мышцы. Другой сотрудник Гальвани заметил, что это явление на­блюдается только, когда рядом с препаратом находилась дающая ис­кры «электрическая машина». С этого момента Гальвани начал свои знаменитые эксперименты по «животному электричеству». Ілавньїй

эффект был открыт, когда Гальвани обнаружил, что то же явление наблюдается, если спиной мозг лягушки соединить с другими ча­стями препарата металлической проволокой. Среди других важных характеристик этого эффекта Гальвани отметил, что сокращение мыш­цы усиливается, если проволока состоит из двух разных металлов. Это означает, что Гальвани открыл не только «животное» электри­чество, но и то, что теперь называется контактным потенциалом (потенциалом Гальвани), возникающим при контакте двух металлов с разными значениями «работы выхода» (энергия, требуемая для вы­хода электрона из металла).

Александр Вольта (1745-1827) сначала не поверил результатам Гальвани. После воспроизведения их, однако, он по собственному утверждению перешел от недоверия к их полному признанию [2]. Тем не менее, Вольта не разделял взглядов Гальвани на «животное электричество» и считал лягушку просто чувствительным электроме­тром. Вольта продолжал свои исследования, достиг больших успехов в экспериментальном и теоретическом изучении контактного потенци­ала, создал «вольтаический столб», стал процветающим и знаменитым профессором.

Таким образом, Вольта победил в своем споре с Гальвани. По­следний тоже продолжал свои исследования, но, благодаря большому авторитету Вольта, научное сообщество не приняло его результаты. Гальвани вынудили покинуть университет, и через год он умер в бед­ности. Дискуссии между последователями обоих ученых продолжались до 1844 года, когда Карл Маттеучи опубликовал несколько статей, до­казывающих существование биологического электричества с теми же свойствами, что и обычное «металлическое».

Исследования Гальвани создали два направления в науке: элек­трические явления в живой материи на разных уровнях организации и статическое электричество в физике. Я думаю, что именно с Гальвани началось реальное развитие биофизики.

В истории биофизики не так много событий, сравнимых по зна­чению с описанными выше. Выбор между ними — личное дело автора.

Глава 1. Краткая история биологической физики

С моей точки зрения следующим принципиальным шагом было по­явление знаменитой «зеленой тетради», опубликованной в 1935 году Тимофеевым-Ресовским, Циммером и Дельбруком [3). В этой экспе­риментальной работе, сопровождаемой глубоким теоретическим ана­лизом, были получены два существенных результата:

1. Скачкообразное изменение гена под действием ионизирующего излучения имеет квантовую природу, начинается с образования неравновесных энергизованных состояний гена и сравнительно редко приводит к наследуемым изменениям (мутациям) в атомной структуре гена.

2. Ген представляет собой небольшую компактную структуру, состо­ящую примерно из 10³ атомов.

С моей точки зрения, важность этой работы для биологии сравни­ма со значением для физики знаменитых экспериментов Резерфорда по пропусканию а-частиц через тонкую пленку металла, которые при­вели к «солнечной» модели атома. «Зеленая тетрадь» вдохновила Эрви­на Шредингера прочесть курс лекций в Тринити Колледже в Дублине в 1943 году, опубликованный затем в форме монографии [4]. Наиболее существенным в этой книге был глубокий анализ приведенных выше двух главных результатов «зеленой тетради».

Шредингер подчеркнул важную роль, которую играют в био­логических процессах сравнительно небольшие атомные структуры, не участвующие в тепловом движении. Эта блестящая книга иниции­ровала впоследствии постоянный приток профессиональных физиков в биологию и в значительной степени помогла создать современную биофизику.

Во второй половине XX века было опубликовано множество важ­ных биофизических работ. Я ограничусь перечислением главных осно­вополагающих событий.

Следующим фундаментальным шагом было открытие двойной спирали ДНК орнитологом Джеймсом Уотсоном и физиком Френси­сом Криком [5|. Эта история описана в таком количестве научных и популярных публикаций, что повторять ее здесь нет необходимости.

В конце 1940 - начале 1950-х годов началось создание теории информации и применение ее в термодинамике и биофизике [6-8].

Мы вернемся к этому важному событию в главе 3 в связи с парадоксом Максвелла.

Вероятно, следующим важным шагом была разработка И. М. Лив­шицем нового подхода к статистической физике биополимеров, как к частично неравновесным (в кинетическом смысле) системам [9, 10]. Работа Лившица создала новую главу статистической физики: статисти­ческая физика неупорядоченных систем, образующих, тем не менее, совокупность идентичных объектов. Детальное описание этих работ см. в монографии [1].

Закончим на этом описание важных событий в истории биофи­зики. Другие фундаментальные подходы и идеи, необходимые для понимания взглядов автора на решаемые и нерешаемые проблемы биофизики, обсуждаются в последующих главах.