Большая Советская энциклопедия (Би) - БСЭ

  В России И. М. Сеченов в конце 19 в. исследовал физические закономерности растворения газов в крови и биомеханику движений. К. А. Тимирязев изучал фотосинтетическую активность отдельных участков солнечного спектра в связи с распределением энергии в нём и особенностями спектра поглощения хлорофилла (1903). А. Ф. Самойлов описал акустические свойства среднего уха. П. П. Лазареву принадлежит заслуга в развитии ионной теории возбуждения (1916). М. Н. Шатерников использовал термодинамические представления в исследованиях энергетического баланса организмов (1910—20). В 1905—15 были выполнены классические исследования Н. К. Кольцова о роли физико-химических факторов (поверхностного натяжения, концентрации водородных ионов, катионов) в жизни клетки. Этот этап предыстории Б., охватывающий период до 20 гг. 20 в., характерен появлением отдельных работ с использованием идей и методов физики и физической химии при исследовании движения, слухового и зрительного аппаратов, фотосинтеза, механизма генерации электродвижущей силы в нерве и мышце, значения ионной среды для жизнедеятельности клеток и тканей.

  После Октябрьской революции сложились благоприятные условия для развития Б. в СССР. В 1919 П. П. Лазарев создал в Москве институт биологической физики, где вели работы по ионной теории возбуждения, кинетике реакций, идущих под действием света, исследовали спектры поглощения и флуоресценции биологических объектов, а также процессы первичного действия на организм различных факторов внешней среды. Позже такие институты были созданы и в других странах. В 20-е гг. Кольцов сформулировал концепцию о молекулярной структуре гена и матричном механизме передачи наследственной информации и синтеза макромолекул. В 20—30-е гг. вышел ряд книг, оказавших глубокое влияние на последующее развитие Б. в СССР: «Биосфера» В. И. Вернадского (1926),»Теоретическая биология» Э. С. Бауэра (1935), «Физико-химические основы биологии» Д. Л. Рубинштейна (1932), «Организация клетки» Н. К. Кольцова (1936), «Реакция живого вещества на внешние воздействия» Д. Н. Насонова и В. Я. Александрова (1940).

  В эти годы шло постепенное формирование базы для биофизических исследований, разрабатывались новые методы, росло техническое оснащение лабораторий. После 2-й мировой войны в СССР и ведущих капиталистических странах в результате огромного размаха исследований по физике и химии, возникновения мощной приборостроительной промышленности и резкого увеличения финансирования биологических исследований начинается бурное развитие Б.

  Формирование отдельных областей Б. Молекулярная Б. исследует механизм биологических явлений с точки зрения взаимодействия атомов и молекул, ионов и радикалов. В задачу этого раздела входит изучение пространств, строения, физико-химических свойств биологических систем на молекулярном уровне. Эта проблематика тесно связана с биохимией, что особенно ярко видно на примере изучения строения биологически важных макромолекул, выяснение пространственной структуры которых требует биофизического подхода и решается методом рентгеноструктурного анализа. Последний был успешно использован для расшифровки относительно простых биологических молекул (в 20-х гг. в Англии В. Астбери удалось частично расшифровать структуру молекулы целлюлозы). Работы по структуре белка были начаты в 30-х гг. английским учёным Дж. Берналом. К 1954 английские исследователи Дж. Кендрю и М. Перуц нашли метод расчёта пространственного расположения атомов в молекуле белка. Это позволило рассчитать структуру миоглобина и гемоглобина, что позволило вскрыть механизм возникновения серповидноклеточной анемии и глубже понять природу активного центра белковой молекулы. Работы по изучению пространственной структуры белков ведутся в СССР на физическом факультете МГУ, в институте биофизики АН СССР и других учреждениях. Исследования структуры фибриллярных белков (коллагена, фиброина шёлка) показали наличие регулярной структуры с периодически чередующимися группами аминокислот. Построена статистическая теория редупликации (удвоения) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). К 1968 определена структура около 200 белков. Наряду с изучением строения отдельных молекул большие успехи достигнуты в исследовании молекулярных комплексов — ультраструктур, создающих функциональные единицы клетки.

  Исследования по молекулярной Б. тесно связаны с биохимией, генетикой и цитологией, молекулярной биологией.

Значительное место в молекулярной Б. занимает проблема возбуждённых состояний молекул в биологических системах; такие молекулы приобретают высокую химическую активность. Наиболее изучены возбуждённые состояния, возникающие на первичной стадии фотобиологических процессов — фотосинтеза, зрения и биолюминесценции.

  Оригинальным направлением в отечественной Б. можно считать изучение сверхслабого ультрафиолетового свечения биологических систем (митогенетического излучения, А. Г. Гурвич, 1923—48). В 30-е гг. Г. М. Франк и С. Ф. Родионов разработали физический метод обнаружения сверхслабых свечений биологических объектов. Успехи в разработке методов регистрации сверхслабых световых потоков с помощью фотоэлектронных умножителей привели в 50-х гг. 20 в. к открытию сверхслабого свечения ряда животных и растительных объектов в видимой области спектра. Была показана связь этого свечения с рекомбинацией свободных радикалов. А. Н. Терениным с сотрудниками были исследованы механизмы элементарных фотофизических процессов с участием пигментов, указана роль состояний молекул, открыт механизм миграции энергии в них при фотохимических реакциях, изучен механизм люминесценции белков (1950—65). А. А. Красновский открыл и исследовал реакцию обратимого фотохимического восстановления хлорофилла и его аналогов (1949—60). Эти работы способствовали развитию биологической фотохимии.

  В одном из важных разделов Б. рассматривается превращение энергии в живых организмах, начиная с превращения и миграции энергии на молекулярном уровне и кончая энергетическим балансом целого организма (см. Биоэнергетика). Исследование взаимной трансформации химической и механической энергии при сокращении мышечного волокна, молекулярные механизмы движения ресничек и жгутиков у простейших, движения протоплазмы и клеточных органелл стали предметом изучения механохимии, находящейся на стыке биохимии и молекулярной Б. В 1938 в работе советских учёных В. А. Энгельгардта и М. Н. Любимовой, изучавших механизм мышечного сокращения, было впервые продемонстрировано наличие прямой связи между механическими и химическими процессами. В дальнейшем эти работы были развиты американским учёным А. Сент-Дьёрдьи.

  Традиционный раздел Б. — изучение физико-химических свойств клетки и проницаемости биологических мембран для различных веществ. Всё большее значение приобретают проблемы моделирования искусственных мембран и активного транспорта ионов. Одним из примеров практического применения знаний, полученных в этой области Б., биохимией и физиологией, является создание искусственной почки.

Важной проблемой Б. является изучение биоэлектрических явлений. В этой области Б. тесно связана с физиологией (см. Биоэлектрические потенциалы). Исследования показали, что между наружной и внутренней средой каждой живой клетки поддерживается разность потенциалов около 0,1 в. Её источник — создаваемый клеткой ионный градиент между наружной и внутриклеточной средой. Эти данные послужили основой для создания мембранной теории генерации потенциалов в клетке, выдвинутой в начале века немецким учёным Д. Бернштейном и экспериментально обоснованной в 50—60-е гг. работами английских учёных А. Ходжкина, А. Хаксли и Б. Каца, изучавших изменение проницаемости мембраны нервного волокна и ионные потоки в нерве при возбуждении (см. Мембранная теория возбуждения). Значительное место занимают также исследования других физико-химических свойств клеток — вязкости, оптических свойств, их изменений при различных физиологических состояниях и тех или иных воздействиях.

  Биофизические закономерности, свойственные организму в целом, рассматриваются в соответствующих разделах биоэнергетики (изучение механизма теплоотдачи, теплоизоляции, теплопродукции, скорости охлаждения при различных условиях и т.п.).

  Б. процессов управления неразрывно связана с кибернетикой биологической и биомеханикой. Созданию систем управления, выяснению принципов управления движениями животных и человека положили начало исследования советского учёного Н. А. Бернштейна. Он первым приступил к изучению обратной связи в биологических системах (1934). Изучение биомеханики движений (ходьба, бег, трудовые движения и др.), дыхания и кровообращения имеет исключительную важность в связи с вопросами физиологии труда и спорта, космическими полётами, а также для изучения причин сердечных и сосудистых заболеваний и создания аппаратов искусственного дыхания и кровообращения.