Біофізика загальні поняття і історія

Лекція № 8. Біофізика

1. Загальні поняття і історія

Біофізика - це наука, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні явища, які відбуваються в живих організмах. Також дана наука вивчає структуру і властивості біополімерів, а також вплив різних фізичних факторів на живі організми і живі системи.

Протягом найтривалішого періоду історії людства вважалося, що науки є «не змішується». Минуло багато століть, і людство зрозуміло, що для подальшого розвитку треба вивчати «гібридні науки». Перші в світі спроби застосувати фізичні методи та ідеї до вивчення живого організму були зроблені ще в XVII ст.

Подальший розвиток біофізики пов'язане з:

1) вивченням робіт Луїджі Гальвані. У своїх роботах він висував існування «тваринної електрики» (більш докладно про нього буде розказано нижче);

2) вивченням робіт Г. Гельмгольца, а також з вивченням і розвитком акустики і оптики;

3) вивченням механіки та енергетики живих організмів;

4) вивченням робіт П. П. Лазарєва та робіт Ю. Бернштейна, а також з вивченням іонної і мембранної теорії збудження.

Біофізика вивчає цілісні системи, що не розкладаючи їх на складові частини. Якщо ж будуть виділятися складові частини, то в процесі такого «виділення» приватного з цілого будуть втрачені важливі для подальшого нормального існування властивості цілісної системи. Це перш за все негативно позначиться на самій біофізичної науки. Полімери нормально функціонують виключно в умовах непорушеною, цілісної системи. Тому біофізики повинні винайти нові прийоми і методи дослідження. Головною особливістю таких методів є те, що вони вивчають полімери саме в тих умовах, в яких вони і живуть.

Якщо були порушені важливі для подальшого нормального існування властивості і процеси клітини, то, відповідно, змінюються і її фізичні і хімічні параметри. При певних впливах клітина може втратити ряд своїх здібностей (наприклад, здатність до поляризації), хоча зовнішній вигляд клітин може залишатися незмінним.

Але клітина може не тільки втратити свої здібності, але і придбати так звані артефакти. Артефакт для біофізики - це новоутворені структури і з'єднання. Головна особливість артефактів полягає в тому, що їх немає в непошкоджених, т. Е. В цілих клітинах.

З появою мікроскопів, а потім з використанням електронних мікроскопів значно розширилися межі дослідження біології, хімії, біофізики і багатьох інших наук. Вчені, використовуючи методи електронної мікроскопії, намагаються розкрити деталі тонкої будови молекулярного речовини. При цьому вони можуть наштовхнутися і на артефакти. До чого це може призвести? А ось до чого:

1) якщо артефакт за зовнішніми ознаками не відрізняється, то це може привести до помилкових результатів. Крім «зовнішньої схожості», тут також відіграють помітну роль такі фактори, як наявність достатніх знань у вченого і прояв їм в процесі дослідження клітини граничного уваги;

2) артефакт може бути виявлений, якщо вчений володіє достатнім обсягом знань і інформації, а також проявив максимальну увагу.

Перед біофізичної наукою стоїть ряд складних теоретичних і практичних завдань. Ці завдання входять в компетенцію біофізики, а інші науки можуть надавати їй допомогу:

1) питання розміну енергії в біологічному субстраті;

2) дослідження ролі субмикроскопических і фізико-хімічних властивостей і структур в життєдіяльності клітин і тканин;

3) виникнення збудження і походження біоелектричних потенціалів;

1) наявність електричного потенціалу між безпосередньо самою клітиною і навколишнім середовищем;

2) жива клітина утримує іонний градієнт по калію і натрію між клітиною і навколишнім середовищем;

3) здатність поляризувати електричний струм.

Ці властивості притаманні тільки живим клітинам. Одну з найбільш помітних ролей в історії появи і розвитку біофізики зіграв видатний вчений Луїджі Гальвані.

2. Луїджі Гальвані, його теорія. Суперечка з вольт

Луїджі Гальвані (1737-1798 рр.) - видатний вчений, він займався анатомією і фізіологією. Гальвані став одним із засновників вчення про електрику. Луїджі Гальвані також відомий тим, що він перший звернув увагу на те, що електричні явища виникають при м'язовому скороченні (цей ефект, а точніше, явище, був названий «твариною електрикою»).

Гальвані надійшов до місцевого університету, після закінчення якого 1759 р почав готувати свою наукову дисертацію. На свою наукову роботу Луїджі Гальвані витрачає цілі роки. У 1762 р Гальвані з успіхом захищає свою дисертацію, яка була названа «Про кістках». Успіх Гальвані був настільки величезний, що він відразу ж зайняв пост глави кафедри анатомії університету, який він порівняно недавно закінчив. Таким чином, була належним чином оцінена робота молодого вченого.

Паралельно з науковою роботою Луїджі Гальвані займався і практикою: хірургією і акушерством. Через 12 років, в 1774 р Гальвані, проводячи досвід над жабою, відкриває «тварина електрику». Луїджі Гальвані зацікавився цим явищем як фізіолог. Його зацікавила здатність мертвого препарату проявляти себе як живий матеріал. Він міняв положення металевого дроту в тілі жаби, міняв джерела струму і безліч інших параметрів.

Проводячи такий досвід, Луїджі Гальвані хотів використовувати як джерело струму природне електрику, але погода стояла ясна і на небі не було ні хмаринки. Вчений чисто випадково притиснув електроди, які були встромлені в спинний мозок жаби, до залізної решітці, на якій і лежала жаба. Луїджі Гальвані був дуже сильно здивований, коли побачив, що з'явилися такі ж скорочення, як і під час дослідів, які проводилися під час грози.

Ще більше Луїджі Гальвані був здивований, коли з'ясував, що м'язи скорочуються і в той час, коли зовнішнє джерело струму відсутня. Виявилося, що м'язи починають скорочуватися і при простому накладення на них двох пластин різних металів, з'єднаних провідником.

Цими дослідами фізіолога Луїджі Гальвані зацікавився інший відомий вчений - фізик Алессандро Вольта. Вольта висловив припущення, що електрику полягає в тих двох пластинах різних металів, які використовував Гальвані. І електрику виникає при з'єднанні цих пластин провідником. Таким чином, фізик Алессандро Вольта став опонентом в науковій суперечці фізіолога Луїджі Гальвані.

Так почався найбільший суперечка між двома вченими. Алессандро Вольта наполягав на тому, що джерело електрики - це метали, а інший наполягав на тому, що джерело струму - це тварини. Обидва вчених проводили експерименти на підтвердження своєї теорії. Луїджі Гальвані, як йому здалося, знайшов незаперечні докази своєї точки зору, яка складається з двох елементів:

1) довів, що електрика виникає і без участі металів;

2) знявши шкірний покрив з нерва лапки жаби, Луїджі Гальвані підніс його до м'язів. М'яз почала скорочуватися.

Алессандро Вольта, однак, не заспокоївся і не відступився.

Він теж привів вельми і вельми переконливі докази на користь своєї точки зору.

Хоча і Гальвані, і Вольта вважали, що в суперечці прав тільки один з них, після тривалого періоду часу стало ясно, що обидві точки зору мають право на існування.

Алессандро Вольта був співвітчизником Луїджі Гальвані, так як обидва вони народилися в Італії, але в різних містах. Найважливішим його внеском в розвиток науки був винахід їм принципово нового джерела постійного струму. У 1800 р Алессандро Вольта створив так званий вольтів стовп. Це був перший хімічний джерело електрики. Ім'я Алессандро Вольта було увічнено тим, що в честь нього назвали одиницю різниці потенціалів електричного поля (вольт). Своє заслужене визнання Вольта отримав в XIX в. У 1800 р Наполеон Бонапарт відкриває університет в Павії і Вольта призначають професором кафедри експериментальної фізики.

Також Вольта був введений в комісію інституту Франції; через кілька років він отримує золоту медаль, а також премію першого консула; його запрошують працювати до Харкова. Папа римський призначає йому довічну пенсію, а у Франції він отримує орден Почесного легіону.

Пізніше Вольта переїжджає жити і працювати в Австрію, в університет міста Павія. До цього часу вчений був уже удостоєний дворянського титулу графа.

Австрійська влада так берегли Вольта, що дозволили йому працювати, не відвідуючи службу, а також підтвердили його право на довічну пенсію. У Павії Вольта був деканом філософського факультету.